超深矿井多绳多层缠绕式提升系统变形失谐及其控制

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第1章 绪论
　　1.1 超深矿井大型提升装备在国家深部资源开发战略中的地位和作用
　　矿产资源是各国重要的战略资源。随着全球矿产资源的消耗以及经济和社会发展对矿物资源需求的快速增长，浅部矿产资源逐年减少和枯竭，向地下更深处进行矿产资源探测、开发和开采，已经成为我国和许多国家的重大战略选择。为满足我国国民经济和社会发展的需求，国家制定了《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》，在重点领域——“能源”中，优先主题——(2)“煤的清洁高效开发利用、液化及多联产”提出，“重点研究开发煤炭高效开采技术及配套装备”[1]。煤炭作为我国的主要能源，分别占一次能源生产和消费总量的76%和69%。随着煤炭工业经济增长方式的转变，以及煤炭用途的拓展，煤炭的战略地位凸显。在我国，煤炭总产量80%以上来自井下开采，靠井工提升。金属矿山90%以上需井工作业。在矿山行业内，一般定义深度超过800m的矿井为深井，深度超过1000m的矿井为超深矿井[1，2]。目前我国大多数煤井都是浅井，井深至地面多为500～800m，深部资源开发(1000m以上)是经济发展的必然趋势。煤炭资源埋藏深度在1000～2000m的约占总储量的53%[2]，我国固体矿产勘查深度整体达到2000m，探明的资源储量在现有基础上翻一番。例如我国东部肥城矿业集团的曹县煤田、河北邯邢交界储量35亿t的大煤田，埋深在1200～2000m；西部地区哈密三塘湖煤田埋深1000～2000m的储量达650亿t[3]。金属矿山“十二五”期间千万吨级矿山的开发和建设也已启动，开采深度大多在1200m以上，部分要达到1800m以上。未来3～5年，我国金属、煤炭矿山将开工兴建1000m以上深井达30条。这些矿井工程在5～8年内预计需超深矿井提升装备60台套以上，总价值超过120亿元。我国将成为世界上超深矿井大型提升装备需求量最大的国家之一[3-6]。
　　矿井提升装备是将矿产资源从矿井底部运送到地面，将机电设备、材料和人员往返地面和井下的重大关键设备，不但要求它具有优良高效的提升能力，还需要有极高的安全性。南非的开采深度已达3000m以上，目前我国的开采深度也已达到1500m。例如山东三山岛金矿1号和2号明井均达到2005m，云南会泽铅锌矿3号井深达到1526m。深井开采及运输问题已经受到国家领导人和许多学者的关注。
　　目前我国在1000m以内矿井提升中矿井提升装备的理论、设计和制造方面的能力很强，能满足开采提升所需。并且我国开发的提升机已经出口到巴基斯坦、赞比亚、孟加拉、伊朗、委内瑞拉、土耳其、朝鲜、越南等众多国家。20世纪90年代我国生产的大型提升机台数已经超过国际上两大公司ABB和西马格在全球的总量。
　　对于井深超过1500m的超深井，如果采用传统的单绳缠绕式提升机，在保证提升能力和效率的前提下，需要设计直径巨大的卷筒和直径更大的钢丝绳，这样造成制造困难及运行成本成倍增加，系统可靠性和安全性降低。而采用多绳摩擦式提升机，其提升钢丝绳的交变应力幅过大，导致过早疲劳，钢丝绳的使用寿命大大降低，随着井深的增加，其提运的有效载荷会越来越小，系统可靠性和安全性降低。因此现有的单绳缠绕式和多绳摩擦式提升装备都不能满足超深井提升高速、重载、高效、高安全性的要求。在国外，目前可以开发出满足矿井深度3000m的大型提升设备，但是绝大多数仅用于有效载荷不大的贵重金属钻石矿石和黄金矿石等提升。而我国在超深井提升装备的设计和运行理论及制造方面仍处于空白，制约了国家深部资源开发利用战略的实施。国务院《装备制造业调整和振兴规划》中提出，产业调整和振兴的主要任务是要依托十大领域重点工程，振兴装备制造业，在第三大任务“煤矿与金属矿采掘”方面，要“以平朔东、胜利东二号、白音华、朝阳等十个千万吨级大型露天煤矿，酸刺沟等十个深井煤矿，以及大型金属矿建设为依托，大力发展新型采掘、提升、洗选设备”。我国深部矿产资源的有效开发和利用急需超深井提升装备，目前必须突破现有矿井(井深<1000m)提升装备设计制造和运行的基础理论和技术制约，直面超深井(井深>1500m)、高效率(提升速度≥18m/s、终端载荷≥50t/次)、高安全等带来的科学挑战，深入研究超深矿井大型提升装备设计制造和运行的基础理论和关键技术，实现超深井提升装备设计制造和运行的基础理论和技术的突破。本书针对在我国有望成为超深井提升的钢丝绳多点提升多层缠绕式组合拓扑结构提升装备面临的挑战进行研究，为这种提升装备的设计和运行提供基础理论和技术支撑。
　　本书研究的超深井提升的多点提升多层缠绕式组合拓扑结构提升装备不仅可以广泛应用于煤矿、金属和非金属矿山，而且还可以更为广泛地应用于众多领域，例如，可以应用于港口码头起重机、水利水电工程启闭机、升船机、海军深海探测绞车、水文勘测绞车、船舶上用大吨位绞车、航空航天发射基地吊运设备、建筑施工起重机、油田钻井探测设备等[7，8]。
　　1.2 超深井提升装备研发面临的科学和技术问题
　　矿井提升系统是集机、电、液一体化的大型复杂装备，是矿物资源开采中连接地面与地下的“咽喉设备”。矿物、人员、设备和材料在地面与地下间的运输都是通过矿井提升装备实现的，矿山对提升装备的效率和安全性要求极高。
　　矿井提升机可以分为斜井提升机和立井提升机。斜井提升机提升能力较小，由于提升钢丝绳在工作过程中与托辊接触，钢丝绳磨损较快，提升效率低，一般作为副井提升系统使用，产量较小的矿井也兼作提煤的主井提升系统。立井提升机按照提升钢丝绳的工作原理和方式一般可以分为：单绳缠绕式提升机和多绳摩擦式提升机。由于立井提升机提升能力大，其在生产中应用比较普遍。
　　我国现有800m以浅立井提升装备有单绳缠绕式和多绳摩擦式两种，前者靠钢丝绳缠绕提升，如图1.1所示。后者是靠钢丝绳与卷筒摩擦垫之间的摩擦力提升，如图1.2所示。
　　图1.1 单绳缠绕式提升机
　　1-摩擦轮；2-首绳；3-提升容器；4-尾绳；5-导向轮
　　图1.2 多绳摩擦式提升机
　　单绳缠绕式提升机主要由提升卷筒、钢丝绳、天轮和提升容器构成，其载荷包括物料、容器和钢丝绳自重等。单绳缠绕式提升机工作原理比较简单，钢丝绳的一端绕过井架天轮固定在提升容器上，另一端固定在卷筒上，通过卷筒的正反转使钢丝绳缠绕或脱离卷筒来实现物料的提升或下放工作。这种提升机在我国矿山中使用比较普遍，占的比重很大。随着提升高度的增加，钢丝绳长度也增加，造成提升装备钢丝绳自重急剧增加，通过牺牲有效提升载荷来满足提升要求。当提升的终端载荷达到100t(容器和物料各50t)，提升高度从800m增加到1000m时，钢丝绳直径将成倍增大，从常用的60mm增加到120mm以上，钢丝绳自重也会急剧增大，从50t增加到140t，天轮处钢丝绳受到的最大载荷达到240t。根据《煤矿安全规程》，卷筒和天轮的直径与钢丝绳直径之比应大于等于80，此时卷筒直径至少达到10m，卷筒的宽度也将从4m增加到8m以上，卷筒尺寸成倍增加；钢丝绳的缠绕层数从1～2层增加到3层以上，缠绕层数过多极容易造成乱绳；而钢丝绳直径大于120mm时对于制造、安装和缠绕都较为困难，提升装备的制造及运行成本会成倍增加。因此，从工程适用性角度看，单绳缠绕式提升机不适用于超深矿井重载提升。
　　多绳摩擦式提升机是靠钢丝绳与卷筒摩擦垫之间的摩擦力提升，主要由摩擦轮、首绳、尾绳、导向轮和提升容器组成，通过钢丝绳和摩擦轮之间的摩擦力实现物料的提升和下放，其原理图如图1.2所示。摩擦式提升机的载荷主要包括物料、容器、首绳和尾绳等，这些载荷使钢丝绳和摩擦轮之间存在合适的正压力(比压)，使钢丝绳受到足够的摩擦力来提升或下放物料。虽然尾绳可以在一定程度上减小提升机运行过程中的驱动转矩，但会造成首绳的张力随提升高度的变化而交替变化。与提升容器相连处的钢丝绳在井口处时应力达到最大，而在井底处应力最小，从而导致钢丝绳产生大幅度的应力波动。而应力波动将严重影响钢丝绳的使用寿命，为了保证钢丝绳的使用寿命，要求钢丝绳中的应力波动值小于等于165MPa或不超过钢丝绳破断应力的11.5%，按照该要求，摩擦式提升机的理论提升高度的最大值为1700m左右[2，4，6]。由于受摩擦衬垫材料强度和耐磨性能的限制，首绳和摩擦轮衬垫之间的比压不能超过3MPa。随着提升高度的增加，比压也随之增大，当比压超过3MPa时，只能通过降低有效提升载荷来降低提升总重量从而保证比压不超过3MPa。同时，提升高度增加导致尾绳长度增加，造成钢丝绳的交变应力幅值也增大，钢丝绳疲劳损伤加剧，使用寿命降低。当提升高度达到2000m，以20m/s的速度提升时，钢丝绳的自重将达到400t，有效提升载荷趋于0。因此，由于比压的限制和尾绳过重导致的钢丝绳过大的应力波动，摩擦式提升机理论上无法实现超深井高速大载荷提升。
　　由于多绳摩擦式提升机会导致钢丝绳应力波动过大并且受到比压的限制，单绳缠绕式提升机需要直径很大的钢丝绳，同时卷筒直径和宽度也急剧增大，因此，多绳摩擦式提升机和单绳缠绕式提升机均不适用于超深矿井重载提升。为了实现超深矿井的超高速、重载荷、高效率、高安全提升，必须在现有的提升装备基础上，实现理论和技术突破，才能设计制造出适用于超深矿井提升的提升装备。因此，提出新的结构型式的高效提升装备型式是目前解决超深矿井提升的有效方案。目前的技术思路是将矿井提升装备结构巨大、制造困难的难题转换为多点同步组合结构设计的复杂性与协同控制的精准性问题，实现超深井经济高效提升，如图1.3所示。
　　图1.3 多绳缠绕式提升机
　　多绳缠绕式提升面临三个挑战。挑战1：高速重载，需解决动载荷巨大条件下，提升结构的可制造性与空间布置可行性；挑战2：钢丝绳多层稳定缠绕，需实现高速重载条件下多层多绳平稳缠绕及圈间和层间有序过渡；挑战3：多点同步提升，需实现多点提升变惯量系统的位置与张力同步控制，保证运行安全。
　　目前国际上没有多绳缠绕式重载超深井提升机应用，有的是超深井中小载荷的贵重矿物提升，例如南非Kloof矿在用多绳缠绕式提升机时，提升高度2000m，提升速度18m/s，有效载荷31t；没有多绳缠绕式提升机设计理论及方法的公开资料。我国没有多绳缠绕式提升机相关设计标准及规范，没有能力进行超深井条件下缠绕式提升机的开发和应用。
　　超深井条件下多绳缠绕式提升机动载荷巨大，承载结构使用寿命大幅降低的技术挑战提出了大扰动强时变刚柔耦合机理、动载荷规律与结构拓扑优化的科学问题。多点提升系统的变形差异大，同步控制困难，导致设备不能正常运行的技术挑战提出了多点柔性提升系统的变形失谐机理与协同控制的科学问题。高速运行，复杂工况破坏运行平稳性，严重威胁安全运行的技术挑战提出了变惯量时滞系统运行失稳机制与状态识别的科学问题。
　　以上三个科学问题的研究和解决需要达到的理论目标是：①揭示多自由度、大尺度、强时变柔性提升系统纵振、横振和扭振机理及非定常冲击行为的发生、增强、衰减和在超长界面中的传播规律，形成高速运行条件下超深矿井提升系统钢丝绳动载荷预测、均衡和抑制模型。②揭示绳槽型式、过渡曲面形状产生缠绕误差运动的机理和多点驱动柔性提运系统高速缠绕运动误差的成因、传播形式和失稳机理，形成柔性多点驱动系统变形失谐规律及多点驱动柔性同步协调控制模型。③揭示多场耦合下超深矿井大型提升装备全状态参量与服役行为的映射关系，获得强时滞下同源、非同源弱关联信息智能感知、融合和预测规则，形成多执行器多目标协调状态传递规律及安全运行动态控制策略。相应需要达到的技术指标是：①提出超深矿井提升系统多点组合拓扑结构设计方法，主要技术指标为提升高度1500m以上、提升速度18m/s以上、终端载荷240t以上、提升装备整机设计寿命30年、钢丝绳张力差异小于10%、制动系统工作循环大于2.0×106次。②掌握排绳绳槽分布、绳间及层间过渡装置曲面设计技术，形成刚柔机