超深井鑿井用鋼絲繩的選擇與正確使用

胡欽剛

(寧夏新日恒力鋼絲繩股份有限公司， 寧夏 石嘴山市 753202)

國內某計劃建設的鐵礦，采用豎井提升，提升高度1500 m，為國內第一深井，由于該井筒較深，對設計和施工都是一個新的課題，特別是對設計單位來說，無論是施工方案，還是設備的選擇，都沒有可借鑒的經驗，故設計單位在設計過程中和施工單位和設備生產企業進行了充分的交流，以確保該項目能夠順利完工，本文主要對主提升鋼絲繩的選擇與正確使用進行了闡述。

1 傳統設計方案

根據設計單位的經驗和《重要用途鋼絲繩》(GB 8919-2006)，對開鑿立井提升(建井用)推薦選擇18×7+FC類鋼絲繩，即鋼絲繩結構為12+6+FC，股繩結構為1×7，鋼絲繩截面見圖1。

圖1 18×7+FC鋼絲繩斷面

該礦井的具體參數為：提升機型號2JK-4.5×2.4/20；最大靜張力280 kN；最大靜張力差180 kN；提升高度1530 m,提升天輪到井口高度30 m；最大繩端荷載13.362 t(傘鉆：12.8 t，連接和附屬裝置：0.562 t)。

設計要求鋼絲繩的安全系數選擇6.5倍，為確保安全生產，鋼絲繩必須符合以下規定：

F總和/m≥(M×L+Q荷載) ×g

(1)

式中：F總和—最小鋼絲破斷拉力總和;

m—安全系數;

M—鋼絲繩長度參考重量,kg/100 m;

L—鋼絲繩的懸掛長度，100 m。

Q荷載=q傘鉆+q附屬；

(2)

式中：g—重加速度,m/s2。

F總和=F0×Kh

(3)

F0=K′×D2×R0

(4)

式中：Kh—最小鋼絲破斷拉力總和與鋼絲繩最小破斷拉力的換算系數，查GB 8919-2006中Kh為1.283；

F0—鋼絲繩最小破斷拉力，N；

D—鋼絲繩的公稱直徑，mm；

K′—指定某一結構鋼絲繩的最小破斷拉力系數，查GB 8919-2006中K′為0.310；

R0—鋼絲繩公稱抗拉強度，MPa，本事例R0選擇1960 MPa。

M=KD2

(5)

式中，K—鋼絲繩的長度重量系數，kg/100 m·mm2;

D—鋼絲繩的公稱直徑,mm,查GB 8919-2006中K為0.39。

對不等式(1)進行轉換，得鋼絲繩的公稱直徑應大于：

(6)

經計算，鋼絲繩的公稱直徑D應大于47.67 mm，根據GB 8919-2006中關于鋼絲繩直徑的標準序列，選擇公稱直徑為48 mm的鋼絲繩，但是根據以往的使用經驗，鋼絲繩直徑44 mm較大，超過該直徑后，提升機的卷筒直徑與鋼絲繩直徑的比值就會降低，這樣勢必會降低鋼絲繩的使用壽命。再有18×7+FC類鋼絲繩屬于微旋轉鋼絲繩，鋼絲繩的抗旋轉性不是很好，特別是在超深井的提升時。

2 改進方案

在ASTMA 1023/A 1023M-07[2]中，根據鋼絲繩抗旋轉性能高低將鋼絲繩細分為3類:抗旋轉性能最好的鋼絲繩，該類鋼絲繩由3層股構成，最外層至少有15根股，通過2次合繩將組繩不同位置股捻制在中心結構外，鋼絲繩旋轉性很小(有的資料稱為抗旋轉或低旋轉鋼絲繩)；抗旋轉性能較好鋼絲繩，該類鋼絲繩由2層以上股構成，最外層至少有10根股，通過2次或3次合繩將組繩不同位置股捻制在中心結構外，鋼絲繩具有明顯的抗旋轉性(這類鋼絲繩繩股層數與成繩次數一致，但旋向相反)；抗旋轉性能最差的鋼絲繩，繩由2層股組成，最外層不超過9根股，通過2次合繩將組繩位置股捻制在中心結構外，鋼絲繩兩層旋向可以相同，鋼絲繩具有有限的抗旋轉性。

可以看出18×7+FC類鋼絲繩屬于抗旋轉性能較好的鋼絲繩，但不是抗旋轉最好的鋼絲繩，為了保證安全生產，決定選擇抗旋轉性最好的鋼絲繩。根據該礦井的實際特點，推薦使用《壓實股鋼絲繩》YB/T5395-2010中35W×K7類鋼絲繩，鋼絲繩截面見圖2，即鋼絲繩結構為16∶6/6+6+1，股繩結構1×K7。

圖2 35W×K7鋼絲繩斷面

該鋼絲繩分兩次捻制，先生產繩芯，結構為6/6+6+1，第二次再在外層包覆16根外層股，并且兩次的捻制的方向相反，這樣可平衡內外層鋼絲繩的扭距，并且對鋼絲繩的股繩采用壓實處理。

該鋼絲繩的特點是：比同規格同強度的18×7+FC 鋼絲繩的破斷拉力提高32%;良好的抗旋轉性;柔軟性更強;耐磨性更好;抗變形能力強，更適合多層卷繩。

根據不等式(6)計算鋼絲繩公稱直徑，其中：查YB/T5395-2010Kh為1.287；查YB/T5395-2010K′為0.410；本事例R0選擇1960 MPa；查YB/T5395-2010K為0.510。計算鋼絲繩的直徑D應大于39.89 mm，根據YB/T5395-2010中關于鋼絲繩直徑的標準序列，選擇公稱直徑為40 mm的鋼絲繩。

根據計算，35 W×K7-40 mm的鋼絲繩比18×7+FC-48 mm鋼絲繩面積減少30.5%，并且35 W×K7鋼絲繩在超深提升中的抗旋轉性大大優于18×7+FC鋼絲繩，經過與設計單位和施工單位的充分溝通，選用35 W×K7-40 mm的鋼絲繩做為主提升鋼絲繩。

3 鋼絲繩的正確使用

3.1 纏繞方向

安裝新鋼絲繩之前，應當檢查與鋼絲繩相關的部件，如卷筒、天輪、導向輪的條件和尺寸，以確認相關部件的條件和尺寸是否符合原設備制造商或有關規程、標準的規定[3]。

鋼絲繩在滾筒上的纏繞方向：左右捻向的鋼絲繩在滾筒上纏繞的方向，必須根據使鋼絲繩捻緊而不是捻松的方向纏繞。右捻(Z捻)的鋼絲繩，如滾筒自上向下旋轉，則鋼絲繩應自左向右排列(如圖3(a)所示)，如滾筒自下向上旋轉，則鋼絲繩應自右向左排列(如圖3(b)所示)；相反如果是左捻(S捻)的鋼絲繩，則其滾筒上的鋼絲繩的排列方向應按圖4(a)或圖4(b)進行排列。

圖3 右捻鋼絲繩在滾筒上的排列方向

3.2 繩輪和卷筒的繩槽

繩槽的半徑應當比鋼絲繩公稱半徑大7.5%左右，而且絕不能小于鋼絲繩半徑的105%。如果繩槽過小，鋼絲繩使用早期就可能出現問題；繩槽與鋼絲繩必須有間隙，且對鋼絲繩具有足夠的環形支撐，以保證股的正常運行并允許彎曲。當繩槽磨損后，鋼絲繩被卡緊，股和絲的運動受阻，鋼絲繩彎曲能力降低。當新繩換上時，與舊繩直徑有很明顯的稍小差異，新繩可能無法適合舊繩的磨痕，因而產生不必要的磨損，如果認為新繩換上后磨損過大時，可以采用機加工的方法來校正。

圖4 左捻鋼絲繩在滾筒上的排列方向

3.3 傾斜角

傾斜角是由繩輪中心引出的卷筒軸線的垂直線與由繩輪中心引出到卷筒內沿邊緣線之間的夾角，見圖5。天輪到滾筒的鋼絲繩的最大內、外偏角不得超過1°30′。單層纏繞時，內偏角應保證不咬繩[4]以保證鋼絲繩在平面卷筒上與相鄰一圈以及在有繩槽卷筒與繩槽兩側的磨損為最小，在摩擦式提升中應盡量避免出現傾斜角。

圖5 鋼絲繩傾斜角

4 鋼絲繩的檢測

4.1 新鋼絲繩的檢測

鋼絲繩在使用前，檢查鋼絲繩有無“安全標志”，并識別“安全標志”的真偽[5]，同時檢查是否有合格的出廠質量保證書。

驗收檢驗的依據是根據MT716—2005《煤礦重要用途鋼絲繩驗收技術條件》和GB 8918—2006《重要用途鋼絲繩》和訂貨合同。

對鋼絲繩進行捻制質量、表面質量(用手感和目測方法)進行檢查。還要進行直徑、不圓度、長度等的測量。直徑的測量應使用寬口游標卡尺，其鉗口的最小寬度應足以跨越兩個相鄰的股。

4.2 在用鋼絲繩的檢測

(1) 銹蝕。銹蝕對鋼絲繩的強度和耐沖擊性能影響很大。從某種意義(如韌性和強度的變化率)上講，它要比斷絲和磨損更加嚴重。因此，檢查時如發現銹蝕嚴重，點蝕麻坑已形成溝紋，不論斷絲或繩徑是否變化，必須立即更換。如檢查時發現鋼絲繩出“紅油”，說明繩芯無油，內部生銹，應引起注意，必要時可切開繩頭檢查鋼絲繩內部銹蝕情況。

(2) 磨損。通常以鋼絲繩標稱直徑為準計算直徑減小量作為更換的標準，鋼絲繩直徑的測量必須選用鉗口寬度跨越兩個相鄰股寬的游標卡尺測量，根據不同行業標準，達到磨損規定值時必須進行更換。

(3) 斷絲。按《煤礦安全規程》規定，各種股捻鋼絲繩在一個捻距內斷絲面積與鋼絲總面積之比，達到規定數值時，必須更換。

5 鋼絲繩的維護

鋼絲繩再涂油。應當在鋼絲繩出現銹蝕或干的跡象之前，有規律的定期涂油，涂油的主要目的是保護外層鋼絲不受銹蝕，減少股間鋼絲和絲間鋼絲磨損，阻止濕氣和水份等浸入繩內。

鋼絲繩出現斷絲后，必須用克絲鉗沿鋼絲根部將鋼絲搖斷，避免斷絲將其它鋼絲鉻傷。

6 結 語

通過設計單位、施工單位和鋼絲繩生產單位的共同努力，該礦井已如期開工，為我國超深井鑿井用鋼絲繩的選擇，開辟了一條新的思路，同時，本文對鋼絲繩正確使用、檢查、維護的闡述，必將對礦山的安全生產起到積極的作用。

參考文獻：

[1]GB 8919-2006.重要用途鋼絲繩[S].中國標準出版社.

[2]ASTM ASTM. A 1023/A 1023M-07 Standard Specification for Standed Carbon Steel Wire Ropes for General Puroses [S],USA:ASTM,2007.

[3]張 鈁.EN12385-3：2004 鋼絲繩—安全第三部分：使用和維護信息[S]//戴寶昌.國外鋼絲繩標準譯文集.鄭州：中鋼集團鄭州金屬制品研究院，2007：475￣486.

[4]安全生產、勞動保護政策法規系列專輯編委會.煤礦安全規程[J].北京：中國勞動社會保障出版社.

[5]湯思忠.鋼絲繩用油脂的選擇與使用[M].金屬制品,2008(1).