千萬噸級礦井提升系統關鍵技術集成與應用研究

劉改葉

千萬噸級礦井提升系統關鍵技術集成與應用研究

劉改葉

針對國內外在礦井提升一體化技術及系統配套等方面，特別是對于特大型現代化礦井提升系統關鍵技術集成與應用方面的理論、技術研究基礎薄弱的現狀，對礦井提升系統高端裝備及關鍵技術進行了綜合集成、應用創新研究，形成了主井高效節能、副井精準定位，年產1 200萬t特大型現代化礦井提升系統。

煤礦開采；礦井提升；千萬噸礦井；大功率提升機；提升系統一體化集成

0 引言

如何集成現代化裝備和先進技術，實現整個提升系統的一體化集成及系統裝備配套及功能匹配，確保千萬噸級特大型現代化礦井提升的能力、效率、工作可靠性、智能化水平，是現代化礦井的一大技術難點。針對麻家梁礦井深近600 m、年生產能力超1 200萬t現代化立井提升系統，對主井大功率高效節能提升、副井運行可靠與精準定位、主副井的智能控制等方面進行了理論、技術與裝備集成難點攻關研究，取得了較大的技術突破。

1 大功率重載高速主井提升高效節能綠色控制系統研究

主井提升機單機功率7 000 kW，單次提升總重達120 t，提升速度13.73 m/s，屬于大功率重載高速提升系統。如何實現其高效綠色節能運行是主井提升的關鍵所在。

（1）采用ACS6000交直交直接轉矩控制變頻傳動系統，全數字計算機控制，實現了主井提升系統的綠色節能運行。

通過分析傳動系統的基本原理，三電平變流器的輸出特性，以及傳動系統的力矩響應特性，使用半導體功率元件IGCT，采用電流遲滯環比較方式直接轉矩控制技術，砰-砰控制技術，并且優化觸發脈沖控制模式。利用這些硬件和軟件的完美結合，實現了電動機功率因數恒為1（見圖1），具有顯著的節能效果；傳動系統不僅不產生電網諧波，無需諧波治理，而且吸收過濾電網上的諧波；無功功率損耗，電壓降低（見圖2）（2臺電動機同時啟動，其電網壓降小于4.5%），對電網上其他設備沒有任何影響；采用直接轉矩控制，以25μs的間隔計算力矩控制，單步切換達到設定值，實現了力矩控制響應時間為1 ms左右，且在各種工況下力矩總是平滑可控的，靜動態控制精度高（見第2頁圖3）；通過調整力矩汶波頻段和力矩前饋控制，傳動系統能消除力矩汶波，并能檢測到共振頻率，抑制機械共振。

圖1 實測的整流單元電流和電壓波形

圖2 電網壓降比較

（2）采用9 000 kW的雙變頻單元，在國內首次設計實現了具有“全載半速”功能的大功率礦井提升變頻傳動系統，確保了主井提升系統的安全、連續、高效運行。

圖3 力矩響應

主井電動機單機功率7 000 kW，電機定子采用A、B雙繞組結構，變頻系統具有2個整流單元、2個逆變單元、2個整流變壓器、2個中壓開關。對于兩套子系統，正常情況下（見圖4）電機的兩繞組并列運行，提升機全載全速運行。當其中一套子系統損壞時（普通提升系統需停機維修），通過切換開關將電機兩個定子繞組串聯起來（見圖5），此時電機的轉矩不變，功率減半，所以電機輸出的最大速度減半，提升機全載半速運行。

圖4 全載全速運行

圖5 全載半速運行

2 大功率重載副井提升高精準定位控制系統研究

副井主提升系統電機功率達3 600 kW，配備一個雙層特大型罐籠，自重51 t，可運送整件最大件重量50 t（液壓支架不解體和支架搬運車的整體搬運），可載290人同時入井。該提升系統屬于大功率特大型重載副井提升，實現其高可靠性和精準定位是當前的一大技術難點。

（1）建立了提升鋼絲繩動力學模型，采用5段S形速度曲線，實現了速度的平滑變化，保證了礦井上下人員的舒適度；采用位置、速度、轉矩三閉環全數字控制（見圖6），保證提升機嚴格按照設計曲線運行；發揮了力矩預置功能、力矩保持功能；確保啟動平滑，避免了零速停車倒溜，減少了啟動和停車時的沖擊次數。

圖6 位置、速度、轉矩三閉環控制框圖

（2）副井提升傳動系統采用交直交變頻傳動系統，由全數字控制模塊構成，配備一臺SINAMICS SM150中壓電壓源型交直交變頻器；電網端帶能量回饋控制，使功率因數優于0.95。采用ROTOS技術，使輸出電流波形非常完美。采用高性能的速度位置控制系統，實現了提升零速時電機保持絕對零速，由編碼器測量的位置也保持不變，以保證準確停車精度；全自動液壓操車系統實現了罐籠定位精度高（±20 mm），對罐時間短，解決了罐籠左右搖晃以及上下跳動而不穩的問題。罐籠采用柔性結構，較好地平衡了張力，提高了安全性。采用ST3-D恒減速液壓盤式制動器，保證隨時提供1.5 m/s2的最小減速度，且具有緊急安全制動時的雙份冗余配備。

圖7 副井提升機的工藝控制、監控系統

（3）采用雙PLC設計，一路主控，一路監控，進行雙路獨立信號采集、狀態判斷、實時運算、控制指令生成等，確保控制的安全性和可靠性；采用PLC+FM458構架的控制系統（見圖7），PLC實現邏輯連鎖控制和保護功能，FM458實現工藝控制；遠程站放置ET200裝置，采用Profibus通訊傳送方式，實現遠程診斷、集中調度和信息集中顯示；采用安全回路、電氣停車回路和閉鎖回路三大控制回路；提升機控制專用功能塊實現了位置、速度、加速度、沖力、爬行等曲線的設定，只需要改變相關參數即可改變相應的設置。

3 提升系統的機電耦合動力學建模與分析

在提升機加、減速或緊急制動時，鋼絲繩會儲存或釋放能量，產生很大的動應力波動，造成提升容器劇烈震蕩，這會導致摩擦傳動失效，嚴重時會導致打滑和跑車事故，造成重大的經濟損失。這就要求對提升機運行動態特性進行分析，進而通過結構及運行關鍵參數的優化，提高其運行可靠性，防止由于重載提升系統動態特性的影響而造成設備故障及事故。多繩摩擦式提升系統的模型見圖8。

鋼絲繩動張力方程為：

上式中μ為等效黏性阻尼。提升鋼絲繩的最大動張力同時滿足下列要求：

圖8 多繩摩擦式提升系統模型

通過提升系統在非正常工況時的動力學特性研究，對卡罐工況進行了分析，最后驗證了提升高度537.7 m，罐籠質量51 000 kg，罐籠最大載荷50 000 kg，平衡錘質量75 000 kg時，在提升高度一半出現卡罐現象時，提升側鋼絲繩的最大動張力為5 447.281 820 kN，小于鋼絲繩破斷拉力4×2 710= 10 840 kN，張力比為1.11，小于2.2，不會出現鋼絲繩滑動情況。

分析了罐籠停罐時承接裝置的動力學模型（見圖9）及響應特性。

圖9 罐籠承接過程4階段

在x2(t)＜0，0≤x2（t）＜δ以及δ≤x2(t)區間段，系統動力學方程可分別表示為：

式中：x5(t)——鋼絲繩向下運行函數；

x2(t)——罐籠向下運行函數；

n——提升鋼絲繩根數；

p——提升鋼絲繩線密度，kg/m；

H——提升高度，m；

M——罐籠質量(含尾繩)，kg；

m——載重質量，kg；

c2——單位長度鋼絲繩阻尼系數；

CS——承接裝置阻尼系數，kg/s；

δ——承接裝置構件變形量，m；

q0——承接裝置彈簧預壓縮量，m；

K2——鋼絲繩剛度，N/m。

實例證實了在減速過程中，減速至爬行階段，勻速爬行數秒，再分別以變減速、變加速運行時，進行數值仿真，得速度、位移、承接力時變圖，見圖10～圖12所示，可以看出位移誤差很小，速度和穩罐裝置承接力迅速衰減到0。

圖10 速度-時間

4 千萬噸級礦井提升系統高端裝備集成研究

圖11 位移-時間

圖12 承接力-時間

采用定性定量相結合綜合集成的集成方法，對千萬噸級的特大型現代化礦井提升系統通過分析、建模、仿真和試驗等方式，以及從系統環境、系統結構和系統功能之間的輸入輸出關系進行系統分析與綜合，完成這一過程。

4.1 注重綜合規劃和系統總體匹配

從一開始就本著現代化特大型礦井年產1 200萬t的高產高效智能化為總體目標，從提升系統的各個單元模塊選擇上進行功能參數匹配，合理進行參數選擇和結構參數匹配，做到機械參數、電氣參數和控制參數三者的有機協調和統一，實現了各功能模塊的一體化高端集成。

主井實現了“一井雙機、并行生產、1 200萬t”大功率高產高效千萬噸級提升系統集成與應用。設計了井筒直徑為9 m、井架高度80 m的全亞洲最大的兩臺JKMD-5.7 m×4(Ⅰ)型落地式多繩摩擦雙箕斗提升系統：提升鋼絲繩直徑59 mm，提升速度13.73 m/s，提升周期106.2 s，單次提升載重45 t，年產能力1 200萬t、最大提升能力1 500萬t；提升電動機單機功率7 000 kW，采用ACS 6000直接轉矩控制傳動系統，功率因數恒為1，傳動效率為0.97。

副立井主提升系統采用JKMD-5.7×4型落地式多繩摩擦提升機，電動機為3 600 kW的IDM6040-6× T10-Z型低速直聯交流同步電動機，配套恒減速制動系統及全自動液壓操車系統，實現了罐籠的精準定位。罐籠鋼絲繩為直徑62 mm的德國達高鋼絲繩，采用TCK在線監測。罐籠自重51 t，特大型罐籠（4 270 mm×7 700 mm×10 500 mm）采用雙層結構，可載290人同時入井，最大載重50 t，實現了液壓支架不解體和支架搬運車的整體搬運；罐籠采用柔性結構，更好地平衡了張力，提高了安全性。

4.2 實現統一標準和接口模式

為提高整個提升系統的互操作性,必須解決通用性問題,從技術上實現綜合集成。要做到這一點，首先要在控制系統、信號處理、數據通信、用戶界面等方面建立統一的接口標準，實現各控制信號之間的統一管理和控制。

主井提升機控制系統采用網絡化集成監控管理系統組態軟件WINCC與AC800M PLC控制器系統、S800 I/O系統，實現了提升過程的自動化與實時監控；提升過程實現了可視化智能監控，操作顯示界面顯示提升箕斗所在的位置、裝卸載系統所處的工作狀態、提升速度、加速度以及故障等信息。

副井提升機的主控系統由西門子公司的SIMATIC S7-400 PLC+FM458模塊結合ET200組成，協調管理提升機的操作和報警任務。在檢測提升容器在井筒中的準確位置以及速度的基礎上實現行程控制，全數字的閉環控制方式使停車位置準確，不依賴停車開關停車，減少了故障點，自動化程度高，減少了系統運行過程中人工的參與。硬件結構采用雙PLC控制的主控、監控系統，實現了提升過程的智能化監控。

4.3 多層次、具備復合功能的裝備系統

多層次、具備復合功能的裝備系統有機結合整個礦井提升系統成為礦井生產的一個重要環節。控制設備類型多樣，信號復雜，如何協調好多層次、具有復合功能的裝備系統的配套集成是一大技術難點。

5 應用效果

集成了高可靠性、高配置、高起點的提升設備，形成了國際先進的現代化大功率、高產、高效、高可靠性、低能耗、自動化及智能化的“一井雙機、并行生產、年產能力達1 200萬t”千萬噸級礦井提升系統，積極推進了大型化、高效化、智能化高端裝備與先進技術集成及應用。

麻家梁礦主副井提升系統自投入運行以來，系統穩定、可靠，實現了單日最大提煤超58 000 t，年產1 200萬t的提升能力要求，為同煤集團帶來了巨大的經濟效益，為當地的經濟及社會發展做出了巨大的貢獻。

Research on the Key Technology Integration and Application of Hoisting System in More than Ten Million Tons of Coal Production of Mine

Liu Gaiye

For integration technology ofmine hoisting and supporting system at home and abroad,especially for the status quo of the theory of the key technology integration and application of hoisting system in oversizemodern mine and weak technology research foundation,the comprehensive integration and application innovation is studied for high-end equipment ofmine hoisting system and the key technology,high efficiency and energy saving ofmain shaft, precise positioning of vice shaft and annual production of 12 million t of hoisting system in oversizemodern mine are formed.

coalmining;mine hoisting;more than ten million tons of coal production ofmine;high power hoist; integration of hoisting system

TD534

B

1000-4866（2015）01-0001-05

2014－10－04

劉改葉，女，1969年出生，現在大同煤礦集團機電裝備制造有限公司工作，工程師。