馬坑礦業提升機尾繩斷裂因素分析及防范措施探討

王華民

（福建馬坑礦業股份有限公司）

礦井提升機在各類礦區中運用十分廣泛，擔負著地面與井下人員和物料往來的重任，副井的提升系統是井下礦山的關鍵設備，普遍采用多繩摩擦式提升機。多繩摩擦式提升機由主軸、車槽、減速器、深度指示自動調零裝置、尾繩懸掛裝置組成。多繩摩擦式提升機具有設備質量輕、安全性較高、電耗較低、鋼絲繩松捻扭力小等優點。缺點主要是防腐性能偏低和鋼絲繩不能調節。由于摩擦式提升是靠鋼絲繩與摩擦輪襯墊間的摩擦力傳遞摩擦輪作用力的，因此提升鋼絲繩外部不允許涂鋼絲繩潤滑脂，降低了鋼絲繩的防腐性能。此外，在生產運行期間，除了鋼絲繩變形伸長需截斷外，鋼絲繩的長度不能調整，因此，不適用于多水平提升。

由于提升機的頻繁使用，加上惡劣的工況環境，設備故障在所難免，為此，有許多關于提升機故障診斷技術的研究成果，對提升機的各部件開展診斷工作，如施耐德電氣（中國）有限公司為提升煤礦設備的智能化運維能力、提高設備的故障診斷與檢修效率，在某煤礦中搭建了設備故障預警與診斷平臺，遠程實時監測設備的振動和工藝量信號參數，對設備的運行狀態進行評估，對軸承等部件開展監測、診斷［1］。晉能控股煤業集團四老溝礦綜合區重點對礦用JKMD-3.5×4PI 型多繩摩擦式提升機減速器工作原理進行分析，并提出了減速器常見故障類型、故障原因以及采取相應的預防措施［2-3］。

本文以福建馬坑礦業股份有限公司副井提升系統尾繩斷裂事故為研究背景，以尾繩鋼絲繩為研究對象，從電機故障、外力作用、鋼絲繩及斷點分析、鋼絲繩強度等級分析以及鋼絲繩受力等方面進行摸排，明確鋼絲繩斷裂的幾個主要因素，并針對主要斷裂因素提出防范措施。

1 問題概況

馬坑礦業其中一地下礦山副井于2007 年建成，當年即投入使用，采用JKMD2.8×4 型號落地式多繩摩擦提升機。2021 年10 月，提升機平衡錘側的2 根尾繩中1根突然斷裂，提升機因尾繩斷裂失去平衡而緊急停機，并發出報警信號，其斷裂位置如圖1所示。

公司按照規程制定了事故搶修處理方案和安全措施，用事先備好的新尾繩將斷裂的舊尾繩整條更換，使副井罐籠提升系統恢復正常運行［4］。

尾繩通常需由高強度、耐疲勞的材料制成，以保證在高負荷環境下的正常工作。常見的材料包括優質的鋼絲繩或合成纖維繩。尾繩的直徑和結構需要根據提升機的負載和運行條件進行精確計算。直徑增大，通常意味著更高的承載能力，但也會增加重量和阻力。尾繩必須具備足夠的強度，以承受提升機在運行中的最大負擔。尾繩應具有一定的彈性，以緩沖提升機啟動和停止時的沖擊力，降低對提升機結構和驅動系統的影響。由于礦山環境可能含有腐蝕物質，尾繩通常需要具有防腐和防護性能，以延長其使用壽命。尾繩作為提升機的重要組成部分，需要定期進行檢查和保養，包括檢查繩索的磨損情況、連接點情況以及是否存在其他可能的故障或問題等。

2 尾繩斷裂摸排與分析

2.1 電機設備運行情況

公司對提升機電控系統進行日常點檢，并形成相關記錄。尾繩斷裂前，提升機設備運行狀況及參數沒有發生變化，也沒有出現異常情況，尾繩斷裂事故發生后，提升機緊急停車并報警，說明提升系統應急保護設施能正常工作，對提升機應急系統的日常點檢效果明顯。

2.2 外力干擾情況

事故發生后，通過對井筒設施檢查，沒有發現井筒罐道梁上有構件或其他物件對尾繩有接觸，因此，可排除本次事件中尾繩受外力拉斷的可能性。

2.3 鋼絲繩檢查

鋼絲繩有鋼芯和纖維芯2種，發生斷繩事件提升機的尾繩鋼絲繩采用的是纖維芯，是一種天然麻芯。對尾繩斷裂處取樣的鋼絲繩進行檢查后發現，鋼絲繩天然麻芯已經腐爛變黑，內部繩芯油脂已變質缺失，各股鋼絲已經銹蝕、腐爛變質，人工用手也可以輕易折斷，鋼絲已無強度可言；從使用時間上看，此尾繩使用時間已超過4 a。檢查其他位置各股鋼絲，情況較好，但同樣存在油脂嚴重缺失的問題。由此可見，對提升機系統缺乏定期的檢查，或檢查不到位；同時需意識到，鋼絲繩在不同工況環境下的使用壽命不同，且同一根鋼絲繩在不同位置的情況不盡相同，在日常點檢中需對鋼絲繩做全面、完整的檢查。

2.4 鋼絲繩斷點分析

從罐籠和平衡錘工作結束后停止的位置來看，副井提升罐籠工作完成后，罐籠一般停放在井口，平衡錘則停放在井底。罐籠與平衡錘之間的那段即為尾繩，呈自然下垂的狀態；平衡錘不工作時長期停放在井底，井底有積水，靠近平衡錘的那段尾繩的最低彎曲處長期浸泡在積水中，使該位置的尾繩比其他位置更容易產生銹蝕和變形。長期的銹蝕和變形，使該位置的尾繩鋼絲繩強度大大降低（圖2）。

2.5 尾繩強度等級分析

尾繩在提升系統中起平衡作用，一般不受外力作用，只受其自身重力及提升系統在加減速運行時所產生附加慣性力的影響。尾繩在井底彎曲處，由于運行方向的改變也會使尾繩產生一定的扭轉力，該扭轉力也會對尾繩的強度產生一定的負面影響。如果罐籠或平衡錘底部連接尾繩的懸掛裝置內部的軸承潤滑不良或軸承出現損壞［5］，尾繩懸掛裝置便會出現旋轉速度變慢或發生卡堵的現象，這一情況使得尾繩在井底彎曲處容易產生扭接，或與其他尾繩纏繞，造成安全隱患。由于尾繩不受外力，根據尾繩在實際中的使用情況，礦井提升機一般所選用的鋼絲繩強度等級偏低。

2.6 受力分析

從提升系統的受力分析可知，副井提升系統在罐籠下放的過程中，平衡錘側向上運行，當接近到井口位置時，平衡錘至尾繩最低點的距離最大，尾繩垂懸長度最長，此時尾繩所受的自身重力也最大。從此次斷裂事故中可知，從斷裂點到尾繩井底最低處長度為655 m，由此可計算出尾繩自身重量產生的重力為40 kN。另外罐籠運行快要到井底位置時，提升系統開始減速運行，平衡錘側尾繩減速運行產生的慣性力與尾繩自身重力疊加達到最大，提升系統運行加減速度按0.7 m/s2計算，則慣性力為28 kN，尾繩自身重力和慣性力疊加可達68 kN。如此大的力加上提升系統長期運行，直到尾繩彎曲銹蝕位置處的鋼絲繩強度不足以抵抗所疊加的最大力；尾繩斷裂事故都是發生在罐籠向下運行快到井底附近，且在平衡錘上升運行到井口位置，在減速狀態下，此時尾繩所受的內力是最大的，因此導致尾繩發生斷裂事故。

3 防范尾繩斷裂措施

針對上述礦井提升系統尾繩發生斷裂事故的原因分析，采取如下措施。

（1）加強對尾繩重點位置的檢查。任何時間節點都有尾繩位于最低點，即彎曲處，該處尾繩受井底積水或井內順著尾繩流下的淋水侵蝕的時間最長，尤其是對應于罐籠或平衡錘經常停止位置。在對尾繩進行安裝時，對此特殊段尾繩做好標記，作為重點檢查段，定期檢查，若發現問題及時進行處理。

（2）采取有效的尾繩防銹蝕措施。由于豎井井筒十分潮濕，井筒內壁有淋水，在井筒內壁制作截水槽，最大限度減小井筒淋水對尾繩的不利影響。對尾繩及尾繩懸掛裝置定期涂油，防止銹蝕，應選用具有良好抗水性的油脂，如鋰基潤滑脂、合成復合鋰基潤滑脂等，能有效延長尾繩及尾繩懸掛裝置內軸承的使用壽命。隨著尾繩的頻繁使用，鋼絲繩被擠壓的次數越多，鋼絲繩中的油脂被擠出的量就越多，為了防止鋼絲繩銹蝕，需及時補充防銹油脂，最大程度保證鋼絲繩內有足夠多的防銹油脂，使鋼絲繩具有較好的防銹效果。

（3）調低罐籠減速度。提升系統在運行過程中產生的沖擊載荷的性質和強弱，會直接影響到礦井的安全。作為搭載作業人員的罐籠又是直接作用于人的設施，因此，有必要在罐籠向下運行到井底過程中，將運行的減速度調到最低，一方面是降低沖擊載荷對提升系統的影響，以提高搭載人員的舒適度，另一方面降低尾繩受力。

（4）適當提升尾繩設計的強度等級。在使用條件差的環境中，設計單位應根據惡劣的工況環境，在提升系統設計時，適當提高選用尾繩的強度等級，來彌補提升尾繩使用環境條件差的不足。需要注意的是，盡管采用的是纖維芯鋼絲繩，但也只能適當調高強度等級，因為隨著強度等級的提高，鋼絲繩的直徑會增大，導致鋼絲繩的自重增加，勢必也會增加鋼絲繩的受力，最終降低其使用壽命。

4 結語

（1）影響副井提升系統尾繩使用壽命、出現尾繩斷裂事件的原因是多方面的，在不同的礦山、不同的使用環境下尾繩斷裂的原因不盡相同。只有通過具體工況具體分析，才能找到該環境下導致尾繩斷裂的最敏感因素。

（2）尾繩的磨損、銹蝕、彎曲、斷絲等是提升系統尾繩鋼絲繩斷裂主要、直接的因素，對尾繩強度影響最大，提升尾繩使用壽命、降低尾繩斷裂概率的主要措施：①做好尾繩的定期檢查，除了對鋼絲繩作完整、全面的檢查外，尤其要重視長期處在環境相對惡劣位置的鋼絲繩的檢查；②做好尾繩的日常維護，如及時涂抹防銹油脂，以提高尾繩使用的可靠性、穩定性，延長使用壽命；③適當提高鋼絲繩的強度等級，采用更高等級的鋼絲繩；④進一步優化提升系統的運動速度控制方式，最大限度地降低因提升機運動速度的突然變化造成對鋼絲繩的沖擊。