矿井提升设备选型设计
第一节提升方式的确定及提升设备选型依据
一、矿并提升设备的作用
矿井提升设备是矿井重要的大型机电设备之一，它是联系矿井井下与地面时主要生产设备。矿井提升设备的任务是提升有益矿物(煤炭、矿石等)和矸石，升降人员和设备，下放材料等。
矿井提升设备的工作特点是在一定的距离内，以变速和匀速作往复直线运动，而且起动和停止频繁，因此它须具有良好的控制系统和完善的保护装置，以保证安全可靠地运转。矿井提升设备的合理选型和正确的维护、管理和使用，对确保矿井提升设备的经济与安全运转具有重大的意义。
二、矿井提升设备的组成部分
矿井提升设备一般包活捉升机、电动机、提升钢丝绳、提升容器、天轮、井架、装卸载设备，以及电控设备与安全保护装置等。
矿井提升机主要由缠绕机构(或主导轮)、减速器、联铀器、离合器、制动系统、深度指示器、液压站及操纵台等部分组成。
三、矿井提升系统
根据提升方式的不同，矿井提升系统可分为以下几种：
（1）竖并普通罐笼提升系统
（2）竖井箕斗提升系统
（3）斜井箕斗提升系统
（4）斜井串车提升系统
四、矿井提升设备的分类
（一）按用途分类
（1）主井提升设备，专供提升煤炭用的提升设备。在特大、大和中型矿井，提升容器多采用箕斗，小型矿井多采用罐笼或矿车；
（2）副井提升设备，专供提升歼石、升降人员、运送材料和设备的提升设备。提升容器多为普通罐笼或翻转罐笼。
（二）按缠绳机构的型式分类
（1）单绳缠绕式提升机，即等直径圆柱形卷筒提升机，多用于井深在350m以下的大、中、小型矿井提升，此外还有变直径圆柱圆锥形卷筒提升机；
（2）多绳摩擦式提升机，适用于井筒较深、产量较大的矿井提升。
（三）按井筒倾角分类
（1）竖并提升设备；
（2）斜井提升设备。
（四）按提升容器分类
（1）罐笼提升设备；
（2）箕斗提升设备；
（3）串车提升设备；斜井串车提升
（5）吊桶提升设备。
（五）按拖动装置分类
（1）交流感应电动机施动的提升设备；
（2）直流电动机施动的提升设备；
（3）液压传动的提升设备。
五、提升方式的确定
在进行选择提升设备选型前，首先应确定合理的提升方式，它对提升设备的选型、对矿山的基建投资、生产能力、生产效率及吨煤成本和安全都会产生重要的影响。
一般提升方式可参考以下原则确定：
（1）年产量大于300Kt的大中型矿井，由于提升煤炭及辅助提升的任务较大，一般均设主、副井两套提升设备。主井采用箕斗提升煤炭，副井采用罐笼完成辅助提升任务。
（2）年产量小于300Kt的大中型矿井，根据提升情况可爱用两套罐笼提升设备，或用一套罐笼提升设备进行混合提升。
（3）对于特大型矿井（年产量大于1800Kt），一般主井需用两套箕斗提升设备，副井除配备一套罐笼提升设备外，有时还需要设置一套带平衡锤的单容器提升设备作辅助提升。
在确定提升方式时，除考虑年产量这一主要因素外，还要考虑以下几个因素：
（1）在矿井同时开采煤的品种多于两种，要求不同品种的煤分别外运时，应考虑采用罐笼作为主井提升设备。
（2）对为的块度要求较高时，就考试采用罐笼作为主井提升设备。
（3）地面生产系统靠近井口时，采用箕斗提升可以简化后续的生产流程，若远离井口，需要轨道运输，应采用罐笼提升。
（4）单水平开采，多采用容器提升；多水现时平开采的矿井，应采用单容器加平衡锤的提升系统。
（5）对于斜井，目前应采用单绳缠绕式提升机；竖井年产量超过600Kt，井深超过350m的矿井，应考虑采用多绳摩擦式提升机。
（6）矿井若分前、后期两个水平开采，提升机和井架应按最终水平选择，提升容器、钢丝绳和提升电动机可按第一水平选择，在井筒自觉至第二水平时，根据具体情况再更换。
以上所述，仅是确定提升方式的一般性原则，在具体设计工作中，要根据矿井的具体情况，提出多种可行性方案，再通过技术经济分析并考虑我国提升设备的生产和供应情况，才能合理地确定提升方案。
六、选型设计的主要内容
（一）设计依据
1．主井提升
(1)矿井年产量A n（万吨）；
(2)工作制度：年工作日b (天)，每日工作t(小时)；
(3)矿井开采水平数，各水平井筒深度H s(m)及服务年限；
(4)卸载高度H x，m；
(5)装载高度H z，m；
(6)提升方式：箕斗或罐笼；
(7)煤的散集密度 ，t/m3；
(8)井筒断面尺寸，井筒中布置提升设备的套数；
(9)矿井电压等级
(10)副井提升：
2．副井提升
(1) 矿井年产量An （万吨）；
(2) 工作制度：年工作日b (天)，每日工作t(小时)：
(3) 矿井开采水平数，各水平井筒深度Hs(米)及服务年限；
(4) 矸石年产量：如无特别指出，一般可按煤产量的15～20％估算； (5) 最大班下井人数、材料消耗量、需运送设备数量、炸药等下井次数。 (6) 矿车规格；
(7) 井筒断面尺寸，井筒中布置提升设备套数； (8) 井上、井下车场布置形式； (9) 矿井电压等级。
（二）提升设备选型设计的主要内容包括： (1) 计算并选择提升容器 (2) 计算并选择提升钢丝绳 (3) 计算滚筒直径并选择提升机 (4) 计算天轮直径并选择天轮 (5) 提升机与井筒相对位置的计算 (6) 运动学及动力学计算 (7) 电动机功率的验算
(8) 计算吨煤电耗及效率（对于主井提升）
(9) 制定最大班作业时间平衡表（对于副井提升）
第二节 立井单绳缠绕式主井提升设备的选型设计
一、提升容器的选择
立井提升容器主要是箕斗和罐笼。在同等条件下，箕斗与罐笼相比，质量小，所需井筒断面小，装卸载快，提升能力大，电动机功率小，提升效率高，便于实现自动化。缺点是用途单一，需设置煤仓及装卸载设备，需另设辅助提升设备，井架较高，井筒较深。可根据矿井生产能力的大小确定提升容器的类型。提升容器的类型确定后，就要计算提升容器的容量，并从容器规格表中选择标准容器，也可根据现场要求自行设计非标准容器。
在矿井年产量、工作制度一定的情况下，可以选择大容量容器低速提升；也可以选择小容量容器高速提升。这两种提升方式，前者因容器大，所需提升钢丝绳直径粗，提升机直径大，电动机功率大，设备初期投资高，但运行电费低，后者则反之。在实际工作中确定提升方案时，要先对两种方案进行选型计算，从初期投资，运行电费等各方面进行技术经济比较，考虑现场特殊需要，确定经济合理的提升方案。在做方案设计时，可采用经济提升速度的方法。
一般认为经济的提升速度为：
H U j )5.0~3.0(= （m/s ） （3—1）
式中 H — 提升高度（m ）；
一般情况下取中间值进行计算，即 H U j 4.0=；
对于箕斗提升 Z X S H H H H ++= （m ）； （3—2）
式中 S H —矿井深度；
X H —卸载高度，箕斗提升X H 可取15~25m ；罐笼提升X H 可取为0； Z H —装载高度，箕斗提升Z H 可取18~25m ；罐笼提升Z H 可取为0；
根据经济提升速度，可估算经济提升时间：
θ+++
=
u U H
a
U j
j j T （3—3） 式中 a —提升加、减速度(开始可假定加、减速度相等)，对罐笼可暂取为0.7～0.75m/s 2
；
对箕斗可暂取为0.8m/s 2
；
u — 容器爬行阶段附加时间，对罐笼可暂取为5s ；对箕斗可暂取为10s ； θ— 容器装卸载休止时间，可暂取为10s ；
一次经济提升质量为：
bt
T A Ca j n f j 3600Q =
(吨) （3—4）
式中 n A — 矿井年产量（吨/年）；
f a —提升富裕系数，对第一水平要求f a ≥1.2；
C — 提升不均匀系数，有井底煤仓C=1.15；无井底煤仓C=1.2； t — 日工作小时数，取14小时； b — 年工作日，取300天；
根据计算所得j Q ，从表3—1立井单绳箕斗规格表中选取一次提升质量与之相近的标准箕斗；写出所选箕斗的型号，容器质量（kg ）, 有效容积(m 3
)及两箕斗在井筒中的中心矩S （m ）等参数。
实际一次提升质量Q （吨）为：
Q=V
ρ
（3—5）
式中 V —箕斗的有效容积，m 3；
ρ—货载的散集密度；t/m 3。
箕斗选定后因实际提升质量与经济提升质量一般情况下不相等，所以要按实际提升质量
Q ，重新计算一下完成生产任务所需要的最大一次提升循环时间X
T '： Q A Ca bt
T n
f X
3600≤' （3—6）
表3—1 立井单绳箕斗规格表
由此可估算出完成生产任务所需提升速度的最小值V '：
()()2
42
2aH u T a u T a V x X
---'---'≥'θθ （m/s ） （3—7）
V '可作为选择提升速度的依据，实际提升速度m V 应根据实际所选提升机直径、减速
器减速比、提升电动机的额定转速计算。关于 m V 选择见提升机及提升电动机的选择部分。 二、提升钢丝绳的选择
立井单绳缠绕式提升一般选用6×19的钢丝绳，如条件许可也可选用线接触钢丝绳
或异型股钢丝绳。
钢丝绳品种选定后，就要具体确定钢丝绳的直径和型号参数。提升钢丝绳的选择按
《煤矿安全规程》的规定，应采用最大静载荷来进行计算并考虑一定的安全系数。
各种提升设备用的钢丝绳，悬挂时的安全系数，必须符合下列规定： （1）专用于升降人员的，不低于９；
（2）升降人员和物料用的，升降人员时不低于９，升降物料时不低于7.5； （3）专用于升降物料的，不低于6.5；
（4）多绳摩擦提升钢丝绳，专用于升降人员的，不低于9.2-0.0005C H ；升降人员
或升降人员和物料用的, 升降人员时不低于9.2-0.0005C H , 升降物料时不低于8.2-0.0005C H ；专用于升降物料的7.2-0.0005C H ；
以上各式中 C H —钢丝绳悬垂长度； 对于立井单绳缠绕式提升钢丝绳悬垂长度：
Z S j C H H H H ++= （3—8）
式中 j H —井架高度，m ；在井架高度尚未精确确定前，可近似选取为：罐笼提升，15～25m; 箕斗提升30～35m ；
可按式（3—9）计算单绳缠绕式提升钢丝绳每米重力p ：
C
a
B
Z H m g
Q Q p -+≥
σ11)( (N/m) （3—9）
式中 Q Z —容器质量kg ； Q —次提升质量kg ；
B σ —钢丝绳中钢丝的抗拉强度（Mpa=Ｎ／mm 2）
；提升钢丝绳B σ可取为1550 Mpa （新国标1570）或1700 Mpa(新国标1670)。
计算出钢丝绳每米重力p 后，可从表3—2钢丝绳规格表中选每米重力稍大于p 的钢丝绳，并查出该绳全部钢丝破断力之和q Q （N ）及其它参数。
可按式（3—10）验算选定钢丝绳的实际安全系数
C
Z q
a pH Q Q Q m ++=
g )( （3—10）
若a m 不小于规程规定，则此绳可用，写出钢丝绳标号： 例如:6×19，直径为34 mm,
B σ为1700 Mpa ,钢丝的韧性Ⅰ号，光面，右同向捻的钢
丝绳，钢丝绳标号为：
钢丝绳6×19—34—1700—Ⅰ—光—右同GB1102-74 还要查出钢丝绳的每米重力p ，钢丝直径δ；
若a m 不满足规程规定，则需重选钢丝绳。可增大钢丝绳直径或加大B σ，重新验算a
m 直到满足要求为止。
需注意根据新国标GB8919—2006重要用途钢丝绳标准，目前新出厂钢丝绳力学性能
参数表中给出的是钢丝绳最小破断拉力（KN ），而钢丝绳最小破断拉力与钢丝绳全部钢丝破断力之和不同，二者之间可按GB8919—2006给出的系数换算。 钢丝绳最小全部钢丝破断力之和=钢丝绳最小破断拉力×换算系数
表3-2（1）绳6×7 股（1+6）绳纤维芯
表3-2（4） 绳6w(19)股（1+6+
6
）绳纤维芯
表3-2（5）绳6X（19）股（1+9+9）绳纤维芯
7+14）绳纤维芯表3-2（6）绳6XW(36)股（1+7+
7
（一）绳6（30）股（6+12+12）绳纤维芯（二）绳6（30）股（0+12+12）绳和股纤维芯
三、矿井提升机和天轮的选择选择 矿井提升机是煤矿大型固定设备之一，它在矿井生产中占有极其重要的地位，正确合理地选择提升机．具有重大的经济意义。
（一） 提升机滚筒直径的确定 提升机滚筒直径D ，是计算选择提升机的主要技术数据。选择滚筒直径的原则是钢丝绳在滚筒上缠绕时不产生过大的弯曲应力以保证其承载能力和使用寿命。
我国《煤矿安全规程》规定，提升机滚筒直径的确定与钢丝绳直径、钢丝直径的关系如下：
对于地面使用的提升机
δ
1200D 80d D ≥≥ （3—11）
对于井下使用的提升机
δ
900D 60d ≥≥D （3—12）
式中 D ——滚筒直径，mm ；
d ——钢丝绳直径，mm ，
δ——钢丝绳中最粗的钢丝直径，mm ；其值可在钢丝绳规格表中查取。 根据计算值选取标准的滚筒直径。
（二）提升机的最大静张力和最大静张力差的计算
提升机是按提升机系列规定的许用最大静张力][max j F 和许用最大静张力差][max c F 设计出的, 在选用时，应使实际负荷所造成的最大静张力和最大静张力差小于或等于许用
][max j F 和][max c F ，以保证提升机能正常工作。
][)(F max jmax j Z F pH g Q Q ≤++= （3—13）
][max max c c F pH Qg F ≤+= （3—14） 根据上面计算的D 、jmax F 、max c F 值在表3—3提升机规格表中选出合适的提升机来，再进行宽度验算。
（三）提升机滚筒宽度的验算 初选提升机后，滚筒的标准宽度则为已知，然后根据工作时缠绕钢丝绳所需的实际宽度进行验算。工作时所需的滚筒宽度应容纳以下几部分长度的钢丝绳：
（1）提升高度H 。
（2）钢丝绳试验长度，根据我国《煤矿安全规程》规定，升降人员或升降人员和物料用的钢丝绳，自悬挂时起每隔6个月试验1次；专门升降物料用的钢丝绳，自悬挂时起经过1年进行1次试验，以后每隔6个月试验1次。试验时每次剁掉5m ，如果绳的寿命以三年考虑，则试验绳长为30m 。
（3）滚筒表面应保留三圈绳不动(称摩擦圈)，以减轻绳与滚筒固定处的拉力。
（4）多层缠绕时，上层到下层段钢丝绳每季需错动1／4圈，根据绳子的使用年限，一般取错动圈n ′＝2~4圈。
（5）缠绕在滚筒圆周表面上相邻两绳圈间隙宽度ε＝2—3mm 。计算时，通常当滚筒直径为3mm 以上时，取ε＝3mm 计算，其余取ε＝2mm 计算。
滚筒的实际容绳宽度由可以下公式求出：
单滚筒或双滚筒提升机，单层缠绕时，每个滚筒的实际容绳宽度为
()
επ+??? ??++='d D H B 330 （ 3—15）
滚筒的实际宽度为B ，若B ′≤B 则绳在滚筒上可缠绕单层；若B ≤B ′≤2B 则绳在滚
筒上需缠绕两层。
单滚筒或双滚筒提升机，多层缠绕时，滚筒的实际容绳宽度为
()επ+???
? ??++++='d kD D H B p 3)34(30 （ 3—16） 单滚筒提升机作双钩提升时，滚筒的实际容绳宽度为
()επ+??
? ??''+?+?+='d n D H B 32302 （3—17）
式中 B '—提升机所需的滚筒缠绳宽度，mm ；
n ''—单滚筒提升机作双钩提升时，缠绕和下放钢丝绳间应留圈数，n ''≥2圈； p D —多层经文纬武时平均缠绕直径，即
22)(42
1
ε+--+
=d d k D D p （3—18）
k —缠绕层数。 对于钢丝绳缠绕层数，我国《煤矿安全规程》规定：立井中升降人员或升降入员、物料的，只准缠绕一层；专为升降物料的准许缠两层；倾斜井巷中升降人员的，准许缠两层；升降物料，准许缠三层；在建井期间，无论在立井或倾斜井巷中，升降人员和物料的，都准许缠绕两层。
若缠绕层数超过《煤矿安全规程》规定，则需改选直径较大的提升机。并重新验算滚筒宽度，直到缠绕层数满足要求为止。
（四）提升机标准速度、提升机减速器减速比及提升机型号的确定 同一滚筒直径和宽度的提升机可选配几种不同减速比的减速器，同不同额定转速的电动机配套可获得多种提升速度，因此需综合考虑各种因素的影响。
可按式（3—19）列表
i
Dn e
m 60V π=
（3—19）
计算出所选提升机在配不同转速的电机和不同减速比时的提升速度填入下表，其中减速比i 取值应与提升机规格表中i 相对应，电动机额定转速为近似值与实际值相差不大。
从表中查出稍大于完成生产任务所需提升速度的最小值的速度Vm，取Vm为提升速度，查出与其对应的减速比i及电动机额定转速n e。注意选出Vm不能大于规程要求。
减速器减速比确定后，提升机的型号就确定了。写出提升机的型号及基本技术参数。
表3-3（1） JK2-5m矿井提升机技术性能表
表3-3（2）JK2-5m矿井提升机技术性能表接表3-3（1）
（五）电动机的预选
为了对提升设备进行动力学计算，应预选提升电动机。在进行提升设备的方案比较时也需要初步选择电动机。
矿井提升电动机有交流和直流两类。目前，我国矿山广泛采用交流绕线式感应电动机。其优点是设备简单、投资少；缺点是加速和低速运行阶段电能消耗较大，调速受一定限制。当电动机容量超过1000kw 时，因我国目前制造厂生产供应的高压换向器的容量不够，故不宜采用单电动机交流拖动，应考虑采用交流绕线式感应电动机双电机拖动或直流电动机拖动。交流绕线式感应电动机双电机拖动，当两电动机容量超过2000kw 时；应采用直流电动机拖动。 直流拖动有电动发电机组供电和晶闸管供电两种类型。直流拖动的优点是调速性能好，电耗小，易于自动化。但如采用电动发电机组供电，则设备费较高。随着电子技术的飞跃发展，硅整流器已能够很好地克服电动发电机组设备费用较高的缺点。因此，采用晶闸管供电的直流电动机施动在国内外的大型及特大型矿井也已得到了推广应用。本节主要介绍在我国矿井提升中广泛采用的三相交流绕线式感应电动机的初选计算。
用于矿井提升的三相交流绕线式感应电动机，低压有JR 系列，高压有JR 、JRQ 和YR(JRZ)三种系列，其技术规格见表3—4（1）、表3—4（2）及表3—4（3）所列。
JR 系列三相绕线式感应电动机为防护式中小型电动机。JRQ 系列三相绕线式感应电动机为加强绝缘型中型电动机。YR(JRZ)系列三相绕线式感应电动机，属于大型电动机，额定电压为3000V 和6000V 。
电动机功率大于200kw 时应选用高压电动机，200kW 以下时可选用380V 的低压电动机。必须说明：当提升电动机的功率大于200kw 选用高压电动机时，我国新建矿井一律采用6000V 的额定电压等级，只有改建的老矿井仍有采用3000V 额定电压等级的。
初选提升电动机的依据是：电动机的功率、转数及电压等级三个方面的要求。 按式（3—20）估算电动机功率
?ηj
m
1000KQgV P =
' （3—20）
式中 P ′——提升电动机的估算功率，kw ；
k ——矿井阻力系数，箕斗提升k ＝1.15，罐笼提升k ＝1.2； Q ——一次提升货载质量，kg ；
ηj ——减速器传动效率，单级传动ηj ＝0.92，双级传动ηj ＝0.85；
φ—— 考虑到提升系统运转时，有加、减速度及钢丝绳重力等因素影响的系数，箕斗提升φ=1.2～1.4，罐笼提升φ=1.4。
电动机转速按前面确定的额定转速n e 选取。 初选电动机
按上面计算出来的P ′与n e 在电动机技术数据表中选用合适的电动机。所选提升电动机的转数应与n e 接近。但其转数不一定与算出值n e 完全相同，这是因为同步转数相同的交流电动机的额定转数并不完全相同。此外，应选用过负荷系数较大者，以满足对电动机的过负荷能力的要求。
（六）确定提升机的实际最大提升速度
电动机选出后，转数确定，提升机实际最大提升速度V m 就可以按式（3—16）确定。式（3—16）中 n e 为已选出电动机的额定转数，r ／min 。
由式（3—16）计算出来的V m 将作为运动学、动力学计算的原始参数。 必须说明，最大提升速度要受《煤矿安全规程》的限制。《煤矿安全规程》规定： （１）立井中用罐笼升降人员的最大速度不得超过下式求得的数值，但最大不得超过l 2m ／s ；
H V m 5.0≤ (3—21)
（２）立井升降物料时，最大提升速度不得超过下式求得的数值。
H V m 6.0≤ (3—22)
式中 H —矿井提升高度，m 。