千万吨级矿井提升系统关键技术集成与应用研究

刘改叶

千万吨级矿井提升系统关键技术集成与应用研究

刘改叶

针对国内外在矿井提升一体化技术及系统配套等方面，特别是对于特大型现代化矿井提升系统关键技术集成与应用方面的理论、技术研究基础薄弱的现状，对矿井提升系统高端装备及关键技术进行了综合集成、应用创新研究，形成了主井高效节能、副井精准定位，年产1 200万t特大型现代化矿井提升系统。

煤矿开采；矿井提升；千万吨矿井；大功率提升机；提升系统一体化集成

0 引言

如何集成现代化装备和先进技术，实现整个提升系统的一体化集成及系统装备配套及功能匹配，确保千万吨级特大型现代化矿井提升的能力、效率、工作可靠性、智能化水平，是现代化矿井的一大技术难点。针对麻家梁矿井深近600 m、年生产能力超1 200万t现代化立井提升系统，对主井大功率高效节能提升、副井运行可靠与精准定位、主副井的智能控制等方面进行了理论、技术与装备集成难点攻关研究，取得了较大的技术突破。

1 大功率重载高速主井提升高效节能绿色控制系统研究

主井提升机单机功率7 000 kW，单次提升总重达120 t，提升速度13.73 m/s，属于大功率重载高速提升系统。如何实现其高效绿色节能运行是主井提升的关键所在。

（1）采用ACS6000交直交直接转矩控制变频传动系统，全数字计算机控制，实现了主井提升系统的绿色节能运行。

通过分析传动系统的基本原理，三电平变流器的输出特性，以及传动系统的力矩响应特性，使用半导体功率元件IGCT，采用电流迟滞环比较方式直接转矩控制技术，砰-砰控制技术，并且优化触发脉冲控制模式。利用这些硬件和软件的完美结合，实现了电动机功率因数恒为1（见图1），具有显著的节能效果；传动系统不仅不产生电网谐波，无需谐波治理，而且吸收过滤电网上的谐波；无功功率损耗，电压降低（见图2）（2台电动机同时启动，其电网压降小于4.5%），对电网上其他设备没有任何影响；采用直接转矩控制，以25μs的间隔计算力矩控制，单步切换达到设定值，实现了力矩控制响应时间为1 ms左右，且在各种工况下力矩总是平滑可控的，静动态控制精度高（见第2页图3）；通过调整力矩汶波频段和力矩前馈控制，传动系统能消除力矩汶波，并能检测到共振频率，抑制机械共振。

图1 实测的整流单元电流和电压波形

图2 电网压降比较

（2）采用9 000 kW的双变频单元，在国内首次设计实现了具有“全载半速”功能的大功率矿井提升变频传动系统，确保了主井提升系统的安全、连续、高效运行。

图3 力矩响应

主井电动机单机功率7 000 kW，电机定子采用A、B双绕组结构，变频系统具有2个整流单元、2个逆变单元、2个整流变压器、2个中压开关。对于两套子系统，正常情况下（见图4）电机的两绕组并列运行，提升机全载全速运行。当其中一套子系统损坏时（普通提升系统需停机维修），通过切换开关将电机两个定子绕组串联起来（见图5），此时电机的转矩不变，功率减半，所以电机输出的最大速度减半，提升机全载半速运行。

图4 全载全速运行

图5 全载半速运行

2 大功率重载副井提升高精准定位控制系统研究

副井主提升系统电机功率达3 600 kW，配备一个双层特大型罐笼，自重51 t，可运送整件最大件重量50 t（液压支架不解体和支架搬运车的整体搬运），可载290人同时入井。该提升系统属于大功率特大型重载副井提升，实现其高可靠性和精准定位是当前的一大技术难点。

（1）建立了提升钢丝绳动力学模型，采用5段S形速度曲线，实现了速度的平滑变化，保证了矿井上下人员的舒适度；采用位置、速度、转矩三闭环全数字控制（见图6），保证提升机严格按照设计曲线运行；发挥了力矩预置功能、力矩保持功能；确保启动平滑，避免了零速停车倒溜，减少了启动和停车时的冲击次数。

图6 位置、速度、转矩三闭环控制框图

（2）副井提升传动系统采用交直交变频传动系统，由全数字控制模块构成，配备一台SINAMICS SM150中压电压源型交直交变频器；电网端带能量回馈控制，使功率因数优于0.95。采用ROTOS技术，使输出电流波形非常完美。采用高性能的速度位置控制系统，实现了提升零速时电机保持绝对零速，由编码器测量的位置也保持不变，以保证准确停车精度；全自动液压操车系统实现了罐笼定位精度高（±20 mm），对罐时间短，解决了罐笼左右摇晃以及上下跳动而不稳的问题。罐笼采用柔性结构，较好地平衡了张力，提高了安全性。采用ST3-D恒减速液压盘式制动器，保证随时提供1.5 m/s2的最小减速度，且具有紧急安全制动时的双份冗余配备。

图7 副井提升机的工艺控制、监控系统

（3）采用双PLC设计，一路主控，一路监控，进行双路独立信号采集、状态判断、实时运算、控制指令生成等，确保控制的安全性和可靠性；采用PLC+FM458构架的控制系统（见图7），PLC实现逻辑连锁控制和保护功能，FM458实现工艺控制；远程站放置ET200装置，采用Profibus通讯传送方式，实现远程诊断、集中调度和信息集中显示；采用安全回路、电气停车回路和闭锁回路三大控制回路；提升机控制专用功能块实现了位置、速度、加速度、冲力、爬行等曲线的设定，只需要改变相关参数即可改变相应的设置。

3 提升系统的机电耦合动力学建模与分析

在提升机加、减速或紧急制动时，钢丝绳会储存或释放能量，产生很大的动应力波动，造成提升容器剧烈震荡，这会导致摩擦传动失效，严重时会导致打滑和跑车事故，造成重大的经济损失。这就要求对提升机运行动态特性进行分析，进而通过结构及运行关键参数的优化，提高其运行可靠性，防止由于重载提升系统动态特性的影响而造成设备故障及事故。多绳摩擦式提升系统的模型见图8。

钢丝绳动张力方程为：

上式中μ为等效黏性阻尼。提升钢丝绳的最大动张力同时满足下列要求：

图8 多绳摩擦式提升系统模型

通过提升系统在非正常工况时的动力学特性研究，对卡罐工况进行了分析，最后验证了提升高度537.7 m，罐笼质量51 000 kg，罐笼最大载荷50 000 kg，平衡锤质量75 000 kg时，在提升高度一半出现卡罐现象时，提升侧钢丝绳的最大动张力为5 447.281 820 kN，小于钢丝绳破断拉力4×2 710= 10 840 kN，张力比为1.11，小于2.2，不会出现钢丝绳滑动情况。

分析了罐笼停罐时承接装置的动力学模型（见图9）及响应特性。

图9 罐笼承接过程4阶段

在x2(t)＜0，0≤x2（t）＜δ以及δ≤x2(t)区间段，系统动力学方程可分别表示为：

式中：x5(t)——钢丝绳向下运行函数；

x2(t)——罐笼向下运行函数；

n——提升钢丝绳根数；

p——提升钢丝绳线密度，kg/m；

H——提升高度，m；

M——罐笼质量(含尾绳)，kg；

m——载重质量，kg；

c2——单位长度钢丝绳阻尼系数；

CS——承接装置阻尼系数，kg/s；

δ——承接装置构件变形量，m；

q0——承接装置弹簧预压缩量，m；

K2——钢丝绳刚度，N/m。

实例证实了在减速过程中，减速至爬行阶段，匀速爬行数秒，再分别以变减速、变加速运行时，进行数值仿真，得速度、位移、承接力时变图，见图10～图12所示，可以看出位移误差很小，速度和稳罐装置承接力迅速衰减到0。

图10 速度-时间

4 千万吨级矿井提升系统高端装备集成研究

图11 位移-时间

图12 承接力-时间

采用定性定量相结合综合集成的集成方法，对千万吨级的特大型现代化矿井提升系统通过分析、建模、仿真和试验等方式，以及从系统环境、系统结构和系统功能之间的输入输出关系进行系统分析与综合，完成这一过程。

4.1 注重综合规划和系统总体匹配

从一开始就本着现代化特大型矿井年产1 200万t的高产高效智能化为总体目标，从提升系统的各个单元模块选择上进行功能参数匹配，合理进行参数选择和结构参数匹配，做到机械参数、电气参数和控制参数三者的有机协调和统一，实现了各功能模块的一体化高端集成。

主井实现了“一井双机、并行生产、1 200万t”大功率高产高效千万吨级提升系统集成与应用。设计了井筒直径为9 m、井架高度80 m的全亚洲最大的两台JKMD-5.7 m×4(Ⅰ)型落地式多绳摩擦双箕斗提升系统：提升钢丝绳直径59 mm，提升速度13.73 m/s，提升周期106.2 s，单次提升载重45 t，年产能力1 200万t、最大提升能力1 500万t；提升电动机单机功率7 000 kW，采用ACS 6000直接转矩控制传动系统，功率因数恒为1，传动效率为0.97。

副立井主提升系统采用JKMD-5.7×4型落地式多绳摩擦提升机，电动机为3 600 kW的IDM6040-6× T10-Z型低速直联交流同步电动机，配套恒减速制动系统及全自动液压操车系统，实现了罐笼的精准定位。罐笼钢丝绳为直径62 mm的德国达高钢丝绳，采用TCK在线监测。罐笼自重51 t，特大型罐笼（4 270 mm×7 700 mm×10 500 mm）采用双层结构，可载290人同时入井，最大载重50 t，实现了液压支架不解体和支架搬运车的整体搬运；罐笼采用柔性结构，更好地平衡了张力，提高了安全性。

4.2 实现统一标准和接口模式

为提高整个提升系统的互操作性,必须解决通用性问题,从技术上实现综合集成。要做到这一点，首先要在控制系统、信号处理、数据通信、用户界面等方面建立统一的接口标准，实现各控制信号之间的统一管理和控制。

主井提升机控制系统采用网络化集成监控管理系统组态软件WINCC与AC800M PLC控制器系统、S800 I/O系统，实现了提升过程的自动化与实时监控；提升过程实现了可视化智能监控，操作显示界面显示提升箕斗所在的位置、装卸载系统所处的工作状态、提升速度、加速度以及故障等信息。

副井提升机的主控系统由西门子公司的SIMATIC S7-400 PLC+FM458模块结合ET200组成，协调管理提升机的操作和报警任务。在检测提升容器在井筒中的准确位置以及速度的基础上实现行程控制，全数字的闭环控制方式使停车位置准确，不依赖停车开关停车，减少了故障点，自动化程度高，减少了系统运行过程中人工的参与。硬件结构采用双PLC控制的主控、监控系统，实现了提升过程的智能化监控。

4.3 多层次、具备复合功能的装备系统

多层次、具备复合功能的装备系统有机结合整个矿井提升系统成为矿井生产的一个重要环节。控制设备类型多样，信号复杂，如何协调好多层次、具有复合功能的装备系统的配套集成是一大技术难点。

5 应用效果

集成了高可靠性、高配置、高起点的提升设备，形成了国际先进的现代化大功率、高产、高效、高可靠性、低能耗、自动化及智能化的“一井双机、并行生产、年产能力达1 200万t”千万吨级矿井提升系统，积极推进了大型化、高效化、智能化高端装备与先进技术集成及应用。

麻家梁矿主副井提升系统自投入运行以来，系统稳定、可靠，实现了单日最大提煤超58 000 t，年产1 200万t的提升能力要求，为同煤集团带来了巨大的经济效益，为当地的经济及社会发展做出了巨大的贡献。

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

刘改叶，女，1969年出生，现在大同煤矿集团机电装备制造有限公司工作，工程师。