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矿井提升设备的选型和设计

2023-01-05    作者:    来源:

第一章 矿井提升设备

一、提升方式

矿井七2煤与二1煤采用分期开拓开采的方式,初期开采七2煤,后期经技术改造后开采二1煤。七2煤井设计生产能力为0.30Mt/a,采用立井开拓,二个提升井筒,其中主井井深277m,担负七2煤矿井提煤任务;副井井深277m,担负七2煤矿井辅助提升任务;二1煤井设计生产能力为0.45Mt/a,采用立井开拓,利用七2煤井二个提升井筒延深至二1煤的开采水平,在七2煤井开采结束后进行二1煤的开采,二1煤主井井深577m,担负二1煤矿井提煤任务;副井井深577m,担负二1煤矿井辅助提升任务。

二、主提升设备选型计算

(一)设计依据

初期开采七2煤时

1、生产能力:0.30Mt/a

2、工作制度:年工作日330d,每天净提升时间16h。

3、井深:H=277m

4、提升方式:双箕斗提升,采用定重装载。

后期开采二1煤时

1、生产能力:0.45Mt/a

2、工作制度:年工作日330d,每天净提升时间16h。

3、井深:H=577m

4、提升方式:双箕斗提升,采用定重装载。

(二)提升容器选择

该矿井初期开采七2煤时井深277m,后期开采二1煤时井深577m,根据《煤炭工业矿井设计规范》规定,为避免提升系统的重复改扩建,同时考虑到矿井后期开采二1煤时井筒深度增加,所以初期开采七2煤和后期开采二1煤时主、副井提升设备统一按开采最终水平选择计算。计算过程以后期开采二1煤的提升设备选型计算为准。

1、确定经济提升速度

V=(0.3-0.5)×矿井提升设备的选型和设计 图1=7.2-12.01m/s

取:Vm=8m/s,α1=1.0m/s2

2、计算一次提升循环时间:

Tx =矿井提升设备的选型和设计 图2矿井提升设备的选型和设计 图3+10+8=98.1s

3、根据矿井年产量和一次提升循环时间即可求出一次提升量。

Qj=矿井提升设备的选型和设计 图4=3.3t  

据此提升容器选择JDS-4/55×4Y型标准多绳箕斗(钢丝绳罐道),箕斗自重QZ=6500kg(含连接装置),载重量Q=4000kg,提升钢丝绳4根,平衡尾绳2根,钢丝绳间距300mm。

(三)钢丝绳选择

1、绳端荷重

Qd=QZ+Q=6500+4000=10500kg

2、钢丝绳悬垂长度

Hc=H-HZ+Hh+HX+Hg+Hr+0.75RT+e=577-30+11.008+12+6.5+10.9+0.75×0.925+5=593.1m

式中:Hg ---过卷高度  Hg=6.5m

Hh ---尾绳环高度  Hh=Hg+0.5+2S=6.5+0.5+2×2.004=11.008m

Hr ---容器高度  Hr=10.9m

RT---天轮半径

e---上下天轮垂直距离 e=5m

S---提升容器中心距

HX ---卸载高度  HX=12m

3、首绳单位长度重量计算

PK´ =矿井提升设备的选型和设计 图5=矿井提升设备的选型和设计 图6=1.29kg/m

式中:δB—钢丝绳计算抗拉强度,取1670MPa

m—钢丝绳安全系数,取7

根据以上计算,首绳选用22ZAB-6V×30+FC-1670-307型钢丝绳左右捻各两根。其技术参数如下:钢丝绳直径dk=22mm,钢丝破断拉力总和Qq=307200N,钢丝绳单位长度质量为Pk=1.96kg/m。

4、尾绳单位长度重量计算

qk´=矿井提升设备的选型和设计 图7Pk=矿井提升设备的选型和设计 图8×1.96=3.92kg/m

式中:n—首绳钢丝绳根数 n=4

n´—尾绳钢丝绳根数 n´=2

根据以上计算,尾绳选用88×15NAT-P8×4×7-1360型扁钢丝绳2根,单重q=3.82kg/m。

(四)提升机选择

1、主导轮直径

D´≥90d=90×22=1980(mm)

2、最大静拉力和最大静拉力差

最大静拉力:

Fj=Q+Qc+nPkHc=6500+4000+4×1.96×593.1=15150kg

最大静张力差:

Fc=Q=4000kg

据此主井提升装置选用JKMD-2.25×4(I)E型落地式多绳摩擦式提升机,其主要技术参数为:摩擦轮直径D=2250mm,天轮直径DT=2250mm,最大静张力215kN,最大静张力差65kN,钢丝绳根数4根,摩擦轮钢丝绳间距300mm,提升速度V=6.5 m/s,减速比i=10.5,提升机旋转部分变位质量mj=6500kg,天轮变位质量mt=2300kg,衬垫摩擦系数μ=0.23。

(五)提升系统的确定(见图6-1-1)

1、井架高度

Hj=HX+Hr+Hg+0.75RT+e=12+10.9+6.5+0.75×1.125+5=35.2m

取HJ=36m

2、提升机摩擦轮中心线距井筒中心线距离

LS≥0.6Hj+3.5+D=0.6×36+3.5+2.25=27.35m

取LS=28m

3、钢丝绳弦长

下弦长LX1=矿井提升设备的选型和设计 图9=矿井提升设备的选型和设计 图10

        =39.8m

上弦长LX=矿井提升设备的选型和设计 图11=矿井提升设备的选型和设计 图12

       =44.9M

式中:HJ1---井架下层天轮高度

      C0---摩擦轮中心与地平距离

4、钢丝绳的出绳角

下出绳角

矿井提升设备的选型和设计 图13

β下=arctan矿井提升设备的选型和设计 图14+arcsin矿井提升设备的选型和设计 图15

=ARCTAN矿井提升设备的选型和设计 图16+ARCSIN矿井提升设备的选型和设计 图17=52°39´9"

上出绳角

β上=arcsin矿井提升设备的选型和设计 图18=51°37´28"

5、围包角а的确定

经计算围包角а=181°1´4"

(六)提升容器最小自重校核

1、按静防滑条件容器自重为

QZ´≥[矿井提升设备的选型和设计 图19]Q-nPkHc=D1Q-nPkHc

 =2.359×4000-4×1.96×593.1

=4786.1kg

经查表,当围包角а=181°1´4"时D1=2.359

式中:w1---箕斗提升时矿井阻力系数  w1=0.075

      δj---静防滑安全系数   δj=1.75

2、按动防滑条件

QZ´≥[矿井提升设备的选型和设计 图20]Q+[矿井提升设备的选型和设计 图21]Gd-nPkHc

=A1Q+C1Gd-nPkHc=2.2115×4000+0.1533×2300-4×1.96×593.1

=4548.7kg

经查表,当围包角а=181°1´4",加速度a1=0.5时,A1=2.2115,

C1=0.1533。

式中: Gd---天轮的变位质量。

经计算满足防滑条件的箕斗最小自重均小于所选箕斗自重,防滑条件满足要求。

(七)钢丝绳安全系数与提升机的校验

1、首绳安全系数校验

m=矿井提升设备的选型和设计 图22=矿井提升设备的选型和设计 图23=8.3>7.2-0.0005H

=6.9

满足要求

2、最大静张力和最大静张力差

最大静拉力:

Fj=15150kg=148kN<215kN

最大静张力差:

Fc=4000kg=39kN<65kN

满足要求

(八)预选电动机

1、电动机估算功率

P′=矿井提升设备的选型和设计 图24×Φ=矿井提升设备的选型和设计 图25×1.2=382.2kW                                 

式中:K——矿井阻力系数,取K=1.15;

Q——一次提升实际货载量;

Φ——提升系统运转时,加减速度及钢丝绳重力因素影响系数;

ηj——减速器传动效率,ηj=0.92;

2、电动机估算转数

n= 矿井提升设备的选型和设计 图26=矿井提升设备的选型和设计 图27=579.6r/min

据此主井绞车电机选用Z450-3A型直流电动机,660V,500kW,其额定转速为ne=611r/min,转动惯量md=50.5kg•m2。

3、确定提升机的实际最大提升速度

Vm=矿井提升设备的选型和设计 图28=矿井提升设备的选型和设计 图29=6.9(m/s)

(九)提升运动学及提升能力计算

经计算得初加速度a0=0.48m/s2,V0=1.5m/s,卸载曲轨行程h0=2.35m,主加速度a1=0.50m/s2,提升减速度a3=0.50m/s2。(提升速度图力图见图6-1-2)

1、初加速度阶段

卸载曲轨初加速时间:t0=矿井提升设备的选型和设计 图30 =矿井提升设备的选型和设计 图31=3.13s

箕斗在卸载中曲轨内的行程:h0=2.35m

2、正常加速度阶段

加速时间:t1=矿井提升设备的选型和设计 图32=矿井提升设备的选型和设计 图33=10.8s

加速阶段行程:h1=矿井提升设备的选型和设计 图34×t1=矿井提升设备的选型和设计 图35×10.8=45.4m

3、正常减速阶段

减速阶段时间:t3=矿井提升设备的选型和设计 图36=矿井提升设备的选型和设计 图37=12.8s

减速阶段行程:h3=矿井提升设备的选型和设计 图38×t3=矿井提升设备的选型和设计 图39×12.8=47.4m

4、爬行阶段

爬行时间:t4=矿井提升设备的选型和设计 图40=矿井提升设备的选型和设计 图41=6s

爬行距离:h4=3m

5、抱闸停车时间t5=1s

6、等速阶段

等速阶段行程:h2=Ht-h0-h1-h3-h4=569.9-2.35-45.4-47.4-3=471.8m

式中:Ht---提升高度  Ht=H-HZ+HX+Hr=577-30+12+10.9=569.9m

等速阶段时间:t2=矿井提升设备的选型和设计 图42=矿井提升设备的选型和设计 图43=68.4s

矿井提升设备的选型和设计 图44

7、一次提升循环时间

Tx=t0+t1+t2+t3+t4+t5+θ=3.13+10.8+68.4+12.8+6+1+12=114.1s

式中: θ—休止时间取12s

8、提升设备年实际提升量

An′=矿井提升设备的选型和设计 图45=56万t/a

提升能力富裕系数为

af=矿井提升设备的选型和设计 图46=矿井提升设备的选型和设计 图47=1.2

提升能力满足要求

(十)提升系统动力学计算

1、提升系统总变位质量

∑m=m+2mz+4PkLp+2mt+mj+md

   =4000+2×6500+4×1.96×1212+2×2300+6500+4399

   =42001kg

式中:Lp——钢丝绳全长Lp=1212m(包括尾绳)。

2、运动学计算(按平衡系统计算)

1、提升开始阶段

开始时:F0=Kmg+⊿Ht+∑ma0=1.15×4000×9.8+42001×0.48=65240N

终了时:F0′=F0-2⊿h0=65240-0=65240N

式中:⊿---提升钢丝绳与平衡尾绳的总单重之差,平衡系统⊿=0。

2、主加速阶段

开始时:F1=F0′+∑m(a1-a0)=65240+42001×(0.5-0.48)=66081N

终了时:F1′=F1=66081N

3、等速阶段

开始时:F2=F1′-∑ma1=66081-42001×0.50=45080N

终了时:F2′=F2=45080N

4、减速阶段

开始时:F3=F2′-∑ma3=45080-42001×0.50=24080N

终了时:F3′=F3=24080N

5、爬行阶段

开始时:F4=F3′+∑ma3=24080+42001×0.50=45080N

终了时:F4′=F4=45080N

(九)提升电动机容量验算

1、等效时间

Td=α(t0+t1+t3+t4+t5)+t2+βθ

=矿井提升设备的选型和设计 图48×(3.13+10.8+12.8+6+1)+68.4+矿井提升设备的选型和设计 图49×12=89.3s

式中:α——低速运转散热不良系数,α= 1/2  ;

β——停车间歇时间散热不良系数,β=1/3。

2、电动机等效力

F2dt=F02t0+F12t1+F22t2+F32t3+F42t4=2.19×1011

3、提升电动机作用在滚筒圆周上的等效力

Fd=矿井提升设备的选型和设计 图50=矿井提升设备的选型和设计 图51=49533N

4、电动机等效容量

Pd=矿井提升设备的选型和设计 图52=矿井提升设备的选型和设计 图53×1.15=427kW<500kW

满足要求

经验算,所选电动机符合要求

(十)提升机制动力矩验算

矿井提升设备的选型和设计 图54=矿井提升设备的选型和设计 图55=矿井提升设备的选型和设计 图56=4.3>3

满足要求。

式中:MZ---制动力矩

      MJ---静荷重旋转力矩

(十一)电控设备

本提升机采用直流拖动,电控设备随主机成套供货。电控设备型号选用JKMK/SZ-NT-778/550-3系列提升机全数字直流电控设备。

(十二)供电电源

提升机采用双回路供电,一回工作,一回备用。供电电源引自矿井地面变电所,详见地面供电系统图。

三、开采七2煤时主提升能力计算

矿井在初期开采七2煤时设计生产能力为0.30Mt/a,井筒深度H=277m,主井提升装置选用以开采二1煤计算为准的JKMD-2.25×4(I)E型落地式多绳摩擦式提升机,提升容器为JDS-4/55×4Y型标准多绳箕斗(钢丝绳罐道)。提升钢丝绳首绳选用22ZAB-6V×30+FC-1670-307型钢丝绳左右捻各两根。尾绳选用88×15NAT-P8×4×7-1360型扁钢丝绳2根,该提升设备在初期开采七2煤时一次安装到位,分期服务于七2煤和二1煤的开采。

(一)提升高度的确定

Ht=H-HZ+HX+Hr=277-30+12+10.9=269.9m

式中:Hr ---容器高度  Hr=10.9

HX ---卸载高度  HX=12m

Hz ---装载高度  HZ=30m

(二)提升运动学及提升能力计算(提升速度图力图见图6-1-3)

经计算得初加速度a0=0.48m/s2,V0=1.5m/s,卸载曲轨行程h0=2.35m,主加速度a1=0.50m/s2,提升减速度a3=0.50m/s2。(提升速度及力图见图6-1-3)

1、初加速度阶段

卸载曲轨初加速时间:t0=矿井提升设备的选型和设计 图57=矿井提升设备的选型和设计 图58=3.13s

箕斗在卸载中曲轨内的行程:h0=2.35m

2、正常加速度阶段

加速时间:t1=矿井提升设备的选型和设计 图59=矿井提升设备的选型和设计 图60=10.8s

加速阶段行程:h1=矿井提升设备的选型和设计 图61×t1=矿井提升设备的选型和设计 图62×10.8=45.4m

3、正常减速阶段

减速阶段时间:t3=矿井提升设备的选型和设计 图63=矿井提升设备的选型和设计 图64=12.8s

矿井提升设备的选型和设计 图65

减速阶段行程:h3=矿井提升设备的选型和设计 图66×t3=矿井提升设备的选型和设计 图67×12.8=47.4m

4、爬行阶段

爬行时间:t4=矿井提升设备的选型和设计 图68=矿井提升设备的选型和设计 图69=6s

爬行距离:h4=3m

5、抱闸停车时间t5=1s

6、等速阶段

等速阶段行程:h2=Ht-h0-h1-h3-h4=269.9-2.35-45.4-47.4-3=171.8m

式中:Ht---提升高度  Ht=H-HZ+HX+Hr=277-30+12+10.9=269.9m

等速阶段时间:t2=矿井提升设备的选型和设计 图70=矿井提升设备的选型和设计 图71=24.9s

7、一次提升循环时间

Tx=t0+t1+t2+t3+t4+t5+θ=3.13+10.8+24.9+12.8+6+1+12=70.6s

式中: θ—休止时间取12s

8、提升设备年实际提升量

An′=矿井提升设备的选型和设计 图72=89.7万t/a

提升能力富裕系数为

af=矿井提升设备的选型和设计 图73=矿井提升设备的选型和设计 图74=2.99

提升能力满足要求

(三)提升系统动力学计算

1、提升系统总变位质量

∑m=m+2mz+4PkLp+2mt+mj+md

   =4000+2×6500+4×1.96×610+2×2300+6500+4399

   =37281kg

式中:Lp——钢丝绳全长Lp=610m(包括尾绳)。

2、动力学计算(按平衡系统计算)

1、提升开始阶段

开始时:F0=Kmg+⊿Ht+∑ma0=1.15×4000×9.8+37281×0.48=62975N

终了时:F0′=F0-2⊿h0=62975-0=62975N

式中:⊿---提升钢丝绳与平衡尾绳的总单重之差,平衡系统⊿=0。

2、主加速阶段

开始时:F1=F0′+∑m(a1-a0)=62975+37281×(0.5-0.48)=63721N

终了时:F1′=F1=63721N

3、等速阶段

开始时:F2=F1′-∑ma1=63721-37281×0.50=45080N

终了时:F2′=F2=45080N

4、减速阶段

开始时:F3=F2′-∑ma3=45080-37281×0.50=26440N

终了时:F3′=F3=26440N

5、爬行阶段

开始时:F4=F3′+∑ma3=26440+37281×0.50=45080N

终了时:F4′=F4=45080N

经计算所选主井提升设备在初期开采七2煤时,可满足矿井七2煤井煤炭提升任务的要求。

四、副提升设备选型计算

(一)设计依据

初期开采七2煤时

1、生产能力: 0.30Mt/a。

2、工作制度:年工作日330d,每天最大班净提升时间16h。

3、提升高度:H=277m(井筒深度)。

4、最大班下井人数:109人。

5、最大件重量:3170kg。(主排水泵电机,不可拆卸件)

后期开采二1煤时

1、生产能力: 0.45Mt/a。

2、工作制度:年工作日330d,每天最大班净提升时间16h。

3、提升高度:H=577m(井筒深度)。

4、最大班下井人数: 125人。

5、最大件重量:5350kg(主排水泵电机,不可拆卸件)。

(二)提升容器选择

根据矿井后期开采二1煤时的年产量及辅助提升量,经计算,副井提升容器选用一对1.0t双层单车多绳标准罐笼(宽窄各一个),钢丝绳罐道,宽罐笼质量为Q=5800kg,每次承载38人,窄罐笼质量为Q=4656kg,每次承载23人。提矸选用1.0t标准矿车,矿车自重QZ=610kg,载矸量为Qm=1800kg,每次提升一辆矿车。

(三)钢丝绳及提升机选择

1、绳端荷载计算

提升物料(按提矸计算):

Q矸=Q+Qm+QZ=5800+1800+610=8210kg

提升人员:

Q人=Q+Qr=5800+2850=8650kg

提升最大件设备:

Q大件=5800+5350=11150kg

式中:Qr—每次乘载人员重量,按最多38人计算。

     5350—卸载最大件水泵电机重量。

2、首绳单位长度重量

P`K大件=矿井提升设备的选型和设计 图75=矿井提升设备的选型和设计 图76=1.65kg/m

P`K人=矿井提升设备的选型和设计 图77=矿井提升设备的选型和设计 图78=1.5kg/m

式中:Hc—钢丝绳悬垂长度Hc=H+Hj+Hh=577+24+10=611m

     n­­­­—首绳钢丝绳根数

     Hh—尾绳环高度

根据以上计算,首绳选用22ZAB-6V×30+FC-1770-326型钢丝绳左右捻各两根。其技术参数如下:钢丝绳直径dk=22mm,钢丝破断拉力总和Qq=326030N,钢丝绳单位长度质量为Pk=1.96kg/m。

3、尾绳单位长度重量

qk´=矿井提升设备的选型和设计 图79Pk=2×1.96=3.92kg/m

式中:n1—尾绳钢丝绳根数

根据以上计算,尾绳选用85×15NAT-P8×4×7-1370型扁钢丝绳两根,其主要技术参数为:钢丝绳尺寸宽×厚=85mm×15mm,钢丝破断拉力总和Qq=542000N,钢丝绳单位长度质量为qk=3.82kg/m。

4、提升机选择

1)摩擦轮直径

D´≥90d=90×22=1980(mm)

2)最大静张力和最大静张力差

最大静张力(按提升最大设备计算)Fj=Q+Q大件+nPkHj+n1qk(H+Hh)

=5800+5350+4×1.96×24+2×3.82×(577+10)=15823kg

最大静张力差Fc=Qr+(5800-4656)=3994kg

据此副井提升装置选用JKMD-2.25×4(I)E型落地式多绳摩擦式提升机,其主要技术参数为:摩擦轮直径D=2250mm,天轮直径DT=2250mm,最大静张力215kN,最大静张力差65kN,摩擦轮钢丝绳间距300mm,提升速度V=5.0 m/s,减速比i=11.5,提升机旋转部分变位质量mj=6500kg,天轮变位质量mt=2300kg,衬垫摩擦系数μ=0.23。

(四)提升系统的确定(见提升系统图6-1-4)

1、井架高度

Hj=Hr+Hg+0.75Rt+e=11+7+0.75×1.125+5=23.8m

取HJ=24m

式中: Hr---容器高度

      Hg---过卷高度

Rt---天轮半径

e---上下天轮中心高度                                 

2、提升机摩擦轮与提升中心线距离LS

LS=0.6Hj+3.5+D=0.6×24+3.5+2.25=20.2m

取LS=21m

3、钢丝绳弦长

下弦长LX1=矿井提升设备的选型和设计 图80矿井提升设备的选型和设计 图81

        =26.3m

上弦长LX=矿井提升设备的选型和设计 图82矿井提升设备的选型和设计 图83

       =31.2m

式中:s---两容器间距

      C0---摩擦轮中心与地平距离

4、钢丝绳的出绳角

下出绳角

β下=arctan矿井提升设备的选型和设计 图84+arcsin矿井提升设备的选型和设计 图85

=arctan矿井提升设备的选型和设计 图86+arcsin矿井提升设备的选型和设计 图87

=49°17´26"

上出绳角

β下=arcsin矿井提升设备的选型和设计 图88=48°2´17"

矿井提升设备的选型和设计 图89

5、围包角а的确定

经计算围包角а=181°15´9"

(五)提升容器最小自重校核

1、按静防滑条件容器自重为(按提升最大件计算)

QC≥[矿井提升设备的选型和设计 图90]Q-nPkHc-QZ=D2Q-nPkHc

  =2.484×2850-4×1.96×611=2289.2kg

当围包角а=181°15´9"时查表得D2=2.484

2、按动防滑条件

QC≥[矿井提升设备的选型和设计 图91]Q+[矿井提升设备的选型和设计 图92]×Gd-nPkHc-Qz

=A2Q+C1Gd-nPkHc

经查表当加速度a1取0.5m/s2,A2=2.3,C1=0.15。

则QC=2.3×2850+0.15×2300-4×1.96×402=3748.3kg

经计算满足防滑条件的罐笼最小自重均小于所选罐笼自重,防滑条件满足要求,但在卸载最大件水泵电机时应适当增加配重,已满足防滑条件下的提升容器最小自重的要求。

(六)钢丝绳和提升机校验

1、首绳安全系数

提升矸石时

m=矿井提升设备的选型和设计 图93=矿井提升设备的选型和设计 图94=10.2>8.2-0.0005H=7.9

提升人员

m=矿井提升设备的选型和设计 图95=矿井提升设备的选型和设计 图96=9.9>9.2-0.0005H=8.9

提升大件设备

m=矿井提升设备的选型和设计 图97=矿井提升设备的选型和设计 图98=8.3>8.2-0.0005H=7.9

满足要求。

2、最大静张力和最大静张力差

如前计算

最大静张力Fj=15823kg=155070N<215000N

最大静张力差Fc=3994kg=39141N<65000N

经计算所选提升机满足要求。

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