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矿物开采和运输是矿物生产过程中的重要环节,矿井提升机作为矿山运输的关键设备,承担着煤炭和矿石的提升、人员的升降、材料和设备的运送任务,是联系井下与地面的重要设备。
我国煤炭储量极为丰富,居世界前列,是我国经济可持续发展的保障性能源,在我国能源体系中发挥着主导作用。我国每年矿井提升机的生产数量主要与煤矿的需求量有关,特别是大型和特大型矿井提升机。
我国目前煤矿开采深度普遍小于 800 m,大量煤炭因深埋超过 1 000 m 的地下尚未开发。随着经济的快速发展,社会对能源的需求越来越大,煤矿深井开采已成为世界主要采煤国需要面临和解决的问题。据统计,目前我国煤炭的开采深度平均约 500 m,并正以每年 8 ~ 12 m 的速度向深部发展。未来 10 年内,我国矿山的开采深度必将达到 1 000 ~ 2 000 m。
20 世纪 80 年代初,德国煤矿开采深度已达 1 443 m,到 80 年代中期,国外深度超千米的矿山有 79 个。1977 年,我国赵各庄煤矿开拓深度达 1 154.4 m,目前我国开采深度超千米的矿井有 17 个。
多绳摩擦式提升机在深井中使用时,由于提升机钢丝绳加长,不仅加大提升负荷,而且在深井提升工况下钢丝绳因张力变化过大,其寿命将急剧下降,这成为制约矿井提升安全与效率的主要因素。深井提升钢丝绳普遍存在的问题有:断丝较早且不均匀,钢丝绳金属截面减小,抗拉强度降低,整体破断力下降等,使得钢丝绳使用寿命较短。如铜陵冬瓜山铜矿提升高度为 1 100 m,钢丝绳平均使用寿命约为 3 个月;徐州庞庄张小楼主井提升机的提升高度为 1 039.6 m,钢丝绳平均使用寿命为 6 个月;因此,国内多绳摩擦式提升机不建议在深度超过 1 200 m 的情况下使用。
一般情况下,对于深井提升,可采用分段提升方式,即采用成熟的单绳缠绕式提升机或多绳摩擦式提升机进行分段开采,技术方面很容易实现,但所需的设备较多,生产和管理成本会明显增大,并且增加了故障的发生概率;另一种方式是采用布雷尔提升机 (即多绳缠绕式提升机),只需 1 套提升设备就可完成,避免了多段提升带来的复杂的运转系统及硐室工程,节省了投资成本。
1958 年,南非开始采用多绳缠绕式提升机,并普遍应用于 2 000 m 左右提升高度的矿井。多绳缠绕式提升机是一种双筒缠绕式提升机,其每个卷筒中间有 1 个挡绳板,使得每个卷筒上可同时缠绕 2 根钢丝绳,钢丝绳采用多层缠绕,通过天轮装置后 2 根钢丝绳与同一个提升容器连接。由于是无尾绳提升,避免了深井提升中由于尾绳的变化使得提升钢丝绳张力变化过大而对其使用寿命带来的影响。
多绳缠绕式提升机具有提升能力大、卷筒直径较小、作双钩提升时可用于多水平提升、不需要尾绳装置、适用于特深井提升等许多优点,解决了多绳摩擦式提升机在深井提升中存在的钢丝绳问题,改变了深井开采的提升模式。该提升技术在国外已有一定的应用,目前在国内的应用还是空白。
深部煤炭资源是我国能源保障的重要组成部分,今后将有许多矿井陆续进入深部开采;因此,深部开采将成为未来采矿业的发展趋势。深部提升是深部采矿需解决的一个重要问题,由于千米深井的高应力和高温的特殊地质环境,对提升运输设备提出了新的要求,同时也对技术人员提出了新的挑战。如何安全、低成本地开采及运输深部煤炭资源,将成为我国煤矿行业需要突破的重大技术问题。
纵观我国提升机的发展史,从单绳缠绕式到多绳摩擦式,从减速器传动到电动机与主轴直联传动方式,提升机的研发和制造都有了长足的进展。
近 10 年来,国产提升机在国内市场中始终占据优势,这与价格因素和国家政策有关,但也客观反映出国内市场对国产设备较高的依存度。虽然进口设备质量好,但价格高,用户更加注重产品的性价比。近些年来,国产提升机性能和质量的提高推动了其市场占有率的提升。
随着煤炭产量的快速增长,矿井提升机的需求也不断增加,ABB 公司和西玛格公司已在中国建立提升机制造基地,以期通过降低制造成本扩大国内市场,加剧了国内提升机制造行业的竞争力度。跨国公司的产品在可靠性、智能化、自动控制等方面代表了现代提升设备的技术制造水平,也激励着国内市场提升机制造业,改变设计理念,优化设计方法,开拓思路,不断创新以适应市场的要求。
值得注意的是,由于我国产业基础薄弱、技术创新能力欠缺和产品技术标准落后等诸多因素制约,使得我国矿山机械制造业整体实力不强,缺乏国际竞争力。相当数量的矿山机械制造企业只能从事一些技术水平低的简单产品的仿制,无力从事新产品开发,只能靠低价位参与市场竞争。
从当前煤炭经济运行形势来看,受我国宏观经济增速放缓、煤炭产能建设超前、进口煤增加等多重因素的影响,煤炭需求大幅回落,矿井提升机的需求量大幅削减,对提升机产业提出了新的、更高的要求。在产品方面,一是要时刻关注市场需求的变化,及时调整产品结构,以取得市场竞争的主动权;二是要提高产品质量,以质量求生存、求效益、求发展。
随着矿井提升设备技术水平的不断提高,目前许多正在使用的老式提升机已相对落后,且由于其出厂年代较早,服役时间较长[13-14],设备老化,存在一些不可忽视的缺陷,不能满足煤矿安全规程的相关规定,存在较大安全隐患,必须对超期服役的提升机进行技术改造。本着节约投资成本,减少停产时间的原则,一些矿山要求在现有承载结构和基础上,对提升机进行全面技术改造,采用新参数、新技术、新结构,用现代化提升机更换老式提升机。
合理地对老设备进行技术改造,对矿山企业十分重要,也是目前设备制造企业拓展提升机市场的途径。在满足矿井技术要求的前提下,应本着节约能源、降低消耗、减低成本、改善设备的安全性和可维修性的原则,达到提高设备的整体技术水平的目的。另外,还应尽量缩短改造工期,减少对生产的不利影响。
在对设备进行技术改造时,应综合考虑矿井的产量、生产状况、服务年限、改造费用和安装工期等,针对不同用户提升机的使用情况及检测出的问题等方面进行深入分析,提出改造对策并从理论上进行验证,在费用不足的情况下可采取分段改造方式,逐步进行。
经济全球化与区域一体化已是大势所趋,在今后中国经济的持续发展中,随着技术进步和手段的完善,新技术、新结构、新材料、新工艺的不断发展,矿井提升机的发展也将会呈现出多元化的形式,以其特有的性能及优点必将得到更加完善及广泛的应用。