矿井主要设备.docx
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矿井主要设备
第六章提升、通风、排水及压缩空气设备
第一节提升设备
一、概述
本矿井设计生产能力为1.8Mt/a，采用一对立井开拓方式。
井底车场水平标高为-626.0m，主井井口标高为＋81.5m，副井井口标高为＋81.5m。
主井井筒净直径为D5000mm,装备一对立井四绳20t箕斗，担负全矿井的煤炭提升任务。
副井井筒净直径为D6900mm,装备一对1.5t矿车单层二车四绳罐笼（非标一宽一窄）,担负全矿井提人、矸石、设备及升降材料等任务，宽罐除满足上述提升任务外,还可以满足整体升降大型设备、综采支架等任务。
对于主、副井提升设备的选型，设计根据矿井提升高度和提升量采用多绳摩擦轮提升方式。
对多绳摩擦轮提升机从安装方式上进行了塔式与落地式两种布置方式的比较。
从比较结果看，塔式多绳摩擦轮提升机具有占地面积小，钢丝绳在井塔内运行条件好，在同样摩擦系数情况下防滑性能好等优点，但也存在抗震能力差，安装不方便，辅助设施多，建井期占用井口时间长，总投资较高等缺点；而落地式多绳摩擦轮提升机则具有抗震能力强，建井期占用井口时间短，辅助设施少，投资省等优点，但占地面积稍大。
通过与总平面布置相结合，落地式多绳摩擦轮提升机机房占地对整个工业广场的占地影响不大，因此，从投资、工期等角度出发，设计主、副井提升设备均选用落地式多绳摩擦轮提升机。
主、副井提升机的传动方式可采用直联或非直联（带减速器）两种传动方式。
直联传动方式与非直联传动方式相比，具有传动效率高，电能损耗小，对于大功率电动机节能效果明显，机房略小等优点，不足之处是设备投资较高。
经综合技术经济比较确定，主、副井提升机均采用直联传动方式。
根据主、副井提升机的拖动电机功率，主井提升机的电气传动方式，本设计比较了交流同步电机交直交变频供电系统和直流电机全数字顺序控制SCR-D供电系统两种方案。
对于主井2500kW电机而言，相对后一种方案，前者设备技术先进、尺寸小、质量轻、运行费用低、运行可靠、维护量小。
本设计推荐主井提升机采用交流同步电机交直交变频拖动方式。
本设计根据技术可靠、经济合理原则，按交直交变频系统主要传动控制设备进口，高压柜、整流变压器等国内生产，进行主井提升电控系统设计。
副井提升机的电气传动方式，就提升主电机1000kW容量而言，采用直流电机SCR-D供电系统较为合适。
采用直流电动机的拖动方式，具有运行稳定可靠、使用方便、适应负载多变的特点，但系统投资高，综合营运费高。
本设计推荐副井提升机采用直流电动机拖动方式。
二、主井提升设备
1、设计依据
年产量：
1.80Mt/a；
主井井口标高：
＋81.5ｍ；
主井井底标高：
－626.0ｍ；
工作制度：
330d/a，16h/d；
装载位置箕斗底标高：
-604.0m（水平上装）；
卸载位置箕斗底标高：
+97.5m。
2、提升设备选型
（1）提升容器选择
本矿主井选用一对JD-20/4型20t、4绳箕斗，担负全矿井的煤炭提升任务,其主要参数为：
载重G＝20t，质量Gz＝26.370t（含悬挂装置），箕斗本体高度14.934m,箕斗全高18.672m。
根据防滑计算，箕斗不需加配重。
（2）提升钢丝绳选择及校核
a.绳端荷重：
Q＝46370kg
b.钢丝绳悬垂长度：
HC＝750.3m
c.钢丝绳允许最小安全系数：
ma＝7.2－0.0005×750.3＝6.82485
d.提升主绳选择：
提升主绳选用44ZAB6V×37S＋FC1770ZZ（SS）型钢丝绳4根，左、右捻向各2根，主要技术参数：
绳径：
dk＝44mm,丝径δ＝3mm，钢丝绳单位长度质量为Pk＝8.08kg/m，钢丝绳最小破断拉力为Q＝1270kN。
e.平衡尾绳选择：
平衡尾绳选用扁P8×4×19－187×29－1370型扁钢丝绳2根，主要技术参数：
宽×厚＝187×29（mm2）,钢丝绳单位长度质量为Pw＝15.6kg/m。
f.钢丝绳安全系数校核：
钢丝绳安全系数m＝7.3688＞6.82485
所选钢丝绳满足《煤矿安全规程》要求。
（3）提升机选型及校核
a.按钢丝绳直径计算
D≥90×44＝3960（mm）
b.按钢丝绳丝径计算
D≥1200×3＝3600（mm）
c.提升机选择
提升机选用JKMD-4×4（Z）型落地式多绳摩擦轮提升机1台，其主要技术参数如下：
摩擦轮直径D＝4000mm
天轮直径Dt＝4000mm
最大静张力Fjmax＝770kN
最大静张力差Fcmax＝270kN
提升机旋转部分变位质量Gj＝24400kg
天轮变位质量Gt＝2×7800kg
减速比I＝1
衬垫摩擦系数μ＝0.25
衬垫允许比压P＝2.0MPa
d.提升机校验
实际最大静张力：
Fj＝692.6（kN）＜770kN
实际最大静张力差：
Fc＝203.8（kN）＜270kN
实际衬垫比压：
P＝1.68（MPa）＜2.0MPa
所选提升机满足要求。
（4）电动机选型
电动机选用TBP2500-20/3150型三相交流调速同步电动机1台，主要技术参数如下：
额定功率N＝2500kW
额定转速n＝45r/min
过载系数λ＝2.0
电动机转动惯量GD2＝37500kg.m2
（5）提升系统
提升系统见图6-1-1。
a.提升高度
Ht＝697.3（m）
b.井架（上天轮中心）高度
Hj＝52（m）
c.尾绳环高度
Hh＝15（m）
d.围包角
α＝180°+62.1007°-58.8174°＝183.2833°
（6）提升运动学计算
a.提升速度
V＝9.42（m/s）
b.提升速度图见图6-1-2.
c.一次提升循环时间
Tg＝114.2（s）
（7）提升能力
AN=330×16×3600×20/（1.1×114.2）×10-6=3.02627（Mt/a）
（8）提升动力学计算
提升系统总变位质量ΣM为174746.7kg。
提升力图见图6-1-2。
（9）电动机校核：
∑F2t＝5.21×1012（N2s）
等效时间：
Td＝114.2s）
等效力：
Fd＝
＝213686（N）
等效功率：
Nd＝2055（kW）<2500kW
过负荷校验：
λ＝Fmax/Fe＝1.37＜1.7
所选电动机符合要求。
（10）防滑计算
防滑计算详见表6-1-1。
3、电控设备
（1）电气传动方案
主井提升机的电气传动方式，本设计比较了交流同步电机交直交变频供电系统和直流电机全数字顺序控制磁场换向SCR-D供电系统两种方案。
主井双容器摩擦提升防滑设计计算
表6-1-1
项目
单位
设计计算参数
提升机型号
JKMD-4×4（Z）
电动机
TBP2500-20/31503150V2500kW45r/min
箕斗型号
JD-20/4
主绳型号
44ZAB6V×37S+FC1770ZZ（SS）
尾绳型号
P8×4×19-187×29-1370
提升系统运动变位质量
kg
重载时
174746.7
空载时
154746.7
围包角
度
183.283
制动力
kN
430
防滑配重
kg
0
下放重载运行减速度
m/s2
1.5282
下放重载允许减速度
m/s2
1.8841
上提重载运行减速度
m/s2
3.8673
上提重载允许减速度
m/s2
4.4542
空载制动减速度
m/s2
3.0427
空载允许减速度
m/s2
3.1572
正常运行防滑允许加速度
m/s2
0.746389
正常运行防滑允许减速度
m/s2
0.746389
注：
不考虑矿井阻力，衬垫摩擦系数μ＝0.25
1）采用直流电机拖动的调速系统运行平稳，调速性能好，其调速技术在国内已经
成熟，对于2500kW以下直流电机拖动系统实际使用情况也较好，因此整个传动系统可采用全国内生产设备，初始投资包括电机电控约700万元；但直流电机结构复杂，其换向器能力限制了电动机的容量，造成大型机械使用的大容量直流电机设计制造困难，成本高，故障多，对其整流子保养要求高，维护工作量大。
因此直流调速系统较适用于2000kW以下直流电机拖动系统。
2）交流同步电机交直交变频供电系统，是近年国外发展的一种最新提升机电气传动方式。
它与传统的直流调速系统及交交变频调速系统相比，具有低谐波、低电压降、变压器数量少、功率因数高、控制更快更精确等优点，因此在国外已有一定应用，目前在我国有少数矿井主提升机引进使用。
高压开关柜及变压器由国产配套，电机在国内哈
尔滨电机厂等配套，传动控制主要设备需全套引进，价格约1700万元。
经过以上分析与比较，直流SCR-D传动方式，电机维护工作量大，但投资低，国产系统已经成熟，实际运行可靠性较高。
交直交变频传动方式，可靠性高，系统简单，设备少，维护工作量小。
根据方案比较，结合建设单位意见，主井提升机的电气传动方案，采用国产直联式交流变频同步提升电机+进口DTC直接转矩控制交直交变频供电系统的方案，实现无级调速、高效运行。
设计根据技术可靠、经济合理原则，考虑高压柜、变压器等国内生产，进行主井提升电控系统设计。
（2）系统主要技术参数
1）按交流同步电机2500kW,过载倍数>2，提供全数字矿井提升机交直交变频电控设备。
2）采用DTC直接转矩控制ACS6000SD交直交变频供电系统。
3）装置的过载能力与电机的过载能力相当。
4）负载变化为-120%～0～+120%额定负载时，装置满足四象限运行要求。
5）控制PLC配置有以态网通信模板，通过Ethernet/IP协议，RJ45以态网接口与上位监控计算机和矿井调度网络连接。
（3）系统主要设备
1）高压配电设备，由具有双回路电缆下进线、变压器出线、联络的KYN28A-12型中置式成套开关柜组成，具有电压、电流测量，失压、过流、进线联锁以及电动操作机构。
2）定子整流变压器，采用干式变压器（带测温装置），初级和次级绕组间加一层静电屏蔽层，且该屏蔽层应接地，高压侧±2×2.5%，五档，无载调压。
选用2500kVA干式整流变压器1台。
3）励磁整流变压器，采用干式变压器（带测温装置），初级和次级绕组间加一层静电屏蔽层，且该屏蔽层应接地，高压侧±2×2.5%，五档，无载调压。
选用500kVA干式整流变压器1台。
4）提升电机，采用ABB的ACS6000系列直接转矩控制交直交变频器供电，配用ABB公司的全数字控制设备。
控制部分：
采用双PLC热备用冗余控制，其中主控PLC采用AC800M&S800I/O可编程控制器，保证提升控制的可靠性；
调节部分：
采用DTC直接转矩控制计算机调节装置为核心的调节系统，可靠性高，调整方便；
监控部分：
采用P4系列工控计算机作为上位监控计算机，具有提升信号显示系统、提升保护、综合后备保护、故障自诊断、行程、速度图、开车准备状态，控制系统状态、高低压电源回路、主回路、安全回路等实时显示以及报表打印功能，便于事故的预测和分析处理，保证提升机安全可靠的运行。
监控计算机能与矿井调度中心计算机联网，把提升机运转情况及有关参数及时传递给中央调度室,通过矿井调度网络，相关人员能及时了解提升情况。
提升机控制系统有手动/半自动/自动/紧急操作等多种工作方式。
5）在主电机冷却风机回路，设置有变频调速装置，现场可根据主电动机发热情况、环境温度、季节变化等因素，自动或手动调节冷却风量，避免机械调风方式对风机设备的冲击，提高风机设备寿命，同时节能能源。
4、电源
提升机房的高压电源两回、低压电源一回，均直接引自矿井变电所。
三、副井提升设备
1、设计依据
（1）矿井年产量：
1.8Mt/a；
（2）副井井口标高：
＋81.5ｍ；
（3）副井井底标高：
－626.0ｍ；
（4）矸石量：
按年产煤量的3%计；
（5）坑木消耗：
1.5m３/kt；
（6）支护材料：
6车/班；
（7）运送设备：
1次/班；
（8）最大班下井人数：
137人；
（9）其它：
5次/班；
（10）最大件质量：
26000kg；平板车质量：
2500kg；
2、设备选型计算
（1）提升容器选择
提升容器选用1.5t矿车单层双车非标四绳罐笼，一宽罐，一窄罐。
宽罐质量为19300kg,载人50人；窄罐增加配重后质量为19300kg，载人22人。
罐笼全高为9633mm,本体高为4000mm。
正常运输时，小于3t的矸石材料，采用3t无轨胶轮车直接进罐运输；大于3t的材料采用平板车运输；下放最大件时，采用特殊平板车。
在升降最大件时需加临时配重22000kg。
装罐笼时，应先装临时配重14000kg，然后装最大件，最后将临时配重装到22000kg。
出罐笼时，应先将临时配重减到14000kg，然后下最大件，最后下剩下的临时配重。
（2）钢丝绳选择及校核
a.提升系统见图6-1-3。
b.绳端荷重：
提人：
Qdr＝20950kg
提物（最大件）：
Qdw＝47800kg
c.钢丝绳悬垂长度：
Hc＝749.5（m）
d.钢丝绳允许最小安全系数：
提人：
m1＝9.2-0.0005×749.5＝8.82525
提物：
m2＝8.2-0.0005×749.5＝7.82525
e.提升主绳选择：
提升钢丝绳主绳选用48ZBB6V×37S+FC1770ZZ（SS）1510961型钢丝绳，四根。
主要技术参数：
绳径：
dk＝48mm,钢丝绳单位长度质量为Pk＝9.61kg/m，钢丝绳最小破断拉力为Q＝1510kN。
f.平衡尾绳选择
平衡尾绳选用扁P8×4×19--206×33137028801950型钢丝绳，两根。
主要技术参数：
宽×厚＝206×33（mm2）,钢丝绳单位长度质量为Pw＝19.5kg/m。
g.钢丝绳安全系数校核：
钢丝绳安全系数：
提人m人＝12.273＞8.82325
提物（最大件）m物＝7.994＞7.82325
所选钢丝绳满足《煤矿安全规程》要求。
（3）提升机选型及校核
a.按钢丝绳直径计算
D≥90×48＝4320（mm）
b.按钢丝绳丝径计算
D≥1200×2.9＝3480（mm）
c.提升机选择
提升机选用JKMD-4.5×4（Z）型落地式多绳摩擦轮提升机1台，其主要技术参数如下：
摩擦轮直径D＝4500mm
天轮直径Dt＝4500mm
最大静张力Fjmax＝960kN
最大静张力差Fcmax＝340kN
提升机旋转部分变位质量Gj＝32000kg
天轮变位质量Gt＝2×9250kg
减速比i＝1
衬垫摩擦系数μ＝0.25
衬垫允许比压P＝2MPa
d.提升机校核
实际最大静张力（最大件）
Fj＝755.3（kN）＜960kN
实际最大静张力差（最大件）
Fc＝71.4（kN）＜340kN（3t车满载进罐笼）
Fc瞬＝146.1（kN）＜340kN（装载大件过程中出现）
实际衬垫比压（按提升最大件）：
P＝1.67（MPa）＜2MPa
所选提升机满足要求。
（4）电动机选型
电动机选用ZKJ2150型直流电动机1台，主要技术参数如下：
额定功率N＝1000kW
额定电压V＝660V
额定转速n＝39r/min
过载系数λ＝2.0
电动机转动惯量GD2＝62400kg.m2
（5）提升系统计算
提升系统见图6-1-3。
a.提升高度
Ht＝707.5（m）
b.井架（上天轮中心）高度
Hj＝27（m）
c.尾绳环高度
Hh＝15（m）.
d.围包角
α＝180°＋55.9859°－51.4875°＝184.4985°
（6）提升运动学计算
a.提升速度：
V＝9.19（m/s），提大件时降速到6.6（m/s）
b.提矸石时的提升速度图见图6-1-4。
c.提人员时的提升速度图见图6-1-5。
d.提升最大件时的速度图见图6-1-6。
e.一次提升循环时间
提人：
Tg1＝161.71（s）
提矸：
Tg2＝113.71（s）
其他：
Tg3＝163.12（s）
（7）最大班作业时间计算
最大班工人下井时间为10.78min。
最大班作业时间为2.15h。
最大班作业时间平衡表见表6-1-2。
3t无轨胶轮车最大班作业时间平衡表
表6-1-2
提升内容
单位
每班数量
每次
提升量
每班
提升次数
每次
提升时间（s）
总需时间
（s）
下放人员
人
137
36
4
161.71
646.84
上提人员
人
110
36
4
161.71
646.84
升降其他人员
人
28
36
1
161.71
161.71
提升矸石
车
38
1
38
113.71
4320.98
下放支护材
车
6
1
6
113.71
682.26
下放坑木
m3
1.5
0.5
3
113.71
341.13
升降设备
次
1
1
1
113.71
113.71
其它
次
5
1
5
163.12
815.61
合计
s
—
—
62
—
7729.08
（8）提升动力学计算
提矸石时提升系统总变位质量ΣM矸＝159954kg；提升员人时提升系统总变位质量ΣM人＝156904kg；提升最大件时提升系统总变位质量ΣM大＝203654kg。
提升矸石力图见图6-1-4。
提升人员力图见图6-1-5。
提升最大件力图见图6-1-6。
（9）电动机校核
电动机校核以提升系统所需电动机最大功率的运行状态进行，本系统由于最大件提升时采用降速运行，所以以提升矸石时进行电动机校核。
∑F2t＝8.9583×1011（N2s）
等效时间：
Td＝113.71（s）
等效力：
Fd＝
＝88759（N）
等效功率：
Nd＝832（kW）＜1000kW
过负荷校验
λ＝Fmax/Fe＝1.84＜1.87
所选电动机符合要求。
（10）防滑计算
正常运行时，以升降物料状态确定制动力，并对升降人员状态进行防滑校核。
升降最大件时，需要重新调整制动力，以满足《煤矿安全规程》第433条下放重载减速度≥1.5m/s2的要求。
防滑计算详见表6-1-3。
3、电控设备
根据提升设备选型情况、现行版《矿山电力设计规范》和《煤矿安全规程》要求，副井提升机的电气传动设备，采用电枢换向12脉动顺序控制SCR-D供电系统，实现无级调速、高效运行。
（1）系统主要技术参数
1）按直流电机1000kW,660V,过载倍数>2，提供全数字矿井提升机直流电控设备。
2）采用电枢可逆12脉动顺序控制晶闸管供电系统。
3）装置的过载能力与电机的过载能力相当。
4）负载变化为-120%～0～+120%额定负载时，装置满足四象限运行要求。
5）装置的功率因数不低于0.80。
6）装置产生的谐波对电网的影响,在国家电力行业和当地电力部门的允许范围内。
7）PLC配置有以态网通信模板，通过Ethernet//IP协议，RJ45以态网接口与上位监控计算机和矿井调度网络连接。
（2）系统主要设备
1）高压配电设备，由具有双回路电缆下进线、变压器出线、联络的KYN28A-12型中置式成套开关柜组成，具有电压、电流测量，失压、过流、进线联锁以及电动操作机构。
副井双容器摩擦提升防滑设计计算
表6-1-3
项目
单位
设计计算参数
提升机型号
JKMD-4.5×4（Z）
电动机型号
ZKJ2150型1000kW39r/min直流电动机
罐笼型号
GDGK1.5/4
主绳型号
48ZBB6V×37S+FC1770ZZ（SS）
尾绳型号
P8×4×19-206×33-1370
围包角
度
184.4985
制动力
kN
338
400
防滑配重
kg
0
临时配重
kg
0
19000
提升内容
升降物料
升降人员
升降最大件
提升系统运动变位质量
kg
159954
156904
203654
下放重载制动减速度
m/s2
1.841
2.204
1.508
下放重载允许减速度
m/s2
2.8865
2.8349
2.9517
上提重载制动减速度
m/s2
2.734
2.461
2.173
上提重载允许减速度
m/s2
3.3371
3.3945
3.6367
空载制动减速度
m/s2
2.389
空载允许减速度
m/s2
3.0971
正常运行防滑允许加速度
m/s2
0.750
正常运行防滑允许减速度
m/s2
0.750
注：
不考虑矿井阻力，衬垫摩擦系数μ＝0.25
2）电动机电枢回路的整流变压器，采用干式变压器（带测温装置），初级和次级绕组间加一层静电屏蔽层，且该屏蔽层应接地，高压侧±2×2.5%，五档，无载调压。
选用800kVA,dd0和800kVA,dy11的干式整流变压器各1台。
3）变流设备的功率组件，采用国产优质可控硅。
4）为保证提升机长期安全运行，减少故障率，电控系统采用全数字控制方式。
控制部分：
采用双PLC热备用冗余控制，其中主控PLC采用S7-300可编程控制器，保证提升控制的可靠性；
调节部分：
采用西门子SIMOREG计算机直流调节装置为核心的调节系统，可靠性高，调整方便；
监控部分：
采用P4系列工控计算机作为上位监控计算机，具有提升信号显示系统、提升保护、综合后备保护、故障自诊断、行程、速度图、开车准备状态，控制系统状态、高低压电源回路、直流主回路、安全回路等实时显示以及报表打印功能，便于事故的预测和分析处理，保证提升机安全可靠的运行。
监控计算机能与矿井调度中心计算机联网，把提升机运转情况及有关参数及时传递给中央调度室,通过矿井调度网络，相关人员能及时了解提升情况。
提升机控制系统有手动/半自动/低速检查井筒及钢丝绳/低速下放大型设备或长材料等四种操作方式。
低速检查井筒及钢丝绳/低速下放大型设备或长材料两种操作方式，为手动低速运行控制。
为保证矿井安全生产的可靠性，因种种原因主控PLC退出时，经操作转换开关，提升机可由辅控PLC控制满载减速运行。
考虑煤矿实际，在双PLC事故状态下，系统能转入继电器方式临时应急开车。
此外，当整流柜或整流变压器一组事故时，通过方式转换柜，可将其脱离系统，提升机可在降低功率下满载半速运行，以保证矿井生产。
4、电源
提升机房的高压电源两回，均直接引自矿井变电所。
四、水仓清理提升设备
为了加快清仓的速度与减少工人的劳动量，设计选用ZQ-IIIY型水仓自动清挖系统。
其中脱水设备电机为：
YB型2台每台功率3kW;摆动设备电机为3kW；煤泥清挖专用泵搅拌电机为3kW;煤泥清挖泵2台，每台功率为:
11kW。
另外，为使用方便水仓清理配备JD-25型绞车，配660V、25kW防爆电动机，14NAT6×7+FC14
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