超重超大千米立井吊盤縮短升降時間的工程實踐

崔喜旺 陳彥龍 李洋洋 趙興東

（1.中國華冶科工集團有限公司，北京100176；2.東北大學(xué)井巷與地壓控制研究中心，遼寧 沈陽110819）

1 工程概況及存在問題

本溪龍新礦業(yè)有限公司思山嶺鐵礦SJ1（副井）工程位于本溪市南芬區(qū)思山嶺滿族自治鄉(xiāng)，井口標高+215.200 m，井底標高-1 288.7 m，井筒深度1 503.9 m，井筒凈直徑10 m。本工程是國內(nèi)首條超大超深井，穩(wěn)車集成控制系統(tǒng)以立井穩(wěn)車為控制對象，其主要控制10臺吊盤兼穩(wěn)車（45 kW電機）、4臺整體模板穩(wěn)車（45 kW電機）、1臺液壓傘鉆倒鉤穩(wěn)車（45 kW電機）、1臺動力電纜穩(wěn)車、2臺風(fēng)筒穩(wěn)車（75 kW電機）、2臺壓風(fēng)供水管穩(wěn)車（75 kW電機）、1臺排水管穩(wěn)車（90 kW電機）及1臺安全梯穩(wěn)車（37 kW電機）。共計22臺穩(wěn)車。通過應(yīng)用穩(wěn)車集成系統(tǒng)升降吊盤，其順序為：設(shè)備檢查→吊盤提升→放炮、井下通風(fēng)→調(diào)平→吊盤下放（包含上電纜、信號線、放炮線卡具）→吊盤調(diào)平到位。在使用大穩(wěn)車和集控系統(tǒng)過程中，出現(xiàn)多次故障，使得吊盤無法順利地提升和下放，吊盤的提升和下放情況通過集控面板顯示，在提升過程中遇到問題較多，經(jīng)過初步分析出現(xiàn)的主要原因是吊盤不平衡和穩(wěn)車過載，現(xiàn)將2014年1—6月以來按照吊盤提升高度為30～40 m，一定周期進行吊盤提升時間（包含調(diào)平時間）、吊盤下放時間（包含緊固電纜、信號線、放炮線卡具、調(diào)平時間）、影響因素統(tǒng)計如表1，其中提升平均用時45 min，下放平均用時50 min，通風(fēng)時間為30 min不計入表格。

2 穩(wěn)車集控設(shè)備設(shè)施開發(fā)

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從表1可以看出：①吊盤不平衡影響吊盤升降時間；②鋼絲繩受力不均，影響懸吊穩(wěn)車運行，影響吊盤升降時間；③在吊盤的提升和下放過程中會經(jīng)常出現(xiàn)部分穩(wěn)車溜車現(xiàn)象、電機故障等致使吊盤操作盤出現(xiàn)報警，吊盤無法正常提升和下放，同時給施工也帶來極大的安全隱患。從現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計的數(shù)據(jù)可知，思山嶺鐵礦SJ1（副井）工程吊盤在提升下放過程中時間過長引起的原因多方面，其中個別穩(wěn)車引起的吊盤不平衡，致使受力不同導(dǎo)致多臺穩(wěn)車無法同步運行，進而極大地延長吊盤提升下放時間，嚴重影響了工期。因此，針對出現(xiàn)的各類問題，需要采取一個系統(tǒng)的調(diào)控措施來進行改善。

2.1 穩(wěn)車集控系統(tǒng)

本溪思山嶺項目施工的超大、超深豎井，井凈徑10 m，井深1 503.9 m，豎井施工吊盤為3層吊盤，直徑9.8 m，高8 m，自重55 t，加上吊盤上的施工設(shè)施總計約100 t，由于其工程的特殊性，初始采用PLC穩(wěn)車集中控制系統(tǒng)。吊盤升降在實際施工中采用10臺JZ-25/1800鑿井絞車提升吊盤，其中每臺鑿井絞車纏繞鋼絲繩重約11 t。盡管均采用同一廠家生產(chǎn)的設(shè)備，但其機械、電氣性能均有偏差，使鑿井絞車很難同步運行，致使每次提升下放吊盤都要消耗2～3 h，嚴重影響施工。

穩(wěn)車集中控制系統(tǒng)采用PLC集散、分布式I/O控制方式，人機交互界面，采用PROFIBUS—DP線通訊（圖1），每臺穩(wěn)車都有單獨的控制柜，各單臺穩(wěn)車控制柜無嚴格要求，可以相同也可不同，但同時工作的穩(wěn)車啟動柜控制方式必須相同。在中央控制室允許情況下，每臺穩(wěn)車既可以遠方控制又可以就地控制，既可以多臺同時工作也可單臺工作。同時工作的穩(wěn)車，可以任意組合?？梢詫⑿略龅姆€(wěn)車納入集散控制系統(tǒng)，通過DP通訊線纜連接ET200M從站模塊即可較為簡便。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了穩(wěn)車電機的同步運行，保障了吊盤各懸吊鋼絲繩動作同步，避免了鋼絲繩受力不均衡造成過載，保障了吊盤及各鑿井懸吊裝備的提升安全。吊盤和中心回轉(zhuǎn)界面見圖2。

2.2 吊盤液壓漲力自動平衡裝置

本溪思山嶺鐵礦副井屬于超深、井徑超大的豎井，其吊盤超大超重，必須使用多臺穩(wěn)車同時同步提升。雖然設(shè)計各條鋼絲繩均滿足受力要求，但由于穩(wěn)車較多，吊盤超重，各臺穩(wěn)車由于其機械、電氣環(huán)境的偏差，造成各條鋼絲繩受力不均，形成極大安全隱患。在10條穩(wěn)車懸吊鋼絲繩末端于吊盤連接處，安裝吊盤液壓漲力自動平衡裝置使各繩受力均勻，現(xiàn)場實際操作控制見圖3。

2.3 穩(wěn)車正反轉(zhuǎn)檢測防溜車系統(tǒng)

穩(wěn)車集控系統(tǒng)起初運行很好，隨著井深增加，鋼絲繩本身重量及穩(wěn)車負載的增加，吊盤質(zhì)量分布不均的現(xiàn)象被放大，同時因機械等各方面原因使得鋼絲繩受力不均，導(dǎo)致10臺穩(wěn)車同時提升時，個別穩(wěn)車超載報警，無法正常啟動以至溜車。其次變頻器出現(xiàn)過給定提升運行信號，變頻器卻先輸出下降，而后上提的現(xiàn)象。由于是偶然現(xiàn)象，加之安全因素，難以觀察無法斷定變頻器是否出現(xiàn)故障。

溜車檢測系統(tǒng)是通過雙霍爾探頭檢測的，并將信號實時傳遞給PLC，由PLC將實際運轉(zhuǎn)狀態(tài)和變頻器輸出進行比對，以檢測穩(wěn)車是否處于正常的運行狀態(tài)。每臺穩(wěn)車的檢測信號，分別獨立傳送給其所在的I/O從站，如一臺穩(wěn)車線路受損，或出現(xiàn)故障，不影響其余檢測器的使用和運行。只需在變速箱與滾筒的鏈接軸上加裝齒輪盤，用雙霍爾傳感器檢測齒輪盤凸起即可。齒輪盤隨軸轉(zhuǎn)動時，根據(jù)雙霍爾傳感器C1、C2的狀態(tài)，及檢測到凸起的間隔時間，就能判斷出其轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速（圖4）?？膳浜先藱C界面，可以設(shè)置，更改穩(wěn)車啟動時允許的溜車范圍。

3 穩(wěn)車鋼絲繩拉力天輪監(jiān)控系統(tǒng)

目前，在我國建礦過程中，大量使用吊盤、整體模塊、中心回轉(zhuǎn)抓巖機、排水管、壓風(fēng)供水管、風(fēng)筒、安全梯等設(shè)備，這些設(shè)備的上下運行都有賴于穩(wěn)車的運行和鋼絲繩的懸吊，但由于井下條件的復(fù)雜性，以及個別工作人員的非正常操作，在運行當中經(jīng)常會出現(xiàn)鋼絲拉力超限的情況，致使鋼絲繩斷裂，造成重大惡性事故。針對這種特殊情況，結(jié)合超大吊盤的實際情況，利用國際先進的電子科學(xué)技術(shù)和成熟的技術(shù)手段，設(shè)計一套功能完善的監(jiān)控系統(tǒng)。在穩(wěn)車運行過程中，時刻監(jiān)控鋼絲繩的拉力，輕微超限，進行聲光報警，嚴重超限，立刻切斷主電路，自動停止穩(wěn)車繼續(xù)運行，防止鋼絲斷裂的事故發(fā)生。主機采用觸摸式彩色液晶屏，在屏幕上能夠設(shè)定各監(jiān)控節(jié)點的最大拉力值（圖5）。在系統(tǒng)運行過程中，能夠?qū)崟r顯示各個監(jiān)控節(jié)點的拉力值，出現(xiàn)異常，及時報警，嚴重超限，會立刻切斷主電路，自動停止系統(tǒng)的冒險運行。

由于能夠測量每根鋼絲繩的深度，所以能夠?qū)崟r顯示設(shè)備的入井深度，并自動扣除鋼絲繩本身的重量，始終監(jiān)控設(shè)備本身的凈拉力，提高了檢測的精度。同時對鋼絲繩的運行故障有監(jiān)控作用?？蓪崿F(xiàn)對天輪靜載荷、動載荷、突然停車等數(shù)據(jù)實時記錄，同時監(jiān)控吊盤載荷（圖6）。

每個監(jiān)控節(jié)點被安裝在各個鋼絲繩下面，它附有一個壓力傳感器（圖7），用于測量鋼絲繩的拉力。還具有一個旋轉(zhuǎn)編碼器，用于測量鋼絲繩的入井深度。

4 吊盤整體升降系統(tǒng)應(yīng)用效果

2015年7月26至8月25日，對吊盤每次提升高度30～40 m時，整體吊盤整體升降系統(tǒng)運行情況進行統(tǒng)計（表2），結(jié)果表明：通過整個系統(tǒng)應(yīng)用，達到設(shè)備的高效利用，縮短吊盤提升和下放時間，將超大吊盤提升控制在15 min之內(nèi)，下放控制于35 min之內(nèi)。

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其效果還主要表現(xiàn)為：①降低施工成本:吊盤的集中控制，不需要更多人員去操作，其輔助設(shè)備設(shè)施安裝方便，易維修；②吊盤整體升降速度快：通過穩(wěn)車集散控制使得吊盤起降時間一般不超過20 min，較傳統(tǒng)的方式起降吊盤節(jié)約時間1 h以上，減少了工作人員，加快了豎井施工進度，體現(xiàn)了良好的經(jīng)濟效益；③施工安全有保障：各個設(shè)備實施的安裝都有自己的保護程序，如出現(xiàn)個別設(shè)備系統(tǒng)故障，自動停止運行，保證了吊盤升降安全。

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