第1章 深井SAP提升模式
　　随着矿产资源开发朝着深部化和大型化方向发展，深井提升面临长距离、高速度、重载荷等挑战。为此，针对传统提升方式在深井提升中存在的大摆动、大振动、大惯量等问题，笔者提出了深井自适应预应力 (self-adapting pre-stressed， SAP)提升新模式，形成了适用于不同提升高度要求的SAP提升系统设计方案，研发了尾绳自动张紧调节技术及配套构件。
　　1.1 深井提升难度
　　1.1.1 矿井提升方式
　　随着浅部资源的日益枯竭，地下矿产资源开发朝着深部化和大型化方向发展。我国新建和改扩建的大型煤矿立井年生产能力已达 1000万 t，昀大开采深度已超 1500m[1-4]。在矿井提升系统中，主要采用的提升方式有摩擦式和缠绕式。根据工作原理和结构的不同，速度较慢的单滚筒缠绕提升系统使用在施工立井中；速度较快的双滚筒缠绕和摩擦提升系统广泛使用在永久立井中，如图1-1所示。
　　图1-1 传统提升系统
　　1-缠绕滚筒；2-提升绳(弦绳)；3-天轮；4-提升绳(垂绳)；5-容器；6-摩擦滚筒；7-导向轮；8-平衡尾绳
　　目前，金属矿山大多采用单滚筒或双滚筒缠绕提升系统 [图 1-1(a)、(b)]，也称为布莱尔提升系统。该系统通过钢丝绳在卷筒上缠绕实现物料的提升和下放，其总的载荷由物料、提升容器和钢丝绳自重等构成，该载荷全部由提升钢丝绳承担。
　　对于煤矿而言，由于提升载重大，普遍采用多绳摩擦提升系统，也称为Kope提升系统(图1-2)。该系统通过钢丝绳和摩擦轮之间的摩擦力实现物料的提升和下放，其总的载荷主要由物料、容器、钢丝绳 (*绳)和平衡绳 (尾绳)等构成，这些载荷使钢丝绳和摩擦轮之间存在一定的比压，并保证具有足够的摩擦力实现载荷的提升和下放。
　　图1-2 煤矿立井摩擦提升系统
　　1.1.2 深井提升中的问题
　　研究表明[5]，无论是缠绕式还是摩擦式提升，随着提升高度的增加，钢丝绳自重也增大，从而造成有效载重减小(图1-3)。
　　图1-3 不同提升方式有效载重与提升高度的特征*线[5]
　　对于缠绕式提升，2000m深度范围内有效载重基本没有变化，超过2000m后，有效载重呈线性减小。目前，南非的Moab Khotsong矿井采用缠绕式提升系统，能够实现提升高度3150m，提升速度19.2m/s，但提升载重只有13.5t。因此，缠绕式提升不能满足大吨位深井提升要求。
　　对于摩擦式提升，在千米深度范围内有效载重随钢丝绳数量增加而提高，虽然超过千米后，有效载重逐渐减少，但是总体提升能力在1500m内还是优于缠绕式提升。因此，立井提升高度在1000～1500m范围内，摩擦式提升仍将是大吨位提升的*选方式。目前，我国煤矿千米深井采用多绳摩擦提升的箕斗有效载荷已经达到50t的水平。然而，当深度增大到1800m时，则无法适应深井长距离、高速度、重载荷等提升要求，其原因主要是系统存在大摆动、大振动、大惯量，以及随之而来的大波动应力等问题。
　　1.大摆动
　　在深井高速提升过程中，随着启动加速和制动减速过程中速度变化，处于自由悬挂状态的尾绳容易产生左右摆动，摆动幅度可达0.7m以上(图1-4)，从而导致尾绳碰撞、磨损、绞绳甚至断绳。
　　图1-4 千米提升尾绳摆动实测结果(大强煤矿)
　　2.大振动
　　在深井高速提升过程中，随着提升加速度和制动减速度的急剧变化，处于自由悬挂状态的尾绳容易产生上下振动，振动幅度可达0.6m以上(图1-5)，从而导致提升绳疲劳损伤、使用寿命缩短(昀短3个月换绳)；同时，还会导致提升系统运行失稳，诱发安全事故。
　　3.大惯量
　　矿井提升大吨位容器加工制造过程中，其自重载重比通常大于1.3，按照目前国产昀大吨位提煤箕斗的载重量为50t，其自重将达到65t；同时，随着提升高度增加，钢丝绳长度也增加，1000m长度钢丝绳单根自重就达12t以上；千米提升系统总质量将达到300t左右。如此高质量的系统在高速运行过程中，将会产生极大的惯量，对提升传动、制动以及整体安全性控制提出了更高的要求。
　　图1-5 千米提升尾绳振动实测结果(大强煤矿)
　　现有多绳摩擦提升方式能够满足浅井的要求，但当提升深度增加，尾绳晃动幅度增大，其安全可靠性降低。现有的摩擦提升方式，其尾绳是摩擦轮式提升机在左右提升容器下部连接的平衡钢丝绳，它在运行时自由下垂，起到平衡和稳定提升容器的作用。尾绳的总质量和*绳总质量基本相等，尾绳在运行时不承受其他外力作用，只承受自由下垂重力和自身运行时所产生的旋转、弯*等自身应力作用，这就要求尾绳要有很好的柔韧性、抗疲劳性，要求运动时避免旋转消除应力。为避免尾绳在井底回转位置出现相互缠绕，一般在井底设有分绳挡梁。除了锈蚀，尾绳在高速运行中由于自身摆动易与分绳挡梁、井内其他设施以及尾绳之间发生碰撞、刮磨以及绞绳现象，长期磨损将导致尾绳断丝断股。上述问题导致提升效率降低、稳定性差、安全性下降、设备损坏率高(图1-6)，严重影响矿井提升安全、高效运行。
　　图1-6 传统摩擦提升钢丝绳及设备损坏情况
　　1.1.3 研究现状
　　为了解决深井提升系统的安全问题，朱真才及其科研团队构建了立井过卷过放、制动、装卸载、变长度提升钢丝绳、尾绳摆动和张力控制等比较全面的提升系统动力学理论模型以及立体化的安全保护与监测系统，为矿山超深立井提升系统的设计与安全运行提供了重要支撑[6-33]。李玉瑾、李楠、霍磊等针对提升装置过卷、卡罐、松绳及跑车等工况，建立了相应的动力学模型，对事故进行了分析研究，优化了相应过卷缓冲装置的制动性能，并给出了合理的建议[34-42]；梁敏、吴娟、Huang等对立井提升系统的提升绳的垂绳进行了动力学行为的研究，并给出了矿井柔性提升系统极限减速度的计算方法[43-46]；Jiang、Ma、Yao、Wang等研究了定弦绳和变长垂直提升钢丝绳在由天轮波动引起的周期性外界激励作用下的动力学行为，并研究了弦绳的多源耦合振动特性[47-50]；Wang、Guo等研究了深井提升钢丝绳内部螺旋部件的微动态扭转特性和磨损特性，并研究了钢丝绳在提升过程中与摩擦衬垫的接触摩擦磨损特性，建立了摩擦系数与滑移速度和钢丝绳张力的关系，并使用多体动力学商业软件进行了验证[51-53]。Kaczmarczyk、Arrasate、Crespo等观测了矿井提升过程中提升绳的横纵耦合振动响应特征，并研究了固定式高层电梯系统的建模与仿真，以预测部件之间的动态相互作用[54-58]。Ren和Zhu考虑了提升容器的转动特性，给出了双绳提升系统的横纵耦合振动响应特征；为了对绳索进行建模离散求解，通过将假设模态法和有限元法等方法用于离散连续体的方法来求解系统方程[59]。基于能量法，通过**类拉格朗日方程或者哈密顿原理来推导连续体的离散能量方程以此得到方程的广义质量、广义刚度、广义阻尼和广义力 [60]。Terumichi等通过变尺度有限元法研究了恒提升速度下提升容器的提升绳的非平稳振动，分析结果表明，柔性绳索的纵向速度通过共振影响振动的峰值振幅[61]。
　　随着提升深度和载重的增大，平衡尾绳自由悬挂下的立井提升系统的大振动、大摆动等现象逐渐显现。为了揭示自由悬挂柔性绳索类的动力学行为，很多学者通过能够描述大变形、大摆动的绝对节点坐标法对其进行建模。Escalona、Berzeri、Shabana、Yakoub等基于有限元法和连续介质力学理论，提出了绝对节点坐标法 (absolute nodal coordinate formulation，ANCF)，并将其应用于二维悬臂梁的动力学建模和数值求解[62-65]；Zemljaric和Azbe提出了利用预计算矩阵和高斯积分相结合的ANCF内单元广义弹性力模型，以节省解算运动方程时间数值积分所用的耗时[66]。
　　虽然目前国内外均致力于超深井大型提升系统的高提升能力、高运行速度和高运行安全性的技术突破，在现有的提升系统上进行了初步尝试，但一直无法改变传统多绳摩擦提升系统在超深井、高速度、强时变等特点下自由悬挂平衡尾绳大摆动、大振动以及高速重载下大惯量等问题。
　　1.1.4 深井提升难度表征参数
　　为了克服传统多绳摩擦提升系统的缺陷，依托国家重点研发计划项目“煤矿深井建设与提升基础理论及关键技术”(2016YFC0600900)，以构建深井提升基础理论体系，研发深井高速重载提升与控制成套装备为目标，从解决深井提升大摆动、大振动、大惯量等问题入手，建立深井提升难度表征参数 (表 1-1)，为研发具有我国自主知识产权的深立井提升模式及装备系统提供参考指标。
　　表1-1 深井提升难度表征参数
　　1.2 深井SAP提升新模式
　　1.2.1 技术原理
　　为适应深井高速、重载提升要求，提出了以“上-中-下”系统控制的深井SAP提升新模式[1](图1-7)。该模式通过上部智能驱动与制动减少大振动，中部刚柔耦合轻量化提升容器减少大惯量，下部自适应尾绳导向解决大摆动。
　　图1-7 深井SAP提升新模式
　　深井SAP提升系统的核心是在系统下部增加调节轮，将传统摩擦提升系统的自由悬挂尾绳改变为自适应导向尾绳，结合上部智能驱动与制动，提高系统提升传动能力以及运行的稳定性，中部采用刚柔耦合轻量化提升容器，减少系统结构的整体质量。
　　1.2.2 系统结构
　　基于深井SAP提升原理，提出了适用于1000～1500m的SAP-1500和适用于1500～2000m的SAP-2000两种深井SAP提升系统。