导读
多绳摩擦式提升系统以其适应深井、提升能力大的特点，应用越来越广泛。在超过千米的深井提升中，所用钢丝绳绳径也越来越大，钢丝绳结构也由传统的三角股向 8 股、多股抗旋转钢丝绳发展。人工换绳工艺虽然技术成熟，但人员需长期在井筒中作业，且换绳时间长，劳动强度大，缺乏安全性、时效性。探索一种新式的换绳车换绳工艺，以换绳车为核心，优化换绳工艺，缩短换绳时间，提高换绳效率。
我国地域辽阔、矿产资源储备丰富，矿山企业众多，每年需要更换的主、尾绳数量庞大。许多矿山企业成立了专业的换绳队伍，换绳工艺、工具也在逐步改进。现在人工换绳时间为 2～3 d，所用换绳人员 30～40 人。但由于没有从工装上改变，所以人工换绳效率低，安全风险高。
某地下开采矿山，年产铁矿石 320 万 t，成为我国仅次于梅山铁矿 (年产 400 万 t)的大型地下矿山。该矿有一条主井、一条副井。主副井均为井塔 6 绳摩擦式提升机，主井主绳更换采用旧绳带新绳的人工换绳工艺，副井采用以换绳车为核心，配合使用收放绳绞车、主绳起重装置等机械换绳专用设备的换绳工艺。笔者提出一种改进的换绳法，先收旧绳后放新绳，新旧主绳在井口自动对换，提高了换绳效率。
1 主井换绳工艺1.1 主井提升系统概况
该矿主井井口标高为 +132 m，井底标高为-481.8 m，井塔总高为 77.5 m，导向轮平台高 52.7 m，提升机平台高 62.9 m，卸载标高为 +22 m，装载标高为 -438 m；提升机最大静张力为 1 030 kN，最大静张力差为 270 kN；提升容器采用 10 m3双箕斗提升，总质量为 25 t (含主、尾绳悬挂装置)，有效载质量为 21.6 t；主绳型号 6V×37+FC-φ36-1770，理论长度为 680 m，单位质量为 5.45 kg/m；尾绳型号35×7+FC-φ48-1570，单位质量为 10.44 kg/m。
1.2 静张力计算
2 号箕斗下放新绳，其最大静张力
式中：L1为 2 号箕斗侧主绳长度，m；L2为 2 号箕斗侧尾绳长度，m；G1为主绳单位质量，kg/m；G2为尾绳单位质量，kg/m；G3为箕斗总质量，kg；n为 2 号箕斗侧复合板卡数量，16 副；g为复合板卡质量，30 kg/副。
1 号箕斗侧最大静张力
式中：L3为 1 号箕斗侧主绳长度，m；L4为 1 号箕斗侧尾绳长度，m。
提升机最大静张力为 1 030 kN，1、2 号箕斗的最大静张力均小于此值，满足要求。
1 号、2 号箕斗的最大静张力差
F=F1-F2=584.18 -434.54=149.64 kN，149.64 ＜ 270 kN，满足要求。
1.3 换绳流程
(1)利用 8 层小绞车依次将 6 根新绳提升至 4 层，绳头每隔 300 mm 用麻绳和细铁丝绑扎 (200 mm 一段)，共 4 道，并在 3 层用钢丝绳卡将 1 号箕斗侧新旧绳连接；
(2)2 号箕斗慢下，在绳卡到达导向轮前停车，在 3 层打 1 副钢丝绳卡并拆除上 1 道绳卡，待绳头绕过主滚筒后，在 2 号箕斗侧新绳头处重新打 1 副绳卡，依次交替打卡，直至新绳头到达 6 层罐道梁，固定新绳头；
(3)利用天车将滚筒上的新旧绳分开；
(4)2 号箕斗慢上，将新绳临时固定在 2 号箕斗侧的楔形绳环上，每根绳用 9 副绳卡固定；
(5)2 号箕斗慢下，旧绳带新绳，每 30 m 停车打1 副复合板卡，每隔 100 m 打 1 副钢丝绳卡，防止新绳溜绳，直至井底；
(6)利用主绳起重装置将 2 号箕斗侧旧绳锁住，1号箕斗侧新绳与楔形绳环直接固定；
(7)将导向轮和主滚筒新旧绳交换入槽；
(8)2 号箕斗上提，边收旧绳边拆除复合板卡，30 名岗位人员配合牵引、盘绳；
(9)2 号箕斗侧新绳入楔形环，用小绞车将剩余旧绳头顺至地面，调绳试车，换绳结束。
换绳整体用时 48 h 左右，需换绳人员 35 人 (不含盘绳岗位人员)。
1.4 换绳过程中的问题
(1)井塔楼内立体交叉作业，存在高空坠物风险，安全隐患大；
(2)放新绳和回收旧绳时采用人工盘绳，盘绳速度无法与提升机速度同步，多次造成钢丝绳托地，并随着人员体力下降，出现必须停车等待人工收绳的现象；
(3)新旧绳受力与不受力时均会释放应力，人工盘绳无法保证钢丝绳有足够的张力，导致钢丝绳打结，给换绳工作带来困难。
2 副井换绳工艺2.1 副井提升系统概况
该矿副井井塔总高 37.37 m，导向轮平台高21 m，提升机平台高 27.55 m，井口标高 +132 m，井下最低水平标高 -480 m；提升机最大静张力为 490 kN，最大静张力差 137.2 kN；提升容器采用罐笼+平衡锤，罐笼质量为 14.5 t，平衡锤质量为 22 t；主绳型号 6V×34+FC-φ28-1770，装机长度为 690 m，单位质量为 3.18 kg/m；尾绳型号 34×7+FC-φ40-1570，单位质量为 6.24 kg/m。
2.2 换绳车工作原理
换绳车由导向轮、履带和车架、直线绞车、液压系统以及电控系统等五大部分组成。以履带式行走车体作为移动的载体，其行走动力来自液压系统，行走速度大于 1 km/h，操作分为行走状态和工作状态。在行走状态，使用遥控装置实现换绳车地面位置调整。车辆就位后进入工作状态。工作状态是以液压系统为动力源，对 2 台直线绞车进行操作。直线绞车是换绳车对钢丝绳产生收、放力的单元。每台直线绞车有 2台低转速、大转矩电动机，通过电动机的旋转带动传动链条前后运动。传动链条上安装有夹持体，在夹持力作用下夹紧钢丝绳，满足钢丝绳对收绳和放绳力量的需求，从而实现钢丝绳的前后运动。副井换绳如图1 所示。从图 1 (a)～(g)，依次为：①换绳车就位，导向轮就位，确定容器位置；② 卡托器卡主罐笼，旧绳进换绳车；③收回旧绳；④ 翻绳，旧绳带新绳到A 侧容器；⑤ 做 A 侧悬挂；⑥ 放新绳；⑦ 做 B 侧悬挂。
图1 副井换绳示意
1.卡绳器 2.导绳轮 3.绞车 4.导向轮 5.换绳车 6.收放绳绞车
2.3 换绳流程
首先更换 1、6 号钢丝绳 (主绳编号从东往西依次为 1、2、3、4、5 和 6 号)。
(1)将罐笼停至标高 +125 m 位置，换绳车通电试车后，将换绳车开至井口西侧合适位置，并提前将导向轮伸出。将引绳穿过换绳车，使其对应更换旧主绳，利用 6 副 U 形卡紧固连接。在井塔 3 层平衡锤侧，用楔形卡绳器将 6 根旧绳锁紧。给 2、3、4 和 5号主绳的悬挂液压缸打压，关闭对应球阀；给 1、6号绳液压缸泄压，使其松弛。在楔形绳环上方 0.5 m处，割断 1、6 号钢丝绳，用 2 t 倒链固定 1、6 号悬挂装置。
(2)以 0.1 m/s 速度下放罐笼，将 1、6 号旧绳穿过换绳车。换绳车调整压力至 13 MPa (拉力为 5 t)，夹紧压力为 6.5 MPa，收紧旧绳。如果平衡锤侧旧绳特别松弛，先把压力调整至 16 MPa (拉力为 6.7 t)，把旧绳收紧，然后再下降至 13 MPa，直至旧绳收完。
(3)换绳车放松旧绳并反向留住，断开换绳车前端 1、6 号绳，退出旧绳并穿入新绳。使用 2 副钢丝绳卡将新绳与罐笼侧旧绳连接，并断开平衡锤侧 1、6 号旧绳与收绳绞车上的钢丝绳的连接。用倒链固定平衡锤侧 1、6 号悬挂装置，旧绳带新绳过滚筒，收绳绞车同时收平衡锤侧旧绳。
(4)解开新旧绳之间的连接，将新绳绳头固定在井塔套架梁上，并打 1 副钢丝绳卡。利用 5 层天车和吊带将新绳与滚筒脱开。以 0.3 m/s 下放罐笼，直至平衡锤达到 2 层便于施工位置。在 5 层将新绳入绳槽，2 层将新绳与平衡锤侧悬挂装置连接。
(5)使用换绳车收紧新绳，压力上调至 16 MPa，拉力为 6.7 t，直至平衡锤侧的钢丝绳张紧，然后下调至 8 MPa (随动拉力为 5.3 t)。下调过程中，观察钢丝绳是否在绞车滚筒内滑动，并以 0.3 m/s 速度下放新绳，直至罐笼到达井口停车。
(6)用主绳起重装置卡住平衡锤侧新绳，并向上抽拉，当拉力达到 15.8 t (绳起重调压至 3.5 MPa)时停止，换绳车吐出新绳。在井口处断开 1、6 号新绳，并与罐笼侧楔形绳环连接。
(7)重复步骤，更换 2、5、3 和 4 号主绳。
(8)对罐调绳，换绳结束。
3 主副井换绳工艺对比3.1 劳动强度
(1)主井换绳中，在牵引新绳头过主滚筒、放新绳和回收旧绳过程中，需反复打复合板夹和拆除。每30 m 使用 1 副，每副复合板夹重约 30 kg，紧固和拆除过程中，至少需要 4 人共同配合才能完成。这也是导致换绳时间长、作业人员多的主要因素。
(2)随着钢丝绳直径增大、井深加深，使用夹具的数量也越多，夹具的体积和质量也越大，导致换绳的劳动强度加大。
(3)机械化换绳利用换绳车自身夹持输送系统，先收旧绳，然后利用滚筒上剩余旧绳将新绳头带过滚筒即可，无需用复合板夹对新旧绳进行连接固定。操作人员仅在绳头连接时进行绳卡紧固，其余工序均由机械设备完成，劳动强度较小。
3.2 新绳损伤情况
人工换绳对新绳的损伤主要有以下方面：
(1)新绳与物体相碰，新绳外层钢丝易受到额外挤压。
(2)旧绳带新绳时，新绳在绳槽外侧随旧绳下放，与滚筒间存在滑动摩擦。
(3)用板卡固定时，钢丝绳受到额外的径向应力，股与股间相互摩擦。
换绳车夹持机构与钢丝绳接触位置采用摩擦衬垫相似材质，并且在收放绳过程中，钢丝绳是相对静止，不会造成新绳损伤。
3.3 钢丝绳缠绕情况
(1)旧绳带新绳过程中，因 6 根旧绳与新绳一同运行，旧绳承重、新绳不承重，如有复合板卡紧固不牢，两板卡间新绳未绷紧，钢丝绳因自身扭力释放旋转，易造成新旧绳缠绕。
(2)回收旧绳时，新绳承重、旧绳不承重，旧绳应力释放，也易造成新旧绳缠绕。
(3)井深 800 m 以上的矿井换绳时，非抗旋转钢丝绳应力释放将更加明显，人工换绳难度加大。
(4)机械换绳工艺中，收旧绳和放新绳是分开单独进行的，且收绳和放绳过程中钢丝绳都是系统承重绳，因此，不会发生钢丝绳缠绕现象。
3.4 收放绳的连续性
(1)人工换绳放新绳和收旧绳中，均无额外的牵引力，保证钢丝绳的张紧力，只能利用提升系统中受力绳作为换绳牵引力，这就导致新旧绳需要频繁停车打卡、固定连接，换绳不连续。
(2)换绳车直线绞车机构 (见图 2)包含 2 台直线绞车，连续使用上下两组压块夹持钢丝绳。链条上装有提升机摩擦块材料，摩擦因数大于 0.2，对钢丝绳的正压力小于 5 MPa。钢丝绳位于上下链条摩擦块的绳槽内，上浮动夹头固定不动，下浮动夹头在夹紧液压缸的作用下向上夹紧链条；链条的主动轮直连液压缸，驱动钢丝绳连续运动。同时，后侧张紧液压缸推动后侧张紧链轮运动，保证松侧的链条张紧，以及链条咬合正确。浮动夹头各个夹持头内装有滚动轴承，在重载状态下发热量很小，而且各夹持头均使用铰接，能保证钢丝绳直径不一致时，受挤压力仍然相同，保护钢丝绳。
3.5 换绳速度匹配情况
(1)人工换绳在放绳和收绳过程中，采用人工盘车，无法与提升机检修速度一致，放新绳时易甩绳，收旧绳时易拖底和缠绕。
(2)换绳车收放绳速度为 0.1～0.4 m/s，能与提升机检修速度同步，配合电动收放绳绞车，确保收放钢丝绳连续、不拖地。
3.6 换绳时间及人员
(1)人工换绳需要 35 人左右 (盘绳人员除外)，作业时间 2～3 d。换绳车需要 15 人左右 (电动盘绳)，作业时间 12～24 h。采用换绳车换绳，北洺河铁矿副井用时 14.5 h，罗河铁矿主井用时 16 h，葫芦素煤矿1 号主井用时 16 h，杏山铁矿副井用时 20 h。
图2 直线绞车结构示意
(2)随着井深、绳径的增加，人工换绳工艺因劳动强度增大，换绳时间明显加长。机械换绳工艺随着井深、绳径的增加，换绳工艺和劳动强度变化不大，换绳时间增幅较小。
3.7 换绳安全对比
(1)人员在井塔内交叉作业，作业人员多，且多为手持工机具，易发生高空坠物；复合板卡为对半结构 (见图 3)，须用高强螺栓连接。
图3 复合板卡
1.长板卡 2.绳槽 3.高强螺栓
(2)人工紧固时多以个人经验为主，无具体的施工扭力标准，紧固不牢或是两板卡间主绳未完全拉紧，下放过程中易发生滑绳危险，安全风险高。
(3)换绳车直线绞车机构，通过直线链条液压夹持系统给钢丝绳提供夹持压力和收放绳阻力，确保钢丝绳恒张力，并与提升机同步运行，不会发生滑绳危险。人员只需在井口负责绳头连接和临时固定，关键点位的看护以及观察设备运转状态，安全性较高。
3.8 换绳工艺对钢丝绳结构要求
(1)三角股钢丝绳捻制紧密、强度高、承压面积大，钢丝间互相束缚，相互间无法移动位置来适应弯曲，柔韧性较差。因此，人工换绳和机械换绳均能满足此类结构钢丝绳更换工艺要求。
(2)多层抗旋转钢丝绳与三角股钢丝绳相比，股数较多、股径较细，在切割、收放绳过程中，必须要保证钢丝绳张力，否则易造成钢丝绳松捻，影响钢丝绳使用寿命。
(3)换绳车通过液压夹持输送机构，匹配提升机运行速度，能够在整个换绳过程中保持钢丝绳恒张力，确保钢丝绳不松捻。
(4)人工换绳利用复合板卡进行新旧绳固定，且旧绳带新绳时，新绳不承重，板卡固定不牢或两板卡间新绳未拉紧，易发生松捻现象。
随着瑞海金矿副井 (井深 1 326.5 m)、纱岭金矿主井 (井深 1 598.5 m)、思山岭铁矿混合井 (井深 1 355 m)、马城铁矿 3 号主井 (井深 1 137.3 m)等在建矿山的建设，可以看出我国矿山行业向千米深井的发展趋势，以及抗旋转钢丝绳的应用前景。相比机械换绳，人工换绳工艺不适合此类结构钢丝绳的更换。
3.9 调绳次数对比
3.9.1 人工换绳
杏山铁矿主井人工换绳后，需要调绳 2～3 次，才能满足安全运行要求。分析其原因有以下方面：
(1)将新绳截绳与楔形环连接预留长度多。
(2)人工换绳工艺旧绳带新绳过程中，新绳局部有松弛。
(3)下放过程中，旧绳承重且在绳槽内，新绳附在主滚筒绳槽外与旧绳连接，不承重。随着主滚筒运转下放，新绳长度总要长于旧绳。
(4)新绳载重运行后自身的结构性延伸。
3.9.2 换绳车机械换绳
杏山铁矿副井采用换绳车换绳后，只需调绳 1次，即可满足安全运行要求。分析其原因有以下方面：
(1)换绳车通过直线绞车机构先收旧绳，利用剩余滚筒到井口之间的旧绳与新绳头连接形成一体，直接将新绳入槽带过滚筒与楔形环进行连接。
(2)下放过程中，新绳已连接在提升容器上，新绳开始承重，且换绳车对新绳施加放绳阻力，随着新绳的下放起到初步拉伸的作用，减少后期调绳次数。
4 结语
提升钢丝绳使用寿命因素除设计选型合理、后期及时维护外，安装工艺的先进性对其的影响也十分重要。多数矿山企业十分重视钢丝绳后期维护管理，反而忽视钢丝绳安装过程的把控。安装过程中对钢丝绳造成的损伤是不可逆的，尤其是复合板卡对新钢丝绳内部钢丝挤压损伤及抗旋转钢丝绳松捻等隐蔽不易查看部位。换绳车集机电液于一体，以液压为动力，随动性好，便于与提升机匹配，满足换绳时的速度和力量要求，自动化程度高，施工安全，工作效率高，符合当今社会对安全性、高效性的要求和“机械化换人、自动化减人”的设计理念，值得更多矿山企业采纳和推广。
