深井提升系统非线性振动规律及冲击限制研究

国内摩擦提升系统设计时大多数是把提升钢丝绳看作刚体，采用静态设计方法。而摩擦提升钢丝绳是一种典型弹性振动体。在外力和激励作用下，易产生纵向振动和横向振动。非线性振动容易激发大变形，丧失稳定性，产生激振运动。激振运动不仅会降低结构的使用寿命，而且还可能造成灾难性后果。且提升系统加、 减速或紧急制动时， 钢丝绳会储存或释放能量产生很大动张力。如果设计不合理就会造成提升容器剧烈震荡，导致摩擦传动失效。因此提出了深井提升系统非线性振动规律及冲击限制研究。 主要研究内容：（1）建立了平直和弯曲一次和二次捻制钢丝螺旋线空间矢量表达式，建立不同类型（点接触和线接触）、不同结构（单捻绳和多股绳）、不同捻向（同向捻和交互捻）钢丝绳空间三维模型和有限元模型，分析了平直和弯曲钢丝绳内在特性和钢丝绳性能的关系，以及股内钢丝应力分布规律。（2）研究了井筒深度对钢丝绳振动特性及其他安全系数的影响。井筒深度越深，扭转越大；同一井深下，空载时扭转角比重载时扭转角大；井筒深度越深，钢丝绳绳芯的抗扭转能力比纤维绳芯抗扭转能力强，应尽量采用交互捻钢丝绳。（3）为了研究摩擦提升系统在运行过程中变长度提升钢丝绳振动规律，利用Hamliton方程建立钢丝绳纵向-横向耦合偏微分振动方程。应用修正Galerkin方法，将激励作用下的提升钢丝绳偏微分振动控制方程离散化为有限维的常微分方程进行了求解，提出纵向-横向耦合偏微分振动方程和求解方法。（4）提出了矿井提升系统的冲击限制机理。同等条件下，梯形加减速运行时冲击振动限制最好。任何变工况过渡过程中，加减速的上升时间等于提升系统基波振动周期时，冲击振动得到很好限制；变工况过渡过程的调节时间是该系统基波振动周期 15 倍以上时冲击振动能限制在 4%以内。深井提升设备非线性振动规律及冲击限制采取主动防止振动冲击，对提升机钢丝绳的全生命周期实施科学合理的处理处置，不仅能够延长钢丝绳的工作寿命和可靠性，从而增加经济效益；更重要的是减少了检修和维护、更换和调节时间，从而增加有效运行时间来增加经济效益。 2100433B

由于振动和冲击导致的提升钢丝绳断绳事故频繁发生，造成生命和财产的惨重损失。我国近两年矿井断绳事故就多达 1065 起，死亡人数达到1142 人。申请者在研究和分析深井提升系统振动、冲击工况的基础上，应用hamilton原理、Galerkin和实验模态等方法，建立基于分布参数、时变参数变长度弦线的柔性提升系统的无干扰和有干扰横向-纵向耦合振动模型；通过边界条件来描述钢丝绳提升系统极端运行工况的特定条件，研究钢丝绳提升系统发生危险振动与其基波振动周期的内在关联规律及其动态特性；从避免冲击振动的角度来确定解除或减小钢丝绳提升系统振动的途径和方法，为正确设计、使用维护提供理论体系和实施方法和途径。提出减少或消除钢丝绳提升系统的振动（特别是极端运行工况下的冲击）发生的理论和方法，对解决十二五规划中的千米深井开采瓶颈技术，实现矿井钢丝绳提升系统的安全高效生产具有十分重要的意义。

继瓦斯、煤尘、顶板、水灾和火灾事故后，热害已成为威胁煤矿安全生产的第六大灾害，且随着开采深度的不断增加有日趋严重的趋势。项目以热害治理为工程背景，针对深部热环境高温、高湿的特点，基于当前降温系统大投入、高耗能的现状，紧紧围绕围岩壁面热湿输运及阻断机理这一关键科学问题，通过物理模拟试验、试样试验、理论分析及数值模拟相结合的方法，研究裂隙岩体热物理及渗透性质，获得等效导热系数变化及非达西渗流规律；研究含湿围岩体热量与水分输运特性，建立热湿耦合传递方程并深入分析巷道壁面热湿传递规律；研究巷道壁面阻热隔湿机理和分析壁面散热与散湿量，获得巷道内风流温湿度变化规律，同时研制低导热系数和低渗透系数的泡沫材料并测试其隔热阻湿效果，为深部热害治理技术的研究及工程应用提供可靠的理论支持和科学依据。

针对深部矿井巷道内高温高湿的特点，进行了三个方面的研究：孔隙介质热物性、含湿巷道围岩传热传质规律以及隔热材料和隔热效果分析。第一根据有效导热系数的定义和热阻模拟方法，计算了干燥破碎煤体的导热系数，与实测值吻合；对于孔隙岩体，模拟了不同孔隙率条件下孔隙规则分布与随机分布两类模型的稳态热传导。结果表明等效导热系数与固体基质率之间呈双对数线性关系，拟合指数符合Archie定律；含小孔隙且未集中分布的岩体导热系数是各向同性的。第二针对深部巷道湿壁巷道与风流间非稳态传热传质问题，研究发现在瞬态传热传质试验初始阶段，巷道围岩温度迅速降低，此后降幅趋缓并逐渐稳定为定值。水分扩散半径要比热扰动半径小，湿壁巷道的出风口焓值要远远高于干燥巷道，水分传递引起的潜热在深部热环境中具有重要作用。周期性传热发现，巷道风流的温度、湿度和焓值以及围岩温度均呈现周期性变化。距离壁面越远的位置，巷道围岩温度波动幅度越小，且巷道温度波相位滞后于风流。第三研究了隔热材料的力学性质，发现抗压强度与干密度呈指数关系；水灰比对纤维最优添加量有一定影响。对低干密度泡沫混凝土，添加短纤维对抗压、抗拉强度提升明显，最高增幅分别为180%和86%；网状纤维对抗压、抗拉强度的提升优于丝状纤维；添加纤维后泡沫混凝土弹性模量和峰后残余强度分别为原来的4倍和2倍。隔热材料导热系数与干密度也呈指数关系，且随含水率增大迅速增加，增幅主要受孔隙率决定。求解了巷道隔热层瞬态传热方程，计算发现铺设隔热层后围岩原始温度受到风流扰动显著降低，通风5年时未隔热巷道传热量为铺设隔热层的1.6倍；巷道/隔热层热阻与隔热层铺设厚度呈线性变化，随着铺设厚度增加热阻迅速增加，同时换热强度不断降低。当巷道铺设双隔热层时，热阻与厚度间仍呈线性关系且与顺序无关。巷道/隔热层热阻受导热系数小的材料影响更大。隔热层厚度增加后，传热系数对传热量影响也逐渐降低。数值计算发现，一定长度的巷道壁面与风流温度沿轴向呈线性增加，但两者增加率并不相同。铺设隔热层的轴向风流温升率明显低于未铺设时；巷道风速越高、巷道尺寸越大、原始围岩温度越低、冷却半径越大，出风口风流温升越小。项目研究所获得的结论，可为高温高湿矿井采用壁面隔热阻湿技术实现热环境改善提供一定参考。 2100433B