地面钻孔救援是在井下事故发生后,首先施工小直径生命通道孔为被困人员提供生命支持,然后施工大直径钻孔并使用载人救援提升装备将被困人员提升至地面的救援方式。地面钻孔救援可有效避开大面积巷道坍塌区域、防止救援过程中遭遇二次事故、救援效率高,是新时代矿山应急救援的一种新方法和有效手段,是国内外重点关注的矿山救援技术之一。同时国外矿难事故地面钻孔救援成功实施,国内矿山应急救援体系建设和井下应急避难硐室快速救援都对载人救援提升装备需求迫切,因此开发适合中国国情的大直径深孔载人救援提升装备显得尤为重要。目前国外载人救援提升装备表现为两个不同方面:一方面装备功能过于简单,不能满足提升救援需要;另一方面装备集成度高,但是成本过高,适用钻孔直径大,钻孔直径要求越大,钻探施工难度越大,成孔效率低,上述两方面都不能很好地满足中国应急救援需求。而国产装备在研发过程中仅满足基本参数要求,缺少控制方法仿真研究和试验研究过程,装备深井试验条件缺乏,动态特性和稳定性需进一步完善。针对上述问题,依托2015年度陕西省工业科技攻关项目“地面大直径钻孔应急救援提升工艺及装备研发”(编号:2015GY134),以大直径深孔载人救援提升装备关键技术为研究对象,进行了如下研究工作:(1)对救援提升吊臂、提升装置,自动排绳系统等提升设备结构;提升舱及起落装置等结构;对煤矿救援钢丝绳结构和基于钢丝绳的通信系统进行了重点研究。(2)对卷扬系统技术进行了研究:在运行工况分析基础上,对大容绳量卷扬结构和双折线绳槽结构进行研究并改进增加一次性铸造凸台结构,改善了卷筒刚性和承载能力;对卷扬系统行参数研究,并理论给出了卷扬最大提升能力和钢丝绳绳速对应关系;设计了基于负载敏感控制和比例调速控制相结合的液压控制回路,建立了包括提升/下放速度控制单元各环节的闭环控制系统数学模型并验证了控制系统的稳定性,对数字PID控制和变速PID控制进行了阶跃响应对比仿真研究。将卷扬系统提升过程简化为三质量二自由度的弹性阻尼系统振动模型,建立了振动微分方程,进行了相应参数研究。对卷扬系统进行仿真建模,对应用变速PID控制方法控制效果进行了对比仿真研究,仿真结果验证了控制方法的有效性。(3)对制动系统技术进行了研究:在运行工况分析基础上,研究常用的制动器结构型式和制动对象,研究适合卷扬制动的停车制动和减速制动的组合制动结构方式;对片式制动器的静态制动力矩和动态制动力矩、常闭(安全)钳组和常开(工作)钳组的有效制动力、平均摩擦半径和有效制动力矩等制动参数进行了研究;设计了电液制动回路,详细研究了制动控制阀组的工作原理;设计了基于钢丝绳速度和拉力双重反馈的制动控制方法,重点进行了阀启停过程、下放过程超速制动工况和提升卡滞工况的动态特性仿真研究,为优化制动控制回路和控制方法提供依据。(4)对变幅系统技术进行了研究:在运行工况分析基础上,研究了工程机械常用的液压缸驱动变幅机构布置形式,优选SQ12S-A3起重吊臂后倾式变幅机构;对提升舱以2 m/s匀速提升过程中突然遇到障碍物停止,吊臂承受最大冲击负荷的最大减速度、减速距离、最大冲击力、冲击载荷等进行了参数研究,结合吊臂起重载荷曲线,给出了最佳吊臂姿态建议;设计了变幅系统电液控制回路,提出了一种基于臂头挠度变形变幅油缸位移补偿的控制方法;对提升吊臂计算模型、受力分析、末端挠度进行了理论分析和公式推导,计算得出了最大钢丝绳载荷下的臂头挠度变形;建立了变幅系统仿真模型,并对提升舱最大载荷条件吊臂动态特性进行了斜坡速度和正弦速度控制方法跟随特性仿真研究,验证了控制方法的有效性。(5)研究了大直径深孔载人救援提升装备控制复杂性,提出多参数协同控制方案。研发了电液控制系统,设计了装备液压系统,对主要液压部件进行了研究;对力限控制系统进行研究,保障救援姿态安全;对柴油机转速进行了远程控制研究。研发了监测系统,研究实现吊臂姿态、提升舱、液压系统关键参数的图形化显示和设置。(6)载人救援提升装备在山西晋城坪上矿逃生孔开展现场系列试验研究。对现场试验内容和流程进行了梳理,进行了空载试验、重载试验、载人试验等系列试验研究,重点研究了自动排绳系统、气体浓度测量、钢丝绳速度、通信系统等运行参数。