施工立井提升系统是立井开凿过程中必不可少的运输系统,属于一种钢丝绳导向的柔性提升系统且随开凿深度不断增加而提升高度动态增加。其中,导向钢丝绳末端固定于井底的吊盘而顶端则通过凿井绞车进行预紧,作为提升容器的吊桶主要用于提升矸石和井水、升降人员和设备。一方面,由于导向绳自身的惯性、弹性和较小的弯曲刚度,使得提升吊桶在升降过程中在外界激励作用下必然产生横向振动,特别是当底部吊盘处于自由悬吊状态时,还将产生吊桶与吊盘的耦合振动,严重威胁了吊桶内以及吊盘上的人员安全。另一方面,导向绳的预紧力大小是影响提升吊桶振动的关键因素,随着立井开凿深度不断增加其每百米预紧力逐渐降低,在施工至井底时达到最小,此时提升吊桶运行也最危险。目前,我国即将面临超1600 m深度的矿井开凿,对以吊盘、导向绳和吊桶所组成的施工立井提升系统的动态承载能力、高效性和安全可靠性都提出了更高的要求,而现有吊盘的质量和绞车吨位已无法满足导向绳1t/100m的预紧力要求。因此,开展施工立井提升系统动态特性研究,旨在提出一种预测提升吊桶横向振动行为的方法,揭示预紧力与吊桶横向振动的作用机理,对提高矿山立井施工的安全可靠和高效等具有重要意义。本文在国家自然科学基金面上项目(编号:51475456)、教育部新世纪优秀人才支持计划基金项目(编号:NCET-13-1017)和国家973计划项目(编号:2014CB049401)的共同资助下,针对施工立井提升系统提升吊桶横向振动和临时改绞后罐笼在偏载下的横扭振动的问题,采用理论建模、数值模拟、Adams动力学仿真和实验验证相结合的方法,深入开展施工立井提升系统动态特性的研究,为超1600 m深度矿井开凿的可行性提供理论支撑,同时给出能够降低吊桶横向振动的预紧力确定方法。首先,为了掌握吊盘横向约束下提升吊桶横向振动特性,建立基于假设模态法的施工立井提升系统横向振动模型;为分析其各阶模态振动和探讨系统能量特性与稳定性,通过直接求解边界超越方程得到系统固有频率,建立了基于固有振型的提升吊桶横向振动模型;随后提出一种高效的钢丝绳Adams建模和仿真驱动策略并建立了施工立井提升系统Adams仿真模型,验证了理论模型的有效性。数值仿真表明,导向绳的第一阶频率先减小再增加,与其自身横向刚度变化趋势一致;稳定性分析发现施工立井提升系统下行稳定,上行不稳定。其次,为了掌握吊盘悬吊导向下吊桶耦合振动特性,建立了施工立井提升系统吊桶与吊盘的横向耦合振动模型,对比分析了不同工况下吊盘约束状态对吊桶横向振动的影响;随后,基于第一类拉格朗日方程建立了提升吊桶在两根导向绳存在张力差下的横向—扭转耦合振动模型并通过Adams仿真验证了理论模型的正确性,能够直接得到吊桶与导向绳的相互作用力以及导向绳的整体振动形态。频率分析表明,导向绳横向频率从第二阶开始随着吊桶下行逐渐增大,而吊桶质量增加、导向绳线密度增大和总预紧力减小都会降低导向绳横向频率从而使得更多高阶模态参与振动;参数研究揭示了一种提升容器减振设计方法:即当两根导向绳存在合适的张力差时,能够有效降低提升容器振幅。以磁西一号井工况为例,给出了一种能够有效减振的导向绳张力差方案并计算了不同预紧力下容器的横向振幅,为超千米深井导向绳张力确定提供了计算方法。然后,针对临时改绞后提升罐笼易产生偏载振动问题,建立了偏载下罐笼振动连续体模型,分析了不同工况下罐笼的纵向—横向—扭转振动特性,并指出其在描述导向绳振动时受到局限的两个主要原因;为能够准确反映罐笼处导向绳的弯折振动状态,提出了变长度与定长度单元相结合的方法,建立了单元总数恒定的有限元模型,解决了模态数较少时无法拟合导向绳弯折形态,模态数较高时因试函数几乎相等而产生矩阵奇异导致计算发散的问题。最后,搭建了施工立井提升系统模拟实验台,分别通过测定提升容器横向加速度和转动角度,验证了吊桶横向振动模型和罐笼偏载振动模型。设计了施工现场吊桶振动测试系统并在磁西和唐口两座超千米立井开展了实验,通过高精度激光传感器测得提升吊桶的横向位移进一步验证了理论模型的有效性。