綜采工作面自動化技術(shù)在趙固一礦安全生產(chǎn)中的作用

郅富標(biāo)，毋虎城，張 軍

( 1.河南理工大學(xué)高等職業(yè)學(xué)院,河南 焦作 454000；2.河南煤化集團(tuán)焦煤公司趙固一礦，河南 焦作 454000)

河南煤化集團(tuán)焦煤趙固一礦屬“十一五”重點(diǎn)建設(shè)項目，于2009年5月10日竣工投產(chǎn)，該礦設(shè)計規(guī)模240萬t/a，是目前豫北地區(qū)設(shè)計生產(chǎn)能力最大的現(xiàn)代化礦井。礦井總資源儲量3.7億t，可采儲量1.6億t，煤種為特低硫、高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)無煙煤。項目概算總投資16.85億元，服務(wù)年限49年。

礦井設(shè)計時，采用最先進(jìn)自動化設(shè)備及技術(shù)。該礦的綜采工作面，應(yīng)用了大功率多電壓輸出的新型移動變電站、隔爆真空智能型高、低壓開關(guān)、軟啟動電磁啟動器、隔爆組合開關(guān)、電牽引采煤機(jī)、液壓支架電液控制系統(tǒng)、計算機(jī)安全監(jiān)控及通訊系統(tǒng)等新型的機(jī)電設(shè)備。這些新設(shè)備的應(yīng)用，保障了煤礦安全、高產(chǎn)高效、自動化生產(chǎn)。

1 綜采工作面概況及主要機(jī)電設(shè)備

綜合機(jī)械化采煤，是指采煤工作面的破煤、裝煤、運(yùn)輸、支護(hù)等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，全部實現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)。簡單的工作過程是：采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上，液壓支架下，通過牽引運(yùn)行中的采煤機(jī)旋轉(zhuǎn)的滾筒破煤，采落的煤炭經(jīng)刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶輸送機(jī)等設(shè)備運(yùn)送到地面裝車。液壓支架和刮板輸送機(jī)互為支點(diǎn)，隨工作面的開采向前推進(jìn)。綜采工作面機(jī)電設(shè)備多，電動機(jī)容量大，工作面采用移動變電站供電方式。液壓泵站通過液壓管路提供液壓支架的工作液力源。工作面主要機(jī)電設(shè)備有采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)、液壓支架、液壓泵站、絞車、通風(fēng)設(shè)備；向上述設(shè)備供電的移動變電站、高低壓屏蔽電纜及高低壓控制開關(guān)設(shè)備，還有工作面的通信及安全監(jiān)控設(shè)備。

2 大功率多電壓輸出的新型移動變電站

工作面采用移動變電站供電方式，由采區(qū)變電所經(jīng)高壓雙屏蔽電纜將 6 kV 或 10kV 三相高壓電源 ,送到工作面的移動變電站。移動變電站將 6 kV或 10 kV 電壓變換為 1.2kV (大容量工作面電壓為 3.3 kV)乃至更高電壓，供工作面機(jī)電設(shè)備用電。隨著工作面機(jī)電設(shè)備容量的增大，機(jī)電設(shè)備使用電壓等級不同，同一臺變電站可輸出不同電壓等級的電壓供電，而且變電站容量也相應(yīng)提高。

移動變電站設(shè)在工作面平巷軌道上的平板車上，隨工作面的開采而移動。這種供電方式把高電壓深入到采煤工作面，以滿足工作面大容量設(shè)備的供電需求。為確保工作面的安全供電，供電線路大都采用有專門的保護(hù)接地芯線及屏蔽線的電纜。移動變電站的高低壓開關(guān)及工作面配電點(diǎn)的低壓饋電開關(guān)，其內(nèi)部主電路的斷路器都采用真空斷路器?？刂萍氨Ｗo(hù)器件使用單片機(jī)綜合保護(hù)器、可編程控制器 PLC 及微型計算機(jī)?？刂品绞侥芫偷乜刂?、遠(yuǎn)方控制、程序控制及遙控等多種控制;保護(hù)功能可實現(xiàn)短路、過載、斷相、低壓、過壓、漏電及漏電閉鎖等保護(hù)。能將事故隱患及早發(fā)現(xiàn)處理，避免發(fā)生嚴(yán)重事故，確保安全可靠供電。而且開關(guān)整定調(diào)整方便，還設(shè)有自檢及顯示功能，有些保護(hù)及控制電路設(shè)計成本質(zhì)安全型，構(gòu)成隔爆兼本質(zhì)安全型設(shè)備，極大地提高了設(shè)備的安全性能。低壓饋電開關(guān)做成隔爆方形結(jié)構(gòu)，使檢修維護(hù)方便，確保工作面安全、可靠供電。

3 電牽引采煤機(jī)

新技術(shù)對采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、搖臂的性能和可靠性提出很高的要求。應(yīng)用于超級綜采工作面的采煤機(jī)采用交流變頻調(diào)速拖動裝置；牽引裝置為帶有鍛造齒條的牽引裝置。采煤機(jī)已經(jīng)實現(xiàn)自動化控制，操作簡單，可實現(xiàn)記憶截煤和液壓支架聯(lián)動控制。

采煤機(jī)的牽引系統(tǒng)也由液壓牽引改進(jìn)為電牽引，使得采煤機(jī)牽引部機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)簡單 ，傳動效率提高，工作可靠。電牽引采煤機(jī)應(yīng)用單片機(jī)、可編程控制器 PLC 及計算機(jī)控制技術(shù)，系統(tǒng)具有完善的控制、檢測、診斷、顯示功能。能實現(xiàn)對采煤機(jī)的人工控制、遙控及自動控制;對采煤機(jī)運(yùn)行中的各種參數(shù)如電流、電壓、速度、溫度、壓力及負(fù)載等情況實時監(jiān)測處理；若某些參數(shù)超過允許值時，發(fā)出相應(yīng)的報警信號，并進(jìn)行保護(hù)；還能對采煤機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行自檢和故障診斷，顯示運(yùn)行中各種參數(shù)的圖形及數(shù)據(jù)，并可向地面控制中心或調(diào)度室傳輸。對采煤機(jī)牽引速度的調(diào)整采用變頻調(diào)速技術(shù)，可實現(xiàn)采煤機(jī)的軟啟動、恒功率、恒牽引力運(yùn)行，特殊情況下，還能實現(xiàn)發(fā)電反饋制動，向電網(wǎng)回饋電能，實現(xiàn)牽引特性的四象限運(yùn)行。實現(xiàn)了采煤機(jī)的節(jié)能、高效工作。

交流變頻調(diào)速電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、無刷無載流子的優(yōu)點(diǎn)，也有直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速性能好，控制電路簡單、節(jié)約能源、經(jīng)濟(jì)可靠等優(yōu)勢，而且啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動電流小等特點(diǎn)。這種調(diào)速方式，在煤礦井下采掘機(jī)械中得到較好的應(yīng)用。

4 液壓支架的電液控制系統(tǒng)

液壓支架的遷移控制由單臺手動液壓操縱控制，改進(jìn)為由PLC與電動液壓閥組相結(jié)合，組成的電液控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是液壓支架控制技術(shù)的發(fā)展方向，由北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的 PM31型液壓支架電液控制系統(tǒng)，使液壓支架、刮板輸送機(jī)的移動操作更加靈活、快捷。電液控制系統(tǒng)一般由主控制臺、支架控制箱、電液控制閥組、壓力及位移傳感器、電源箱、電纜等組成。

各個支架的控制箱與主控制臺連成一個有機(jī)整體，以計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，以液壓支架電液控制系統(tǒng)為核心。每臺液壓支架配備一臺支架控制箱 ,主要由單片機(jī)、觸摸屏控制按鍵及液晶顯示器組成。每臺控制箱都能發(fā)出各種控制指令，使對應(yīng)的電液控制閥組內(nèi)的電磁先導(dǎo)閥或微電機(jī)動作，控制主控閥開啟，向所連接的液壓缸供液，支架作相應(yīng)的動作?？刂品绞接蓹C(jī)械手柄操縱變?yōu)殡娮佑|摸屏按鍵操縱，操縱控制方便、高效。

根據(jù)采煤工藝的要求，將液壓支架的動作按預(yù)定的程序運(yùn)行。實現(xiàn)液壓支架的單架控制、成組控制、全工作面自動控制等多種控制功能。使液壓支架的操縱更方便，移動更快捷。這一新技術(shù)的應(yīng)用,確保采煤工作面高產(chǎn)、高效自動化采煤。為實現(xiàn)采煤工作面的自動化、無人化采煤創(chuàng)造了必備的條件。

5 隔爆真空智能型電磁啟動器及隔爆組合開關(guān)

隔爆真空智能型電磁啟動器，采用單片機(jī)進(jìn)行控制及保護(hù)，并有液晶顯示器，可方便進(jìn)行保護(hù)參數(shù)設(shè)定、故障查詢和模擬試驗，具有遠(yuǎn)控、程序控制及遙控等功能。并有瓦斯監(jiān)測接口，若外接瓦斯傳感器，可檢測工作面的瓦斯?jié)舛?，如瓦斯超限，智能啟動器動作，切斷低壓電源。為解決大功率電動機(jī)的啟動控制問題，可選用具有軟啟動功能的電磁起動器。如 QJR -315/1140型軟啟動電磁起動器，該啟動器由單片機(jī)組成的智能監(jiān)測控制電路，控制三組反并聯(lián)的單向晶閘管的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)大功率電動機(jī)的啟動電流，實現(xiàn)電動機(jī)的軟啟動。

由于設(shè)備容量大，電動機(jī)臺數(shù)多，常采用隔爆組合開關(guān)又稱負(fù)荷控制中心，對工作面設(shè)備進(jìn)行控制。組合開關(guān)是由多個真空接觸器及驅(qū)動器組成的多功能開關(guān)，新型的組合開關(guān)以可編程控制器為控制中心，通過驅(qū)動器控制真空接觸器，即可獨(dú)立驅(qū)動對應(yīng)的電動機(jī)，也可實現(xiàn)多臺驅(qū)動器之間的順序控制或連鎖控制，使各對應(yīng)驅(qū)動的電動機(jī)按約定的程序工作；并具有完善的保護(hù)、試驗監(jiān)測、狀態(tài)顯示及故障查詢系統(tǒng)。全部電氣設(shè)備主電路的控制開關(guān)，都采用真空接觸器、無觸點(diǎn)繼電器，有些控制及保護(hù)電路設(shè)計成本質(zhì)安全型，使得采煤工作面設(shè)備工作更安全。

6 計算機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)

礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，一般由地面主機(jī)計算機(jī) 、調(diào)制解調(diào)器、井下分站單片機(jī) 、傳輸接口、傳感器、執(zhí)行器、聲光報警、斷電 、電源箱、電纜、接線盒等組成。

傳感器將瓦斯、煤塵、溫度、濕度、CO、CO2、風(fēng)速、風(fēng)量、頂板壓力等各種環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)換成與之成比例的電信號，此信號經(jīng)分站處理，就地顯示及地面調(diào)度室總機(jī)同步顯示各參數(shù)。當(dāng)某參數(shù)超限時，由執(zhí)行器自動聲光報警，嚴(yán)重時自動斷電。還可配置工作面設(shè)備的開/停傳感器、皮帶跑偏傳感器、超聲波料位計、采煤機(jī)位置速度監(jiān)測儀、風(fēng)電瓦斯電閉鎖等各種傳感器，將主要設(shè)備的工作情況進(jìn)行井上井下跟蹤監(jiān)測，地面調(diào)度室實時監(jiān)控，調(diào)度員隨時發(fā)布調(diào)度命令。

7 采用自動化技術(shù)后的效果

(1)將采煤工作面的采煤機(jī)、液壓支架、破碎機(jī)、裝載機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓泵站、帶式輸送機(jī)等設(shè)備的控制系統(tǒng)、工作面通信與監(jiān)控系統(tǒng)及工作面供電系統(tǒng)集成，并接入礦井自動化系統(tǒng)的以太網(wǎng)，實現(xiàn)帶式輸送機(jī)及工作面設(shè)備的集中控制、保護(hù)、故障自檢、閉鎖、沿線通信等功能，達(dá)到安全、高產(chǎn)高效進(jìn)行煤炭開采。

(2)以采煤機(jī)位置為依據(jù)的液壓支架自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)液壓支架跟隨采煤機(jī)自動操作，使得綜采工作面的安全生產(chǎn)有技術(shù)的保障，而且極大地提高了采煤工作面的產(chǎn)量和工效，確保礦井的安全生產(chǎn)。

(3)原煤產(chǎn)量、全員效率、回采工效、日產(chǎn)、單產(chǎn)、機(jī)械化程度等指標(biāo)普遍較好 ,工傷率、材料消耗、百萬噸死亡率等指標(biāo)下降 ,工作面?zhèn)€數(shù)減少，每班下井人員大幅減少，創(chuàng)出了當(dāng)年投產(chǎn)當(dāng)年采煤300萬t的記錄。

[1] 李江澤.3.3kV礦用隔爆型移動變電站變壓器保護(hù)研究[J].煤礦機(jī)電,2009(1).

[2] 薛永存.CAN總線技術(shù)在煤與瓦斯突出預(yù)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 煤礦機(jī)電,2008(1).

[3] 焦保國.MCGS在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技咨詢導(dǎo)報,2006(8).

[4] 寧宇.綜采工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)設(shè)計[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2009(1).

[5] 張廣義.綜合機(jī)械化采煤工藝[J].煤炭技術(shù),2009(3).

[6] 李建林.安全高效工作面設(shè)備配套與供電方式分析[J].煤礦機(jī)電,2008(1).

[7] 申瑞屏.礦井井下供電綜合自動化的實現(xiàn)[J].山西煤炭,2007(9).

[8] 李德志.木瓜煤礦日產(chǎn)萬噸綜采工作面設(shè)備選型[J].煤炭技術(shù),2009(1).