“三化”技術(shù)在掘進(jìn)工作面裝備優(yōu)化中的應(yīng)用

張江林,衛(wèi)小兵,焦海峰

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 成莊礦,山西 晉城 048021)

為深入推進(jìn)礦井向智能化方向邁進(jìn),提升礦井的智能化水平,優(yōu)化改造掘進(jìn)裝備作為礦井智能化建設(shè)關(guān)鍵的一環(huán)已迫在眉睫[1-2]。掘進(jìn)工作面裝備優(yōu)化既可為礦井開展瓦斯抽放工作提供場(chǎng)所,又為綜采工作面的順利形成起到?jīng)Q定性作用[3-4]。本文結(jié)合礦井掘進(jìn)工作面裝備的實(shí)際情況,在掘進(jìn)工作面裝備中應(yīng)用“三化”技術(shù),對(duì)礦井安全高效地組織生產(chǎn)起到了促進(jìn)作用[5-6]。

1 掘進(jìn)工作面裝備優(yōu)化思路

1.1 需要解決的問題

1)目前掘進(jìn)工作面投入裝備多,單體開關(guān)安裝維護(hù)工作量大。

2)現(xiàn)場(chǎng)拐彎多,造成投入溜子多,發(fā)生故障率高。

3)控制系統(tǒng)落后、可靠性差、運(yùn)行成本高,造成掘進(jìn)工作面設(shè)備開機(jī)率低,不利于現(xiàn)場(chǎng)組織生產(chǎn)。

針對(duì)以上存在問題,進(jìn)行掘進(jìn)工作面裝備優(yōu)化改造是發(fā)展新時(shí)期高質(zhì)量特色精品礦井,建設(shè)智能化掘進(jìn)工作面的迫切需要。

1.2 裝備優(yōu)化技術(shù)思路

裝備優(yōu)化的技術(shù)思路是開關(guān)組合化、溜子皮帶化、控制集中化,簡(jiǎn)稱“三化”技術(shù)。

1)實(shí)施開關(guān)組合化。減少了開關(guān)的數(shù)量和鋪設(shè)電纜的工作量,既可以實(shí)現(xiàn)工作面皮帶、掘進(jìn)機(jī)、錨桿鉆車、抽風(fēng)機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)通過井下環(huán)網(wǎng)傳輸至地面監(jiān)控平臺(tái),又可以遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的起動(dòng)、停止和運(yùn)行等狀態(tài),便于實(shí)現(xiàn)減人提效。

2)推廣溜子皮帶化。推廣應(yīng)用簡(jiǎn)易皮帶機(jī)替代溜子,在滿足生產(chǎn)需要的同時(shí),設(shè)備運(yùn)行更可靠,故障率更低,便于工作面高效地組織生產(chǎn)。

3)采用控制集中化。出煤系統(tǒng)配套集中控制系統(tǒng),在減少人員投入的同時(shí),自動(dòng)化程度高,滿足智能化掘進(jìn)工作面建設(shè)的需要。

2 掘進(jìn)工作面裝備優(yōu)化措施

2.1 多回路組合開關(guān)替代單回路開關(guān)

開關(guān)內(nèi)部每個(gè)回路采用小型集成快插式提包進(jìn)行控制,當(dāng)某一回路出現(xiàn)故障時(shí),可以通過更換提包快速排查故障,減少開關(guān)故障對(duì)生產(chǎn)的影響。提包外殼采用一次沖壓成型加工工藝,外殼設(shè)計(jì)有通風(fēng)散熱孔,充分考慮提包散熱和冷凝問題,為電氣元件的安全運(yùn)行創(chuàng)造條件。

為便于提包快速更換,配套有快速拔插式電氣連接機(jī)構(gòu),即快速插頭,實(shí)現(xiàn)大電流、小型化、裝配簡(jiǎn)單、方便更換。

為做到閉鎖可靠有效,提包配有推拉裝置,具有機(jī)械閉鎖、電氣閉鎖、急停等功能,避免出現(xiàn)帶負(fù)荷拉隔離情況,保障開關(guān)安全運(yùn)行。

為便于實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)控制和空載試驗(yàn)控制,開關(guān)采用S7-200系列可編程序控制器作為中央控制單元,配合可靠的傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)采集系統(tǒng)和控制方式轉(zhuǎn)換電路,完成對(duì)掘進(jìn)工作面設(shè)備的工作狀態(tài)、工作參數(shù)、故障狀態(tài)和故障參數(shù)的檢測(cè)、計(jì)算、判斷和處理。

為實(shí)現(xiàn)開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程診斷和數(shù)據(jù)上傳,配置有標(biāo)準(zhǔn)RS485/232接口,與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控、遙信、遙調(diào)等功能。

為做到聯(lián)鎖有效,開關(guān)內(nèi)各回路之間具有聯(lián)鎖關(guān)系,滿足抽風(fēng)機(jī)與掘進(jìn)機(jī)啟動(dòng)順序聯(lián)鎖的需要。為減少照明綜保和為控制設(shè)備提供電源,開關(guān)設(shè)計(jì)有照明模塊回路,具有短路、過載、漏電保護(hù)、漏電閉鎖等保護(hù)功能,八回路組合開關(guān)外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 八回路組合開關(guān)外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 External and internal structure of eight-circuit combination switch

2.2 簡(jiǎn)易皮帶機(jī)替代溜子

在掘進(jìn)工作面配套一種短距離、高效率的簡(jiǎn)易皮帶機(jī),運(yùn)距范圍在80～100 m內(nèi),運(yùn)行速度2 m/s,驅(qū)動(dòng)功率2×30 kW,運(yùn)輸能力400 t/h,皮帶帶寬0.8 m,與DSJ80/40/2×40皮帶機(jī)配套使用,替代SGB-40T溜子。這種簡(jiǎn)易皮帶機(jī)能滿足掘進(jìn)工作面的生產(chǎn)需要,減少運(yùn)行事故,實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)載的要求。簡(jiǎn)易皮帶配套方案如圖2所示。

簡(jiǎn)易皮帶機(jī)采用2個(gè)30 kW電子滾筒直接驅(qū)動(dòng),取消了減速器,節(jié)省了安裝空間,降低了事故發(fā)生機(jī)率。張緊方式采用儲(chǔ)帶倉導(dǎo)向滾筒固定座絲杠張緊,省掉了張緊絞車和配套的鋼絲繩及控制開關(guān)。簡(jiǎn)化了機(jī)頭架配套長(zhǎng)度,滿足短運(yùn)距運(yùn)輸需要。中間架采用標(biāo)準(zhǔn)架、橫梁及托輥,減少了成本的二次投入。

通過簡(jiǎn)易皮帶替代溜子,掘進(jìn)工作面原煤系統(tǒng)機(jī)電事故明顯降低,確保了掘進(jìn)工作面高效地組織生產(chǎn)。

2.3 集中控制系統(tǒng)替代獨(dú)立控制系統(tǒng)

掘進(jìn)工作面集控系統(tǒng)由地面遠(yuǎn)程監(jiān)控站、井下監(jiān)控站(礦用隔爆型計(jì)算機(jī))、礦用隔爆兼本安電源箱、礦用本安通訊分站、礦用本安數(shù)據(jù)采集分站、礦用本安傳感器、礦用本安攝像機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò)等組成。集中控制系統(tǒng)通過與掘進(jìn)工作面的供電系統(tǒng)、皮帶控制系統(tǒng)、局部通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)和組合開關(guān)建立通訊連接,采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和保護(hù)信息,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制。

配備礦用本安型高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，對(duì)運(yùn)煤轉(zhuǎn)載點(diǎn)、局扇配電點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地了解現(xiàn)場(chǎng)狀況,實(shí)現(xiàn)對(duì)人員和異物的動(dòng)態(tài)識(shí)別和畫面預(yù)警。

對(duì)機(jī)械設(shè)備及局扇加裝振動(dòng)傳感器、溫度傳感器,采集振動(dòng)、溫度信號(hào),實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警提示及聯(lián)鎖停機(jī)功能。系統(tǒng)預(yù)留多種形式的信號(hào)接口,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展。通過OPC接口或Web發(fā)布功能,接入礦井自動(dòng)化系統(tǒng),便于及時(shí)地掌握井下現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)。皮帶機(jī)集中控制系統(tǒng)如圖3所示,局部通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)如圖4所示。

圖3 皮帶機(jī)集中控制系統(tǒng)Fig.3 Centralized control system of belt conveyors

圖4 局部通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)Fig.4 Local fan monitoring system

集中控制系統(tǒng)有遠(yuǎn)程控制、就地控制、檢修控制、自動(dòng)控制等方式。遠(yuǎn)程控制由通信接口通過環(huán)網(wǎng)連接至井上調(diào)度主控計(jì)算機(jī),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制;就地控制由井下系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備自身集中加分布式控制;檢修控制由系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備自身單獨(dú)控制,取消設(shè)備之間的連鎖關(guān)系;自動(dòng)控制由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)控制全部設(shè)備。

此外,集中控制系統(tǒng)可通過熱釋電紅外感應(yīng)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控皮帶機(jī)頭的工作人員情況。系統(tǒng)預(yù)設(shè)警戒區(qū)域,當(dāng)人員進(jìn)入警戒區(qū)域,系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警,工作人員未在預(yù)設(shè)時(shí)間撤離警戒區(qū)域時(shí),系統(tǒng)控制皮帶機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

集中控制系統(tǒng)可采用高清攝像機(jī)的智能機(jī)器視覺分析功能,對(duì)攝像機(jī)覆蓋區(qū)域的人員和異物進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別,通過視頻監(jiān)控對(duì)進(jìn)入警戒區(qū)域的人員和異物進(jìn)行畫面預(yù)警,提醒皮帶司機(jī)及時(shí)處理。

3 掘進(jìn)工作面裝備“三化”的合理性分析

3.1 技術(shù)合理性

1)掘進(jìn)工作面裝備優(yōu)化后,實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示和異常報(bào)警功能。

2)實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)控,對(duì)進(jìn)入警戒區(qū)域的人員、異物進(jìn)行視頻動(dòng)態(tài)偵測(cè)和畫面預(yù)警功能。

3)實(shí)現(xiàn)了紅外感應(yīng)傳感器對(duì)皮帶機(jī)機(jī)頭的實(shí)時(shí)監(jiān)控和人員進(jìn)入警戒區(qū)域的預(yù)警、停機(jī)功能。

4)實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵部位的溫度、振動(dòng)監(jiān)測(cè),具備超限報(bào)警提示及聯(lián)鎖停機(jī)功能。

5)實(shí)現(xiàn)了局部通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

6)實(shí)現(xiàn)了“遠(yuǎn)程監(jiān)控+集控+巡檢”模式,達(dá)到“少人則安、無人則安”的要求。

3.2 經(jīng)濟(jì)合理性

1)開關(guān)組合化后,多回路組合開關(guān)在設(shè)備的數(shù)量、體積、靈活性、安全性能、操作流程和日常維護(hù)管理等方面,均取得了良好效果,實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面安全作業(yè),提高了掘進(jìn)效率,提升了經(jīng)濟(jì)效益。

2)溜子皮帶化后,安裝維護(hù)工作量明顯降低,機(jī)電事故明顯減少,備件更換費(fèi)用降低,經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。

3)控制集中化后,掘進(jìn)工作面每個(gè)生產(chǎn)班減少崗位工作人員5人,按四六制三班生產(chǎn)作業(yè)則減少崗位工作人員15人,如每人按照年收入10萬元計(jì)算,全年可節(jié)省開支150萬元。

4 結(jié)論

“三化”技術(shù)在掘進(jìn)工作面裝備優(yōu)化中的應(yīng)用,是智能化礦井建設(shè)的需要。掘進(jìn)工作面關(guān)鍵設(shè)備實(shí)施智能安全預(yù)警和運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)診斷,將進(jìn)一步推動(dòng)掘進(jìn)工作面設(shè)備的智能化水平，改善作業(yè)人員的工作環(huán)境。開展設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷和運(yùn)行狀態(tài)分析,將有利于超前處置設(shè)備隱患,為掘進(jìn)工作面提高單進(jìn)水平提供設(shè)備保障,是新時(shí)期高質(zhì)量發(fā)展特色精品礦井建設(shè)的必然要求。