煤礦排矸運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

謝 娜，閆順禮

(1.咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000；2.大同煤業(yè)股份有限公司，山西 大同 037000)

煤矸石是伴生于煤層中的一種質(zhì)地較為堅(jiān)硬、碳量較低的黑灰色巖石，其產(chǎn)出量隨著井下掘進(jìn)量的增加而增加，需要通過(guò)排矸地面運(yùn)輸系統(tǒng)將其排出。而在絞車提升翻斗車的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)矸石掉落的問(wèn)題，分散在地面上的矸石則會(huì)造成翻斗車掉道，進(jìn)而卡住翻斗車，嚴(yán)重影響矸石的正常運(yùn)輸。隨著計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦排矸系統(tǒng)開始逐步接入工業(yè)電視、操作臺(tái)、控制柜等各種輔助監(jiān)控設(shè)備[1-3]。德國(guó)SIEMENS公司推出的TST系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用SIEMENS自家研發(fā)的超聲波測(cè)距儀，能夠在排矸車輛距離異常的情況下觸發(fā)報(bào)警電路[4]；朱磊等[5]于排矸軌道上安裝電磁傳感器，通過(guò)與火車掉道監(jiān)控類似的電阻式防掉道裝置控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)矸石傳輸帶的控制；高士崗等[6]對(duì)翻斗車掉道的原因進(jìn)行深入分析，并提出了翻斗車輪與軌道相對(duì)位置的監(jiān)測(cè)方法。利用傳感器來(lái)檢測(cè)車與軌道之間的距離是應(yīng)對(duì)翻斗車掉道問(wèn)題的一般常用方法，另有一些研究采用霍爾接近開關(guān)、電容式接近開關(guān)、激光測(cè)距傳感器、紅外測(cè)距傳感器來(lái)對(duì)翻斗車實(shí)施監(jiān)控[7-9]。為了有效應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)地面排矸系統(tǒng)普遍存在的掉道故障，維持排矸系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)于煤礦排矸運(yùn)輸系統(tǒng)的自動(dòng)化改造，提高矸石運(yùn)輸效率。

1 煤礦排矸運(yùn)輸系統(tǒng)的基本工序和結(jié)構(gòu)

煤礦排矸地面運(yùn)輸系統(tǒng)主要由絞車提升系統(tǒng)、翻矸系統(tǒng)以及推車液壓拖動(dòng)系統(tǒng)所組成。從礦下運(yùn)送來(lái)的矸石首先通過(guò)地面的推車運(yùn)輸至翻車房，再由翻矸系統(tǒng)將矸石翻落至矸石車中，由絞車房?jī)?nèi)的電機(jī)將矸石車提升至矸石山上并排出車中矸石，最后由矸石礦車將矸石運(yùn)送至遠(yuǎn)離礦井的區(qū)域[10-13]。地面礦車循環(huán)運(yùn)行路徑如圖1所示。

圖1 煤礦地面排矸運(yùn)輸系統(tǒng)工序Fig.1 Coal mine ground gangue transportation system process

在傳統(tǒng)的煤礦排矸運(yùn)輸系統(tǒng)中，整形機(jī)與清車機(jī)都需要通過(guò)人工操作加以控制，而在引入自動(dòng)化控制技術(shù)的情況下，整形機(jī)與清車機(jī)的工作都可以用更加先進(jìn)的液壓推車機(jī)加以替代。地面排矸運(yùn)輸系統(tǒng)自動(dòng)化控制體系如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化煤礦地面排矸運(yùn)輸系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of automated coal mine ground gangue transportation system

自動(dòng)化煤礦地面排矸運(yùn)輸系統(tǒng)雖然能夠有效降低人員工作強(qiáng)度、縮減礦車摘掛鉤時(shí)間，但在掉道故障檢測(cè)方面仍然需要進(jìn)一步實(shí)施優(yōu)化。

2 地面全自動(dòng)掉道故障檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)傳感器

在矸石車處于正常工作狀態(tài)下，電機(jī)、滾筒以及減速齒輪的振動(dòng)較小，并且其振動(dòng)頻率的變化呈現(xiàn)周期性特點(diǎn)；而在石車處于掉道狀態(tài)時(shí)，矸石車各部件及車輛整體的振動(dòng)加大，并且頻率變化不規(guī)律。通過(guò)振動(dòng)傳感器對(duì)矸石車掉道狀態(tài)下的振動(dòng)原點(diǎn)加以識(shí)別，能夠?qū)肥囀欠癯霈F(xiàn)掉道問(wèn)題進(jìn)行較為準(zhǔn)確地診斷。而在翻斗車存在掉道問(wèn)題的情況下，滾筒、減速齒輪、聯(lián)軸器、電機(jī)等設(shè)備的振動(dòng)頻率均會(huì)出現(xiàn)不同程序的偏移，若實(shí)測(cè)頻率與正常頻率存在差異，那么說(shuō)明翻斗車存在掉道問(wèn)題。

2.2 掉道檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)振動(dòng)傳感器選型。本次研究所設(shè)計(jì)的掉道檢測(cè)系統(tǒng)采用LK-G5000型超高速/高精度CMOS激光位移傳感器，光點(diǎn)直徑25 μm×1 400 μm，線性度±0.02%F.S，重復(fù)精度0.02 μm，采樣周期2.55 μs。該元件可以向?qū)崪y(cè)對(duì)象發(fā)送紅色半導(dǎo)體激光，并經(jīng)由通信模塊將激光在傳感器與檢測(cè)對(duì)象之間的往返狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳至PLC模塊，由PLC元件計(jì)算機(jī)出激光往返所需要的時(shí)間，最終得出傳感器與檢測(cè)對(duì)象之間的距離。LK-G5000型激光位移傳感器實(shí)物如圖3所示。

圖3 LK-G5000型激光位移傳感器Fig.3 LK-G5000 laser displacement sensor

(2)通信模塊選型。掉道故障檢測(cè)系統(tǒng)通信模塊所采用S1205V-PWR型交換機(jī)，該設(shè)備采用IEEE802.3端口標(biāo)準(zhǔn)，交換容量10 Gb/s，包轉(zhuǎn)發(fā)率10 Mpps，輸入電壓100～240 V。該設(shè)備采用重負(fù)荷設(shè)計(jì)策略，電磁兼容性強(qiáng)，支持VLAN、組播控制和Port Priority設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)可靠性好，工作效率高。S1205V-PWR型交換機(jī)實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 S1205V-PWR型交換機(jī)Fig.4 S1205V-PWR switch

(3)PLC選型。地面全自動(dòng)排矸運(yùn)輸系統(tǒng)掉道故障檢測(cè)系統(tǒng)所采用的PLC元件為IEC61131-3型PLC，該元件所內(nèi)置的處理器型號(hào)為AlteraNiosII，運(yùn)算頻率為100 MHz，電源電壓24 V，支持最多63個(gè)設(shè)備連接，支持連接2個(gè)RJ45孔式以太網(wǎng)接口，持續(xù)抗震最高為10g，可并排安裝多個(gè)I/O模塊和特殊的功能模塊，靈活性強(qiáng)，內(nèi)置可自由編程的Web服務(wù)器，有助于優(yōu)化通信。IEC61131-3型PLC的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 IEC61131-3型PLC內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)Fig.5 IEC61131-3 PLC internal logic structure

2.3 掉道檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

掉道檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖6所示，分析振動(dòng)數(shù)據(jù)頻譜是該程序的核心功能。首先通過(guò)快速傅里葉算法分解出振動(dòng)數(shù)據(jù)的頻率幅值，對(duì)比排矸裝置正常運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)頻率幅值，根據(jù)對(duì)比結(jié)果判斷排矸裝置的特定位置是否存在頻率偏移。

圖6 振動(dòng)檢測(cè)程序流程Fig.6 Vibration detection program flow

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 工程概況

此次研究將經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的自動(dòng)化技術(shù)的煤礦排矸運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)用于山西省太原市屯蘭煤礦的排矸作業(yè)中，該煤礦總出矸量約為28.3萬(wàn)t，現(xiàn)有1臺(tái)斜巷帶式輸送機(jī)(運(yùn)輸能力630 t/h)、1臺(tái)斜巷絞車(JKB2×1.5 A單繩纏繞式提升機(jī))，配合1噸U型礦車運(yùn)輸，串車數(shù)量為5輛。經(jīng)一系列計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該煤礦31.5萬(wàn)t，排矸系統(tǒng)需要滿負(fù)荷運(yùn)行。為了確保排矸工作的順利運(yùn)行，該單位決定將自動(dòng)化技術(shù)的煤礦排矸運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)用于礦井矸石山變頻提升機(jī)的監(jiān)控工作中，該目標(biāo)設(shè)備為2JTP1600型1.6 m單滾筒絞車，額定電壓380 V，功率280 kW，鋼絲繩直徑18.5 mm，具體形貌如圖7所示。

圖7 2JTP1600型單滾筒絞車Fig.7 2JTP1600 single drum winch

3.2 傳感器安裝

出于檢測(cè)精度方面的考慮，本次研究分別于減速齒輪箱軸承、交流電機(jī)軸承2個(gè)部位安裝振動(dòng)傳感器，安裝位置和安裝結(jié)果分別如圖8所示，2個(gè)傳感器分別引出2條數(shù)據(jù)線并與振動(dòng)模擬信號(hào)采集器相連，并通過(guò)振動(dòng)信號(hào)采集器將模塊信號(hào)轉(zhuǎn)換為PLC能夠直接處理的數(shù)字信號(hào)。

圖8 振動(dòng)傳感器信號(hào)采集箱Fig.8 Vibration sensor signal collection box

3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

為2JTP1600型1.6 m單滾筒絞的電機(jī)工作基頻為40 Hz，在出現(xiàn)掉道現(xiàn)象的情況下，齒輪箱處的振動(dòng)頻率會(huì)達(dá)到800 Hz，電機(jī)處的振動(dòng)頻率會(huì)達(dá)到100 Hz，均大幅高于正常狀態(tài)，需要暫時(shí)停止提升，解決提升機(jī)的掉道問(wèn)題。

4 經(jīng)濟(jì)分析

自動(dòng)化排矸運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)用前后的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 自動(dòng)化排矸運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)用前后的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果Tab.1 Economic comparison results before and after application of automated waste disposal transportation system

5 結(jié)論

自動(dòng)化技術(shù)的煤礦排矸運(yùn)輸系統(tǒng)的應(yīng)用有效解決了太原市屯蘭煤礦排矸裝置掉道檢測(cè)不及時(shí)、不準(zhǔn)確的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)為期1年的實(shí)地應(yīng)用后，僅人力成本每年節(jié)約40萬(wàn)元以上，對(duì)于掉道問(wèn)題的檢測(cè)靈敏度大幅提高，生產(chǎn)效率也得到了相應(yīng)的提升。