邢東礦充填自動(dòng)控制設(shè)備及工藝研究

侯成志

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺(tái) 054000）

1 概 況

煤礦開(kāi)采逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化換人，自動(dòng)化減人，自動(dòng)化、智能化矸石充填技術(shù)是實(shí)現(xiàn)充填開(kāi)采高產(chǎn)高效的必經(jīng)之路。邢東礦矸石充填先后實(shí)施了12212 矸石充填工作面及12214 矸石充填工作面，但由于矸石數(shù)量有限、設(shè)備能力及自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)等多方面因素，矸石充填工作面的月產(chǎn)量一直未能突破1 萬(wàn)t。因此，邢東礦11233 矸石充填工作面通過(guò)設(shè)備升級(jí)及創(chuàng)新自動(dòng)化充填控制，使得工作面具備月產(chǎn)5 萬(wàn)t 的能力，建成了智能化矸石充填工作面。

2 邢東礦充填開(kāi)采歷程

由于邢東礦地理位置特殊，建礦之初即未規(guī)劃矸石山，為處理井下洗選矸石，實(shí)現(xiàn)矸石不升井，同時(shí)也為了開(kāi)采邊角煤，最大限度回收資源，邢東礦嘗試巷道矸石充填，研發(fā)了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的矸石回填機(jī)，開(kāi)始實(shí)施巷道矸石回填，開(kāi)采邊角煤。為解決“三下”壓煤?jiǎn)栴}，邢東礦先后嘗試了高水充填工作面和矸石充填工作面。高水充填A(yù)、B 材料經(jīng)由地面注漿站分別按比例與水混合經(jīng)兩趟管路輸送至工作面切眼，進(jìn)入切眼后A、B 料混合凝固為固體，支撐采空區(qū)的頂板壓力，高水充填支架由最初的分體式液壓充填支架演變?yōu)楝F(xiàn)在的一體式液壓支架及復(fù)合型充填液壓支架，支架的演變?yōu)橐院蟮母咚涮顚?shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制奠定了基礎(chǔ)。

邢東礦11233 工作面為首個(gè)智能化矸石充填工作面，該面煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。煤層走向92°~ 131°，傾向2°~ 41°，傾角3°~ 12°，煤的硬度系數(shù)0.62。

11233 智能化矸石充填工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度為633 m，切眼長(zhǎng)度58 m，布置43 臺(tái)充填液壓支架，1 臺(tái)前部刮板輸送機(jī)，1 臺(tái)后部充填刮板輸送機(jī)及1 臺(tái)采煤機(jī)；運(yùn)料巷掘進(jìn)長(zhǎng)度1 128 m，布置2 部“倒拉牛”式矸石運(yùn)輸皮帶機(jī)，1 部下運(yùn)矸石運(yùn)輸皮帶機(jī)；運(yùn)輸巷掘進(jìn)長(zhǎng)度1 167 m，布置3 部上運(yùn)原煤運(yùn)輸皮帶機(jī)。

11233 工作面采用單一厚煤層一次采全高傾斜長(zhǎng)壁后退式采煤法，使用采煤機(jī)落煤，前部刮板輸送機(jī)運(yùn)輸。

11233 矸石充填工作面配套設(shè)備與12212、12214 矸石充填工作面配套設(shè)備相比，進(jìn)行了升級(jí)改造，支架架型由ZC5160/30/50 升級(jí)為ZC5160/29/48D，懸掛式充填刮板輸送機(jī)由原來(lái)的SGZ730/132升級(jí)為SGZ800/200，詳見(jiàn)表1。

表1 11233 充填工作面設(shè)備配備Table 1 11233 filling working face equipment

3 矸石充填自動(dòng)化控制設(shè)備的升級(jí)介紹

3.1 液壓支架升級(jí)改造

邢東礦首套矸石充填支架型號(hào)為ZC5160/30/50，經(jīng)過(guò)在邢東礦近8 a 的使用，暴露出很多的問(wèn)題，比如壓實(shí)千斤頂使用壽命低，壓實(shí)力小，井下更換不便捷；后頂梁側(cè)護(hù)板改造，需增加一個(gè)側(cè)護(hù)千斤頂或側(cè)護(hù)千斤頂位置后移，使的后頂梁側(cè)護(hù)板打開(kāi)動(dòng)作更順暢；由于支架本身長(zhǎng)達(dá)10.5 m，1 個(gè)底調(diào)千斤頂調(diào)架困難，需依據(jù)采煤布局，增加1 個(gè)底調(diào)千斤頂來(lái)便于調(diào)整支架；改變現(xiàn)有抬底裝置，采用插銷式連接，杜絕了抬底頂帽與抬底千斤頂連接斷銷現(xiàn)象；支架前頂梁全部需增加伸縮功能，以便更好的支護(hù)頂板，防止煤壁片幫。

11233 智能化矸石充填工作面采用支架型號(hào)為ZC5160/29/48D，改進(jìn)了原支架的缺點(diǎn)，壓實(shí)千斤頂由原來(lái)的兩根φ140/φ105 千斤頂升級(jí)為一根φ230/φ140 千斤頂，壓實(shí)強(qiáng)度由原來(lái)的970 kN 提升為1 308 kN，大大延長(zhǎng)了壓實(shí)千斤頂?shù)氖褂脡勖?，且便于井下安裝、更換。支架的改造對(duì)液壓系統(tǒng)壓力、流量需求增加，因此液壓系統(tǒng)采用雙進(jìn)雙回、交叉布置管路，乳化液泵流量增加為400 L，采用三泵兩箱供液，43 臺(tái)液壓支架均采用電液控操作。液壓支架的升級(jí)改造為自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)成組拉架，成組搗實(shí)提供了基礎(chǔ)。

3.2 后部充填刮板輸送機(jī)的升級(jí)改造

邢東礦原后部充填刮板機(jī)的型號(hào)為SGZ730/132，工作時(shí)鏈速0.93 m/s，動(dòng)力132 kW，槽寬為730 mm，鏈速慢，動(dòng)力不足，運(yùn)輸量小，充填量達(dá)不到。

11233 智能化矸石充填工作面后部充填刮板機(jī)的型號(hào)為SGZC800/200，槽寬由原來(lái)的730 mm 提升為800 mm，鏈速由原來(lái)的0.93 m/s 提升至1.05 m/s，機(jī)頭、機(jī)尾的鏈輪、盲軸形式改為鏈輪組件形式，刮板機(jī)采用34*126C 級(jí)緊湊鏈，中部槽中板采用進(jìn)口耐磨板，大幅提升了運(yùn)輸能力及使用壽命。

3.3 其他充填設(shè)備的升級(jí)改造

對(duì)MG500/1140-WD 型采煤機(jī)進(jìn)行了返廠改造，PLC 電氣系統(tǒng)改造成CAN 總線系統(tǒng)，分為電控箱、變頻器以及箱外電氣系統(tǒng)，改造后具有完備的記憶割煤功能和三角煤工藝功能，增加了采煤機(jī)機(jī)身采高臥底顯示器、語(yǔ)音預(yù)警器等。

對(duì)DSJ80/40/2 型充填皮帶機(jī)進(jìn)行了安裝改造，對(duì)調(diào)了卸載臂與皮帶機(jī)機(jī)尾的位置，改為“倒拉牛”布置形式，這樣隨著回采的推進(jìn)，便于皮帶機(jī)的縮短，避免了每推進(jìn)幾個(gè)步距都要移一次的皮帶機(jī)頭。

對(duì)儲(chǔ)帶倉(cāng)頂托輥進(jìn)行了加密改造，提升了皮帶機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 充填自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)

合理的三機(jī)配套是實(shí)現(xiàn)充填自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)，關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)在于壓實(shí)裝置與懸掛刮板機(jī)的位置關(guān)系，位置關(guān)系合理則可實(shí)現(xiàn)充填體充分接頂，同時(shí)避免壓實(shí)裝置與懸掛刮板機(jī)的干涉，因此提出落料距與接頂距概念。邢東礦11233 矸石充填工作面不同采高情況下不同落料距和接頂距如圖1 所示。

圖1 不同采高情況下落料距和接頂距Fig.1 The blanking distance and roofing distance under different mining heights

為使得后部采空區(qū)矸石充填達(dá)到一定得效果，需在支架后部設(shè)置搗實(shí)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，占用人員較多，工作效率低，存在安全隱患。因此，采用支架電液控制系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)控制搗實(shí)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。搗實(shí)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電液控制需要解決2 個(gè)問(wèn)題：一是測(cè)量搗實(shí)機(jī)構(gòu)的角度；二是根據(jù)支架狀態(tài)及充填刮板輸送機(jī)的位置來(lái)確定搗實(shí)機(jī)構(gòu)的最大擺角，控制搗實(shí)機(jī)構(gòu)在允許的擺角范圍內(nèi)擺動(dòng)，避免與后部運(yùn)矸刮板機(jī)發(fā)生干涉，造成設(shè)備的安全事故。

如果要從理論上確定搗實(shí)機(jī)構(gòu)的最大擺角，需確定出在任何時(shí)候支架底座的角度、支架頂梁的高度、支架后頂梁的角度、頂梁和底座的相對(duì)狀態(tài)、支架的結(jié)構(gòu)參數(shù)等，通過(guò)復(fù)雜的理論計(jì)算才能完成。而且井下工作面工作條件復(fù)雜，支架狀態(tài)很難完全確定，影響因子太多，計(jì)算誤差太大。

針對(duì)以上問(wèn)題提出了一種充填液壓支架搗實(shí)機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化控制實(shí)施方案。具體而言通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。

（1） 測(cè)量搗實(shí)機(jī)構(gòu)角度。

利用測(cè)高傳感器測(cè)量搗實(shí)機(jī)構(gòu)上傳感器固定點(diǎn)與搗實(shí)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)點(diǎn)的相對(duì)高度H5，已知搗實(shí)機(jī)構(gòu)上傳感器固定點(diǎn)與搗實(shí)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)點(diǎn)的直線距離L3，計(jì)算出搗實(shí)機(jī)構(gòu)的角度或者在搗實(shí)機(jī)構(gòu)上設(shè)置傾角傳感器，直接測(cè)出搗實(shí)機(jī)構(gòu)的角度α。

（2） 確定搗實(shí)機(jī)構(gòu)最大擺角。

利用測(cè)高傳感器直接測(cè)量出頂梁最后端刮板運(yùn)輸機(jī)的吊掛點(diǎn)與搗實(shí)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)點(diǎn)的相對(duì)高度H1，或刮板機(jī)后下端與搗實(shí)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)點(diǎn)的相對(duì)高度H2，以及已知的水平距離L1及刮板機(jī)吊掛高度H3，則能確定出搗實(shí)機(jī)構(gòu)的最大擺角αmax。在搗實(shí)機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程中，將αmax初始賦值給控制器，保證α 小于αmax最大值初始賦值，否則由控制器自動(dòng)調(diào)整搗實(shí)機(jī)構(gòu)角度α。

利用測(cè)高傳感器測(cè)出搗實(shí)機(jī)構(gòu)與后部刮板運(yùn)輸機(jī)相對(duì)位置關(guān)系，結(jié)合電液控程序?qū)崿F(xiàn)搗實(shí)機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化動(dòng)作，從根本上解決了搗實(shí)機(jī)構(gòu)與后部運(yùn)矸刮板機(jī)干涉的問(wèn)題，提高充填工作面矸石充填效率，減小故障率。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)邢東礦11233 智能化矸石充填工作面的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了矸石充填的自動(dòng)化控制，提高了矸石充填工作面的生產(chǎn)效率，矸石充填工作面產(chǎn)量突破月產(chǎn)5 萬(wàn)t/面。