煤礦定量裝載系統現狀分析及實時在線智能監控技術

張慶軍 薛保衛

（肥城白莊煤礦有限公司，山東肥城271623）

1 煤礦定量裝載系統現狀及存在問題

依據《煤礦安全規程》第382條規定“提升裝置的最大載重量和最大載重差，應在井口公布，嚴禁超載和超載重差運行”。然而不論是礦井多繩摩擦式提升機還是單繩纏繞式提升機，不論是主井提升還是副井提升系統，依據我國目前的設備和設施裝備水平，都不能真正意義上的實現“嚴禁超載”，只能是依靠“定性”管理，而不能實現電梯式的“定量”超載閉鎖的本質安全型管理。如礦井實際生產中對于副井提升系統礦車裝料多少、吊運大件的單重、配重等，很難精確控制噸位數量，對于主井提升系統雖有裝載定量系統，但箕斗的粘堵問題，時有造成二次裝載問題，在煤礦行業就發生過多起因超載提升造成重大機電事故，這不僅使礦井的生產設備受到破壞，影響礦井的正常生產，而且還會危及作業人員的生命安全，給國家和人民造成巨大的經濟損失。煤礦運輸提升事故所占比例僅次于瓦斯和頂板事故，是煤炭系統的第三大災難事故。

2 承載實時在線智能監控技術主要研究內容

2.1 提升機運行狀態與鋼絲繩終端載荷關聯性研究

對提升機運行狀態參數特征進行評估，基于統計學理論，構建提升機工作狀態與鋼絲繩終端載荷關聯性判定方法；基于連續體振動力學理論，建立鋼絲繩終端張力參數特征與提升機運行狀態關聯模型，解決提升機運行狀態無法實時準確表征的難題。

2.2 提升機運行狀態感知技術研究

基于動力學理論，對正常與非正常提升工況下鋼絲繩終端張力狀態分析，開展高精度、抗沖擊性強的稱重式傳感器研發，解決現有傳感器精度低、抗沖擊性差的難題；結合信號調理技術，開發精度高、響應快的鋼絲繩終端張力狀態感知技術和設備，實現鋼絲繩終端張力的實時、可靠檢測。

2.3 鋼絲繩終端載荷無線傳輸技術研究

基于無線傳感器網絡技術以及寬帶無線通信技術，建立井下無線監測無線傳感器拓撲結構，探求拓撲控制機制；設計與井下無線傳感器網絡具體應用環境與所采用的無線通信平臺相適應的MAC協議；結合寬帶無線通信技術與網絡拓撲結構設計井下無線傳感器網絡的時間同步機制；開發適應于井下無線監測網絡結構的數據管理技術；構建實時、穩定、可靠、高效的鋼絲繩終端載荷無線傳輸系統。

2.4 提升機承載智能調控技術研究

結合提升機運行狀態、鋼絲繩終端載荷以及提升機電控系統，基于智能結構理論，以提升時間、提升載荷以及無線傳感器功耗為目標，建立提升機承載的多目標歸一智能結構最優控制模型，采用逐步線性規劃法求解，實現提升機承載智能調控，有效避免提升機超載、二次裝載等提升事故。

3 項目技術關鍵和實施方案

3.1 技術難點

（1）由于井筒環境惡劣，提升機在井筒中運行狀態無法直接獲得，而鋼絲繩終端載與提升機運行狀態具有緊密的相互關聯性。因此，需掌握鋼絲繩終端載荷的變化趨勢，尋求提升機運行狀態與鋼絲繩終端載荷關聯性模型，利用鋼絲繩終端實時檢測的張力來判斷當前提升機運行狀態。

（2）隨著煤炭資源的日漸開采，礦井的設計井深、提升距離逐漸增大，提升鋼絲繩運行與裝載過程中的動載荷也越來越大，而提升鋼絲繩繩受到的動載荷需要直接傳遞到實時監測鋼絲繩終端載荷的稱重式傳感器上；同時，稱重式傳感器監測的數據需要快速的存儲、分析與判斷。因此，需開發以大量程、高精度、抗沖擊性的稱重式傳感器為核心的提升機運行狀態的感知技術與設備，實現提升機的安全可靠運行。

（3）隨著礦井開采深度的增加，有線傳輸系統由于自身的局限性難以對礦井提升系統實施全面、有效和靈活的數據傳輸，而無線傳輸系統在井筒內無線信號衰減異常嚴重，對無線傳輸的可靠性、穩定性和準確性要求越來越高。

（4）提升機是礦井生產的咽喉，提升效率將直接影響礦井生產效率：鋼絲繩終端載荷、提升時間與提升效率密切相關；有效控制提升載荷將降低超載、二次裝載等提升事故，增加提升機安全可靠性，縮短維修時間；監測鋼絲繩終端載荷的無線傳感器的更換頻率也影響提升時間。

3.2 實施方案

（1）提升機運行狀態與鋼絲繩終端載荷關聯性研究技術路線

首先，對提升機運行狀態參數特征進行評估；接著，基于統計學理論，構建提升機工作狀態與鋼絲繩終端載荷關聯性判定方法；然后，基于連續體振動力學理論，建立鋼絲繩終端張力參數特征與提升機運行狀態關聯模型；最后，分析并掌握相互關聯特性。

（2）提升機運行狀態感知技術研究技術路線

首先，基于動力學理論，對正常與非正常提升工況下鋼絲繩終端張力狀態分析；其次，基于張力變化特性，開展高精度、抗沖擊性強的稱重式傳感器研發；再次，結合信號調理技術，開發精度高、響應快的鋼絲繩終端張力狀態感知技術和設備，最終實現鋼絲繩終端張力的實時、可靠檢測。

（3）鋼絲繩終端載荷無線傳輸技術研究技術路線

首先，基于無線傳感器網絡技術以及寬帶無線通信技術，建立井下無線監測無線傳感器拓撲結構，探求拓撲控制機制；其次，設計與井下無線傳感器網絡具體應用環境與所采用的無線通信平臺相適應的MAC協議；再次，結合寬帶無線通信技術與網絡拓撲結構設計井下無線傳感器網絡的時間同步機制；最后，開發適應于井下無線監測網絡結構的數據管理技術。

（4）提升機承載智能調控技術研究技術路線

首先，結合提升機運行狀態、鋼絲繩終端載荷以及提升機電控系統，基于智能結構理論，建立優化控制模型；其次，以提升時間、提升載荷以及無線傳感器功耗為目標，建立提升機承載的多目標歸一智能結構最優控制模型；最后，采用逐步線性規劃法求解，實現提升機承載智能調控，有效避免提升機超載、二次裝載等提升事故。

4 結語

4.1 建立了鋼絲繩終端張力參數特征與提升機運行狀態關聯模型，解決了提升機運行狀態無法實時準確表征的難題；開發了精度高、響應快的鋼絲繩終端張力狀態感知技術和設備，實現了鋼絲繩終端張力的實時、可靠檢測。

4.2 建立了井下無線監測無線傳感器拓撲結構，設計了與井下無線傳感器網絡具體應用環境與所采用的無線通信平臺相適應的MAC協議，開發了適應于井下無線監測網絡結構的數據管理技術；構建實時、穩定、可靠、高效的鋼絲繩終端載荷無線傳輸系統。

4.3 建立了提升機承載的多目標歸一智能結構最優控制模型，實現了提升機承載智能調控，有效避免了提升機超載、二次裝載等提升事故。

［1] 中華人民共和國能源部.煤礦安全規程[M] .山西科學技術出版社,2006.

［2] 于勵民,仵自連.礦山固定設備選型使用手冊[S] .北京:煤炭工業出版社,2007.

［3] 陳維健,齊秀麗,肖林京,張開如.礦山運輸與提升設備[M] .徐州:中國礦業大學出版,2011.