煤礦排矸運輸系統優化設計

謝 娜，閆順禮

(1.咸陽職業技術學院，陜西 咸陽 712000；2.大同煤業股份有限公司，山西 大同 037000)

煤矸石是伴生于煤層中的一種質地較為堅硬、碳量較低的黑灰色巖石，其產出量隨著井下掘進量的增加而增加，需要通過排矸地面運輸系統將其排出。而在絞車提升翻斗車的過程中，經常會出現矸石掉落的問題，分散在地面上的矸石則會造成翻斗車掉道，進而卡住翻斗車，嚴重影響矸石的正常運輸。隨著計算機與通信技術的不斷發展，煤礦排矸系統開始逐步接入工業電視、操作臺、控制柜等各種輔助監控設備[1-3]。德國SIEMENS公司推出的TST系統，該系統采用SIEMENS自家研發的超聲波測距儀，能夠在排矸車輛距離異常的情況下觸發報警電路[4]；朱磊等[5]于排矸軌道上安裝電磁傳感器，通過與火車掉道監控類似的電阻式防掉道裝置控制方法實現對矸石傳輸帶的控制；高士崗等[6]對翻斗車掉道的原因進行深入分析，并提出了翻斗車輪與軌道相對位置的監測方法。利用傳感器來檢測車與軌道之間的距離是應對翻斗車掉道問題的一般常用方法，另有一些研究采用霍爾接近開關、電容式接近開關、激光測距傳感器、紅外測距傳感器來對翻斗車實施監控[7-9]。為了有效應對傳統地面排矸系統普遍存在的掉道故障，維持排矸系統的正常運行，需要進一步加強對于煤礦排矸運輸系統的自動化改造，提高矸石運輸效率。

1 煤礦排矸運輸系統的基本工序和結構

煤礦排矸地面運輸系統主要由絞車提升系統、翻矸系統以及推車液壓拖動系統所組成。從礦下運送來的矸石首先通過地面的推車運輸至翻車房，再由翻矸系統將矸石翻落至矸石車中，由絞車房內的電機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送至遠離礦井的區域[10-13]。地面礦車循環運行路徑如圖1所示。

圖1 煤礦地面排矸運輸系統工序Fig.1 Coal mine ground gangue transportation system process

在傳統的煤礦排矸運輸系統中，整形機與清車機都需要通過人工操作加以控制，而在引入自動化控制技術的情況下，整形機與清車機的工作都可以用更加先進的液壓推車機加以替代。地面排矸運輸系統自動化控制體系如圖2所示。

圖2 自動化煤礦地面排矸運輸系統總體結構Fig.2 Overall structure of automated coal mine ground gangue transportation system

自動化煤礦地面排矸運輸系統雖然能夠有效降低人員工作強度、縮減礦車摘掛鉤時間，但在掉道故障檢測方面仍然需要進一步實施優化。

2 地面全自動掉道故障檢測方案設計

2.1 振動傳感器

在矸石車處于正常工作狀態下，電機、滾筒以及減速齒輪的振動較小，并且其振動頻率的變化呈現周期性特點；而在石車處于掉道狀態時，矸石車各部件及車輛整體的振動加大，并且頻率變化不規律。通過振動傳感器對矸石車掉道狀態下的振動原點加以識別，能夠對矸石車是否出現掉道問題進行較為準確地診斷。而在翻斗車存在掉道問題的情況下，滾筒、減速齒輪、聯軸器、電機等設備的振動頻率均會出現不同程序的偏移，若實測頻率與正常頻率存在差異，那么說明翻斗車存在掉道問題。

2.2 掉道檢測系統設計

(1)振動傳感器選型。本次研究所設計的掉道檢測系統采用LK-G5000型超高速/高精度CMOS激光位移傳感器，光點直徑25 μm×1 400 μm，線性度±0.02%F.S，重復精度0.02 μm，采樣周期2.55 μs。該元件可以向實測對象發送紅色半導體激光，并經由通信模塊將激光在傳感器與檢測對象之間的往返狀態數據上傳至PLC模塊，由PLC元件計算機出激光往返所需要的時間，最終得出傳感器與檢測對象之間的距離。LK-G5000型激光位移傳感器實物如圖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。掉道故障檢測系統通信模塊所采用S1205V-PWR型交換機，該設備采用IEEE802.3端口標準，交換容量10 Gb/s，包轉發率10 Mpps，輸入電壓100～240 V。該設備采用重負荷設計策略，電磁兼容性強，支持VLAN、組播控制和Port Priority設置，網絡可靠性好，工作效率高。S1205V-PWR型交換機實物圖如圖4所示。

圖4 S1205V-PWR型交換機Fig.4 S1205V-PWR switch

(3)PLC選型。地面全自動排矸運輸系統掉道故障檢測系統所采用的PLC元件為IEC61131-3型PLC，該元件所內置的處理器型號為AlteraNiosII，運算頻率為100 MHz，電源電壓24 V，支持最多63個設備連接，支持連接2個RJ45孔式以太網接口，持續抗震最高為10g，可并排安裝多個I/O模塊和特殊的功能模塊，靈活性強，內置可自由編程的Web服務器，有助于優化通信。IEC61131-3型PLC的內部邏輯結構如圖5所示。

圖5 IEC61131-3型PLC內部邏輯結構Fig.5 IEC61131-3 PLC internal logic structure

2.3 掉道檢測程序設計

掉道檢測系統運行流程如圖6所示，分析振動數據頻譜是該程序的核心功能。首先通過快速傅里葉算法分解出振動數據的頻率幅值，對比排矸裝置正常運行狀態下的振動頻率幅值，根據對比結果判斷排矸裝置的特定位置是否存在頻率偏移。

圖6 振動檢測程序流程Fig.6 Vibration detection program flow

3 實際應用

3.1 工程概況

此次研究將經過優化后的自動化技術的煤礦排矸運輸系統應用于山西省太原市屯蘭煤礦的排矸作業中，該煤礦總出矸量約為28.3萬t，現有1臺斜巷帶式輸送機(運輸能力630 t/h)、1臺斜巷絞車(JKB2×1.5 A單繩纏繞式提升機)，配合1噸U型礦車運輸，串車數量為5輛。經一系列計算發現，該煤礦31.5萬t，排矸系統需要滿負荷運行。為了確保排矸工作的順利運行，該單位決定將自動化技術的煤礦排矸運輸系統應用于礦井矸石山變頻提升機的監控工作中，該目標設備為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、交流電機軸承2個部位安裝振動傳感器，安裝位置和安裝結果分別如圖8所示，2個傳感器分別引出2條數據線并與振動模擬信號采集器相連，并通過振動信號采集器將模塊信號轉換為PLC能夠直接處理的數字信號。

圖8 振動傳感器信號采集箱Fig.8 Vibration sensor signal collection box

3.3 檢測結果分析

為2JTP1600型1.6 m單滾筒絞的電機工作基頻為40 Hz，在出現掉道現象的情況下，齒輪箱處的振動頻率會達到800 Hz，電機處的振動頻率會達到100 Hz，均大幅高于正常狀態，需要暫時停止提升，解決提升機的掉道問題。

4 經濟分析

自動化排矸運輸系統應用前后的經濟性對比結果見表1。

表1 自動化排矸運輸系統應用前后的經濟性對比結果Tab.1 Economic comparison results before and after application of automated waste disposal transportation system

5 結論

自動化技術的煤礦排矸運輸系統的應用有效解決了太原市屯蘭煤礦排矸裝置掉道檢測不及時、不準確的問題。經過為期1年的實地應用后，僅人力成本每年節約40萬元以上，對于掉道問題的檢測靈敏度大幅提高，生產效率也得到了相應的提升。