邢東礦充填自動控制設備及工藝研究

侯成志

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000）

1 概 況

煤礦開采逐步實現機械化換人，自動化減人，自動化、智能化矸石充填技術是實現充填開采高產高效的必經之路。邢東礦矸石充填先后實施了12212 矸石充填工作面及12214 矸石充填工作面，但由于矸石數量有限、設備能力及自動化控制的實現等多方面因素，矸石充填工作面的月產量一直未能突破1 萬t。因此，邢東礦11233 矸石充填工作面通過設備升級及創新自動化充填控制，使得工作面具備月產5 萬t 的能力，建成了智能化矸石充填工作面。

2 邢東礦充填開采歷程

由于邢東礦地理位置特殊，建礦之初即未規劃矸石山，為處理井下洗選矸石，實現矸石不升井，同時也為了開采邊角煤，最大限度回收資源，邢東礦嘗試巷道矸石充填，研發了擁有自主知識產權的矸石回填機，開始實施巷道矸石回填，開采邊角煤。為解決“三下”壓煤問題，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、B 材料經由地面注漿站分別按比例與水混合經兩趟管路輸送至工作面切眼，進入切眼后A、B 料混合凝固為固體，支撐采空區的頂板壓力，高水充填支架由最初的分體式液壓充填支架演變為現在的一體式液壓支架及復合型充填液壓支架，支架的演變為以后的高水充填實現自動化控制奠定了基礎。

邢東礦11233 工作面為首個智能化矸石充填工作面，該面煤層厚度穩定，結構簡單。煤層走向92°~ 131°，傾向2°~ 41°，傾角3°~ 12°，煤的硬度系數0.62。

11233 智能化矸石充填工作面設計推進長度為633 m，切眼長度58 m，布置43 臺充填液壓支架，1 臺前部刮板輸送機，1 臺后部充填刮板輸送機及1 臺采煤機；運料巷掘進長度1 128 m，布置2 部“倒拉牛”式矸石運輸皮帶機，1 部下運矸石運輸皮帶機；運輸巷掘進長度1 167 m，布置3 部上運原煤運輸皮帶機。

11233 工作面采用單一厚煤層一次采全高傾斜長壁后退式采煤法，使用采煤機落煤，前部刮板輸送機運輸。

11233 矸石充填工作面配套設備與12212、12214 矸石充填工作面配套設備相比，進行了升級改造，支架架型由ZC5160/30/50 升級為ZC5160/29/48D，懸掛式充填刮板輸送機由原來的SGZ730/132升級為SGZ800/200，詳見表1。

表1 11233 充填工作面設備配備Table 1 11233 filling working face equipment

3 矸石充填自動化控制設備的升級介紹

3.1 液壓支架升級改造

邢東礦首套矸石充填支架型號為ZC5160/30/50，經過在邢東礦近8 a 的使用，暴露出很多的問題，比如壓實千斤頂使用壽命低，壓實力小，井下更換不便捷；后頂梁側護板改造，需增加一個側護千斤頂或側護千斤頂位置后移，使的后頂梁側護板打開動作更順暢；由于支架本身長達10.5 m，1 個底調千斤頂調架困難，需依據采煤布局，增加1 個底調千斤頂來便于調整支架；改變現有抬底裝置，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象；支架前頂梁全部需增加伸縮功能，以便更好的支護頂板，防止煤壁片幫。

11233 智能化矸石充填工作面采用支架型號為ZC5160/29/48D，改進了原支架的缺點，壓實千斤頂由原來的兩根φ140/φ105 千斤頂升級為一根φ230/φ140 千斤頂，壓實強度由原來的970 kN 提升為1 308 kN，大大延長了壓實千斤頂的使用壽命，且便于井下安裝、更換。支架的改造對液壓系統壓力、流量需求增加，因此液壓系統采用雙進雙回、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 臺液壓支架均采用電液控操作。液壓支架的升級改造為自動化控制實現成組拉架，成組搗實提供了基礎。

3.2 后部充填刮板輸送機的升級改造

邢東礦原后部充填刮板機的型號為SGZ730/132，工作時鏈速0.93 m/s，動力132 kW，槽寬為730 mm，鏈速慢，動力不足，運輸量小，充填量達不到。

11233 智能化矸石充填工作面后部充填刮板機的型號為SGZC800/200，槽寬由原來的730 mm 提升為800 mm，鏈速由原來的0.93 m/s 提升至1.05 m/s，機頭、機尾的鏈輪、盲軸形式改為鏈輪組件形式，刮板機采用34*126C 級緊湊鏈，中部槽中板采用進口耐磨板，大幅提升了運輸能力及使用壽命。

3.3 其他充填設備的升級改造

對MG500/1140-WD 型采煤機進行了返廠改造，PLC 電氣系統改造成CAN 總線系統，分為電控箱、變頻器以及箱外電氣系統，改造后具有完備的記憶割煤功能和三角煤工藝功能，增加了采煤機機身采高臥底顯示器、語音預警器等。

對DSJ80/40/2 型充填皮帶機進行了安裝改造，對調了卸載臂與皮帶機機尾的位置，改為“倒拉牛”布置形式，這樣隨著回采的推進，便于皮帶機的縮短，避免了每推進幾個步距都要移一次的皮帶機頭。

對儲帶倉頂托輥進行了加密改造，提升了皮帶機運行的穩定性。

4 充填自動化控制的實現

合理的三機配套是實現充填自動化控制的基礎，關鍵點和難點在于壓實裝置與懸掛刮板機的位置關系，位置關系合理則可實現充填體充分接頂，同時避免壓實裝置與懸掛刮板機的干涉，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

為使得后部采空區矸石充填達到一定得效果，需在支架后部設置搗實機構來實現，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來自動控制搗實機構的動作。搗實機構實現電液控制需要解決2 個問題：一是測量搗實機構的角度；二是根據支架狀態及充填刮板輸送機的位置來確定搗實機構的最大擺角，控制搗實機構在允許的擺角范圍內擺動，避免與后部運矸刮板機發生干涉，造成設備的安全事故。

如果要從理論上確定搗實機構的最大擺角，需確定出在任何時候支架底座的角度、支架頂梁的高度、支架后頂梁的角度、頂梁和底座的相對狀態、支架的結構參數等，通過復雜的理論計算才能完成。而且井下工作面工作條件復雜，支架狀態很難完全確定，影響因子太多，計算誤差太大。

針對以上問題提出了一種充填液壓支架搗實機構的自動化控制實施方案。具體而言通過以下技術方案實現。

（1） 測量搗實機構角度。

利用測高傳感器測量搗實機構上傳感器固定點與搗實機構的回轉點的相對高度H5，已知搗實機構上傳感器固定點與搗實機構回轉點的直線距離L3，計算出搗實機構的角度或者在搗實機構上設置傾角傳感器，直接測出搗實機構的角度α。

（2） 確定搗實機構最大擺角。

利用測高傳感器直接測量出頂梁最后端刮板運輸機的吊掛點與搗實機構的回轉點的相對高度H1，或刮板機后下端與搗實機構的回轉點的相對高度H2，以及已知的水平距離L1及刮板機吊掛高度H3，則能確定出搗實機構的最大擺角αmax。在搗實機構動作過程中，將αmax初始賦值給控制器，保證α 小于αmax最大值初始賦值，否則由控制器自動調整搗實機構角度α。

利用測高傳感器測出搗實機構與后部刮板運輸機相對位置關系，結合電液控程序實現搗實機構的自動化動作，從根本上解決了搗實機構與后部運矸刮板機干涉的問題，提高充填工作面矸石充填效率，減小故障率。

5 結 語

通過邢東礦11233 智能化矸石充填工作面的實施，實現了矸石充填的自動化控制，提高了矸石充填工作面的生產效率，矸石充填工作面產量突破月產5 萬t/面。