智能化矸石充填系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

吳夢雨

（北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399）

1 概 況

綜采工作面矸石充填是國家推廣的技術(shù)之一。對采空區(qū)充填，可將地表巖移破壞程度基本控制在I 級破壞程度范圍之內(nèi)，確保地表建（構(gòu)） 筑物的安全使用，同時減少了頂板垮落、出水、瓦斯涌出等礦井災(zāi)害；通過矸石充填開采技術(shù)，減少礦井矸石堆積，避免煤矸石污染環(huán)境，占用場地。

普通矸石充填支架使用的手動操作閥，需要在操作過程中，不斷的對充填部位進(jìn)行觀察判斷，查看是否充填完成，但無法保證充填強度?；赟AC液壓支架電液控制系統(tǒng)，通過支架后部各個部位的傳感器，將工作狀態(tài)變?yōu)殡娮有盘?，傳輸?shù)礁鱾€支架的控制器，由控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再反饋到電液換向閥對充填部位的千斤頂進(jìn)行控制，實現(xiàn)后部自動充填功能。經(jīng)過不斷實驗，完成了一套的智能化矸石充填系統(tǒng)，操作簡單，保證了充填強度。

2 研究內(nèi)容

（1） 通過使用多種不同的傳感器，精確控制各個充填過程中的每個動作環(huán)節(jié)，保證充填過程中的安全性。

（2） 通過使用多種不同的傳感器，自動識別充填效果，提高充填的精度和效率。使用電磁先導(dǎo)閥控制與主閥連接的液壓管路輸出，無需人工扳動液壓閥的手板把，減輕支架操作人員的勞動強度。

（3） 將支架操作人員的操作習(xí)慣及經(jīng)驗程序智能化，實現(xiàn)一次性成組充填或分組充填，提高支架操作人員的勞動效率。

3 主要技術(shù)內(nèi)容

3.1 設(shè)備選用

主要控制設(shè)備有ZDYZ-Z 型26 功能液壓支架電液控制裝置控制器和ZDYZ-Z 型20 功能液壓支架電液控制裝置控制器，如圖1、圖2 所示。

圖1 ZDYZ-Z 型26 功能液壓支架電液控制裝置控制器Fig.1 Controller of electro-hydraulic control device for ZDYZ-Z 26 function hydraulic support

圖2 ZDYZ-Z 型20 功能液壓支架電液控制裝置控制器Fig.2 Controller of electro-hydraulic control device for ZDYZ-Z type 20 function hydraulic support

3.1.1 功能控制器概述

ZDYZ-Z 型液壓支架電液控制裝置控制器為礦用本質(zhì)安全型，適用于煤礦井下。主要作用是在特定程序下，控制支架的所有動作，采集支架上傳感器的數(shù)據(jù)，與其它控制器及與井下主控制器進(jìn)行相互數(shù)據(jù)通信等。其中26 功能控制器主要控制的是20 功能電液控?fù)Q向閥，它代替普通矸石充填工作的手動操作閥，主要控制采煤過程中支架的升降、前移等功能；20 功能控制器主要控制的是12 功能電液控?fù)Q向閥，控制后部自動充填過程中所有功能，是后部自動充填的核心。

3.1.2 功能控制器的工作原理

控制器實質(zhì)是專用于工作面支架電液控制系統(tǒng)的控制計算機(jī)。此次矸石充填系統(tǒng)中包含2 個控制器，其中26 功能控制裝有OLED64*128 點陣顯示器，具有顯示壓力、行程、高度、基本參數(shù)修改、信息傳輸?shù)裙δ?，作為主控制器使用?0 功能控制器不具備顯示器，作為輔助控制器使用。由于功能上的差距，2 個控制器之間需要用改變程序的接續(xù)器進(jìn)行連接。其組合作為單架支架的控制核心，保證支架各個部位的立柱、千斤頂正常工作。每架控制器組之間通過連接線進(jìn)行通訊，保證各個支架的數(shù)據(jù)通信，達(dá)到鄰架操作和成組操作的目的。

為了保證支架動作的的準(zhǔn)確性和通用性，主控制器裝入的應(yīng)用程序及參數(shù)須根據(jù)實際情況進(jìn)行修改。由于支架的動作傳感器等都是由電信號傳輸，因此在控制器上裝有信號轉(zhuǎn)換器，將電信號轉(zhuǎn)換成控制器可讀取信號，將傳感器檢測數(shù)值顯示在主控制器上。

控制器是依賴軟件工作的，軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序。應(yīng)用程序是直接執(zhí)行支架控制和監(jiān)測功能的軟件，是控制器正常運行和實施操作的平臺?？刂破魃想姾?，經(jīng)運行一段引導(dǎo)程序（Booter），在正常情況下會自動啟動應(yīng)用程序進(jìn)入支架控制的環(huán)境。另外，該控制器組具有閉鎖功能，當(dāng)工作面支架需要進(jìn)行檢修工作時，只要按下閉鎖按鈕，就可切斷控制器驅(qū)動電源，本架和鄰架進(jìn)入閉鎖狀態(tài)，保證檢修人員安全。當(dāng)有大塊矸石卡住后部刮板輸送機(jī)或者發(fā)生危及安全生產(chǎn)的情況時，按下控制器上的緊急停止按鈕，即可終止所有的支架動作，保證職工安全。緊急停止按鈕具有聯(lián)動性，只要1 臺控制器按下緊急停止按鈕，其他控制器均無法運行。

3.1.3 測高傳感器和壓力傳感器

測高傳感器由充油管、電路模塊、壓力傳感器組成，如圖3 所示。壓力傳感器固定在充油管兩端，測量壓力數(shù)值，電路模塊通過充油管兩端的壓力差值計算出兩端的垂直高度差值。

圖3 測高傳感器Fig.3 Altimeter sensor

圖4 矸石充填支架后部充填系統(tǒng)傳感器布置Fig.4 Sensor arrangement of back filling system of gangue filling support

傳感器在支架上的布置如圖4 所示。圖4 為矸石充填支架后部充填系統(tǒng)，其中一組測高傳感器安裝在后頂梁和搗實機(jī)構(gòu)前端上，用于判斷搗實伸出后高度，避免搗實升起過高碰撞后部刮板運輸機(jī)；另一組安裝在后頂梁中部和搗實機(jī)構(gòu)后部，用于判斷頂梁距離搗實機(jī)構(gòu)的高度。

在搗實千斤頂中安裝了行程傳感器組件和壓力傳感器，壓力傳感器用來檢測搗實正在動作和完成動作時的壓力值；行程傳感器用來檢測搗實千斤頂?shù)纳炜s行程。根據(jù)搗實千斤頂?shù)膲毫?shù)值和行程數(shù)值共同判斷矸石填充的完成效果是否達(dá)到要求，并進(jìn)行相應(yīng)的時間控制。

3.2 單架自動化充填控制流程

自動填充控制流程如圖5 所示。

圖5 自動填充控制流程Fig.5 Automatic filling control process

當(dāng)支架后部自動充填功能啟動后，打開本架后部刮板輸送機(jī)溜槽排矸口，矸石落入采空區(qū)，排矸口的開啟由傳感器和控制器上排矸時間控制雙重控制。

當(dāng)自動充填開始時，后頂梁上的傳感器對后部刮板輸送機(jī)落下的矸石進(jìn)行高度檢測。當(dāng)矸石堆積高度達(dá)不到設(shè)定值時，排矸口打開并落矸；當(dāng)傳感器檢測落料高度達(dá)到矸石堆積預(yù)定高度值時，關(guān)閉排矸口。如果傳感器發(fā)生故障時，落料時間達(dá)到設(shè)定值時，排矸口也自動關(guān)閉。

排矸口關(guān)閉后，開始執(zhí)行夯實作業(yè)。在物料夯實過程中，通過安裝在擺梁上的傾角傳感器和搗實千斤頂上的行程傳感器來控制后部鏟板和擺梁配合，進(jìn)行循環(huán)控制，當(dāng)搗實千斤頂?shù)膲毫Φ竭_(dá)設(shè)定壓力值時，本次自動充填動作完成。

單次充填的一個大循環(huán)可分為3 層進(jìn)行充填（大循環(huán)和搗實層數(shù)可根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)置），其步驟為：①將充填區(qū)域預(yù)設(shè)成3 層，每層進(jìn)3 次搗實動作，然后結(jié)束第一次循環(huán)；②在搗實過程中，若壓力值達(dá)不到設(shè)定值時，在第二次循環(huán)過程中對壓力值不足的層次進(jìn)行3 次搗實，3 次搗實完成或者壓力值達(dá)到后進(jìn)行第二層的搗實，以此類推；③第二次循環(huán)如果還有未搗實層次，則進(jìn)入第三次循環(huán)，直到3 層都搗實完成。

對最大自動充填次數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，防止壓力傳感器損害，導(dǎo)致無限制的自動充填。其中落料高度值、壓實千斤頂?shù)膲毫托谐讨?、擺梁提升角度值、擺梁提升最大高度、充填次數(shù)以及各動作時間等值均可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。

在單架自動循環(huán)充填、搗實過程中，一般放矸動作2～3 次后，再進(jìn)行1～2 次搗實動作。因此，方案采取充填次數(shù)C與后鏟板千斤頂壓力P、行程R相結(jié)合的方法，進(jìn)行單架充填過程中是否搗實的判斷。搗實條件可設(shè)定為：

3.3 工作面成組自動充填控制流程

首先根據(jù)實際生產(chǎn)需要，在選定的支架控制器上進(jìn)行自動充填參數(shù)設(shè)置，然后通過控制器的信息傳遞功能，將該架的充填參數(shù)復(fù)制到需要進(jìn)行成組充填的支架控制器上。當(dāng)需要進(jìn)行成組充填時，可以在該組支架的頭部或者尾部進(jìn)行充填，也可以在其中任意一架選擇向頭部或者尾部形成架組進(jìn)行充填動作。

4 實踐應(yīng)用

將該智能化矸石充填系統(tǒng)在邢東礦進(jìn)行應(yīng)用。邢東礦由于地理位置原因，附近村莊較多，充填開采是該礦主要的開采方式。經(jīng)過在邢東礦進(jìn)行實驗和使用，取得了以下效果。

（1） 充填時間的縮短，在出煤產(chǎn)量相同的情況下，充填時間由原來的3 h，縮短到使用后的1.5 h。

（2） 矸石充填量得到了提升，由于搗實機(jī)構(gòu)的搗實效果提高，搗實強度增加，充填矸石量由原來的每月1 萬t，增加到3 萬t。

（3） 提高生產(chǎn)效率，將先出煤后充填傳統(tǒng)工藝升級為回采與充填同時進(jìn)行的平行作業(yè)，將充填效率由原有的每班1 刀煤提高至每班4 刀煤，月產(chǎn)能力由1.8 萬t 提高至7.2 萬t，工作面生產(chǎn)能力大幅提升。將采充平行度由原來的40%提升到現(xiàn)在的80%。

（4） 充填人員減少，由于控制器操作簡單，在充填人員的配備上，由原來的6 人，減小至現(xiàn)在的3 人。

5 結(jié) 語

智能化矸石充填系統(tǒng)的使用，解決了普通充填支架搗實強度低、充填時間長、操作繁瑣、充填率低等問題，有效降低了職工的勞動強度，帶動了充填工藝、材料、裝備的進(jìn)步，實現(xiàn)了充填工作面智能化開采。