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(shí)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(qiáng)度。基于SAC液壓支架電液控制系統(tǒng)，通過支架后部各個(gè)部位的傳感器，將工作狀態(tài)變?yōu)殡娮有盘枺瑐鬏數(shù)礁鱾€(gè)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(shí)現(xiàn)后部自動充填功能。經(jīng)過不斷實(shí)驗(yàn)，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(qiáng)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(gè)充填過程中的每個(gè)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(qiáng)度。

（3） 將支架操作人員的操作習(xí)慣及經(jīng)驗(yàn)程序智能化，實(shí)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(shí)質(zhì)是專用于工作面支架電液控制系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)。此次矸石充填系統(tǒng)中包含2 個(gè)控制器，其中26 功能控制裝有OLED64*128 點(diǎn)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埽鳛橹骺刂破魇褂谩?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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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(yùn)行和實(shí)施操作的平臺。控制器上電后，經(jīng)運(yùn)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(shí)，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(shí)，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(yùn)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(jì)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(shí)機(jī)構(gòu)前端上，用于判斷搗實(shí)伸出后高度，避免搗實(shí)升起過高碰撞后部刮板運(yùn)輸機(jī)；另一組安裝在后頂梁中部和搗實(shí)機(jī)構(gòu)后部，用于判斷頂梁距離搗實(shí)機(jī)構(gòu)的高度。

在搗實(shí)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(shí)正在動作和完成動作時(shí)的壓力值；行程傳感器用來檢測搗實(shí)千斤頂?shù)纳炜s行程。根據(jù)搗實(shí)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(shí)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(shí)間控制雙重控制。

當(dāng)自動充填開始時(shí)，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(shí)，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(shí)，關(guān)閉排矸口。如果傳感器發(fā)生故障時(shí)，落料時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí)，排矸口也自動關(guān)閉。

排矸口關(guān)閉后，開始執(zhí)行夯實(shí)作業(yè)。在物料夯實(shí)過程中，通過安裝在擺梁上的傾角傳感器和搗實(shí)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(shí)千斤頂?shù)膲毫Φ竭_(dá)設(shè)定壓力值時(shí)，本次自動充填動作完成。

單次充填的一個(gè)大循環(huán)可分為3 層進(jìn)行充填（大循環(huán)和搗實(shí)層數(shù)可根據(jù)實(shí)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(shí)動作，然后結(jié)束第一次循環(huán)；②在搗實(shí)過程中，若壓力值達(dá)不到設(shè)定值時(shí)，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(shí)，3 次搗實(shí)完成或者壓力值達(dá)到后進(jìn)行第二層的搗實(shí)，以此類推；③第二次循環(huán)如果還有未搗實(shí)層次，則進(jìn)入第三次循環(huán)，直到3 層都搗實(shí)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(shí)千斤頂?shù)膲毫托谐讨怠[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(shí)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(shí)過程中，一般放矸動作2～3 次后，再進(jìn)行1～2 次搗實(shí)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(shí)的判斷。搗實(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)驗(yàn)和使用，取得了以下效果。

（1） 充填時(shí)間的縮短，在出煤產(chǎn)量相同的情況下，充填時(shí)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(shí)機(jī)構(gòu)的搗實(shí)效果提高，搗實(shí)強(qiáng)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(shí)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(shí)強(qiáng)度低、充填時(shí)間長、操作繁瑣、充填率低等問題，有效降低了職工的勞動強(qiáng)度，帶動了充填工藝、材料、裝備的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了充填工作面智能化開采。