巷道掘進(jìn)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)研究

謝光輝

（汾西礦業(yè)集團(tuán)兩渡煤業(yè)公司， 山西 靈石 031300）

0 引言

采面煤炭開采及巷道掘進(jìn)是井下生產(chǎn)主要工序，隨著煤炭開采強(qiáng)度不斷增加，井下巷道掘進(jìn)工程量呈顯著增加趨勢(shì)[1-2]。眾多的學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)巷道掘進(jìn)技術(shù)、圍巖支護(hù)技術(shù)及超前探測(cè)技術(shù)等進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)提高掘進(jìn)、支護(hù)機(jī)械化、自動(dòng)化及智能化水平是實(shí)現(xiàn)巷道快速掘進(jìn)的重要保障條件[3]。為此眾多礦井采用先進(jìn)的掘進(jìn)、支護(hù)及運(yùn)輸設(shè)備提高巷道掘進(jìn)效率及掘進(jìn)進(jìn)尺，但是在巷道掘進(jìn)過程中由于掘進(jìn)設(shè)備工作環(huán)境惡劣、負(fù)載大同時(shí)掘進(jìn)受粉塵、瓦斯、電磁干擾等多因素影響，容易導(dǎo)致掘進(jìn)設(shè)備出現(xiàn)各類故障。掘進(jìn)設(shè)備在使用期間常見故障類型包括有截割電機(jī)高溫停機(jī)或者電機(jī)損壞；長期高負(fù)載運(yùn)行導(dǎo)致截割部位軸承、花鍵、截割齒或者花鍵等出現(xiàn)裂紋、斷裂、異常磨損等；液壓油泵或者其他液壓系統(tǒng)損壞導(dǎo)致運(yùn)輸部位運(yùn)行異常；噴霧或者供水系統(tǒng)故障導(dǎo)致無法噴霧。掘進(jìn)設(shè)備出現(xiàn)故障會(huì)嚴(yán)重制約巷道掘進(jìn)效率甚至出現(xiàn)安全事故[4-8]。為實(shí)現(xiàn)巷道安全高效掘進(jìn)，需要對(duì)掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，以便實(shí)時(shí)掌握掘進(jìn)設(shè)備運(yùn)行情況并對(duì)故障進(jìn)行預(yù)警。文中就以山西某礦15215 運(yùn)輸巷掘進(jìn)為背景，對(duì)掘進(jìn)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分析探討，以期為其他礦井掘進(jìn)設(shè)備監(jiān)控工作開展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

15215 運(yùn)輸巷位于15 采區(qū)，巷道沿著回采的2 號(hào)煤層底板掘進(jìn)，煤層賦存穩(wěn)定、埋深均值256 m，傾角2°～9°，厚度5.8～6.37 m、均值6.12 m。15215 運(yùn)輸巷掘進(jìn)范圍內(nèi)地質(zhì)條件簡單，斷層、褶曲以及陷落柱等構(gòu)造不發(fā)育，在掘進(jìn)至750～960 m范圍內(nèi)煤層中2～5 層泥巖夾矸。為實(shí)現(xiàn)15215 工作面煤炭快速回采，15215運(yùn)輸巷采用較為先進(jìn)的掘進(jìn)設(shè)備，通過掘錨一體機(jī)+錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組+橋式轉(zhuǎn)載機(jī)+變頻帶式輸送機(jī)等方式實(shí)現(xiàn)巷道快速掘進(jìn)，采用的掘錨一體機(jī)型號(hào)為MB670-I；錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)型號(hào)為MZHB5-1000/30P，與掘錨機(jī)配合實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、運(yùn)輸及支護(hù)平行開展；橋式轉(zhuǎn)載機(jī)最大伸縮長度達(dá)到100 m，可滿足快速掘進(jìn)需要；使用的帶式輸送機(jī)型號(hào)為DSJ100/100/2×200，電機(jī)功率為2×200 kW、額定運(yùn)輸量為1 000 t/h。15215 運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)為矩形斷面（凈寬5.6 m、凈高4.3 m），設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，其中頂板布置4 根規(guī)格Φ22 mm×2 300 mm 螺紋鋼錨桿、間排距為1 600 mm、1 000mm；采用3 根規(guī)格Φ16.8 mm×6 300 mm 錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，布置間排距為1 400 mm、2 000 mm；巷幫布置4 根規(guī)格均為Φ22 mm×2 300 mm 錨桿（采面幫為玻璃鋼錨桿、煤柱幫為螺紋鋼錨桿），錨索間排距為1 500 mm、1 000 mm。正常情況下15215 運(yùn)輸巷掘進(jìn)進(jìn)尺超過680 m/月，但是當(dāng)掘進(jìn)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)嚴(yán)重制約巷道掘進(jìn)，為此文中構(gòu)建掘進(jìn)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，以期提高掘進(jìn)設(shè)備可靠性及故障隱患排查能力。

2 掘進(jìn)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

15215 運(yùn)輸巷使用的MB670-I 掘錨一體機(jī)涉及機(jī)械、液壓以及電氣系統(tǒng)，文中構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)主要針對(duì)掘錨一體機(jī)的重要組成部分，包括電機(jī)、電氣設(shè)備以及泵站等。監(jiān)控系統(tǒng)核心為MCU（微處理器），結(jié)構(gòu)層級(jí)包括有智能監(jiān)測(cè)層、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心層，具體架構(gòu)如圖1 所示，智能監(jiān)測(cè)層結(jié)構(gòu)包括有信號(hào)采集電路、監(jiān)測(cè)傳感器、聲光報(bào)警裝置、MCU、顯示模塊以及接口電路等，可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)部件數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換及處理等，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)并將結(jié)果通過工業(yè)以太網(wǎng)上傳至監(jiān)控上位機(jī)；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心層把控有工控PC、顯示器以及通信網(wǎng)絡(luò)等，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理及顯示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)綜合巷道現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)條件以及掘進(jìn)機(jī)工作原理進(jìn)行，分別選用壓力、傾角、電流、振動(dòng)以及瓦斯傳感器等布置在掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵位置實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)，通過數(shù)據(jù)采集調(diào)理電流對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行采集、放大、濾波以及轉(zhuǎn)換等，并通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給MCU 處理單元，MCU 內(nèi)嵌程序?qū)ΡO(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，以便判定是否進(jìn)行預(yù)警。

2.2.1 系統(tǒng)硬件選型

監(jiān)控系統(tǒng)涉及的硬件設(shè)備包括有各類監(jiān)測(cè)傳感器、MCU（微處理器）、通信電纜、遠(yuǎn)程工控機(jī)、電源以及電路板等。MCU 選用意法公司生產(chǎn)的STM32L0 型低耗MCU，該MCU 閃存為64 kB、RAM為8 kB，通過64 引腳封裝；瓦斯傳感器選用GJC4 甲烷傳感器，具備結(jié)構(gòu)簡單、監(jiān)測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)；振動(dòng)傳感器選用BZ11 振動(dòng)傳感器，具備抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

2.2.2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

監(jiān)控系統(tǒng)需要對(duì)瓦斯、濕度、掘進(jìn)機(jī)組成部件等監(jiān)測(cè)。液壓系統(tǒng)依靠壓力、溫度傳感器實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)油溫、油壓等持續(xù)監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)壓力或者油溫異常時(shí)會(huì)發(fā)出預(yù)警；對(duì)液壓電機(jī)電流、電壓等持續(xù)監(jiān)測(cè)。

截割系統(tǒng)對(duì)截割電機(jī)電流、電壓以及繞組溫度監(jiān)測(cè)，通過振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)截割電機(jī)減速器、傳動(dòng)軸等振動(dòng)監(jiān)測(cè)；噴霧系統(tǒng)監(jiān)測(cè)包括供水流量、高壓水泵壓力等；此外對(duì)運(yùn)輸部、裝載部以及行走部液壓馬達(dá)壓力進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)本體振動(dòng)、機(jī)身傾角等持續(xù)監(jiān)測(cè)。具體狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊結(jié)構(gòu)

2.2.3 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)通信主要依靠現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)，MCU通過8 個(gè)數(shù)據(jù)引腳與顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過RW、RS、EN 管腳對(duì)LED 顯示進(jìn)行控制；MCU 與工控機(jī)間用RS-485 串口通信；傳感器采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)理電路與MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。具體選用的MCU 與顯示屏間通信如圖3 所示。

圖3 MCU 與顯示屏通信連接示意圖

2.3 監(jiān)控程序

為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、處理以及傳輸，需對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)MCU 核心處理器進(jìn)行編程。MCU 處理器型號(hào)為STM32L0，監(jiān)控程序開發(fā)平臺(tái)選用KeiL，該平臺(tái)集成宏匯編語言、C 語言編譯器、連接庫以及仿真調(diào)試器等，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控程序編寫、調(diào)試。具體監(jiān)控程序數(shù)據(jù)處理流程如圖4 所示。

圖4 監(jiān)控程序數(shù)據(jù)處理流程

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

將構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到15215 運(yùn)輸巷掘進(jìn)設(shè)備監(jiān)控中，該監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)采集、處理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)存在故障時(shí)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)通過各類傳感器可實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行溫度、振動(dòng)值、傾角、壓力等監(jiān)測(cè)、顯示。在監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用過程中，曾發(fā)現(xiàn)截割部振動(dòng)異常報(bào)警，操作人員停機(jī)檢查后發(fā)現(xiàn)截割頭截割較為堅(jiān)硬夾矸時(shí)導(dǎo)致回轉(zhuǎn)軸銷脫落，后經(jīng)過緊固處理后及時(shí)消除了隱患；在設(shè)備液壓系統(tǒng)、電機(jī)等運(yùn)行溫度過高時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)也會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐表明，文中所提監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等監(jiān)控，可在一定程度提升掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行可靠性及保障能力。

4 結(jié)語

文中以15215 運(yùn)輸巷快速掘進(jìn)為背景，構(gòu)建掘進(jìn)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)出現(xiàn)故障或環(huán)境參數(shù)異常時(shí)即會(huì)發(fā)出預(yù)警信息，從而達(dá)到增強(qiáng)掘進(jìn)機(jī)的可靠性、安全性。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐表明，該監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)設(shè)備、環(huán)境參數(shù)監(jiān)控，同時(shí)可顯示、計(jì)算、存儲(chǔ)計(jì)算結(jié)果，自動(dòng)判定掘進(jìn)設(shè)備運(yùn)行是否出現(xiàn)異常，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)會(huì)及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，可滿足快速掘進(jìn)巷道掘進(jìn)設(shè)備監(jiān)控需要。