煤礦副井操車系統(tǒng)改造

高恒

關(guān)鍵詞： 煤礦 副井 操車系統(tǒng) 改造工程 技術(shù)研究

中圖分類號(hào)： TD53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2023）15-0142-04

現(xiàn)有的副井操車系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中存在諸多不足，如一些老舊礦井的操車系統(tǒng)應(yīng)用的是電動(dòng)機(jī)或氣動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，存在系統(tǒng)適應(yīng)性差、靈活性低、體積大、重量高等問題。同時(shí)，該設(shè)備的運(yùn)行噪聲較大，可能會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的噪聲污染，影響井下作業(yè)工人的心理健康狀態(tài)，影響煤礦的安全和效率。為了解決這些問題，有必要對(duì)副井操車系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，提高其性能和可靠性。本文主要分析副井操車系統(tǒng)的現(xiàn)狀和存在的問題，探討可能的改造方案和預(yù)期效果。

1 煤礦副井操車系統(tǒng)改造的意義

副井操車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且較為容易受到不同礦井環(huán)境條件因素的影響，井下作業(yè)條件不同，對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用影響也不同，通過對(duì)操車系統(tǒng)進(jìn)行改造，提升其運(yùn)行性能并開發(fā)更多功能，使其能夠充分適應(yīng)不同礦井生產(chǎn)需要，逐步提高自動(dòng)化水平，將最終實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)。

1.1 降低工人工作強(qiáng)度

煤礦井下作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度較大，井下作業(yè)人員經(jīng)常感到勞累，而且由于工作量大，工作任務(wù)重，工人有時(shí)會(huì)因?yàn)檫^度疲勞而出現(xiàn)操作失誤，導(dǎo)致安全事故。為了解決這類問題，有必要對(duì)煤礦副井操車系統(tǒng)進(jìn)行改造，大幅提高操車系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，從而減輕煤礦工人的工作壓力，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。在系統(tǒng)改造后，一些原來需要人力完成的事情將能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化操作，工作人員只需負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)督。例如：改造后的推車機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)推進(jìn)，推車機(jī)的推頭會(huì)根據(jù)工程的需要而自動(dòng)升降，完成裝車、卸車等環(huán)節(jié)，這樣一來就能降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.2 解決安全問題

煤礦行業(yè)是安全問題頻發(fā)的領(lǐng)域，這是由于煤礦生產(chǎn)的特殊環(huán)境所致。一方面，由于我國煤炭資源的分布不均勻，煤層埋藏深度通常較深，因而我國煤礦開采多為井下作業(yè)，危險(xiǎn)性相對(duì)露天作業(yè)會(huì)更高，更需要注重安全問題；另一方面，我國地質(zhì)條件與水文條件相對(duì)復(fù)雜，在掘進(jìn)過程中，較常容易發(fā)生瓦斯泄漏、煤礦自燃、巖層坍塌等事故，存在極大的安全隱患[1]。傳統(tǒng)煤礦副井操車系統(tǒng)的安全性較差，較為容易出現(xiàn)安全事故。例如：升機(jī)在啟動(dòng)過程中會(huì)需要較大的電流作為支持，而過大的電流則可能會(huì)帶來電流沖擊，從而導(dǎo)致提升機(jī)出現(xiàn)過大震動(dòng)，如果此時(shí)提升機(jī)周邊有采礦工人在現(xiàn)場(chǎng)，便會(huì)有可能被震動(dòng)所掉落的廢石砸傷。而對(duì)操車系統(tǒng)進(jìn)行改造，減弱震動(dòng)，則能夠避免這一問題的發(fā)生[2]。

1.3 降低設(shè)備維護(hù)工作量

煤礦操車系統(tǒng)的維護(hù)同樣十分重要。在以往的設(shè)備維護(hù)中，由于受到技術(shù)因素的影響，操車系統(tǒng)常常發(fā)生故障問題，技術(shù)人員設(shè)備維護(hù)的工作量很大。然而，即便經(jīng)過精密的維修，也會(huì)致使設(shè)備使用壽命受到影響，影響煤礦開采工作的進(jìn)行。針對(duì)操車系統(tǒng)的改造，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程更為可靠、穩(wěn)定；同時(shí)，先進(jìn)元件的應(yīng)用，也能夠降低操車系統(tǒng)故障概率，從而減少維護(hù)工作量，保證生產(chǎn)效率。

2 煤礦副井操車系統(tǒng)改造

在煤礦副井操車系統(tǒng)改造的問題上，應(yīng)是對(duì)原有系統(tǒng)的升級(jí)與改進(jìn)，優(yōu)化已經(jīng)明顯老化、性能落后、故障率較高等不能穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)，以提升系統(tǒng)的先進(jìn)性、穩(wěn)定性、可靠性，從而為煤礦生產(chǎn)提供保障。

2.1 煤礦副井操車系統(tǒng)改造的原則

在實(shí)際改造的過程中，為保證整個(gè)改造方向的準(zhǔn)確性，需要遵循一定的原則，具體來說，主要有以下3個(gè)原則。

2.1.1 可靠性

可靠性是煤礦副井操車系統(tǒng)改造所需要遵循的主要原則。礦井是安全事故的多發(fā)區(qū)域，煤礦副井是煤礦內(nèi)部發(fā)生安全事故時(shí)緊急救援的必要通道，其操車車系統(tǒng)的可靠性與煤礦生產(chǎn)的安全性有直接關(guān)系。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮多個(gè)方面的因素，務(wù)必保證每一個(gè)環(huán)節(jié)運(yùn)行可靠，保證各個(gè)細(xì)節(jié)問題都能夠得到解決。除此之外，還要盡可能降低設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以方便技術(shù)人員進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)管理。

2.1.2 適用性

適用性原則主要是指該操車系統(tǒng)能夠被適用于各種復(fù)雜的井下開采環(huán)境，不會(huì)因?yàn)榫颅h(huán)境的改變而無法被有效應(yīng)用。除此之外，適用性還與經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性有關(guān)：經(jīng)濟(jì)性方面，應(yīng)盡可能降低該系統(tǒng)成本，以達(dá)到普及應(yīng)用的效果；技術(shù)性方面，需要保證該系統(tǒng)操作的簡(jiǎn)便性，礦井生產(chǎn)作業(yè)人員只需經(jīng)過簡(jiǎn)單的培訓(xùn)與學(xué)習(xí)后，便能夠快速操作該系統(tǒng)進(jìn)行煤礦生產(chǎn)作業(yè)。出于這一因素的考量，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮到我國不同煤礦生產(chǎn)地區(qū)的環(huán)境差異，盡可能通過大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析后進(jìn)行改造，并經(jīng)過詳細(xì)而周密的實(shí)驗(yàn)論證，以保障該系統(tǒng)能夠切實(shí)適應(yīng)不同生產(chǎn)環(huán)境、不同煤礦企業(yè)生產(chǎn)的需要[3]。

2.1.3 先進(jìn)性

先進(jìn)性方面，需要保證該系統(tǒng)改造，具有較高的技術(shù)先進(jìn)性，應(yīng)對(duì)國內(nèi)國外的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行充分的調(diào)查與研究，在綜合考慮技術(shù)與經(jīng)濟(jì)因素后進(jìn)行系統(tǒng)改造。改造過程應(yīng)盡可能地應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)與先進(jìn)設(shè)備，提高自動(dòng)化與智能化的水平，從而實(shí)現(xiàn)人員成本的降低與生產(chǎn)效率的提高，充分發(fā)揮技術(shù)先進(jìn)性的優(yōu)勢(shì)，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，為我國煤礦行業(yè)在國際市場(chǎng)中的發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

2.2 煤礦副井操車系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

以20 世紀(jì)70 年代投入使用的某老礦井操車系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)使用年限較久，投入時(shí)間較早，設(shè)備的整體運(yùn)行效率低下，煤礦損耗率高，設(shè)備生產(chǎn)的安全性低，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度過大，且設(shè)備維護(hù)難度較高，常常發(fā)生設(shè)備故障，進(jìn)而影響生產(chǎn)效率。除此之外，我國傳統(tǒng)煤礦所采用的提升方式多為豎井，這會(huì)加大副井的運(yùn)輸難度，也會(huì)使副井的運(yùn)輸能力有所降低，該煤礦所應(yīng)用的方式也為豎井，現(xiàn)已無法適應(yīng)現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)的需要，亟需進(jìn)行改造，以提升煤礦生產(chǎn)效率。針對(duì)此類設(shè)備進(jìn)行改造時(shí)，可以從電力來源、動(dòng)力來源、系統(tǒng)裝置與傳輸4 個(gè)方面入手[4]，所對(duì)應(yīng)的分別是操車系統(tǒng)的電控、液壓、機(jī)械與信號(hào)4 個(gè)部分。

2.2.1 電控部分

電控系統(tǒng)是操車系統(tǒng)的電力來源，相應(yīng)的設(shè)備控制，均需要電控系統(tǒng)作為依靠，如果該系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會(huì)使整個(gè)操車系統(tǒng)無法運(yùn)行，因而，需要保證電控部分的穩(wěn)定性。在對(duì)電控部分進(jìn)行改造時(shí)，主要包括以下兩個(gè)方面。

一方面，該煤礦的副井操車系統(tǒng)電控部分問題較為明顯，電控老化嚴(yán)重，設(shè)備故障率高，各個(gè)開關(guān)占地面積大，且電力控制并不穩(wěn)定。出于這一因素的考慮，在進(jìn)行改造時(shí)，可選擇將整個(gè)電控系統(tǒng)進(jìn)行拆除。而在對(duì)其他煤礦副井操車系統(tǒng)進(jìn)行改造時(shí)，如果電力控制系統(tǒng)損耗并不明顯，則可以在舊有系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，以節(jié)省成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

另一方面，應(yīng)進(jìn)一步提升整個(gè)電控部分的自動(dòng)化與智能化水平，采用先進(jìn)的國外進(jìn)口元器件，進(jìn)一步提升電控系統(tǒng)性能的可靠性與穩(wěn)定性。改造后的操車系統(tǒng)由PLC、可視化交互界面、視頻監(jiān)測(cè)裝置等共同構(gòu)成，而為了滿足這些設(shè)備的供電需求，就需要充分保證供電的穩(wěn)定性，同時(shí)還應(yīng)使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為各種電控設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，以便實(shí)現(xiàn)智能化的監(jiān)管。其中，PLC 主要負(fù)責(zé)提升機(jī)、搖臺(tái)、安全門、推車機(jī)、阻車器、道岔、液壓站等的控制工作，是一種可編程邏輯控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)操車系統(tǒng)的自動(dòng)、手動(dòng)、檢修等多種模式的控制，其中自動(dòng)模式可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)配車、罐籠到位后安全門和搖臺(tái)的自動(dòng)控制等，手動(dòng)模式可實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的手動(dòng)控制功能。在自動(dòng)模式和手動(dòng)模式狀態(tài)工作時(shí)，各閉鎖功能嚴(yán)格按煤礦安全規(guī)程要求運(yùn)行，如罐籠不到位不允許打開安全門、前后阻車器不允許同時(shí)打開等閉鎖要求。當(dāng)在檢修模式運(yùn)行時(shí)，各閉鎖功能解除，正常生產(chǎn)作業(yè)時(shí)不允許使用檢修模式，檢修模式僅限在設(shè)備檢修維護(hù)時(shí)使用。此系統(tǒng)所選用的PLC 型號(hào)為西門子S7-1200 系列，該系列PLC 性能穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，具備多種通訊接口，充分滿足煤礦副井操車系統(tǒng)控制的需要?？梢暬换ソ缑嬷饕峭ㄟ^操作臺(tái)上的觸摸屏來實(shí)現(xiàn)，可通過其實(shí)現(xiàn)操車系統(tǒng)各項(xiàng)指令的發(fā)出、系統(tǒng)運(yùn)行信息的查看、系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、當(dāng)前故障信息及歷史故障信息的查看等，在設(shè)計(jì)上，需要保證操作界面具有簡(jiǎn)潔性、直觀性。視頻監(jiān)測(cè)裝置則主要負(fù)責(zé)對(duì)礦井作業(yè)情況的視頻畫面信息與聲音信息的反饋，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)狀態(tài)會(huì)經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳送至集控室中，顯示屏上會(huì)顯示操車工作狀態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)畫面，如果操車設(shè)備出現(xiàn)故障，綠色指示燈會(huì)變?yōu)榧t色進(jìn)行提示。除此之外，在電力控制系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)問題上，應(yīng)保證各個(gè)不同的設(shè)備系統(tǒng)間具有獨(dú)立性，單一設(shè)備線路的損壞不會(huì)影響其他設(shè)備的正常使用；同時(shí)，還要設(shè)置備用電力線路，以保證線路故障時(shí)，煤礦生產(chǎn)依舊能夠順利進(jìn)行。

2.2.2 液壓部分

電控部分能夠?yàn)檎麄€(gè)操車系統(tǒng)提供電力支持，而液壓部分則能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供必要的動(dòng)力支持；同時(shí)，液壓也是操車系統(tǒng)唯一的動(dòng)力來源所在，液壓部分的改造主要在于以下幾方面。

首先，需要做好備用液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于液壓系統(tǒng)的重要性，一旦液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會(huì)使操車系統(tǒng)無法使用，因而需要設(shè)計(jì)備用液壓系統(tǒng)，一般采用雙電機(jī)雙泵配置，當(dāng)主系統(tǒng)故障時(shí)，自動(dòng)或手動(dòng)切換到備用系統(tǒng)。出于這一方面的考慮，系統(tǒng)改造完成后，需要定期對(duì)備用系統(tǒng)進(jìn)行檢修維護(hù)，保證備用系統(tǒng)能夠隨時(shí)使用。

其次，液壓系統(tǒng)應(yīng)具有比例控制功能，能夠使推車機(jī)調(diào)速運(yùn)行，同時(shí)，也能夠?yàn)椴煌愋偷难b置運(yùn)行提供不同的運(yùn)行動(dòng)力，依據(jù)傳輸需要進(jìn)行調(diào)速即可。

再次，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，為了能夠充分適應(yīng)不同煤礦環(huán)境生產(chǎn)需要，也為了保證液壓系統(tǒng)安全性，按照高壓進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)造，但是在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)用中壓即可。除此之外，為了系統(tǒng)維修便利，應(yīng)采用并聯(lián)雙系統(tǒng)，防過載，采用雙重保護(hù)。

最后，液壓部分構(gòu)造的問題上，應(yīng)采用重型液壓缸，雙端緩沖[5]。

2.2.3 機(jī)械部分

機(jī)械部分是副井操車系統(tǒng)的具體作業(yè)部分，包含操車系統(tǒng)的所有相關(guān)機(jī)械裝置，改造時(shí)，應(yīng)盡可能從現(xiàn)代化、先進(jìn)性、智能化等方面入手。涉及機(jī)械部分的改造內(nèi)容較多，在這里，以推車機(jī)、阻車器、安全門等為例。

第一，推車機(jī)?，F(xiàn)階段我國所使用的推車機(jī)在動(dòng)力來源上有電力、氣動(dòng)和液動(dòng)3 種，本文選擇的動(dòng)力來源為液動(dòng)，通過液壓站為推車機(jī)提供所需的必要?jiǎng)恿?。在進(jìn)行系統(tǒng)改造時(shí)，傳統(tǒng)電動(dòng)型煤礦推車設(shè)備的礦車更換主要依靠人力進(jìn)行，一方面，會(huì)耗費(fèi)人力、物力，另一方面，如果驅(qū)動(dòng)輪與推爪鏈卡到一起，就會(huì)有可能造成損壞。而使用液壓式推車機(jī)則能夠避免上述問題。就目前來說，液壓推車機(jī)還可具體分為兩類，一類是銷齒式推車機(jī)，另一類則是鏈條式推車機(jī)，本文所選用的為鏈條式推車機(jī)，并在鏈節(jié)處做了改進(jìn)，適當(dāng)降低了鏈節(jié)的寬度與長度，以減小推車運(yùn)行慣性。鏈條式推車機(jī)的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，便于維護(hù)和管理，同時(shí)還具備調(diào)速和調(diào)壓功能，能夠調(diào)整推車機(jī)的運(yùn)行速度與動(dòng)力，提高了設(shè)備的運(yùn)行效率。最后，得益于液壓系統(tǒng)的液壓溢流保護(hù)功能，即便齒輪與推爪鏈卡到一起，液壓便會(huì)自動(dòng)溢流，從而防止推車機(jī)被損壞[6]。

第二，阻車器。阻車器的作用主要是在副井中，能夠使運(yùn)動(dòng)中的推車或礦車得以實(shí)現(xiàn)快速制停，將推車或礦車停止在安全的區(qū)域內(nèi)。一方面，阻車器的應(yīng)用，能夠避免礦車沖出礦道，提升煤礦開采的安全性，另一方面，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的控制。在系統(tǒng)構(gòu)造上，可以利用限位裝置來實(shí)現(xiàn)[7]。本文所選用的為組輪式阻車器，應(yīng)用阻車爪進(jìn)行制停，同時(shí)，采用彈簧結(jié)構(gòu)對(duì)推車進(jìn)行緩沖，緩解慣性撞擊的力度[8]。

第三，安全門。安全門的設(shè)置需要保證具有足夠的剛度和強(qiáng)度，能夠保證不會(huì)在劇烈的沖擊或撞擊下發(fā)生變形，因而在安全門材料的選擇上，選用既具有一定塑性，又具有較強(qiáng)剛度的材料。如此一來，一旦發(fā)生劇烈沖撞，剛度能夠保證安全門承受撞擊，而塑性則能夠分散部分作用力，提高安全門抗沖撞能力。

2.2.4 信號(hào)提升系統(tǒng)

關(guān)于副井操車系統(tǒng)信號(hào)提升的改造方案，主要有以下幾方面：首先，采用PLC 進(jìn)行信號(hào)傳輸，設(shè)置不同的功能按鍵，依據(jù)操車系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)控制相對(duì)應(yīng)的功能按鈕；其次，不同的功能分別設(shè)置不同的信號(hào)傳輸狀態(tài)，依據(jù)人、物、料、石等進(jìn)行功能劃分；再次，在安全門關(guān)閉、搖臺(tái)抬起后，會(huì)發(fā)送信號(hào)，接收到信號(hào)后，提升機(jī)才能夠啟動(dòng)，如果沒有信號(hào)，提升機(jī)處于閉鎖狀態(tài)，無法啟動(dòng)；最后，設(shè)置備用信號(hào)系統(tǒng)，與主信號(hào)系統(tǒng)不屬于同一線路，也不受PLC 的控制。同時(shí)，緊急制停信號(hào)系統(tǒng)同樣單獨(dú)設(shè)立，不受PLC 控制。

2.3 煤礦副井操車系統(tǒng)改造效果

在經(jīng)過改造后，首先，系統(tǒng)運(yùn)行成本將會(huì)得到降低。一方面，自動(dòng)化改造完成之后，用于控制操車的工作人員崗位便可以減少設(shè)置，從而節(jié)約人工成本費(fèi)用；另一方面，由于改造后的系統(tǒng)故障概率會(huì)有所降低，因此檢修與維護(hù)的費(fèi)用成本也會(huì)得到節(jié)約。其次，生產(chǎn)效率將得到提升。自動(dòng)化水平的提升也意味著生產(chǎn)效率的提升，組鏈?zhǔn)酵栖嚈C(jī)不再依靠人力裝卸，自動(dòng)化的裝卸將會(huì)使操車提升效率得到提升，裝車效率更高，休整時(shí)間更短，進(jìn)而在更短時(shí)間內(nèi)獲得更高回報(bào)。最后，提升安全性。一方面，生產(chǎn)人員的減少，也就意味著人為因素發(fā)生事故的概率也隨之降低，同時(shí)，事故發(fā)生時(shí)，所造成的人員傷亡也會(huì)減少；另一方面，視頻監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用也有助于更好地適應(yīng)礦井復(fù)雜作業(yè)環(huán)境[9]。

3 結(jié)語

綜上所述，煤礦副井的操車系統(tǒng)的改造，使操車運(yùn)行更加穩(wěn)定與可靠，使設(shè)備、材料等的運(yùn)輸更加便利，有利于煤礦生產(chǎn)，保障經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也有助于保證企業(yè)社會(huì)效益。