同忻煤礦連續(xù)運(yùn)輸煤流均衡控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

吳珺

（同煤國電同忻煤礦有限責(zé)任公司，山西大同，037001）

0 前言

同忻煤礦主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)由主斜井帶式輸送機(jī)、盤區(qū)帶式輸送機(jī)及工作面順槽帶式輸送機(jī)組成。井下現(xiàn)有兩個(gè)放頂煤綜采工作面，綜采工作面生產(chǎn)的原煤通過順槽帶式輸送機(jī)和盤區(qū)帶式輸送機(jī)，最終經(jīng)過主斜井帶式輸送機(jī)上提升至地面，再經(jīng)101、111 等輸送機(jī)運(yùn)輸至原煤倉。煤礦煤流運(yùn)輸系統(tǒng)經(jīng)絡(luò)網(wǎng)見圖1。

圖1 煤礦煤流運(yùn)輸系統(tǒng)經(jīng)絡(luò)網(wǎng)

各個(gè)運(yùn)輸環(huán)節(jié)皮帶機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 煤流運(yùn)輸系統(tǒng)各環(huán)節(jié)皮帶機(jī)參數(shù)

由于同忻煤礦為放頂煤開采方式，皮帶機(jī)上煤量的供應(yīng)十分不均衡，很難保證單一運(yùn)量長期運(yùn)行。更為嚴(yán)重的是，由于目前的開采方式，煤量往往無法控制，當(dāng)兩個(gè)綜采工作面同時(shí)進(jìn)行開采時(shí)，會(huì)出現(xiàn)因煤量過大導(dǎo)致主斜井帶式輸送機(jī)過載停機(jī)無法啟動(dòng)的情況，嚴(yán)重制約礦井的產(chǎn)量。為了解決同忻煤礦煤炭運(yùn)輸生產(chǎn)中存在的短時(shí)煤量過大、重載啟動(dòng)困難、頻繁起停設(shè)備等問題，本次研究針對上述實(shí)際工程問題，設(shè)計(jì)連續(xù)運(yùn)輸煤流均衡控制系統(tǒng)并應(yīng)用于同忻煤礦井下現(xiàn)場來解決此問題。

1 煤礦連續(xù)運(yùn)輸煤流均衡控制系統(tǒng)的原理

1.1 控制原理

以主斜井皮帶運(yùn)行一圈所需時(shí)間920 s為基礎(chǔ)，其他綜放工作面皮帶參數(shù)如下：綜一工作面皮帶長度為1 300 m，運(yùn)行一圈所需時(shí)間289 s；綜二工作面皮帶長1 200 m，運(yùn)行一圈所需時(shí)間267 s。通過計(jì)算后可以得出，綜一工作面出煤經(jīng)過順槽皮帶、北一盤區(qū)皮帶到達(dá)主斜井皮帶所需時(shí)間22 min，綜二工作面出煤經(jīng)過順槽皮帶、北二盤區(qū)皮帶到達(dá)主斜井皮帶所需時(shí)間17 min，綜一工作面皮帶出煤距離主斜井皮帶轉(zhuǎn)載點(diǎn)比綜二工作面更遠(yuǎn)，控制系統(tǒng)采集綜采一工作面相關(guān)數(shù)據(jù)要比綜二工作面早5 min。在控制系統(tǒng)中還需要根據(jù)實(shí)際工作面推進(jìn)情況和皮帶長度的變化來對參數(shù)進(jìn)行修改。

1.2 控制流程

由于綜一工作面皮帶出煤距離主斜井皮帶轉(zhuǎn)載點(diǎn)比綜二工作面更遠(yuǎn)，設(shè)定綜一工作面皮帶運(yùn)量為定值2 800 t/h，相應(yīng)的綜采電流值為90 A，控制系統(tǒng)采集的實(shí)際情況數(shù)據(jù)將會(huì)與這一定值進(jìn)行比較，如若超過這一定值控制系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行報(bào)警。通過綜二工作面煤流來調(diào)節(jié)總煤量，如若總煤量較小，可增大煤量；如若總煤量過大，則減少煤量。圖2、3分別為綜一、綜二工作面煤流控制流程圖。

圖2 綜一工作面煤流控制流程圖

圖3 綜二工作面煤流控制流程圖

2 煤礦連續(xù)運(yùn)輸煤流均衡控制系統(tǒng)

煤礦連續(xù)運(yùn)輸煤流均衡控制系統(tǒng)是采用S7-300和ET-2OOM 構(gòu)成基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，上位機(jī)使用工控機(jī)、組態(tài)軟件和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫構(gòu)成的運(yùn)算和控制系統(tǒng)，將煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的沿線設(shè)備信息采集到該設(shè)備上，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。煤礦連續(xù)運(yùn)輸煤流均衡控制系統(tǒng)的工作原理是：采集沿線設(shè)備的數(shù)據(jù)，包括綜采順槽皮帶機(jī)皮帶秤的煤量和主井皮帶機(jī)及盤區(qū)皮帶機(jī)的電流，進(jìn)行研究和分析，找出主井皮帶機(jī)煤量、主井皮帶機(jī)電流與沿線皮帶機(jī)煤量及對應(yīng)電流的關(guān)系，能準(zhǔn)確的監(jiān)測到實(shí)時(shí)煤量并能預(yù)測未來主井皮帶機(jī)上煤量的變化，根據(jù)判斷來停止沿線帶式輸送機(jī)。

煤流優(yōu)化控制系統(tǒng)包含以下設(shè)備：兩臺(tái)工控機(jī)，六個(gè)防爆控制分站箱，四臺(tái)防爆電腦，分布在北一盤區(qū)皮帶機(jī)頭，北二盤區(qū)皮帶機(jī)頭，綜采一隊(duì)順槽機(jī)頭，綜采二隊(duì)順槽機(jī)頭，綜采一隊(duì)順槽皮帶機(jī)尾以及綜采二隊(duì)順槽皮帶機(jī)尾，把同忻礦整個(gè)輸煤系統(tǒng)連接起來。煤礦連續(xù)運(yùn)輸煤流均衡控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖見圖4。

圖4 煤礦連續(xù)運(yùn)輸煤流均衡控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

由于當(dāng)前同忻礦井下盤區(qū)及順槽帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方式為CST驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)方式具有不可調(diào)速的特點(diǎn)，當(dāng)檢測到大煤量狀況發(fā)生時(shí)，如果不采取相應(yīng)措施，勢必會(huì)影響主井帶式輸送機(jī)的運(yùn)行。因此，調(diào)整過程只能通過停皮帶機(jī)來實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)以此為依據(jù)，當(dāng)檢測到大煤量狀況時(shí)，發(fā)生大煤量的采區(qū)工作面停止工作，對應(yīng)的順槽皮帶機(jī)正常停車，同時(shí)根據(jù)開采優(yōu)先級，減少一個(gè)工作面的給煤量。待到發(fā)生大煤量的采區(qū)的煤全部運(yùn)至主運(yùn)輸系統(tǒng)以后，兩個(gè)采區(qū)再繼續(xù)運(yùn)行。

綜采工作面皮帶司機(jī)通過防爆電腦觀察當(dāng)前煤量，通過聲光報(bào)警器的綠色、黃色和紅色判斷當(dāng)前煤量是否過載，來根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)卸煤量。當(dāng)聲光報(bào)警器為黃色時(shí)，盡量減少卸煤量，這樣可以避免因過載而引起的順槽皮帶機(jī)停車，以保證均勻出煤。圖5到圖7所示分別為煤礦連續(xù)運(yùn)輸煤流均衡控制系統(tǒng)主畫面、設(shè)備狀態(tài)、皮帶秤信息和設(shè)置畫面。

圖5 系統(tǒng)主畫面

圖6 系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)

圖7 系統(tǒng)設(shè)置畫面

3 煤礦連續(xù)運(yùn)輸煤流均衡控制系統(tǒng)特點(diǎn)

煤礦連續(xù)運(yùn)輸煤流均衡控制系統(tǒng)主要有以下幾部分技術(shù)特點(diǎn)：

3.1 基于均衡運(yùn)煤的礦井煤流運(yùn)輸系統(tǒng)控制工藝

將皮帶秤測得的煤量信息作為數(shù)據(jù)處理和判斷的依據(jù)。采用皮帶稱實(shí)現(xiàn)的煤流均衡方案是：根據(jù)兩個(gè)順槽輸送機(jī)到主井的時(shí)間差，計(jì)算同時(shí)到達(dá)主井的煤量，根據(jù)沿線輸送機(jī)的煤量停掉相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)礦井均衡出煤。

煤礦連續(xù)運(yùn)輸煤流均衡控制系統(tǒng)要求兩個(gè)綜采均衡出煤，為保證兩個(gè)面出煤量差不多，同忻煤礦綜一工作面距離主井較近，則為總量控制，一旦兩個(gè)綜采面出煤量之和大于設(shè)定煤量，就進(jìn)行調(diào)速或停掉相關(guān)設(shè)備。綜二工作面距離主井較遠(yuǎn)，則為定量控制，一旦綜二工作面出煤量大于設(shè)定煤量，就進(jìn)行調(diào)速或停掉相關(guān)設(shè)備，保證兩個(gè)綜采面出煤量大體一致。

在煤礦實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)綜采面來壓的情況，必須盡快出煤；這種情況下只需要將這個(gè)綜采面的煤量設(shè)置的更大，等壓力恢復(fù)正常時(shí)，再將設(shè)定值恢復(fù)原狀即可。

3.2 基于以太網(wǎng)的礦井煤流運(yùn)輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

煤流均衡控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如下：在順槽帶式輸送機(jī)機(jī)頭安裝電子皮帶秤來檢測綜采工作面的出煤量；盤區(qū)帶式輸送機(jī)是通過采集皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流來監(jiān)測煤量；在綜采工作面、順槽帶式輸送機(jī)機(jī)頭和盤區(qū)帶式輸送機(jī)機(jī)頭均安裝一臺(tái)防爆分站箱，用于將采樣的數(shù)據(jù)傳送給地面主站。在重要觀察點(diǎn)（即綜采工作面和盤區(qū)帶式輸送機(jī)機(jī)頭）安裝防爆電腦，用于井下工作人員觀察輸煤系統(tǒng)沿線煤量，以便合理安排生產(chǎn)。在地面煤礦生產(chǎn)調(diào)度中心安裝2 臺(tái)工控機(jī)，安裝wincc軟件，對分站箱傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并開發(fā)面向用戶的人機(jī)畫面。

采用煤礦井下以太網(wǎng)將分布在主井帶式輸送機(jī)、盤區(qū)帶式輸送機(jī)、順槽帶式輸送機(jī)的煤流控制系統(tǒng)分站箱連接起來，將采集到的電流、電壓、功率和煤量信息傳送到監(jiān)控中心。

3.3 創(chuàng)建礦井煤流運(yùn)輸系統(tǒng)沿線各條輸送機(jī)煤量數(shù)學(xué)模型

在主站服務(wù)器上建立整個(gè)礦井各條皮帶機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)庫，對采集到的沿線設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，找到主井煤量與沿線皮帶機(jī)煤量及對應(yīng)的電流關(guān)系，創(chuàng)建運(yùn)輸系統(tǒng)沿線各條輸送機(jī)煤量數(shù)學(xué)模型，能準(zhǔn)確的監(jiān)測到實(shí)時(shí)煤量并能預(yù)測未來煤量變化，根據(jù)判斷來調(diào)節(jié)沿線帶式輸送機(jī)的皮帶速度，或者停掉相關(guān)設(shè)備。

4 結(jié)語

該項(xiàng)技術(shù)體現(xiàn)了智能化礦山建設(shè)的示范應(yīng)用，在同忻煤礦現(xiàn)場井下應(yīng)用中取得了良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果，提高了礦井出煤量，降低了停機(jī)率，投資成本低廉、經(jīng)濟(jì)效益顯著。并且隨著采掘設(shè)備性能的提高，而主井和大巷的皮帶機(jī)設(shè)計(jì)和安裝時(shí)間較為久遠(yuǎn)，其運(yùn)輸能力就成為制約煤礦生產(chǎn)能力的瓶頸，大面積更換所需要投入成本很大，因此未來對煤量控制技術(shù)的需求也會(huì)日益增大。該套煤礦連續(xù)運(yùn)輸煤流均衡控制系統(tǒng)在同忻煤礦現(xiàn)場應(yīng)用當(dāng)中取得的成果主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）通過分步停止綜采順槽皮帶機(jī)、盤區(qū)帶式運(yùn)輸機(jī)，避免了主井皮帶過載停機(jī)、重載啟動(dòng)問題，保證了主運(yùn)輸系統(tǒng)的使用率，挖掘主井帶式輸送機(jī)最大運(yùn)量潛能，減少了主運(yùn)輸系統(tǒng)的開停機(jī)時(shí)間。

（2）增加了礦井產(chǎn)量，提高了經(jīng)濟(jì)效益。日產(chǎn)量可增加8 000 t 原煤，但是由于煤礦生產(chǎn)情況復(fù)雜，設(shè)備多，造成綜采工作面出煤量不可控，無法一直工作在峰值狀態(tài)，根據(jù)同忻煤礦投入煤礦連續(xù)運(yùn)輸煤流均衡控制系統(tǒng)前后的產(chǎn)量對比，月可增產(chǎn)80 000 t，按300元/t計(jì)算，月可創(chuàng)收2 400萬元。另外由于減少了設(shè)備的頻繁啟停，可延長設(shè)備的使用壽命，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。

（3）煤流均衡系統(tǒng)通過采集順槽皮帶秤、盤區(qū)皮帶及主井皮帶的相關(guān)數(shù)據(jù)信號，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而實(shí)現(xiàn)對主運(yùn)輸系統(tǒng)的自動(dòng)控制，自動(dòng)化程度高，動(dòng)作準(zhǔn)確。

（4）可以通過防爆電腦查詢相關(guān)歷史數(shù)據(jù)以及進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，人機(jī)界面和諧、易操作，便于進(jìn)行調(diào)度控制。

（5）對采煤操作進(jìn)行了量化處理，可以更直觀的對煤量、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察，便于改進(jìn)生產(chǎn)工藝，掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。