煤礦定量裝載系統(tǒng)現(xiàn)狀分析及實時在線智能監(jiān)控技術(shù)

張慶軍 薛保衛(wèi)

（肥城白莊煤礦有限公司，山東肥城271623）

1 煤礦定量裝載系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題

依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第382條規(guī)定“提升裝置的最大載重量和最大載重差，應(yīng)在井口公布，嚴(yán)禁超載和超載重差運(yùn)行”。然而不論是礦井多繩摩擦式提升機(jī)還是單繩纏繞式提升機(jī)，不論是主井提升還是副井提升系統(tǒng)，依據(jù)我國目前的設(shè)備和設(shè)施裝備水平，都不能真正意義上的實現(xiàn)“嚴(yán)禁超載”，只能是依靠“定性”管理，而不能實現(xiàn)電梯式的“定量”超載閉鎖的本質(zhì)安全型管理。如礦井實際生產(chǎn)中對于副井提升系統(tǒng)礦車裝料多少、吊運(yùn)大件的單重、配重等，很難精確控制噸位數(shù)量，對于主井提升系統(tǒng)雖有裝載定量系統(tǒng)，但箕斗的粘堵問題，時有造成二次裝載問題，在煤礦行業(yè)就發(fā)生過多起因超載提升造成重大機(jī)電事故，這不僅使礦井的生產(chǎn)設(shè)備受到破壞，影響礦井的正常生產(chǎn)，而且還會危及作業(yè)人員的生命安全，給國家和人民造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。煤礦運(yùn)輸提升事故所占比例僅次于瓦斯和頂板事故，是煤炭系統(tǒng)的第三大災(zāi)難事故。

2 承載實時在線智能監(jiān)控技術(shù)主要研究內(nèi)容

2.1 提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與鋼絲繩終端載荷關(guān)聯(lián)性研究

對提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)特征進(jìn)行評估，基于統(tǒng)計學(xué)理論，構(gòu)建提升機(jī)工作狀態(tài)與鋼絲繩終端載荷關(guān)聯(lián)性判定方法；基于連續(xù)體振動力學(xué)理論，建立鋼絲繩終端張力參數(shù)特征與提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)關(guān)聯(lián)模型，解決提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)無法實時準(zhǔn)確表征的難題。

2.2 提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)感知技術(shù)研究

基于動力學(xué)理論，對正常與非正常提升工況下鋼絲繩終端張力狀態(tài)分析，開展高精度、抗沖擊性強(qiáng)的稱重式傳感器研發(fā)，解決現(xiàn)有傳感器精度低、抗沖擊性差的難題；結(jié)合信號調(diào)理技術(shù)，開發(fā)精度高、響應(yīng)快的鋼絲繩終端張力狀態(tài)感知技術(shù)和設(shè)備，實現(xiàn)鋼絲繩終端張力的實時、可靠檢測。

2.3 鋼絲繩終端載荷無線傳輸技術(shù)研究

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及寬帶無線通信技術(shù)，建立井下無線監(jiān)測無線傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，探求拓?fù)淇刂茩C(jī)制；設(shè)計與井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具體應(yīng)用環(huán)境與所采用的無線通信平臺相適應(yīng)的MAC協(xié)議；結(jié)合寬帶無線通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機(jī)制；開發(fā)適應(yīng)于井下無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)；構(gòu)建實時、穩(wěn)定、可靠、高效的鋼絲繩終端載荷無線傳輸系統(tǒng)。

2.4 提升機(jī)承載智能調(diào)控技術(shù)研究

結(jié)合提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、鋼絲繩終端載荷以及提升機(jī)電控系統(tǒng)，基于智能結(jié)構(gòu)理論，以提升時間、提升載荷以及無線傳感器功耗為目標(biāo)，建立提升機(jī)承載的多目標(biāo)歸一智能結(jié)構(gòu)最優(yōu)控制模型，采用逐步線性規(guī)劃法求解，實現(xiàn)提升機(jī)承載智能調(diào)控，有效避免提升機(jī)超載、二次裝載等提升事故。

3 項目技術(shù)關(guān)鍵和實施方案

3.1 技術(shù)難點

（1）由于井筒環(huán)境惡劣，提升機(jī)在井筒中運(yùn)行狀態(tài)無法直接獲得，而鋼絲繩終端載與提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)具有緊密的相互關(guān)聯(lián)性。因此，需掌握鋼絲繩終端載荷的變化趨勢，尋求提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與鋼絲繩終端載荷關(guān)聯(lián)性模型，利用鋼絲繩終端實時檢測的張力來判斷當(dāng)前提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

（2）隨著煤炭資源的日漸開采，礦井的設(shè)計井深、提升距離逐漸增大，提升鋼絲繩運(yùn)行與裝載過程中的動載荷也越來越大，而提升鋼絲繩繩受到的動載荷需要直接傳遞到實時監(jiān)測鋼絲繩終端載荷的稱重式傳感器上；同時，稱重式傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)需要快速的存儲、分析與判斷。因此，需開發(fā)以大量程、高精度、抗沖擊性的稱重式傳感器為核心的提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的感知技術(shù)與設(shè)備，實現(xiàn)提升機(jī)的安全可靠運(yùn)行。

（3）隨著礦井開采深度的增加，有線傳輸系統(tǒng)由于自身的局限性難以對礦井提升系統(tǒng)實施全面、有效和靈活的數(shù)據(jù)傳輸，而無線傳輸系統(tǒng)在井筒內(nèi)無線信號衰減異常嚴(yán)重，對無線傳輸?shù)目煽啃浴⒎€(wěn)定性和準(zhǔn)確性要求越來越高。

（4）提升機(jī)是礦井生產(chǎn)的咽喉，提升效率將直接影響礦井生產(chǎn)效率：鋼絲繩終端載荷、提升時間與提升效率密切相關(guān)；有效控制提升載荷將降低超載、二次裝載等提升事故，增加提升機(jī)安全可靠性，縮短維修時間；監(jiān)測鋼絲繩終端載荷的無線傳感器的更換頻率也影響提升時間。

3.2 實施方案

（1）提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與鋼絲繩終端載荷關(guān)聯(lián)性研究技術(shù)路線

首先，對提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)特征進(jìn)行評估；接著，基于統(tǒng)計學(xué)理論，構(gòu)建提升機(jī)工作狀態(tài)與鋼絲繩終端載荷關(guān)聯(lián)性判定方法；然后，基于連續(xù)體振動力學(xué)理論，建立鋼絲繩終端張力參數(shù)特征與提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)關(guān)聯(lián)模型；最后，分析并掌握相互關(guān)聯(lián)特性。

（2）提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)感知技術(shù)研究技術(shù)路線

首先，基于動力學(xué)理論，對正常與非正常提升工況下鋼絲繩終端張力狀態(tài)分析；其次，基于張力變化特性，開展高精度、抗沖擊性強(qiáng)的稱重式傳感器研發(fā)；再次，結(jié)合信號調(diào)理技術(shù)，開發(fā)精度高、響應(yīng)快的鋼絲繩終端張力狀態(tài)感知技術(shù)和設(shè)備，最終實現(xiàn)鋼絲繩終端張力的實時、可靠檢測。

（3）鋼絲繩終端載荷無線傳輸技術(shù)研究技術(shù)路線

首先，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及寬帶無線通信技術(shù)，建立井下無線監(jiān)測無線傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，探求拓?fù)淇刂茩C(jī)制；其次，設(shè)計與井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具體應(yīng)用環(huán)境與所采用的無線通信平臺相適應(yīng)的MAC協(xié)議；再次，結(jié)合寬帶無線通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機(jī)制；最后，開發(fā)適應(yīng)于井下無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)。

（4）提升機(jī)承載智能調(diào)控技術(shù)研究技術(shù)路線

首先，結(jié)合提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、鋼絲繩終端載荷以及提升機(jī)電控系統(tǒng)，基于智能結(jié)構(gòu)理論，建立優(yōu)化控制模型；其次，以提升時間、提升載荷以及無線傳感器功耗為目標(biāo)，建立提升機(jī)承載的多目標(biāo)歸一智能結(jié)構(gòu)最優(yōu)控制模型；最后，采用逐步線性規(guī)劃法求解，實現(xiàn)提升機(jī)承載智能調(diào)控，有效避免提升機(jī)超載、二次裝載等提升事故。

4 結(jié)語

4.1 建立了鋼絲繩終端張力參數(shù)特征與提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)關(guān)聯(lián)模型，解決了提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)無法實時準(zhǔn)確表征的難題；開發(fā)了精度高、響應(yīng)快的鋼絲繩終端張力狀態(tài)感知技術(shù)和設(shè)備，實現(xiàn)了鋼絲繩終端張力的實時、可靠檢測。

4.2 建立了井下無線監(jiān)測無線傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計了與井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具體應(yīng)用環(huán)境與所采用的無線通信平臺相適應(yīng)的MAC協(xié)議，開發(fā)了適應(yīng)于井下無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)；構(gòu)建實時、穩(wěn)定、可靠、高效的鋼絲繩終端載荷無線傳輸系統(tǒng)。

4.3 建立了提升機(jī)承載的多目標(biāo)歸一智能結(jié)構(gòu)最優(yōu)控制模型，實現(xiàn)了提升機(jī)承載智能調(diào)控，有效避免了提升機(jī)超載、二次裝載等提升事故。

［1] 中華人民共和國能源部.煤礦安全規(guī)程[M] .山西科學(xué)技術(shù)出版社,2006.

［2] 于勵民,仵自連.礦山固定設(shè)備選型使用手冊[S] .北京:煤炭工業(yè)出版社,2007.

［3] 陳維健,齊秀麗,肖林京,張開如.礦山運(yùn)輸與提升設(shè)備[M] .徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版,2011.