“三化”技術在掘進工作面裝備優化中的應用

張江林,衛小兵,焦海峰

(晉能控股煤業集團 成莊礦,山西 晉城 048021)

為深入推進礦井向智能化方向邁進,提升礦井的智能化水平,優化改造掘進裝備作為礦井智能化建設關鍵的一環已迫在眉睫[1-2]。掘進工作面裝備優化既可為礦井開展瓦斯抽放工作提供場所,又為綜采工作面的順利形成起到決定性作用[3-4]。本文結合礦井掘進工作面裝備的實際情況,在掘進工作面裝備中應用“三化”技術,對礦井安全高效地組織生產起到了促進作用[5-6]。

1 掘進工作面裝備優化思路

1.1 需要解決的問題

1)目前掘進工作面投入裝備多,單體開關安裝維護工作量大。

2)現場拐彎多,造成投入溜子多,發生故障率高。

3)控制系統落后、可靠性差、運行成本高,造成掘進工作面設備開機率低,不利于現場組織生產。

針對以上存在問題,進行掘進工作面裝備優化改造是發展新時期高質量特色精品礦井,建設智能化掘進工作面的迫切需要。

1.2 裝備優化技術思路

裝備優化的技術思路是開關組合化、溜子皮帶化、控制集中化,簡稱“三化”技術。

1)實施開關組合化。減少了開關的數量和鋪設電纜的工作量,既可以實現工作面皮帶、掘進機、錨桿鉆車、抽風機等設備的運行參數通過井下環網傳輸至地面監控平臺,又可以遠程監控設備的起動、停止和運行等狀態,便于實現減人提效。

2)推廣溜子皮帶化。推廣應用簡易皮帶機替代溜子,在滿足生產需要的同時,設備運行更可靠,故障率更低,便于工作面高效地組織生產。

3)采用控制集中化。出煤系統配套集中控制系統,在減少人員投入的同時,自動化程度高,滿足智能化掘進工作面建設的需要。

2 掘進工作面裝備優化措施

2.1 多回路組合開關替代單回路開關

開關內部每個回路采用小型集成快插式提包進行控制,當某一回路出現故障時,可以通過更換提包快速排查故障,減少開關故障對生產的影響。提包外殼采用一次沖壓成型加工工藝,外殼設計有通風散熱孔,充分考慮提包散熱和冷凝問題,為電氣元件的安全運行創造條件。

為便于提包快速更換,配套有快速拔插式電氣連接機構,即快速插頭,實現大電流、小型化、裝配簡單、方便更換。

為做到閉鎖可靠有效,提包配有推拉裝置,具有機械閉鎖、電氣閉鎖、急停等功能,避免出現帶負荷拉隔離情況,保障開關安全運行。

為便于實現程序自動控制和空載試驗控制,開關采用S7-200系列可編程序控制器作為中央控制單元,配合可靠的傳感器、信號轉換電路、信號采集系統和控制方式轉換電路,完成對掘進工作面設備的工作狀態、工作參數、故障狀態和故障參數的檢測、計算、判斷和處理。

為實現開關運行狀態遠程診斷和數據上傳,配置有標準RS485/232接口,與上位機聯網可實現遙測、遙控、遙信、遙調等功能。

為做到聯鎖有效,開關內各回路之間具有聯鎖關系,滿足抽風機與掘進機啟動順序聯鎖的需要。為減少照明綜保和為控制設備提供電源,開關設計有照明模塊回路,具有短路、過載、漏電保護、漏電閉鎖等保護功能,八回路組合開關外形和內部結構如圖1所示。

圖1 八回路組合開關外形和內部結構圖Fig.1 External and internal structure of eight-circuit combination switch

2.2 簡易皮帶機替代溜子

在掘進工作面配套一種短距離、高效率的簡易皮帶機,運距范圍在80～100 m內,運行速度2 m/s,驅動功率2×30 kW,運輸能力400 t/h,皮帶帶寬0.8 m,與DSJ80/40/2×40皮帶機配套使用,替代SGB-40T溜子。這種簡易皮帶機能滿足掘進工作面的生產需要,減少運行事故,實現高效轉載的要求。簡易皮帶配套方案如圖2所示。

簡易皮帶機采用2個30 kW電子滾筒直接驅動,取消了減速器,節省了安裝空間,降低了事故發生機率。張緊方式采用儲帶倉導向滾筒固定座絲杠張緊,省掉了張緊絞車和配套的鋼絲繩及控制開關。簡化了機頭架配套長度,滿足短運距運輸需要。中間架采用標準架、橫梁及托輥,減少了成本的二次投入。

通過簡易皮帶替代溜子,掘進工作面原煤系統機電事故明顯降低,確保了掘進工作面高效地組織生產。

2.3 集中控制系統替代獨立控制系統

掘進工作面集控系統由地面遠程監控站、井下監控站(礦用隔爆型計算機)、礦用隔爆兼本安電源箱、礦用本安通訊分站、礦用本安數據采集分站、礦用本安傳感器、礦用本安攝像機和通訊網絡等組成。集中控制系統通過與掘進工作面的供電系統、皮帶控制系統、局部通風機控制系統和組合開關建立通訊連接,采集設備的運行狀態和保護信息,實現遠程集中控制。

配備礦用本安型高清網絡攝像機，對運煤轉載點、局扇配電點進行遠程監視,實時動態地了解現場狀況,實現對人員和異物的動態識別和畫面預警。

對機械設備及局扇加裝振動傳感器、溫度傳感器,采集振動、溫度信號,實現超限報警提示及聯鎖停機功能。系統預留多種形式的信號接口,可實現系統的進一步擴展。通過OPC接口或Web發布功能,接入礦井自動化系統,便于及時地掌握井下現場動態。皮帶機集中控制系統如圖3所示,局部通風機監控系統如圖4所示。

圖3 皮帶機集中控制系統Fig.3 Centralized control system of belt conveyors

圖4 局部通風機監控系統Fig.4 Local fan monitoring system

集中控制系統有遠程控制、就地控制、檢修控制、自動控制等方式。遠程控制由通信接口通過環網連接至井上調度主控計算機,對系統進行遠程控制;就地控制由井下系統進行設備自身集中加分布式控制;檢修控制由系統進行設備自身單獨控制,取消設備之間的連鎖關系;自動控制由系統實現一鍵啟動控制全部設備。

此外,集中控制系統可通過熱釋電紅外感應傳感器實時監控皮帶機頭的工作人員情況。系統預設警戒區域,當人員進入警戒區域,系統進行預警,工作人員未在預設時間撤離警戒區域時,系統控制皮帶機停止運轉。

集中控制系統可采用高清攝像機的智能機器視覺分析功能,對攝像機覆蓋區域的人員和異物進行動態識別,通過視頻監控對進入警戒區域的人員和異物進行畫面預警,提醒皮帶司機及時處理。

3 掘進工作面裝備“三化”的合理性分析

3.1 技術合理性

1)掘進工作面裝備優化后,實現了掘進工作面關鍵設備運行狀態的實時顯示和異常報警功能。

2)實現了視頻監控,對進入警戒區域的人員、異物進行視頻動態偵測和畫面預警功能。

3)實現了紅外感應傳感器對皮帶機機頭的實時監控和人員進入警戒區域的預警、停機功能。

4)實現了關鍵部位的溫度、振動監測,具備超限報警提示及聯鎖停機功能。

5)實現了局部通風機的遠程監控功能。

6)實現了“遠程監控+集控+巡檢”模式,達到“少人則安、無人則安”的要求。

3.2 經濟合理性

1)開關組合化后,多回路組合開關在設備的數量、體積、靈活性、安全性能、操作流程和日常維護管理等方面,均取得了良好效果,實現了掘進工作面安全作業,提高了掘進效率,提升了經濟效益。

2)溜子皮帶化后,安裝維護工作量明顯降低,機電事故明顯減少,備件更換費用降低,經濟效益明顯提高。

3)控制集中化后,掘進工作面每個生產班減少崗位工作人員5人,按四六制三班生產作業則減少崗位工作人員15人,如每人按照年收入10萬元計算,全年可節省開支150萬元。

4 結論

“三化”技術在掘進工作面裝備優化中的應用,是智能化礦井建設的需要。掘進工作面關鍵設備實施智能安全預警和運行狀態實時診斷,將進一步推動掘進工作面設備的智能化水平，改善作業人員的工作環境。開展設備遠程故障診斷和運行狀態分析,將有利于超前處置設備隱患,為掘進工作面提高單進水平提供設備保障,是新時期高質量發展特色精品礦井建設的必然要求。