多災害條件下礦井采煤機升級構想

王祥龍，李明彬

(陜西陜煤彬長礦業有限公司生產服務中心，陜西 咸陽 713600)

0 引言

彬長礦區井下五大災害比較突出，在廣大煤礦職工的不懈努力下，經過多年的管控治理安全生產情況逐步改善。采煤工作面作為煤礦安全管理的重點部位，其安全生產條件與裝備的先進程度和安全程度息息相關。隨著國家推行煤礦智能化工作開展，彬長礦區一些老舊型號的采煤機面對自動化、智能化已無法滿足相關功能需求，但若直接淘汰較為可惜。彬長生產服務中心結合礦井用戶實際需求，開展了老舊型號采煤機智能化升級的工作，綜合考慮實用性、穩定性等因素，進行了有選擇性的功能升級，使得老舊設備跟上了智能化采煤的腳步，繼續在煤田發揮作用。

1 待升級采煤機簡介

1.1 現有采煤機的功能介紹

西安煤礦機械制造有限公司生產的MG500/1330-WD型電牽引采煤機(以下簡稱1330型)是一種多電機驅動，電機橫向布置，交流變頻調速無鏈雙驅動電牽引采煤機。總裝機功率1 330 kW，機面高度1 662 mm，適用于采高2.4～4.4 m，煤層傾角不大于40°的中厚煤層綜采工作面，要求煤層頂板中等穩定，底板起伏不大，不過于松軟，煤質硬或中硬。該采煤機的電氣設備符合礦用防爆規程的要求，可在有瓦斯或煤塵爆炸危險的礦井中使用，并可在海拔不超過2 000 m、周圍介質溫度不超過40 ℃，空氣濕度不大于97%(在25 ℃時)的情況下穩定地工作。該采煤機適用于與相應的液壓支架、各種型號工作面運輸機配套，實現綜合機械化采煤或放頂煤綜采。除以上機型外，還有MG650/1660-WD型采煤機(以下簡稱1660型)，其截割部和牽引部功率略大，功能與1330型采煤機類似，亦缺少適應礦井智能化采煤的功能。以上機型在彬長礦區使用廣泛，總數量有20余臺，平均使用時間大于5 a，升級改造的需求和經濟市場潛力較大。

1.2 現有采煤機存在的不足

1330型、1660型采煤機設計成熟，結構穩定，皮實耐用，但最長的服役時間已接近10 a，隨著智能化升級工作的不斷推進，也顯露出功能簡單、拓展性不足等缺點。

功能簡單，操作方式單一：僅能滿足基本的機械化綜采需求，采煤機的行走、搖臂升降、割煤等一系列動作均需要采煤機司機使用遙控器進行操作，且受采煤工作面的條件影響，遙控信號不穩定，采煤機司機需要站在采煤機附近，不僅危險系數較高，而且煙塵、噪聲較大，不利于職工的身體健康[1-4]。

拓展性不足，升級改造潛力小：由于機型設計年代較早，PLC控制器的可拓展位置和相關模塊不足，也沒有多余的數據接口，采煤機的各項數據及控制信號無法與其他設備進行數據的上傳下行，不能滿足智能化可監控遠程操作等數據通信需要[5-7]。

安全功能簡單：①語音報警功能簡單，只能播報采煤機啟停等簡單信息；②瓦斯監測的數值通過瓦斯斷電儀的單色屏幕顯示，在井下嘈雜的生產環境中并不能起到有效的預警作用。若瓦斯超限，則直接對采煤機進行斷電，但此時如果截割部正在切割大塊煤時斷電，突然斷電會導致截齒與煤層卡住，而再次啟動采煤機會使截割部負載較大，影響設備使用壽命[8-10]。

2 采煤機智能化升級改造

2.1 改造思路

在礦井智能化升級改造工作的背景下，1330型、1660型采煤機的優點在于：生產維護及設備檢修人員都比較熟悉其操作維護方法，相關的維修項目技術成熟，工藝可靠。那么將這方面優點與智能化升級結合起來，不失為一種經濟、便捷、高效的好方法。

采煤機升級改造的總體要求，一是要符合2016年版《煤礦安全規程》的要求；二是改造后的采煤機能夠適用、滿足使用單位的地質條件，能夠真實有效的使用；三是設備改造后具備高可靠性及穩定性；四是能夠與集控系統進行有效集成。值得注意的是，對采煤機智能化升級應注重于提高可自動化工作、數據可調取、狀態可控制、操作精度高等方面[11-13]。

2.2 改造方案

功能需求：①具有自動化功能，即能夠實現記憶截割，具有采高監測、位置監測、俯仰角監測功能；②具有位置定位、姿態定位和數據傳輸功能，此功能要求能在順槽中顯示，能通過CAN總線向第三方傳輸數據，接口為CAN總線，協議為CANopen，并向集控廠家提供采煤機數據點表；③為了滿足定位需求，要求具有紅外定位功能，采煤機提供紅外線發射器安裝位置和電源；④要能夠兼容由集控系統廠家提供的紅外發射器及電纜；⑤在通信方面，順槽配置遠程監控箱，與采煤機通信采用CAN接口，協議采用CANopen。采煤機通過主電纜進線控制芯線向順槽配置的遠程監控箱傳輸數據。同時順槽控制箱向集控系統供通信接口，采用CAN接口，CANopen2.0A通信協議。

安全要求：為保證安全生產，需要具備就機操作、遠程自動控制2種模式互鎖功能，在舊機模式下，不允許遠端控制；在遠端控制模式下允許就機控制，用以保證采煤機操作的安全性。在采煤機自動記憶截割模式下，各項操作均可人工干預，人工干預具備較高的優先級。當工作面環境發生變化，記憶數據與實際數據差距較大時，采取人工干預，人工干預的數據可實時自動存儲，指導下刀割煤。

硬件配置：為滿足以上功能及安全要求，在硬件配置方面至少應滿足以下條件。①采煤機配備順槽監控箱，能夠實現遠程控制、數據上傳，并向集控提供通訊接口；②為保證自動控制精度，行走位置檢測采用高精度旋轉編碼器，位置檢測分辨力不大于10 mm，采高精度不大于50 mm，采煤機通信穩定可靠，從順槽到采煤機內部指令傳輸延遲不大于200 ms。此外，應提供順槽監控箱供電電源AC127和組合開關采煤機通信線路接線端子和引出喇叭口。同時預留外置慣導系統的接入電源和安裝位置，由使用礦井提供慣導系統的具體參數。最后，應注意配套組合開關需預留采煤機主電纜的供電電纜及控制芯線進線的端子及出線的喇叭口。采煤機動力電纜除動力芯線和地線外，控制芯線不少于6芯，其中2芯雙絞屏蔽，符合串口通信標準。采煤機主電源進線通過安裝在轉載機機頭處的接線盒將CAN通信線引出，然后由使用單位在轉載機頭處集控交換機處安裝CAN轉光纖模塊，并將信號由光纖接引至順槽監控中心，并在集控中心安裝光轉CAN模塊將信號轉出。

軟件配置：軟件方面應根據采煤機的功能要求，需增加相關控制軟件。主要包括采煤機標準控制軟件、二二象限記憶截割軟件、遠程通信數據傳輸軟件和第三方數據通信接口軟件。

2.3 采煤機智能化升級案例的實施過程

2020年9月至10月期間，彬長礦業集團生產服務中心對小莊礦業公司的一臺1330型采煤機進行了智能化升級，根據用戶反饋，升級后的采煤機使用效果良好，各項功能正常。在升級施工過程中，首先將采煤機電控箱從主體結構中拆除，隨后將電控箱內的所有配件依次拆除，對電控箱箱體進行整形修復，并進行內、外部除銹清潔，對腔體內采取防電暈措施。準備工作完成后，按圖紙對控制系統、控制回路、主回路、先導回路進行模塊化接線，分別進行通電測試，隨后按內外順序將以上部件安裝于電控箱內。其次安裝位置傳感器、俯仰角傳感器、水流量壓力模塊。最后進行啟動停止、安全報警、控制功能驗證、接觸器和隔離開關試驗、控制測試及軟件測試。整機組裝完成后，進行牽引電機功率平衡調整及整機聯調聯動等試驗，通過驗收后交付用戶使用。

3 改造后存在的問題及改進

3.1 施工及試機過程中發現的問題

升級后的PLC及其控制系統體積較大，電控箱腔體內空間有限，無法同時將所有配件裝入腔體，權衡利弊后決定將變頻器接觸器去掉。去掉后電流經由牽引變壓器通過保險直接送至變頻器，變頻器得電即可工作，但此舉帶來2個方面的問題。一是操作控制程序啟動煤機時，需點擊“牽送”按鈕后才可以啟動煤機，但實際上由于變頻器接觸器此時已不存在，硬件部分處于空白狀態，但操作上仍需進行這一步驟，否則無法啟動采煤機。但如果采取物理短接方法繞過“牽送”程序，煤機上電后變頻器直接帶電，會導致系統報錯，采煤機無法啟動，故只能選擇前種方法。二是，采煤機送電之后變頻器和泵站都處于帶電狀態，在對泵站進行檢修(通電試機)時，如果需對電控箱腔體內的部件進行調整，為防止可能出現的觸電等危險，就需要避開變頻器，或將變頻器電源提前去掉，給檢修時帶來了一定的不便。

3.2 實際使用中發現的問題

在礦井用戶使用的過程中，曾出現紅外定位不準的情況，具體表現為在采煤機行走過程中，偶爾有丟失定位數據的情況出現。經調研分析，其問題產生的原因是生產現場煤塵較大，空氣較為渾濁，空氣中的煤塵等雜質對紅外波產生了一定的折射與反射效果，使其發射和接收效果不良，進而造成了定位位置不精確的情況出現。經改善現場抑塵、通風效果后問題得到了解決。

3.3 未來的改進方向

經過智能化升級的老型號采煤機，實現了基本的自動化控制。根據其結構設計，結合井下生產實際，后期還有一些可升級的功能和可改進的方向。

3.3.1 定制化語音報警功能的設計思路

此項改造的主要目的是將現有的煤機故障報警通過人工語音的方式播報輸出，以更方便、快捷的方式指導煤機操作。

故障報警：將現有煤機的故障報警通過語音方式進行報警提示，即牽引變頻器溫度異常、左截割電機溫度異常、右截割電機溫度異常、泵電機溫度異常、瓦斯濃度超1.0%報警、瓦斯濃度超1.5%時斷電報警。當煤機發生以上故障報警時除人機故障顯示外，一并觸發語音報警，可循環重復播報，直至故障解除。當多個故障報警同時觸發時，根據觸發優先順序進行循環播報，直至異常解除。

報警器工作模式：報警器的工作模式采取并行/直接觸發模式，煤機觸發報警輸出信號，可直接與報警器的觸發輸入端子連接。直接觸發模式將報警輸出當作開關信號，接觸點閉合就會觸發報警器。定制化語音報警功能系統硬件定配置，見表1。

表1 定制化語音報警功能系統硬件定配置

錄制音頻及設置音頻文件格式：音頻錄制后存儲在SD卡上，便于安裝及攜帶。另外根據對于故障報警的需求，需要做好相關配置文件，其主要是對觸發模式、播放模式及接觸性質進行定義。

3.3.2 瓦斯濃度實時監測及降速割煤功能的設計思路

通過改進瓦斯斷電儀，將其傳輸給采煤機控制系統的單一開閉信號轉為實時傳輸信號，信號方式由數字信號換為模擬信號，實現瓦斯濃度的實時監測，升級控制程序并建立相關數據庫，進而實現瓦斯濃度與割煤速度聯動控制，并可加裝聲、光報警器，實現較大音量和較為明顯的聲光報警。例如將瓦斯濃度的實時監測結果與安全報警系統和采煤機的行走速度聯動起來，邏輯見表2。值得注意的是，表2中數據為舉例說明，具體結合各礦實際情況調整。此功能應用一段時間后，可采集煤機運行過程中的數據，結合實際使用效果進行調整，并建立數據庫，將瓦斯濃度、采煤機行走速度、預警邏輯、傾角角度、上/下山坡度等數據錄入，設計一個配套的推理機和專家控制系統，形成更為科學、智能的自動生產控制方法。

表2 瓦斯濃度與采煤機動作及預警的邏輯

4 結語

開展煤礦智能化升級是煤炭行業升級發展的必然要求，目前的煤礦智能化技術整體上仍處于起步階段，僅在條件較好的部分礦區得到嚴格意義上的智能化開采水平。煤礦智能化工作的開展必須固本拓新，提升裝備的精準度、適應度和可靠度，全面提升技術裝備水平和人員素質，以人員和裝備為核心，以數字化、信息化、自動化為手段，以少人化、無人化開采為最終目標，必將有力推動煤礦的安全高效生產。