智能化矸石充填系統的研究與應用

吳夢雨

（北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399）

1 概 況

綜采工作面矸石充填是國家推廣的技術之一。對采空區充填，可將地表巖移破壞程度基本控制在I 級破壞程度范圍之內，確保地表建（構） 筑物的安全使用，同時減少了頂板垮落、出水、瓦斯涌出等礦井災害；通過矸石充填開采技術，減少礦井矸石堆積，避免煤矸石污染環境，占用場地。

普通矸石充填支架使用的手動操作閥，需要在操作過程中，不斷的對充填部位進行觀察判斷，查看是否充填完成，但無法保證充填強度。基于SAC液壓支架電液控制系統，通過支架后部各個部位的傳感器，將工作狀態變為電子信號，傳輸到各個支架的控制器，由控制器進行數據處理，再反饋到電液換向閥對充填部位的千斤頂進行控制，實現后部自動充填功能。經過不斷實驗，完成了一套的智能化矸石充填系統，操作簡單，保證了充填強度。

2 研究內容

（1） 通過使用多種不同的傳感器，精確控制各個充填過程中的每個動作環節，保證充填過程中的安全性。

（2） 通過使用多種不同的傳感器，自動識別充填效果，提高充填的精度和效率。使用電磁先導閥控制與主閥連接的液壓管路輸出，無需人工扳動液壓閥的手板把，減輕支架操作人員的勞動強度。

（3） 將支架操作人員的操作習慣及經驗程序智能化，實現一次性成組充填或分組充填，提高支架操作人員的勞動效率。

3 主要技術內容

3.1 設備選用

主要控制設備有ZDYZ-Z 型26 功能液壓支架電液控制裝置控制器和ZDYZ-Z 型20 功能液壓支架電液控制裝置控制器，如圖1、圖2 所示。

圖1 ZDYZ-Z 型26 功能液壓支架電液控制裝置控制器Fig.1 Controller of electro-hydraulic control device for ZDYZ-Z 26 function hydraulic support

圖2 ZDYZ-Z 型20 功能液壓支架電液控制裝置控制器Fig.2 Controller of electro-hydraulic control device for ZDYZ-Z type 20 function hydraulic support

3.1.1 功能控制器概述

ZDYZ-Z 型液壓支架電液控制裝置控制器為礦用本質安全型，適用于煤礦井下。主要作用是在特定程序下，控制支架的所有動作，采集支架上傳感器的數據，與其它控制器及與井下主控制器進行相互數據通信等。其中26 功能控制器主要控制的是20 功能電液控換向閥，它代替普通矸石充填工作的手動操作閥，主要控制采煤過程中支架的升降、前移等功能；20 功能控制器主要控制的是12 功能電液控換向閥，控制后部自動充填過程中所有功能，是后部自動充填的核心。

3.1.2 功能控制器的工作原理

控制器實質是專用于工作面支架電液控制系統的控制計算機。此次矸石充填系統中包含2 個控制器，其中26 功能控制裝有OLED64*128 點陣顯示器，具有顯示壓力、行程、高度、基本參數修改、信息傳輸等功能，作為主控制器使用。20 功能控制器不具備顯示器，作為輔助控制器使用。由于功能上的差距，2 個控制器之間需要用改變程序的接續器進行連接。其組合作為單架支架的控制核心，保證支架各個部位的立柱、千斤頂正常工作。每架控制器組之間通過連接線進行通訊，保證各個支架的數據通信，達到鄰架操作和成組操作的目的。

為了保證支架動作的的準確性和通用性，主控制器裝入的應用程序及參數須根據實際情況進行修改。由于支架的動作傳感器等都是由電信號傳輸，因此在控制器上裝有信號轉換器，將電信號轉換成控制器可讀取信號，將傳感器檢測數值顯示在主控制器上。

控制器是依賴軟件工作的，軟件分為系統軟件和應用程序。應用程序是直接執行支架控制和監測功能的軟件，是控制器正常運行和實施操作的平臺。控制器上電后，經運行一段引導程序（Booter），在正常情況下會自動啟動應用程序進入支架控制的環境。另外，該控制器組具有閉鎖功能，當工作面支架需要進行檢修工作時，只要按下閉鎖按鈕，就可切斷控制器驅動電源，本架和鄰架進入閉鎖狀態，保證檢修人員安全。當有大塊矸石卡住后部刮板輸送機或者發生危及安全生產的情況時，按下控制器上的緊急停止按鈕，即可終止所有的支架動作，保證職工安全。緊急停止按鈕具有聯動性，只要1 臺控制器按下緊急停止按鈕，其他控制器均無法運行。

3.1.3 測高傳感器和壓力傳感器

測高傳感器由充油管、電路模塊、壓力傳感器組成，如圖3 所示。壓力傳感器固定在充油管兩端，測量壓力數值，電路模塊通過充油管兩端的壓力差值計算出兩端的垂直高度差值。

圖3 測高傳感器Fig.3 Altimeter sensor

圖4 矸石充填支架后部充填系統傳感器布置Fig.4 Sensor arrangement of back filling system of gangue filling support

傳感器在支架上的布置如圖4 所示。圖4 為矸石充填支架后部充填系統，其中一組測高傳感器安裝在后頂梁和搗實機構前端上，用于判斷搗實伸出后高度，避免搗實升起過高碰撞后部刮板運輸機；另一組安裝在后頂梁中部和搗實機構后部，用于判斷頂梁距離搗實機構的高度。

在搗實千斤頂中安裝了行程傳感器組件和壓力傳感器，壓力傳感器用來檢測搗實正在動作和完成動作時的壓力值；行程傳感器用來檢測搗實千斤頂的伸縮行程。根據搗實千斤頂的壓力數值和行程數值共同判斷矸石填充的完成效果是否達到要求，并進行相應的時間控制。

3.2 單架自動化充填控制流程

自動填充控制流程如圖5 所示。

圖5 自動填充控制流程Fig.5 Automatic filling control process

當支架后部自動充填功能啟動后，打開本架后部刮板輸送機溜槽排矸口，矸石落入采空區，排矸口的開啟由傳感器和控制器上排矸時間控制雙重控制。

當自動充填開始時，后頂梁上的傳感器對后部刮板輸送機落下的矸石進行高度檢測。當矸石堆積高度達不到設定值時，排矸口打開并落矸；當傳感器檢測落料高度達到矸石堆積預定高度值時，關閉排矸口。如果傳感器發生故障時，落料時間達到設定值時，排矸口也自動關閉。

排矸口關閉后，開始執行夯實作業。在物料夯實過程中，通過安裝在擺梁上的傾角傳感器和搗實千斤頂上的行程傳感器來控制后部鏟板和擺梁配合，進行循環控制，當搗實千斤頂的壓力到達設定壓力值時，本次自動充填動作完成。

單次充填的一個大循環可分為3 層進行充填（大循環和搗實層數可根據實際情況進行設置），其步驟為：①將充填區域預設成3 層，每層進3 次搗實動作，然后結束第一次循環；②在搗實過程中，若壓力值達不到設定值時，在第二次循環過程中對壓力值不足的層次進行3 次搗實，3 次搗實完成或者壓力值達到后進行第二層的搗實，以此類推；③第二次循環如果還有未搗實層次，則進入第三次循環，直到3 層都搗實完成。

對最大自動充填次數進行了設置，防止壓力傳感器損害，導致無限制的自動充填。其中落料高度值、壓實千斤頂的壓力和行程值、擺梁提升角度值、擺梁提升最大高度、充填次數以及各動作時間等值均可以進行參數設定。

在單架自動循環充填、搗實過程中，一般放矸動作2～3 次后，再進行1～2 次搗實動作。因此，方案采取充填次數C與后鏟板千斤頂壓力P、行程R相結合的方法，進行單架充填過程中是否搗實的判斷。搗實條件可設定為：

3.3 工作面成組自動充填控制流程

首先根據實際生產需要，在選定的支架控制器上進行自動充填參數設置，然后通過控制器的信息傳遞功能，將該架的充填參數復制到需要進行成組充填的支架控制器上。當需要進行成組充填時，可以在該組支架的頭部或者尾部進行充填，也可以在其中任意一架選擇向頭部或者尾部形成架組進行充填動作。

4 實踐應用

將該智能化矸石充填系統在邢東礦進行應用。邢東礦由于地理位置原因，附近村莊較多，充填開采是該礦主要的開采方式。經過在邢東礦進行實驗和使用，取得了以下效果。

（1） 充填時間的縮短，在出煤產量相同的情況下，充填時間由原來的3 h，縮短到使用后的1.5 h。

（2） 矸石充填量得到了提升，由于搗實機構的搗實效果提高，搗實強度增加，充填矸石量由原來的每月1 萬t，增加到3 萬t。

（3） 提高生產效率，將先出煤后充填傳統工藝升級為回采與充填同時進行的平行作業，將充填效率由原有的每班1 刀煤提高至每班4 刀煤，月產能力由1.8 萬t 提高至7.2 萬t，工作面生產能力大幅提升。將采充平行度由原來的40%提升到現在的80%。

（4） 充填人員減少，由于控制器操作簡單，在充填人員的配備上，由原來的6 人，減小至現在的3 人。

5 結 語

智能化矸石充填系統的使用，解決了普通充填支架搗實強度低、充填時間長、操作繁瑣、充填率低等問題，有效降低了職工的勞動強度，帶動了充填工藝、材料、裝備的進步，實現了充填工作面智能化開采。