煤礦副井操車系統改造

高恒

關鍵詞： 煤礦 副井 操車系統 改造工程 技術研究

中圖分類號： TD53 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0142-04

現有的副井操車系統在煤礦生產中存在諸多不足，如一些老舊礦井的操車系統應用的是電動機或氣動機驅動，存在系統適應性差、靈活性低、體積大、重量高等問題。同時，該設備的運行噪聲較大，可能會產生較為嚴重的噪聲污染，影響井下作業工人的心理健康狀態，影響煤礦的安全和效率。為了解決這些問題，有必要對副井操車系統進行技術改造，提高其性能和可靠性。本文主要分析副井操車系統的現狀和存在的問題，探討可能的改造方案和預期效果。

1 煤礦副井操車系統改造的意義

副井操車系統結構復雜，且較為容易受到不同礦井環境條件因素的影響，井下作業條件不同，對系統的應用影響也不同，通過對操車系統進行改造，提升其運行性能并開發更多功能，使其能夠充分適應不同礦井生產需要，逐步提高自動化水平，將最終實現以下目標。

1.1 降低工人工作強度

煤礦井下作業勞動強度較大，井下作業人員經常感到勞累，而且由于工作量大，工作任務重，工人有時會因為過度疲勞而出現操作失誤，導致安全事故。為了解決這類問題，有必要對煤礦副井操車系統進行改造，大幅提高操車系統的自動化程度，從而減輕煤礦工人的工作壓力，降低勞動強度。在系統改造后，一些原來需要人力完成的事情將能夠實現自動化操作，工作人員只需負責系統運行的監督。例如：改造后的推車機可以實現自動推進，推車機的推頭會根據工程的需要而自動升降，完成裝車、卸車等環節，這樣一來就能降低工人的勞動強度。

1.2 解決安全問題

煤礦行業是安全問題頻發的領域，這是由于煤礦生產的特殊環境所致。一方面，由于我國煤炭資源的分布不均勻，煤層埋藏深度通常較深，因而我國煤礦開采多為井下作業，危險性相對露天作業會更高，更需要注重安全問題；另一方面，我國地質條件與水文條件相對復雜，在掘進過程中，較常容易發生瓦斯泄漏、煤礦自燃、巖層坍塌等事故，存在極大的安全隱患[1]。傳統煤礦副井操車系統的安全性較差，較為容易出現安全事故。例如：升機在啟動過程中會需要較大的電流作為支持，而過大的電流則可能會帶來電流沖擊，從而導致提升機出現過大震動，如果此時提升機周邊有采礦工人在現場，便會有可能被震動所掉落的廢石砸傷。而對操車系統進行改造，減弱震動，則能夠避免這一問題的發生[2]。

1.3 降低設備維護工作量

煤礦操車系統的維護同樣十分重要。在以往的設備維護中，由于受到技術因素的影響，操車系統常常發生故障問題，技術人員設備維護的工作量很大。然而，即便經過精密的維修，也會致使設備使用壽命受到影響，影響煤礦開采工作的進行。針對操車系統的改造，會使整個系統運行過程更為可靠、穩定；同時，先進元件的應用，也能夠降低操車系統故障概率，從而減少維護工作量，保證生產效率。

2 煤礦副井操車系統改造

在煤礦副井操車系統改造的問題上，應是對原有系統的升級與改進，優化已經明顯老化、性能落后、故障率較高等不能穩定運行的系統，以提升系統的先進性、穩定性、可靠性，從而為煤礦生產提供保障。

2.1 煤礦副井操車系統改造的原則

在實際改造的過程中，為保證整個改造方向的準確性，需要遵循一定的原則，具體來說，主要有以下3個原則。

2.1.1 可靠性

可靠性是煤礦副井操車系統改造所需要遵循的主要原則。礦井是安全事故的多發區域，煤礦副井是煤礦內部發生安全事故時緊急救援的必要通道，其操車車系統的可靠性與煤礦生產的安全性有直接關系。因此，在設計時，應綜合考慮多個方面的因素，務必保證每一個環節運行可靠，保證各個細節問題都能夠得到解決。除此之外，還要盡可能降低設備結構的復雜性，以方便技術人員進行設備的維護管理。

2.1.2 適用性

適用性原則主要是指該操車系統能夠被適用于各種復雜的井下開采環境，不會因為井下環境的改變而無法被有效應用。除此之外，適用性還與經濟性和技術性有關：經濟性方面，應盡可能降低該系統成本，以達到普及應用的效果；技術性方面，需要保證該系統操作的簡便性，礦井生產作業人員只需經過簡單的培訓與學習后，便能夠快速操作該系統進行煤礦生產作業。出于這一因素的考量，在進行設計時，需要充分考慮到我國不同煤礦生產地區的環境差異，盡可能通過大數據的統計與分析后進行改造，并經過詳細而周密的實驗論證，以保障該系統能夠切實適應不同生產環境、不同煤礦企業生產的需要[3]。

2.1.3 先進性

先進性方面，需要保證該系統改造，具有較高的技術先進性，應對國內國外的相關技術進行充分的調查與研究，在綜合考慮技術與經濟因素后進行系統改造。改造過程應盡可能地應用先進技術與先進設備，提高自動化與智能化的水平，從而實現人員成本的降低與生產效率的提高，充分發揮技術先進性的優勢，提高產品的市場競爭力，為我國煤礦行業在國際市場中的發展奠定良好基礎。

2.2 煤礦副井操車系統改造設計

以20 世紀70 年代投入使用的某老礦井操車系統為例，該系統使用年限較久，投入時間較早，設備的整體運行效率低下，煤礦損耗率高，設備生產的安全性低，工人的勞動強度過大，且設備維護難度較高，常常發生設備故障，進而影響生產效率。除此之外，我國傳統煤礦所采用的提升方式多為豎井，這會加大副井的運輸難度，也會使副井的運輸能力有所降低，該煤礦所應用的方式也為豎井，現已無法適應現代煤礦生產的需要，亟需進行改造，以提升煤礦生產效率。針對此類設備進行改造時，可以從電力來源、動力來源、系統裝置與傳輸4 個方面入手[4]，所對應的分別是操車系統的電控、液壓、機械與信號4 個部分。

2.2.1 電控部分

電控系統是操車系統的電力來源，相應的設備控制，均需要電控系統作為依靠，如果該系統出現故障，就會使整個操車系統無法運行，因而，需要保證電控部分的穩定性。在對電控部分進行改造時，主要包括以下兩個方面。

一方面，該煤礦的副井操車系統電控部分問題較為明顯，電控老化嚴重，設備故障率高，各個開關占地面積大，且電力控制并不穩定。出于這一因素的考慮，在進行改造時，可選擇將整個電控系統進行拆除。而在對其他煤礦副井操車系統進行改造時，如果電力控制系統損耗并不明顯，則可以在舊有系統基礎上進行改造，以節省成本，提高經濟效益。

另一方面，應進一步提升整個電控部分的自動化與智能化水平，采用先進的國外進口元器件，進一步提升電控系統性能的可靠性與穩定性。改造后的操車系統由PLC、可視化交互界面、視頻監測裝置等共同構成，而為了滿足這些設備的供電需求，就需要充分保證供電的穩定性，同時還應使用物聯網技術，為各種電控設備進行聯網，以便實現智能化的監管。其中，PLC 主要負責提升機、搖臺、安全門、推車機、阻車器、道岔、液壓站等的控制工作，是一種可編程邏輯控制器，能夠實現操車系統的自動、手動、檢修等多種模式的控制，其中自動模式可實現自動調配車、罐籠到位后安全門和搖臺的自動控制等，手動模式可實現各設備的手動控制功能。在自動模式和手動模式狀態工作時，各閉鎖功能嚴格按煤礦安全規程要求運行，如罐籠不到位不允許打開安全門、前后阻車器不允許同時打開等閉鎖要求。當在檢修模式運行時，各閉鎖功能解除，正常生產作業時不允許使用檢修模式，檢修模式僅限在設備檢修維護時使用。此系統所選用的PLC 型號為西門子S7-1200 系列，該系列PLC 性能穩定可靠，抗干擾能力強，具備多種通訊接口，充分滿足煤礦副井操車系統控制的需要?？梢暬换ソ缑嬷饕峭ㄟ^操作臺上的觸摸屏來實現，可通過其實現操車系統各項指令的發出、系統運行信息的查看、系統參數的設置、當前故障信息及歷史故障信息的查看等，在設計上，需要保證操作界面具有簡潔性、直觀性。視頻監測裝置則主要負責對礦井作業情況的視頻畫面信息與聲音信息的反饋，現場作業狀態會經由網絡傳送至集控室中，顯示屏上會顯示操車工作狀態與現場作業畫面，如果操車設備出現故障，綠色指示燈會變為紅色進行提示。除此之外，在電力控制系統線路的設計問題上，應保證各個不同的設備系統間具有獨立性，單一設備線路的損壞不會影響其他設備的正常使用；同時，還要設置備用電力線路，以保證線路故障時，煤礦生產依舊能夠順利進行。

2.2.2 液壓部分

電控部分能夠為整個操車系統提供電力支持，而液壓部分則能夠為系統提供必要的動力支持；同時，液壓也是操車系統唯一的動力來源所在，液壓部分的改造主要在于以下幾方面。

首先，需要做好備用液壓系統的設計。由于液壓系統的重要性，一旦液壓系統出現故障，就會使操車系統無法使用，因而需要設計備用液壓系統，一般采用雙電機雙泵配置，當主系統故障時，自動或手動切換到備用系統。出于這一方面的考慮，系統改造完成后，需要定期對備用系統進行檢修維護，保證備用系統能夠隨時使用。

其次，液壓系統應具有比例控制功能，能夠使推車機調速運行，同時，也能夠為不同類型的裝置運行提供不同的運行動力，依據傳輸需要進行調速即可。

再次，系統在設計時，為了能夠充分適應不同煤礦環境生產需要，也為了保證液壓系統安全性，按照高壓進行系統構造，但是在實際使用時，應用中壓即可。除此之外，為了系統維修便利，應采用并聯雙系統，防過載，采用雙重保護。

最后，液壓部分構造的問題上，應采用重型液壓缸，雙端緩沖[5]。

2.2.3 機械部分

機械部分是副井操車系統的具體作業部分，包含操車系統的所有相關機械裝置，改造時，應盡可能從現代化、先進性、智能化等方面入手。涉及機械部分的改造內容較多，在這里，以推車機、阻車器、安全門等為例。

第一，推車機?，F階段我國所使用的推車機在動力來源上有電力、氣動和液動3 種，本文選擇的動力來源為液動，通過液壓站為推車機提供所需的必要動力。在進行系統改造時，傳統電動型煤礦推車設備的礦車更換主要依靠人力進行，一方面，會耗費人力、物力，另一方面，如果驅動輪與推爪鏈卡到一起，就會有可能造成損壞。而使用液壓式推車機則能夠避免上述問題。就目前來說，液壓推車機還可具體分為兩類，一類是銷齒式推車機，另一類則是鏈條式推車機，本文所選用的為鏈條式推車機，并在鏈節處做了改進，適當降低了鏈節的寬度與長度，以減小推車運行慣性。鏈條式推車機的結構更為簡單，便于維護和管理，同時還具備調速和調壓功能，能夠調整推車機的運行速度與動力，提高了設備的運行效率。最后，得益于液壓系統的液壓溢流保護功能，即便齒輪與推爪鏈卡到一起，液壓便會自動溢流，從而防止推車機被損壞[6]。

第二，阻車器。阻車器的作用主要是在副井中，能夠使運動中的推車或礦車得以實現快速制停，將推車或礦車停止在安全的區域內。一方面，阻車器的應用，能夠避免礦車沖出礦道，提升煤礦開采的安全性，另一方面，能夠實現自動化的控制。在系統構造上，可以利用限位裝置來實現[7]。本文所選用的為組輪式阻車器，應用阻車爪進行制停，同時，采用彈簧結構對推車進行緩沖，緩解慣性撞擊的力度[8]。

第三，安全門。安全門的設置需要保證具有足夠的剛度和強度，能夠保證不會在劇烈的沖擊或撞擊下發生變形，因而在安全門材料的選擇上，選用既具有一定塑性，又具有較強剛度的材料。如此一來，一旦發生劇烈沖撞，剛度能夠保證安全門承受撞擊，而塑性則能夠分散部分作用力，提高安全門抗沖撞能力。

2.2.4 信號提升系統

關于副井操車系統信號提升的改造方案，主要有以下幾方面：首先，采用PLC 進行信號傳輸，設置不同的功能按鍵，依據操車系統設備的運行狀態控制相對應的功能按鈕；其次，不同的功能分別設置不同的信號傳輸狀態，依據人、物、料、石等進行功能劃分；再次，在安全門關閉、搖臺抬起后，會發送信號，接收到信號后，提升機才能夠啟動，如果沒有信號，提升機處于閉鎖狀態，無法啟動；最后，設置備用信號系統，與主信號系統不屬于同一線路，也不受PLC 的控制。同時，緊急制停信號系統同樣單獨設立，不受PLC 控制。

2.3 煤礦副井操車系統改造效果

在經過改造后，首先，系統運行成本將會得到降低。一方面，自動化改造完成之后，用于控制操車的工作人員崗位便可以減少設置，從而節約人工成本費用；另一方面，由于改造后的系統故障概率會有所降低，因此檢修與維護的費用成本也會得到節約。其次，生產效率將得到提升。自動化水平的提升也意味著生產效率的提升，組鏈式推車機不再依靠人力裝卸，自動化的裝卸將會使操車提升效率得到提升，裝車效率更高，休整時間更短，進而在更短時間內獲得更高回報。最后，提升安全性。一方面，生產人員的減少，也就意味著人為因素發生事故的概率也隨之降低，同時，事故發生時，所造成的人員傷亡也會減少；另一方面，視頻監測裝置的應用也有助于更好地適應礦井復雜作業環境[9]。

3 結語

綜上所述，煤礦副井的操車系統的改造，使操車運行更加穩定與可靠，使設備、材料等的運輸更加便利，有利于煤礦生產，保障經濟效益的同時，也有助于保證企業社會效益。