煤矿排矸运输系统优化设计

谢 娜，闫顺礼

(1.咸阳职业技术学院，陕西 咸阳 712000；2.大同煤业股份有限公司，山西 大同 037000)

煤矸石是伴生于煤层中的一种质地较为坚硬、碳量较低的黑灰色岩石，其产出量随着井下掘进量的增加而增加，需要通过排矸地面运输系统将其排出。而在绞车提升翻斗车的过程中，经常会出现矸石掉落的问题，分散在地面上的矸石则会造成翻斗车掉道，进而卡住翻斗车，严重影响矸石的正常运输。随着计算机与通信技术的不断发展，煤矿排矸系统开始逐步接入工业电视、操作台、控制柜等各种辅助监控设备[1-3]。德国SIEMENS公司推出的TST系统，该系统采用SIEMENS自家研发的超声波测距仪，能够在排矸车辆距离异常的情况下触发报警电路[4]；朱磊等[5]于排矸轨道上安装电磁传感器，通过与火车掉道监控类似的电阻式防掉道装置控制方法实现对矸石传输带的控制；高士岗等[6]对翻斗车掉道的原因进行深入分析，并提出了翻斗车轮与轨道相对位置的监测方法。利用传感器来检测车与轨道之间的距离是应对翻斗车掉道问题的一般常用方法，另有一些研究采用霍尔接近开关、电容式接近开关、激光测距传感器、红外测距传感器来对翻斗车实施监控[7-9]。为了有效应对传统地面排矸系统普遍存在的掉道故障，维持排矸系统的正常运行，需要进一步加强对于煤矿排矸运输系统的自动化改造，提高矸石运输效率。

1 煤矿排矸运输系统的基本工序和结构

煤矿排矸地面运输系统主要由绞车提升系统、翻矸系统以及推车液压拖动系统所组成。从矿下运送来的矸石首先通过地面的推车运输至翻车房，再由翻矸系统将矸石翻落至矸石车中，由绞车房内的电机将矸石车提升至矸石山上并排出车中矸石，最后由矸石矿车将矸石运送至远离矿井的区域[10-13]。地面矿车循环运行路径如图1所示。

图1 煤矿地面排矸运输系统工序Fig.1 Coal mine ground gangue transportation system process

在传统的煤矿排矸运输系统中，整形机与清车机都需要通过人工操作加以控制，而在引入自动化控制技术的情况下，整形机与清车机的工作都可以用更加先进的液压推车机加以替代。地面排矸运输系统自动化控制体系如图2所示。

图2 自动化煤矿地面排矸运输系统总体结构Fig.2 Overall structure of automated coal mine ground gangue transportation system

自动化煤矿地面排矸运输系统虽然能够有效降低人员工作强度、缩减矿车摘挂钩时间，但在掉道故障检测方面仍然需要进一步实施优化。

2 地面全自动掉道故障检测方案设计

2.1 振动传感器

在矸石车处于正常工作状态下，电机、滚筒以及减速齿轮的振动较小，并且其振动频率的变化呈现周期性特点；而在石车处于掉道状态时，矸石车各部件及车辆整体的振动加大，并且频率变化不规律。通过振动传感器对矸石车掉道状态下的振动原点加以识别，能够对矸石车是否出现掉道问题进行较为准确地诊断。而在翻斗车存在掉道问题的情况下，滚筒、减速齿轮、联轴器、电机等设备的振动频率均会出现不同程序的偏移，若实测频率与正常频率存在差异，那么说明翻斗车存在掉道问题。

2.2 掉道检测系统设计

(1)振动传感器选型。本次研究所设计的掉道检测系统采用LK-G5000型超高速/高精度CMOS激光位移传感器，光点直径25 μm×1 400 μm，线性度±0.02%F.S，重复精度0.02 μm，采样周期2.55 μs。该元件可以向实测对象发送红色半导体激光，并经由通信模块将激光在传感器与检测对象之间的往返状态数据上传至PLC模块，由PLC元件计算机出激光往返所需要的时间，最终得出传感器与检测对象之间的距离。LK-G5000型激光位移传感器实物如图3所示。

图3 LK-G5000型激光位移传感器Fig.3 LK-G5000 laser displacement sensor

(2)通信模块选型。掉道故障检测系统通信模块所采用S1205V-PWR型交换机，该设备采用IEEE802.3端口标准，交换容量10 Gb/s，包转发率10 Mpps，输入电压100～240 V。该设备采用重负荷设计策略，电磁兼容性强，支持VLAN、组播控制和Port Priority设置，网络可靠性好，工作效率高。S1205V-PWR型交换机实物图如图4所示。

图4 S1205V-PWR型交换机Fig.4 S1205V-PWR switch

(3)PLC选型。地面全自动排矸运输系统掉道故障检测系统所采用的PLC元件为IEC61131-3型PLC，该元件所内置的处理器型号为AlteraNiosII，运算频率为100 MHz，电源电压24 V，支持最多63个设备连接，支持连接2个RJ45孔式以太网接口，持续抗震最高为10g，可并排安装多个I/O模块和特殊的功能模块，灵活性强，内置可自由编程的Web服务器，有助于优化通信。IEC61131-3型PLC的内部逻辑结构如图5所示。

图5 IEC61131-3型PLC内部逻辑结构Fig.5 IEC61131-3 PLC internal logic structure

2.3 掉道检测程序设计

掉道检测系统运行流程如图6所示，分析振动数据频谱是该程序的核心功能。首先通过快速傅里叶算法分解出振动数据的频率幅值，对比排矸装置正常运行状态下的振动频率幅值，根据对比结果判断排矸装置的特定位置是否存在频率偏移。

图6 振动检测程序流程Fig.6 Vibration detection program flow

3 实际应用

3.1 工程概况

此次研究将经过优化后的自动化技术的煤矿排矸运输系统应用于山西省太原市屯兰煤矿的排矸作业中，该煤矿总出矸量约为28.3万t，现有1台斜巷带式输送机(运输能力630 t/h)、1台斜巷绞车(JKB2×1.5 A单绳缠绕式提升机)，配合1吨U型矿车运输，串车数量为5辆。经一系列计算发现，该煤矿31.5万t，排矸系统需要满负荷运行。为了确保排矸工作的顺利运行，该单位决定将自动化技术的煤矿排矸运输系统应用于矿井矸石山变频提升机的监控工作中，该目标设备为2JTP1600型1.6 m单滚筒绞车，额定电压380 V，功率280 kW，钢丝绳直径18.5 mm，具体形貌如图7所示。

图7 2JTP1600型单滚筒绞车Fig.7 2JTP1600 single drum winch

3.2 传感器安装

出于检测精度方面的考虑，本次研究分别于减速齿轮箱轴承、交流电机轴承2个部位安装振动传感器，安装位置和安装结果分别如图8所示，2个传感器分别引出2条数据线并与振动模拟信号采集器相连，并通过振动信号采集器将模块信号转换为PLC能够直接处理的数字信号。

图8 振动传感器信号采集箱Fig.8 Vibration sensor signal collection box

3.3 检测结果分析

为2JTP1600型1.6 m单滚筒绞的电机工作基频为40 Hz，在出现掉道现象的情况下，齿轮箱处的振动频率会达到800 Hz，电机处的振动频率会达到100 Hz，均大幅高于正常状态，需要暂时停止提升，解决提升机的掉道问题。

4 经济分析

自动化排矸运输系统应用前后的经济性对比结果见表1。

表1 自动化排矸运输系统应用前后的经济性对比结果Tab.1 Economic comparison results before and after application of automated waste disposal transportation system

5 结论

自动化技术的煤矿排矸运输系统的应用有效解决了太原市屯兰煤矿排矸装置掉道检测不及时、不准确的问题。经过为期1年的实地应用后，仅人力成本每年节约40万元以上，对于掉道问题的检测灵敏度大幅提高，生产效率也得到了相应的提升。