主井卸载仓位超限保护装置的研究与应用

刘相楠 张 琨 王荣刚 孔 栋

（鄂尔多斯市营盘壕煤炭有限公司，鄂尔多斯 017300）

1 研究背景

煤矿为高危行业，要实现本质安全，需要减少现场施工人员，提高自动化水平。作为煤矿开采中的重要设备，矿井提升机的自动化水平是生产系统中最高级的。

营盘壕煤矿与德尔泰克公司合作开发的矿井提升机无线巡视系统，基于德国西门子公司sm@rtaccess技术实现了数据的实时上传。巡检人员可手持巡检仪读取上位机所有信息，实时比对现场设备的运行情况，在诊断故障和评判设备运行情况方面具有重要作用。

煤矿立井使用箕斗将煤炭提升至地面后，采用曲轨或外动力方式打开箕斗的扇形闸门，将煤炭卸载到卸载仓内。卸载仓下部是给煤机，能将煤炭转载到皮带机上。

主井提升系统是矿井的咽喉。卸载煤仓仓位超限保护装置出现误动作或发生故障时，会影响矿井的生产，造成巨大的经济损失。

卸载煤仓潮湿、粉尘大、振动大，保护装置容易发生故障，导致主井停止提升。为确保主井提升系统的安全可靠性，针对卸载仓位超限保护装置展开了一系列研究探索，实践应用了多种形式的保护装置，总结了各种保护装置的优缺点。

2 电极式仓位超限保护装置

最初使用的是电极式仓位超限保护装置。当卸载仓满仓时，电极式仓位超限保护装置的金属探头与煤仓里的煤接触，实现仓位超限保护动作，此时提升机满仓停车。

电极式仓位超限保护装置的金属探头与煤接触，相当于与地面构成了起动回路。由于空气湿度变化，煤质含水情况不同，保护装置的灵敏性和可靠性均不理想。当空气比较潮湿或煤炭中含水较多时，潮湿的煤炭溅到探头上，电极式仓位超限保护装置可能出现误动作，使提升机不能运行而影响矿井生产。而当煤质比较干燥、导电性弱时，即使卸载煤仓的实际煤位已经超限，煤炭接触到金属探头也不能实现保护停车，会使多出的煤炭撒向井底，严重威胁工作人员和井筒装备的安全[1]。

3 万向行程开关式仓位超限保护装置

由于电极式仓位超限保护装置存在不可忽视的缺点，无法满足使用需要，后来改用万向行程开关式仓位超限保护装置。万向行程开关外形如图1所示。装置中的传感器垂直向下安装，在传感器摆杆没有外力作用时，由于重力的作用该装置处于垂直向下的状态。当传感器端头受到外力作用时，摆杆会离开中心点，在达到一定角度时触发弹片，使常开点闭合、常闭点断开。

图1 万向行程开关

将该万向行程开关垂直向下安装于卸载煤仓后部，贴近设定的煤位高度。当煤炭堆积到一定程度推动摆杆时，会引发仓位超限保护装置报警，并停止提升机运行。万向行程开关摆杆的端部设置为螺旋桨型，以防发生煤粉不能推动摆杆发生保护失效的事故。

使用初期，发现万向行程开关式仓位超限保护装置相对于电极式仓位超限保护装置优点突出，动作灵敏可靠。但是，该装置长期受煤炭冲击，可能会被煤炭整体埋没，故障率为10次/月，不符合现代化高产高效矿井的要求。

4 摆杆+万向行程开关式仓位超限保护装置

为降低万向行程开关式仓位超限保护装置的故障率，设计了一种机械装置，将万向行程开关安装在卸载仓外部墙壁上。在卸载煤仓上安装机械摆杆，摆杆转动时带动同轴的铁片触碰万向行程开关，使万向行程开关动作。

最初设计的摆杆长度为1.2 m，摆杆端部与篦子梁下部平齐，预想当煤位到达篦子梁高度时仓位超限保护装置启动。但是，现实使用中经常出现前一次卸煤后煤位距摆杆下端10 cm左右，而卸载仓下的给煤机因各种原因没有启动，煤位一直保持不变，下一次卸煤时可能出现煤炭溢出掉入井筒的情况。所以，仓位超限保护装置必须保证卸载仓内留有一箕斗煤炭的空余容量。煤炭粒度不同，卸载仓前部与后部的煤炭高度差总有变化。如果仓位超限保护装置仅安装在卸载仓后部，就不能准确反映卸载仓的最高煤位，可能出现保护失效事件。

卸载仓上部的篦子梁是为了防止大块煤矸进入仓内。煤流中存在大块煤矸时，会在篦子梁上被担住，但阻止其他小块煤矸进入仓内会导致煤位虚高，造成煤矸超出卸载仓落入井筒内。针对以上问题，要求采掘时避免出现大块煤矸，调整卸载仓篦子梁的宽度，以防在篦子梁上堆积煤矸，同时在卸载仓前部和后部各安装一道摆杆式仓位超限保护装置。在每次箕斗卸煤时，安装在前部的保护装置摆杆会受到煤矸冲击。根据卸煤时间，设置延时报警，如果连续30 s万向行程开关一直处于动作状态，则仓位超限保护装置故障闭锁提升机的下一次运行。此时，即使装煤的箕斗已经提升到卸载仓口，也不能向卸载仓内卸煤。

经过这项改造，行程开关不再受煤炭冲击和埋没，大大降低了故障率。安装前后两道摆杆式保护装置，基本杜绝了仓位超限事故的发生。

但是，经过一段时间的应用，发现前部安装的万向行程开关的故障率为4次/月，每次影响生产时间1 h左右，每月影响生产约4 h，少提升煤炭4 000 t，经济损失高达160万元。为降低仓位超限保护装置的故障率，提高经济效益，检查损坏的万向行程开关后发现，故障原因是动作过于频繁，箕斗向卸载仓内卸煤时冲击力过大，摆杆和铁皮组成的同轴转动装置中摆杆长度为铁皮长度的10倍。根据杠杆原理，铁皮对万向行程开关的冲击力是煤炭对摆杆冲击力的10倍，后续需对其进行改良。

5 摆杆+接近开关式仓位超限保护装置

为克服摆杆+万向行程开关式仓位超限保护装置故障率高的缺点，设计了一种非直接接触式的仓位超限保护装置。

在各类开关中，对接近它的物件有“感知”能力的元件称为位移传感器。利用位移传感器，无须与运动部件进行机械直接接触就可以操作的位置开关称为接近开关[2]。当物体接近开关感应面到达动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令。接近开关是一种开关型传感器，具有行程开关和微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强，具有防水、防震、耐腐蚀等特点。接近开关主要有电感式、电容式、霍尔式、交流型以及直流型等几种类型。

接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近开关感应区域时，开关能无接触、无压力、无火花，可迅速发出电气指令，准确定位运动机构的位置和行程。即使用于一般的行程控制，它的定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，也是一般机械式行程开关不能比拟的[3]。

使用接近开关代替万向行程开关，将接近开关安装于距离铁皮10 mm左右的位置。正常情况下，接近开关可以感应到铁片的存在。但是，当摆杆受煤炭冲击离开中心线位置时，接近开关不能感应到铁片，会有一个信号传输到系统中。30 s内，该信号连续存在，说明煤位超限，摆杆被煤矸卡住，不能回到中心线位置。

将万向行程开关更换为接近开关后，故障率降低到2次/月，每月减少经济损失80万元。为继续降低故障率，逐次分析故障，发现均为机械故障。摆杆、转轴、铁片为组合式结构，长期受冲击，连接处易松动。当摆杆与转轴的连接处发生相对滑动时，摆杆回到中心线位置，铁片仍然偏离接近开关，会导致误报故障，严重时发生了一次摆杆脱落掉入卸载煤仓的事故。

6 摆杆+磁性开关式仓位超限保护装置

为解决摆杆+接近开关式仓位超限保护装置的机械故障多的问题，有两个解决方向：一是增强这种组合结构的连接牢固性，将两者彻底焊接在一起，但不便更换被撞弯的摆杆；二是简化机械结构，使用一根整体的摆杆，但不用通过组合结构传递运动。

根据具体情况，选择简化机械结构，使用一根整体的摆杆，不用通过组合结构传递运动，即一根摆杆上半部穿一根销子，固定在卸载煤仓上面的横梁上。在摆杆顶端安装一块磁铁，在磁铁对面安装一个磁性开关。正常情况下，磁性开关可以感应到磁铁的存在。当摆杆受到煤炭冲击而离开中心线位置时，磁性开关不能感应到磁铁的存在，此时会有一个信号传输到系统中。30 s内该信号连续存在，说明煤位超限，摆杆被煤矸卡住，不能回到中心线位置。

磁性开关又叫干簧管或磁控管，是利用磁场信号实现控制的一种开关元件。当无磁时，电路断开，能用来检测机械运动或电路状态。磁性开关不处在工作状态时，玻璃管中的两个簧片不接触。如果有磁性物质接近玻璃管，在磁场作用下，两个簧片会被磁化而相互吸合在一起，从而使电路接通。当磁性物质消失后，没有外磁力的影响，两个簧片又会因为自身具有的弹性而分开，断开电路。

磁性开关与接近开关相比，感应范围更大。接近开关的有效感应距离为10 mm，磁性开关的感应距离为50 mm。使用磁性开关，在摆杆受冲击发生轻微变形时，不会影响监测结果。

实施该项改造后，仓位超限保护装置的故障率下降到1次/月。

7 雷达物位仪式仓位超限保护装置

在矿井下的主煤仓上口安装雷达物位仪，用来测量煤仓的煤位。虽然空气潮湿、有雾气、煤尘，但使用效果好，测量精度高。

为彻底杜绝仓位超限保护装置发生故障，计划使用完全非接触式传感器——雷达物位仪[4]。雷达物位仪中天线发射调频连续雷达波（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）。这个雷达波以光速在空间传播，遇到被测物料表面后，部分能量被反射回来被同一天线接收。发射雷达波与接收雷达波的时间间隔与天线到被测物料表面的距离成正比。由于雷达波的传播速度极高，发射雷达波与接收雷达波的时间间隔很小，基本为纳秒量级，很难确认。

“发射—反射—接收”是雷达物位仪的基本工作原理。利用这一原理可以测量实容器内物料高度。雷达物位仪由发射装置、接收装置、信号处理器、显示器以及控制按钮等硬件组成。发射装置是通电后发射雷达波到被测物料表面的装置。接收装置能接收从被测物料表面反射回来的雷达波。信号处理器是处理接收回来的雷达波，然后通过显示器进行显示[5]。

将雷达物位仪安装在卸载煤仓上，前后各安装1台。雷达物位仪将实时测量的料仓内物料高度值转换为电流信号传输给控制仪表。在控制仪表上设置煤位上限值，当煤炭高度高于上限值并持续30 s后，报仓位超限故障[6]，闭锁提升机的下一次运行，并禁止箕斗向卸载煤仓内卸煤。安装雷达物位仪时必须固定牢固，不得受振动改变方向，并注意躲开卸载煤仓上口篦子梁等障碍物。每月擦拭一次雷达物位仪的发射接收口玻璃，防止煤尘在玻璃上堆积，干扰信号的发射与接收。

安装雷达物位仪后，取消频繁受煤炭冲击的摆杆结构，可杜绝仓位超限保护装置发生故障，实现真正的零故障运行。

8 结语

通过对卸载煤仓仓位超限保护装置的不断研究改造，试验各种机构和传感器，不断降低故障率，最终杜绝了故障的发生，确保了矿井煤炭提升运输的安全高效性。使用非接触式检测装置可大幅降低设备设施的故障率，根据传感器的性能参数合理选用传感器，对实现监测功能具有重大意义。