煤矿井下智能化高效综采技术的应用研究.pdf

引言 煤炭资源作为一种重要的能源，为人类社会的 发展进步提供巨大的助力，特别是随着以煤炭资源 为依托的冶金、 电力等行业的迅猛发展， 整个社会对 煤炭资源依旧保持着旺盛的需求， 同时随着人力、 运 输成本的不断增加也对煤炭生产企业造成了极大的 经济压力， 因此需求不断提效、 降成本的方法[1]。 煤矿井下的综采主要是由采煤机、刮板输送机 及液压支架共同协调完成，在综采作业时由人工根 据综采进度分别对采煤机、刮板输送机及液压支架 的作业状况进行调整， 受井下恶劣的作业环境影响， 在实际调整时经常造成不同步， 导致综采作业停止， 不仅对井下作业人员的安全造成了极大的威胁而且 极大地影响了煤矿井下的作业效率，因此实现采煤 机、 刮板输送机及液压支架的联合控制， 不仅可以降 低井下作业人员的数量而且可以降低因人工调节不 同步造成的综采作业间断，大幅提升井下作业的安 全性和综采效率。 1 “三机” 联动控制要求 采煤机在执行综采作业时需要确保落煤量能够 满足刮板输送机的安全运量，避免出现空载或者过 载运行，因此其在截割时的截割滚筒的转速和牵引 速度需根据刮板输送机的运输能力综合设定，同时 采煤机工作时的位置及牵引运动的方向及速度也直 接决定着液压支架的推溜位置和站位，采煤机牵引 速度计算可表示为 vc Qm 602KgmS酌C .（1） 式中 vc为采煤机截割作业时的牵引速度； Qm为刮 板输送机的额定输送能力； Kg为输送机运量的安全 调节系数，常取 1.21.4； m 为综采面煤壁的厚度； S 为截割滚筒截齿的截割深度； C 为煤炭的采出率， 取 0.94； 酌 为煤炭的容重。 液压支架在工作时需根据监测到的采煤机的坐 标进行相应的调整， 在需要移架时， 根据与采煤机的 相对位置， 计算出需移动的方向和行程， 由液压系统 控制完成护帮板收放、 移架、 顶升及支护作业， 在移 动过程中为了避免出现漏支护导致的煤层顶板塌 陷， 需确保移位速度大于采煤机的牵引速度[2]， 即 vc ≤v s nsL t .（2） 式中 vs为液压支架的移位速度； ns为同时移位的液 压支架的数量； t 为液压支架的追机速度； L 为相邻 液压支架的中心距。 刮板输送机在工作时的负载情况可通过对输送 机驱动电机的工作电流的监测来体现，当电机工作 电流超过额定工作电流的 90时可向采煤机发出过 载信号， 降低采煤机的综采速度， 当工作电流低于额 定工作电流的 70时， 则向采煤机发出指令控制， 采 煤机加快综采效率确保刮板输送机的连续运量， 从 而确保刮板输送机工作时的可靠性和使用寿命。 2 “三机” 联动控制系统总体方案 煤矿井下采煤机、刮板输送机及液压支架联合 控制系统中系统需要通过刮板输送机的负载状态信 号不断地调整采煤机的截割速度和牵引速度[3]， 根据 监测到的采煤机的综采位置，对相应位置的液压支 架的工作状态进行调整，联合控制系统的总体结构 如下页图 1 所示。 为简化系统结构，增加控制的精确性和反应速 度， 本文将该联合控制系统分为设备层、 监控层及管 理层三个部分， 设备层是指布置在采煤机、 刮板输送 煤矿井下智能化高效综采技术的应用研究 张洁 （山西煤炭运销集团金山煤业有限公司， 山西临汾041000） 摘要 针对目前煤矿井下综采设备自动化程度低、 设备之间协同运行能力差、 联动性能不足、 综采效率低下的 难题， 在对采煤机、 刮板输送机、 液压支架联动综采流程进行分析的基础上， 提出了一种新的以采煤机、 刮板输 送机、 液压支架联合控制系统为基础的煤矿井下智能化高效综采技术。该联合控制系统实现了对综采设备联动 运行的自动化控制与管理， 实现了井下作业少人化、 智能化的要求， 在极大提升煤矿井下综采效率的同时， 既促 进了煤矿安全管理水平的提高， 又对煤矿生产企业井下综采作业的自动化改造提供了参考。 关键词 综采技术联合控制智能化 中图分类号 TD355文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 05-0233-02 收稿日期 2020-03-09 作者简介 张洁 （1978） ， 男， 本科， 毕业于中国矿业大学， 工 程师， 现任安全副矿长， 主要从事煤矿安全管理工作。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.05.099 总第 205 期 2020 年第5 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 205 No.5， 2020 自动化技术与设计 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 机、液压支架上的各类传感器设备及各类的信息传 输和发送设备，其主要用于将各机械设备的运行状 态实时传输到联合控制中心， 完成同步协调。 监控层 主要由不间断电源、 联动控制设备及监控系统组成， 主要用于对 “三机” 的位置状态进行监测， 以便实现 自动和远程联动控制，管理层主要是由设置在地面 管理中心的各类储存、 显示及控制设备组成， 用于远 程对井下各设备的运行状态进行监测和控制。 3采煤机联合控制技术 在联合控制系统中对采煤机的控制主要包括对 截割负荷 （控制落煤速度） 和牵引速度的控制， 牵引 速度包括在巷道内的左侧牵引和右侧牵引，在工作 时系统监控设备将刮板输送机的负载信息、采煤机 的牵引速度及方向传递给控制中心，系统控制器根 据预设的分析软件的分析，发出对采煤机牵引速度 调整的信号，同时通过采煤机的变频调速系统确保 采煤机截割负荷满足调控要求，在联合控制系统中 采煤机的联动工作过程如图 2 所示。 4液压支架电液控制技术 在联合控制系统中，系统将监控到的采煤机工 作时的位置和位移信息传递给逻辑控制系统，逻辑 控制系统根据采煤机的工作状态及下一步的位移情 况， 控制相应位置的液压支架进行支护、 收撤、 移位 作业，液压支架的各种动作的执行主要是通过电液 控制系统完成的[4]， 其结构如图 3 所示。 液压支架各种动作的执行主要是由支架控制器 进行控制的， 支架控制器之间利用 CAN 数据总线实 现连接，在工作时通过红外传感器进一步确认采煤 机的相对站位，通过各种压力和位移传感器实现对 液压支架动作执行情况的监控，实现对液压支架工 作状态的联合控制，隔离耦合器主要是将不同控制 器的电源相互隔离，降低工作过程中对相邻控制系 统的电磁干扰，确保控制系统动作执行的可靠性和 灵敏性。 5联合控制系统通信技术 在联合控制系统中， 需要同时控制的机械设备 多， 动作复杂， 在同一时刻需传递的各类数据信息 量大，对各类数据信息数据的精确性要求较高， 因 此开发了新的联合控制通信技术， 其结构原理如图 4 所示。 该联合通信系统主要包括井下联合通信系统和 地面管理通信系统， 井下系统主要用于对现场监测数 据的传输及上传，完成各控制设备之间的数据通信 和控制，地面管理通信系统通过 ICP 通信协议与井 下通信系统连接， 完成地面和井下的数据信息交互。 6结语 根据煤矿井下刮板输送机、 采煤机、 液压支架的 工作情况以及实际工作经验提出的 图 1 “三机” 联动控制系统总体结构示意图 图 2采煤机的联动工作逻辑示意图 图 3液压支架电液控制系统结构示意图 图 4联合通信系统结构示意图 局域网总线 地面监控中心 UPS 监控中心 （PC） “三机” 联动控制器 现场总线 地 面 管 理 层 巷 道 监 控 层 设 备 层 支架控制 器 1 支架控制 器 2 支架控制 器 3 支架控制 器 n-2 支架控制 器 n-1 支架控制 器 n 输送机控制系统采煤机控制系统 左牵 右牵 牵停 加速 减速 自 动 牵 引 负 荷 自 适 应 采 煤 机 控 制 系 统 联 动 控 制 器 电源 1 号 支架控制器 电磁阀 驱动器 电磁 阀组 支架立柱支架千斤顶 位 移 传 感 器 压 力 传 感 器 红 外 传 感 器 电磁阀 驱动器 电磁 阀组 支架立柱支架千斤顶 位 移 传 感 器 压 力 传 感 器 红 外 传 感 器 隔离 耦合器 2 号 支架控制器 隔离 耦合器 电源 TCP/IP 地面调度管理中心 打印机 远程 Web 浏览用户 TCP/IP OPC Server 地面 井下 地面交换机 矿井环网 TCP/IP 井下交换机 监控中心 三机联动 控制器 现场总线 刮板输送机 采煤机 支架控制器 1 支架控制器 1 支架控制器 1 支架控制器 1 RS422 工作面 推井方向 工 作 面 （下转第 272 页） 234 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 2） 螺旋角修正 （齿轮轴的刚性变形） 齿轮轴的 装配方式， 无论是简支或悬臂结构， 都避免不了出现 轴受力后的刚度变形， 变形后， 处于轴向不同位置的 轮齿会出现不同的倾斜 （见图 6） ， 倾斜后， 齿轮受力 发生变化， 轮齿轴向受力不均匀， 从而引起异常受力 点的点蚀。改善方法为， 根据轮齿径向受力， 计算齿 轮所处位置的轴向倾角， 折算到相应的齿轮螺旋角。 通过改变齿轮螺旋角， 达到齿向受力均匀的效果。 标准齿形曲线为直线，经过齿顶和齿根修缘及 鼓形修正后变为鼓形， 加工后应为相对光滑的弧线。 如齿形弧线上出现异常凸起或凹陷，则会造成啮合 过程中异常点应力集中， 从而发生点蚀。 参考文献 [1]成大先.机械设计手册[M].北京 化学工业出版社， 2008. [2]齿轮手册编委会.齿轮手册[M].北京 机械工业出版社， 2000. （编辑 贾娟） 图 6齿轮轴刚度变形后示意图 Exchange of Experience in Typical Fault Handling of Gear Drive Meng Jiaqiang （Technical Center of China Heavy Auto Group Datong Gear Co., Ltd., Datong Shanxi 037305） Abstract This paper mainly discusses the faults of involute cylindrical gear which are easy to appear in the well lubricated closed transmission, analyzes and puts forward the idea of improving gear bending strength, and provides the department improvement plan. Key words gear; meshing transmission; pitting 采煤机、刮板输送机及液压支架联动的控制要求和 联合控制系统，极大提升了煤矿井下综采面工作的 自动化程度， 不仅实现了井下作业少人化、 智能化的 要求， 而且极大地提升了煤矿井下的综采效率， 对煤 矿生产企业提升综采作业经济性具有巨大的意义。 参考文献 [1]黄曾华. 综采工作面自动化控制技术的应用现状与发展趋势 [J].工矿自动化， 2013， 39 （10） 17-21. [2]付国军， 杨明亮， 许太山.综采无人工作面的整体设计与实现方 法的构想[J].工矿自动化， 2013， 39 （1） 39-42. [3]王国法， 朱军， 张良.液压支架电液控制系统的分析和展望[J]. 煤矿开采， 2000 （2） 5-8. [4]诸言军. 基于 PM31 系统的液压支架成组多架同步自动控制的 研究[J].工矿自动化， 2011， 37 （6） 73-75. （编辑 赵婧） Application of Intelligent and Efficient Fully Mechanized Mining Technology in Coal Mine Zhang Jie （Shanxi Coal Transportation and Marketing Group Jinshan Coal Industry Co., Ltd., Linfen Shanxi 041000） Abstract Aiming at the difficult problems of low automation, poor cooperative operation ability, insufficient linkage perance and low efficiency of fully mechanized mining, a new intelligent and efficient fully mechanized mining technology based on the combined control system of shearer, scraper conveyor and hydraulic support is put forward. At the same time, the coal mine safety management is promoted The improvement of the level also provides a reference for the automatic transation of underground fully mechanized mining operations in coal mining enterprises. Key words fully mechanized mining technology; joint control; intelligence （上接第 234 页） 272