謝光輝

（汾西礦業(yè)集團兩渡煤業(yè)公司， 山西 靈石 031300）

0 引言

采面煤炭開采及巷道掘進是井下生產(chǎn)主要工序，隨著煤炭開采強度不斷增加，井下巷道掘進工程量呈顯著增加趨勢[1-2]。眾多的學者及工程技術(shù)人員對巷道掘進技術(shù)、圍巖支護技術(shù)及超前探測技術(shù)等進行研究，發(fā)現(xiàn)提高掘進、支護機械化、自動化及智能化水平是實現(xiàn)巷道快速掘進的重要保障條件[3]。為此眾多礦井采用先進的掘進、支護及運輸設(shè)備提高巷道掘進效率及掘進進尺，但是在巷道掘進過程中由于掘進設(shè)備工作環(huán)境惡劣、負載大同時掘進受粉塵、瓦斯、電磁干擾等多因素影響，容易導致掘進設(shè)備出現(xiàn)各類故障。掘進設(shè)備在使用期間常見故障類型包括有截割電機高溫停機或者電機損壞；長期高負載運行導致截割部位軸承、花鍵、截割齒或者花鍵等出現(xiàn)裂紋、斷裂、異常磨損等；液壓油泵或者其他液壓系統(tǒng)損壞導致運輸部位運行異常；噴霧或者供水系統(tǒng)故障導致無法噴霧。掘進設(shè)備出現(xiàn)故障會嚴重制約巷道掘進效率甚至出現(xiàn)安全事故[4-8]。為實現(xiàn)巷道安全高效掘進，需要對掘進設(shè)備進行監(jiān)控，以便實時掌握掘進設(shè)備運行情況并對故障進行預警。文中就以山西某礦15215 運輸巷掘進為背景，對掘進設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)進行分析探討，以期為其他礦井掘進設(shè)備監(jiān)控工作開展提供經(jīng)驗借鑒。

1 工程概況

15215 運輸巷位于15 采區(qū)，巷道沿著回采的2 號煤層底板掘進，煤層賦存穩(wěn)定、埋深均值256 m，傾角2°～9°，厚度5.8～6.37 m、均值6.12 m。15215 運輸巷掘進范圍內(nèi)地質(zhì)條件簡單，斷層、褶曲以及陷落柱等構(gòu)造不發(fā)育，在掘進至750～960 m范圍內(nèi)煤層中2～5 層泥巖夾矸。為實現(xiàn)15215 工作面煤炭快速回采，15215運輸巷采用較為先進的掘進設(shè)備，通過掘錨一體機+錨桿轉(zhuǎn)載機組+橋式轉(zhuǎn)載機+變頻帶式輸送機等方式實現(xiàn)巷道快速掘進，采用的掘錨一體機型號為MB670-I；錨桿轉(zhuǎn)載機型號為MZHB5-1000/30P，與掘錨機配合實現(xiàn)掘進、運輸及支護平行開展；橋式轉(zhuǎn)載機最大伸縮長度達到100 m，可滿足快速掘進需要；使用的帶式輸送機型號為DSJ100/100/2×200，電機功率為2×200 kW、額定運輸量為1 000 t/h。15215 運輸巷設(shè)計為矩形斷面（凈寬5.6 m、凈高4.3 m），設(shè)計采用錨網(wǎng)索支護，其中頂板布置4 根規(guī)格Φ22 mm×2 300 mm 螺紋鋼錨桿、間排距為1 600 mm、1 000mm；采用3 根規(guī)格Φ16.8 mm×6 300 mm 錨索補強支護，布置間排距為1 400 mm、2 000 mm；巷幫布置4 根規(guī)格均為Φ22 mm×2 300 mm 錨桿（采面幫為玻璃鋼錨桿、煤柱幫為螺紋鋼錨桿），錨索間排距為1 500 mm、1 000 mm。正常情況下15215 運輸巷掘進進尺超過680 m/月，但是當掘進設(shè)備出現(xiàn)故障時會嚴重制約巷道掘進，為此文中構(gòu)建掘進設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，以期提高掘進設(shè)備可靠性及故障隱患排查能力。

2 掘進設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

15215 運輸巷使用的MB670-I 掘錨一體機涉及機械、液壓以及電氣系統(tǒng)，文中構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)主要針對掘錨一體機的重要組成部分，包括電機、電氣設(shè)備以及泵站等。監(jiān)控系統(tǒng)核心為MCU（微處理器），結(jié)構(gòu)層級包括有智能監(jiān)測層、遠程監(jiān)測中心層，具體架構(gòu)如圖1 所示，智能監(jiān)測層結(jié)構(gòu)包括有信號采集電路、監(jiān)測傳感器、聲光報警裝置、MCU、顯示模塊以及接口電路等，可實現(xiàn)掘進機結(jié)構(gòu)部件數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換及處理等，當發(fā)現(xiàn)異常時發(fā)出聲光報警信號并將結(jié)果通過工業(yè)以太網(wǎng)上傳至監(jiān)控上位機；遠程監(jiān)測中心層把控有工控PC、顯示器以及通信網(wǎng)絡(luò)等，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及顯示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計綜合巷道現(xiàn)場掘進條件以及掘進機工作原理進行，分別選用壓力、傾角、電流、振動以及瓦斯傳感器等布置在掘進機關(guān)鍵位置實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備運行參數(shù)監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)采集調(diào)理電流對監(jiān)測參數(shù)進行采集、放大、濾波以及轉(zhuǎn)換等，并通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給MCU 處理單元，MCU 內(nèi)嵌程序?qū)ΡO(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析，以便判定是否進行預警。

2.2.1 系統(tǒng)硬件選型

監(jiān)控系統(tǒng)涉及的硬件設(shè)備包括有各類監(jiān)測傳感器、MCU（微處理器）、通信電纜、遠程工控機、電源以及電路板等。MCU 選用意法公司生產(chǎn)的STM32L0 型低耗MCU，該MCU 閃存為64 kB、RAM為8 kB，通過64 引腳封裝；瓦斯傳感器選用GJC4 甲烷傳感器，具備結(jié)構(gòu)簡單、監(jiān)測精度高等優(yōu)點；振動傳感器選用BZ11 振動傳感器，具備抗干擾能力強、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。

2.2.2 狀態(tài)監(jiān)測模塊

監(jiān)控系統(tǒng)需要對瓦斯、濕度、掘進機組成部件等監(jiān)測。液壓系統(tǒng)依靠壓力、溫度傳感器實現(xiàn)液壓系統(tǒng)油溫、油壓等持續(xù)監(jiān)測，當出現(xiàn)壓力或者油溫異常時會發(fā)出預警；對液壓電機電流、電壓等持續(xù)監(jiān)測。

截割系統(tǒng)對截割電機電流、電壓以及繞組溫度監(jiān)測，通過振動傳感器實現(xiàn)截割電機減速器、傳動軸等振動監(jiān)測；噴霧系統(tǒng)監(jiān)測包括供水流量、高壓水泵壓力等；此外對運輸部、裝載部以及行走部液壓馬達壓力進行持續(xù)監(jiān)測，對掘進機本體振動、機身傾角等持續(xù)監(jiān)測。具體狀態(tài)監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 狀態(tài)監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)

2.2.3 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)通信主要依靠現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)，MCU通過8 個數(shù)據(jù)引腳與顯示屏進行數(shù)據(jù)通信，通過RW、RS、EN 管腳對LED 顯示進行控制；MCU 與工控機間用RS-485 串口通信；傳感器采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)理電路與MCU 進行數(shù)據(jù)交互。具體選用的MCU 與顯示屏間通信如圖3 所示。

圖3 MCU 與顯示屏通信連接示意圖

2.3 監(jiān)控程序

為實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、處理以及傳輸，需對監(jiān)控系統(tǒng)MCU 核心處理器進行編程。MCU 處理器型號為STM32L0，監(jiān)控程序開發(fā)平臺選用KeiL，該平臺集成宏匯編語言、C 語言編譯器、連接庫以及仿真調(diào)試器等，可實現(xiàn)監(jiān)控程序編寫、調(diào)試。具體監(jiān)控程序數(shù)據(jù)處理流程如圖4 所示。

圖4 監(jiān)控程序數(shù)據(jù)處理流程

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

將構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到15215 運輸巷掘進設(shè)備監(jiān)控中，該監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)掘進設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)采集、處理，當發(fā)現(xiàn)存在故障時會發(fā)出聲光報警信號。同時監(jiān)控系統(tǒng)通過各類傳感器可實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運行溫度、振動值、傾角、壓力等監(jiān)測、顯示。在監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用過程中，曾發(fā)現(xiàn)截割部振動異常報警，操作人員停機檢查后發(fā)現(xiàn)截割頭截割較為堅硬夾矸時導致回轉(zhuǎn)軸銷脫落，后經(jīng)過緊固處理后及時消除了隱患；在設(shè)備液壓系統(tǒng)、電機等運行溫度過高時，監(jiān)控系統(tǒng)也會發(fā)出報警信號?，F(xiàn)場應(yīng)用實踐表明，文中所提監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)掘進機運行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等監(jiān)控，可在一定程度提升掘進機運行可靠性及保障能力。

4 結(jié)語

文中以15215 運輸巷快速掘進為背景，構(gòu)建掘進設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)對掘進機運行狀態(tài)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等進行監(jiān)測，當發(fā)現(xiàn)掘進機出現(xiàn)故障或環(huán)境參數(shù)異常時即會發(fā)出預警信息，從而達到增強掘進機的可靠性、安全性?，F(xiàn)場應(yīng)用實踐表明，該監(jiān)控系統(tǒng)運行平穩(wěn)，可實現(xiàn)掘進設(shè)備、環(huán)境參數(shù)監(jiān)控，同時可顯示、計算、存儲計算結(jié)果，自動判定掘進設(shè)備運行是否出現(xiàn)異常，發(fā)現(xiàn)異常時會及時發(fā)出聲光報警信號。構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)具備實時性強、自動化程度高等優(yōu)點，可滿足快速掘進巷道掘進設(shè)備監(jiān)控需要。