煤礦工作面綜采設(shè)備順煤流啟動(dòng)技術(shù)

吳愛(ài)民，劉建偉

(寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，寧夏 銀川 750000)

0 引言

目前煤礦工作面運(yùn)輸設(shè)備啟動(dòng)時(shí)由外向里逐臺(tái)啟動(dòng)稱逆煤流啟動(dòng)；停車時(shí)由里向外逐臺(tái)停車稱順煤流停車。采用逆煤流啟動(dòng)順煤流停車的運(yùn)行方式主要是防止各運(yùn)輸設(shè)備上的煤炭殘留或因后級(jí)設(shè)備問(wèn)題導(dǎo)致煤流運(yùn)行中斷從而對(duì)前級(jí)設(shè)備產(chǎn)生影響。同時(shí)也帶來(lái)了設(shè)備空轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，能源消耗大的問(wèn)題。隨著大功率中高壓變頻技術(shù)在刮板輸送機(jī)中的成熟應(yīng)用，井工綜采設(shè)備完整的變頻應(yīng)用趨于完善，一網(wǎng)到底環(huán)網(wǎng)技術(shù)逐步普及到了綜采工作面，變頻器完善的通訊接口以及豐富的數(shù)據(jù)共享功能，為實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)井工綜采設(shè)備的啟動(dòng)邏輯順序成為可能。近年刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶機(jī)煤流檢測(cè)技術(shù)逐步應(yīng)用，為綜采設(shè)備順煤流啟動(dòng)奠定了技術(shù)支撐。

1 現(xiàn)有煤礦綜采設(shè)備啟動(dòng)順序

設(shè)備啟動(dòng)流程為：主井皮帶機(jī)→順槽皮帶機(jī)→破碎機(jī)→轉(zhuǎn)載機(jī)→刮板輸送機(jī)→采煤機(jī)。前級(jí)設(shè)備啟動(dòng)后達(dá)到額定運(yùn)行速度，給下一級(jí)指令后，下級(jí)設(shè)備開(kāi)始啟動(dòng)運(yùn)行，據(jù)統(tǒng)計(jì)從調(diào)度室下達(dá)開(kāi)機(jī)命令，從第一級(jí)設(shè)備啟動(dòng)到正常采煤時(shí)間大于40 min，甚至達(dá)到1 h以上，并且啟動(dòng)方式靠各設(shè)備司機(jī)操作，無(wú)法了解上級(jí)、下級(jí)設(shè)備的運(yùn)行情況，主要靠司機(jī)經(jīng)驗(yàn)判斷上一級(jí)正常后再啟動(dòng)本設(shè)備，并且在啟動(dòng)后，不論設(shè)備上是否有煤流或煤流負(fù)荷的大小，一直恒速運(yùn)行。顯而易見(jiàn)這樣的啟動(dòng)、運(yùn)行方式使設(shè)備空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間很長(zhǎng)，最終浪費(fèi)功耗，設(shè)備磨損嚴(yán)重。

2 適應(yīng)順煤流控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 煤流檢測(cè)技術(shù)

以“煤流系統(tǒng)”為對(duì)象，涵蓋從刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、井下原煤運(yùn)輸各型號(hào)皮帶機(jī)、主斜井皮帶機(jī)運(yùn)輸機(jī)/立井提升機(jī)、地面選煤廠輸送皮帶機(jī)、選煤廠內(nèi)煤流輸送系統(tǒng)、地面堆場(chǎng)管理系統(tǒng)、裝船/裝車系統(tǒng)等煤流流經(jīng)設(shè)備；體現(xiàn)了對(duì)井下原煤運(yùn)輸環(huán)節(jié)、提升環(huán)節(jié)、地面原煤運(yùn)輸環(huán)節(jié)以及洗選環(huán)節(jié)所涉及單體設(shè)備的自動(dòng)化和智能化，以及全運(yùn)輸環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性和整體性理念，通過(guò)完善的數(shù)學(xué)建模、可靠的軟、硬件體系，不僅實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備的智能化、系統(tǒng)化，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)管理的自適應(yīng)性、系統(tǒng)性的變革。采用激光雷達(dá)掃描傳感器，掃描煤層輪廓，可以檢測(cè)設(shè)備上有無(wú)煤流、煤層厚度、通過(guò)的煤量等信息，具體原理如圖1所示。

圖1 掃描儀安裝及掃描示意Fig.1 Installation and scanning of scanner

tf時(shí)間內(nèi)通過(guò)掃描儀的煤量為

式中，dr為空載距離測(cè)量值；α為當(dāng)前掃描寬度；dα為實(shí)際距離測(cè)量值；α0為起始掃描角度；δ為角度分辨率；αf終止掃描角度；Uk為每個(gè)刮板的體積。

智能煤流系統(tǒng)檢測(cè)單元主要由掃描儀和工業(yè)PC組成，用于實(shí)時(shí)掃描煤流的斷面形狀，并對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)時(shí)獲得煤流的平均高度值，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)通信傳出。用于對(duì)整個(gè)膠帶機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的煤流情況進(jìn)行在線掃描和計(jì)算，是最重要的傳感器，也是智能煤流系統(tǒng)得以實(shí)施的重要基礎(chǔ)，如圖2所示。

煤流從空載到帶載的變化過(guò)程：在來(lái)煤的情況下，皮帶上從很少煤量變化為有較大煤量的一段時(shí)間，可以看到煤流的輪廓變化以及煤層高度的變化情況。

圖2 煤流平均高度的變化曲線Fig.2 Variation curve of average height of coal flow

2.2 礦用變頻技術(shù)的發(fā)展

變頻技術(shù)在最近20 a飛速發(fā)展，在大部分煤礦企業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用，例如:晉城煤業(yè)集團(tuán)、潞安礦務(wù)局、淮北礦務(wù)局等。運(yùn)用變頻器對(duì)帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行改造，給用戶帶來(lái)較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的軟起動(dòng)：運(yùn)用變頻器對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使用變頻器的軟起動(dòng)功能，將電機(jī)的軟起動(dòng)和皮帶機(jī)的軟起動(dòng)合二為一，通過(guò)電機(jī)的慢速起動(dòng)，帶動(dòng)皮帶機(jī)緩慢起動(dòng)，將皮帶內(nèi)部貯存的能量緩慢釋放，使皮帶機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中形成的張力波極小，幾乎對(duì)皮帶不造成損害。

實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的功率平衡：應(yīng)用變頻器對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，一般采用一拖一控制，當(dāng)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，采用主從控制，實(shí)現(xiàn)功率平衡。

降低皮帶帶強(qiáng)：采用變頻器驅(qū)動(dòng)之后，由于變頻器的起動(dòng)時(shí)間可在1～3 600 s可調(diào)，通常皮帶機(jī)起動(dòng)時(shí)間在60～200 s內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定，皮帶機(jī)的起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，大大降低對(duì)皮帶帶強(qiáng)的要求，降低設(shè)備初期投資。

降低設(shè)備的維護(hù)量：變頻器是一種電子器件的集成，它將機(jī)械的壽命轉(zhuǎn)化為電子的壽命，壽命很長(zhǎng)，大大降低設(shè)備維護(hù)量。同時(shí)，利用變頻器的軟起動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟起動(dòng)，起動(dòng)過(guò)程中對(duì)機(jī)械基本無(wú)沖擊，也大大減少了皮帶機(jī)系統(tǒng)機(jī)械部分的檢修量。如晉城煤業(yè)集團(tuán)王臺(tái)二號(hào)井順槽皮帶采用變頻器驅(qū)動(dòng)后，僅皮帶扣一項(xiàng)年節(jié)約費(fèi)用就達(dá)一萬(wàn)多元。

節(jié)能：在皮帶機(jī)上采用變頻驅(qū)動(dòng)后的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在系統(tǒng)功率因數(shù)和系統(tǒng)效率2個(gè)方面。

通過(guò)變頻技術(shù)在煤礦的推廣應(yīng)用，為統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)順煤流集中監(jiān)測(cè)控制奠定基礎(chǔ)。

3 順煤流啟動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 順煤流啟動(dòng)方案及實(shí)現(xiàn)方式

啟動(dòng)方案：通過(guò)對(duì)該礦調(diào)研論證，設(shè)備的開(kāi)機(jī)流程可調(diào)整為，調(diào)度室下達(dá)開(kāi)機(jī)指令→判斷各輸送設(shè)備是否具備啟動(dòng)條件→各設(shè)備均允許啟動(dòng)運(yùn)行→采煤機(jī)啟動(dòng)→刮板機(jī)啟動(dòng)→采煤機(jī)開(kāi)始割煤→煤流到達(dá)刮板機(jī)機(jī)頭→啟動(dòng)轉(zhuǎn)載機(jī)→啟動(dòng)破碎機(jī)→啟動(dòng)順槽皮帶機(jī)→煤流到達(dá)順槽皮帶機(jī)機(jī)頭→啟動(dòng)主井皮帶機(jī)→啟動(dòng)完成。

實(shí)現(xiàn)方式：對(duì)在刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶機(jī)合適位置，安裝煤流監(jiān)測(cè)裝置，并通過(guò)控制器1、2實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送設(shè)備的啟動(dòng)控制，如圖3所示。

圖3 煤流監(jiān)測(cè)及啟動(dòng)控制示意Fig.3 Monitoring and start-up control of coal flow

在原運(yùn)輸系統(tǒng)逆煤流一鍵啟動(dòng)方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)的順、逆煤流自適應(yīng)一鍵啟動(dòng)，在除最前級(jí)皮帶機(jī)外的各部皮帶機(jī)上安裝3個(gè)有煤監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各有煤監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳到PLC主控制器內(nèi)，為保證皮帶順、逆煤流安全可靠啟動(dòng)運(yùn)行，3個(gè)有煤監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置互鎖參數(shù)，防止任一檢測(cè)點(diǎn)失靈，前級(jí)皮帶未開(kāi)機(jī)造成皮帶堆煤事故。

發(fā)出順煤流啟動(dòng)信號(hào)前先對(duì)所有輔助設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)(按復(fù)位按鈕)，所有輔助設(shè)備正常后，再按啟動(dòng)按鈕，主控制器對(duì)所有有煤監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，任意一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)到有煤時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)前級(jí)皮帶；任何一部皮帶有煤監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)故障，本級(jí)和上級(jí)皮帶逆煤流啟動(dòng)，其它皮帶轉(zhuǎn)換為順煤流啟動(dòng)。

在每部皮帶機(jī)上合理設(shè)置3個(gè)有煤監(jiān)測(cè)點(diǎn)，作用分別是1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)到有煤時(shí)，發(fā)出1個(gè)給前級(jí)皮帶啟動(dòng)的指令；2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)上級(jí)皮帶是否運(yùn)行，如果沒(méi)有運(yùn)行信號(hào)，本級(jí)皮帶停車；3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)在順煤流剛開(kāi)機(jī)后，在前級(jí)皮帶沒(méi)有運(yùn)行的情況下，2#與3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間是否有煤，如果有煤，本級(jí)皮帶停車，上級(jí)皮帶啟動(dòng)，防止堆煤。

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間互鎖設(shè)置，安全可靠，不會(huì)出現(xiàn)堆煤事故，提高設(shè)備開(kāi)機(jī)率，該項(xiàng)目構(gòu)思新穎，設(shè)計(jì)獨(dú)特，從根本上解決了帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、電能浪費(fèi)嚴(yán)重問(wèn)題。啟動(dòng)流程如圖4所示。

圖4 順煤流啟動(dòng)流程Fig.4 Start-up process of coal flow

3.2 預(yù)期效果

3.2.1 與傳統(tǒng)逆煤流啟動(dòng)效果對(duì)比

本項(xiàng)目成果很好地解決了逆煤流啟動(dòng)，順煤流停止的傳統(tǒng)啟動(dòng)方式的不足。在順煤流開(kāi)機(jī)時(shí)，無(wú)論皮帶上是否有煤均不會(huì)造成堆煤現(xiàn)象，開(kāi)機(jī)時(shí)間短，減少空轉(zhuǎn)時(shí)間，減少設(shè)備磨損，節(jié)省電能多，并提高生產(chǎn)效率。

3.2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

直接經(jīng)濟(jì)效益：當(dāng)?shù)孛嫫Ъ叵到y(tǒng)一鍵啟動(dòng)逆煤流皮帶，從皮帶機(jī)啟機(jī)到下運(yùn)皮帶啟機(jī)約需10 min。每天按開(kāi)機(jī)3次計(jì)算(交接班時(shí)中間有1 h左右不出煤，停機(jī))，下運(yùn)皮帶帶長(zhǎng)1 750 m，帶速4 m/s，電機(jī)功率4×560 kW(因是最后一部皮帶故不存在空載損耗)，主井皮帶(第3部皮帶)帶長(zhǎng)3 350 m，帶速4 m/s，電機(jī)功率4×2 240 kW，空載損耗4×250 kW·h，每天節(jié)省電能1 160 kW·h；201皮帶(第2部皮帶)帶長(zhǎng)68.5 m，帶速4 m/s，電機(jī)功率560 kW，空載消耗電量50 kW·h，每天節(jié)省電能95 kW·h；214皮帶(第1部皮帶)帶長(zhǎng)190 m，帶速4 m/s，電機(jī)功率560 kW×2，空載消耗電量2×50 kW·h，每天節(jié)省電能195 kW·h。

主井皮帶、1號(hào)皮帶、2號(hào)皮帶：每天可節(jié)省電能1 450 kW·h，每年可節(jié)省電能50.75萬(wàn)kW·h，節(jié)省電費(fèi)約50.75萬(wàn)元/a。

間接經(jīng)濟(jì)效益：采用逆煤流啟動(dòng)皮帶，從皮帶機(jī)啟機(jī)到下運(yùn)皮帶啟機(jī)約需10 min；實(shí)行主運(yùn)皮帶系統(tǒng)順煤流啟動(dòng)，按每天開(kāi)機(jī)一次計(jì)算，每天可節(jié)約皮帶啟機(jī)時(shí)間10 min，按工作面每小時(shí)生產(chǎn)原煤1 500 t，每天可提高原煤產(chǎn)量250 t，每月可提高原煤產(chǎn)量7 500 t，每年提高原煤產(chǎn)量90 000 t，按400元/t計(jì)算，每年可增加經(jīng)濟(jì)效益約3 600萬(wàn)元。

4 結(jié)論

如果采用順煤流啟動(dòng)方案，理論上能有效降低能源消耗，顯著降低設(shè)備磨損。本順煤流啟動(dòng)方式主要應(yīng)用于多部長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)作為主運(yùn)輸系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)輸?shù)牡V山生產(chǎn)、洗選等場(chǎng)所，其經(jīng)濟(jì)效益明顯，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。

該方案通過(guò)調(diào)研、理論計(jì)算、論證具有可實(shí)施性，但是具體調(diào)速參數(shù)的給定、各設(shè)備啟動(dòng)時(shí)常余量給定等方面，缺乏實(shí)際的驗(yàn)證，后期在實(shí)施過(guò)程中，需要對(duì)各輸入、輸出參數(shù)、協(xié)同速度控制、邏輯啟動(dòng)閉鎖、故障判斷等方面需要根據(jù)具體情況進(jìn)行校正。