煤矿固体智能充填设备改造与控制系统设计

　　固体充填开采是利用机械化的工艺，向采空区充填矸石等固体物料来控制煤层顶板，抑制上覆岩层移动，减弱地下开采活动对地面的影响。

现有的尾砂、胶结等充填方法基本实现了材料配比、泵送参数及充填工艺的智能控制。但对基于带式输送机与多孔底卸式输送机运输矸石等散体充填材料、借助机械进行充填材料夯实的固体充填方法而言，其装备相对较多、工艺更加复杂，固体充填智能化研究暂处萌芽阶段。

　　9月7日，中国矿业大学张吉雄教授课题组与冀中能源、郑州合新科技有限公司等的科研人员联合在《煤炭学报》发表题为《煤矿固体智能充填开采方法研究》（点击查看）的文章，研究结合充填技术升级、行业发展需要与矿山智能化建设三重需求，给出了固体智能充填开采概念、特征与难点，设计了固体智能充填控制程序与系统。张强副教授为第一作者。

　　一、固体智能充填方法概念与技术难点

　　固体智能充填方法概念：固体智能充填方法借助设备的智能特性，智能感知工艺参数、自主调整机构状态、自动执行充填工序、自行判断充填效果及实时可视充填场所，即在智能充填液压支架的总体掩护和控制下，多孔底卸式刮板输送机定点运输和定量卸载固体充填材料，夯实机构机械夯实充填材料及感知充填致密程度，单架的运卸夯工序在时间上自主组织，邻架的卸夯移工序在空间上自主衔接，工艺在时空衔接自主配合的过程。

　　固体智能充填方法原理图

　　固体智能充填技术难点：

　　(1) 固体智能充填装备方面，通过对装备进行智能化改造，使其自主感知充填状态并自动执行采充工序，需优选多功能的电磁阀组，设计智能控制程序与系统；

　　(2) 固体智能充填工艺方面，需精准设计采充工序的自动执行流程，精准把握位态干涉感知时间及相应的调整步骤；

　　(3) 固体智能充填过程控制方面，在进行自主机械夯实充填过程中，充填装备会产生机构干涉，需要给定机构干涉判别准则，进行干涉状态精准判断，并给出相应的解调方法；同时还需考虑充填装备型号、地质条件及不同采充工序对机构干涉判别的影响；

　　(4) 固体智能充填参数感知方面，充填装备干涉状态识别与调整过程中，需要实时获取装备运动及工艺过程参数，需确定不同的参数感知方法。

　　二、充填装备智能化设计与改造

　　（一）多孔底卸式刮板输送机智能化改进

智能化多孔底卸式刮板输送机结构图

　　（1）加装电液控制系统，电液控制系统的原理是电磁驱动器将来自控制器的电信号转变为液压信号，从而控制卸料油缸的开闭和多孔底卸式刮板输送机滑移油缸，完成卸料、推溜等工作。

　　（2）在卸料油缸中安装堆料高度传感器，实时监测卸料高度，及时开闭卸料口。

　　（3）在推移油缸中安装行程传感器，当充填液压支架跟机移架时，行程传感器自主感知测定滑移油缸推移距离，主控计算机通过电液控制系统控制多孔底卸式刮板输送机后移相同距离。

　　（4）加装监控摄像头，每一个摄像头负责监控3个卸料口的卸料状态。摄像仪可以将实时图像传输至主控计算机中。当工作面在充填采煤工序中出现问题，工作人员可以通过监控摄像头实时感知，并及时处理。

　　（二）充填液压支架智能化改进

智能四柱正四连杆固体充填液压支架结构示意图

　　（1）在采煤机、液压支架前部加装红外传感器，通过红外辐射转变为电信号，用于实时测量采煤机的位置，对采煤机进行定姿定位，精准把握采煤和充填时间。

　　（2）在支架后顶梁刮板输送机旁安装堆料高度传感器，用于实时检测充填物料与卸料口的距离，精准控制堆料高度，便于及时关闭卸料口，以免与夯实机构产生位态干涉。

　　（3）在夯实机构和支架后顶梁上分别安装倾角传感器，通过检测计算得出夯实机构的夯实角数据，并实时传送到主控计算机中，便于实时调整夯实角度，达到最优的夯实效果。

　　（4）在夯实机构的液压千斤顶中安装推移千斤顶行程传感器，该传感器实时记录夯实机构进行夯实工作时，液压油缸运动的长度，便于统计分析，判断物料夯实程度。

　　（5）在夯实机构的液压千斤顶中安装压力传感器，对夯实机构的夯实力变化情况进行数据监测，并将监测数据转化为电信号实时传输到主控计算机上，经过夯实力计算夯实次数，辅助判断充填效果；

　　（6）在充填液压支架的前后立柱的千斤顶上分别安装压力传感器，可以实时监测立柱的受力情况，同时通过压力数据的计算，可判断充填过程中顶板是否发生破坏，有助于充填液压支架根据不同的地质情况进行自主调整，从而避免对充填液压支架造成损坏。

　　（7）电液控制系统控制智能化固体充填液压支架自主完成移架、夯实等系列动作，因此需要在充填液压支架上安装电液控制系统。

　　（三）固体智能充填控制程序与系统

　　固体充填采煤智能控制系统采用集散控制方式，由主控系统、充填液压支架控制系统、矸石输送系统、液压系统、采煤机运行状态及位置参数控制系统、视频系统和数据传输系统组成。

　　智能化系统的远程控制部分可以设置诸如工作模式等参数，同时实时记录和显示液压支架的运行状态，并保存历史数据。它集控制、数据记录、数据查询和数据分析为一体，实现连续的数据采集和控制，即实现无人值守的智能操作，使无人值守的主要煤炭生产环节实现真正安全的生产。

　　主控系统根据收集工作面采煤机运行状态及位置参数、液压系统、视频系统、数据传输系统等参数判断是否满足充填条件，满足后依次启动多孔底卸式输送机、转载机、井下带式输送机，然后向充填液压支架发送指令，液压支架根据预设的充填程序进行充填，充填完毕后向主控系统发送完成指令，主控系统依次向后续充填液压支架发送指令。

　　控制室监控整个系统的运行，主控计算机利用PLC通过传感器收集机器的工作状况和工作参数，同时工作人员对现场工作机器发出命令首先需要经过PLC翻译才能实现控制。

　　固体液压支架控制系统利用多种传感器实现对液压支架的工作状态监控和控制动作。

　　研究采用Keil5软件实现这一功能，Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境(μVision)进行组合。

　　（四）效果

　　以邢东矿11233智能充填工作面为例，通过应用ZC5160/29/48D新型智能化充填液压支架等关键设备，应用矸石充填自动化控制等7个智能化系统，实现了工作面自动卸料、充实率实时监测等智能功能，具体包括实时控制卸料口开启的个数、时间；夯实机构伸缩频次和摆梁千斤顶抬起高度等，实现了充填液压支架架后充填智能化，达到充填率至85%、每班减少用工4~5人、充填工效提升54%的效果，实现了减员增效的目的，为邢东矿实现智能充填面月产6万吨、达到“一井一面”的高效矿井打下了坚实基础。

　　这项研究得到了国家自然科学基金项目、中央高校基本科研业务费专项资金、中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题资金支持。

自动充填工序流程图