巷道掘進設備監控系統研究

謝光輝

（汾西礦業集團兩渡煤業公司， 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人員對巷道掘進技術、圍巖支護技術及超前探測技術等進行研究，發現提高掘進、支護機械化、自動化及智能化水平是實現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備工作環境惡劣、負載大同時掘進受粉塵、瓦斯、電磁干擾等多因素影響，容易導致掘進設備出現各類故障。掘進設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裂紋、斷裂、異常磨損等；液壓油泵或者其他液壓系統損壞導致運輸部位運行異常；噴霧或者供水系統故障導致無法噴霧。掘進設備出現故障會嚴重制約巷道掘進效率甚至出現安全事故[4-8]。為實現巷道安全高效掘進，需要對掘進設備進行監控，以便實時掌握掘進設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，對掘進設備監控系統進行分析探討，以期為其他礦井掘進設備監控工作開展提供經驗借鑒。

1 工程概況

15215 運輸巷位于15 采區，巷道沿著回采的2 號煤層底板掘進，煤層賦存穩定、埋深均值256 m，傾角2°～9°，厚度5.8～6.37 m、均值6.12 m。15215 運輸巷掘進范圍內地質條件簡單，斷層、褶曲以及陷落柱等構造不發育，在掘進至750～960 m范圍內煤層中2～5 層泥巖夾矸。為實現15215 工作面煤炭快速回采，15215運輸巷采用較為先進的掘進設備，通過掘錨一體機+錨桿轉載機組+橋式轉載機+變頻帶式輸送機等方式實現巷道快速掘進，采用的掘錨一體機型號為MB670-I；錨桿轉載機型號為MZHB5-1000/30P，與掘錨機配合實現掘進、運輸及支護平行開展；橋式轉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 運輸巷設計為矩形斷面（凈寬5.6 m、凈高4.3 m），設計采用錨網索支護，其中頂板布置4 根規格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，但是當掘進設備出現故障時會嚴重制約巷道掘進，為此文中構建掘進設備監控系統，以期提高掘進設備可靠性及故障隱患排查能力。

2 掘進設備監控系統結構

2.1 監控系統整體架構

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，文中構建的監控系統主要針對掘錨一體機的重要組成部分，包括電機、電氣設備以及泵站等。監控系統核心為MCU（微處理器），結構層級包括有智能監測層、遠程監測中心層，具體架構如圖1 所示，智能監測層結構包括有信號采集電路、監測傳感器、聲光報警裝置、MCU、顯示模塊以及接口電路等，可實現掘進機結構部件數據采集、轉換及處理等，當發現異常時發出聲光報警信號并將結果通過工業以太網上傳至監控上位機；遠程監測中心層把控有工控PC、顯示器以及通信網絡等，實現監測數據處理及顯示。

圖1 監控系統整體架構

2.2 監控系統硬件設計

監控系統硬件設計綜合巷道現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鍵位置實現關鍵設備運行參數監測，通過數據采集調理電流對監測參數進行采集、放大、濾波以及轉換等，并通過通信網絡將數據傳輸給MCU 處理單元，MCU 內嵌程序對監測數據進行綜合分析，以便判定是否進行預警。

2.2.1 系統硬件選型

監控系統涉及的硬件設備包括有各類監測傳感器、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，具備結構簡單、監測精度高等優點；振動傳感器選用BZ11 振動傳感器，具備抗干擾能力強、穩定性好的優點。

2.2.2 狀態監測模塊

監控系統需要對瓦斯、濕度、掘進機組成部件等監測。液壓系統依靠壓力、溫度傳感器實現液壓系統油溫、油壓等持續監測，當出現壓力或者油溫異常時會發出預警；對液壓電機電流、電壓等持續監測。

截割系統對截割電機電流、電壓以及繞組溫度監測，通過振動傳感器實現截割電機減速器、傳動軸等振動監測；噴霧系統監測包括供水流量、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監測，對掘進機本體振動、機身傾角等持續監測。具體狀態監測模塊結構如圖2 所示。

圖2 狀態監測模塊結構

2.2.3 通信網絡設計

監控系統通信主要依靠現場總線技術實現，MCU通過8 個數據引腳與顯示屏進行數據通信，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據經調理電路與MCU 進行數據交互。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 監控程序

為實現監控系統采集數據轉化、處理以及傳輸，需對監控系統MCU 核心處理器進行編程。MCU 處理器型號為STM32L0，監控程序開發平臺選用KeiL，該平臺集成宏匯編語言、C 語言編譯器、連接庫以及仿真調試器等，可實現監控程序編寫、調試。具體監控程序數據處理流程如圖4 所示。

圖4 監控程序數據處理流程

3 現場應用效果分析

將構建的監控系統應用到15215 運輸巷掘進設備監控中，該監控系統可實現掘進設備運行狀態參數采集、處理，當發現存在故障時會發出聲光報警信號。同時監控系統通過各類傳感器可實現環境參數、設備運行溫度、振動值、傾角、壓力等監測、顯示。在監控系統應用過程中，曾發現截割部振動異常報警，操作人員停機檢查后發現截割頭截割較為堅硬夾矸時導致回轉軸銷脫落，后經過緊固處理后及時消除了隱患；在設備液壓系統、電機等運行溫度過高時，監控系統也會發出報警信號?，F場應用實踐表明，文中所提監控系統可實現掘進機運行參數、環境參數等監控，可在一定程度提升掘進機運行可靠性及保障能力。

4 結語

文中以15215 運輸巷快速掘進為背景，構建掘進設備監控系統對掘進機運行狀態參數、環境參數等進行監測，當發現掘進機出現故障或環境參數異常時即會發出預警信息，從而達到增強掘進機的可靠性、安全性?，F場應用實踐表明，該監控系統運行平穩，可實現掘進設備、環境參數監控，同時可顯示、計算、存儲計算結果，自動判定掘進設備運行是否出現異常，發現異常時會及時發出聲光報警信號。構建的監控系統具備實時性強、自動化程度高等優點，可滿足快速掘進巷道掘進設備監控需要。