煤矿定量装载系统现状分析及实时在线智能监控技术

张庆军 薛保卫

（肥城白庄煤矿有限公司，山东肥城271623）

1 煤矿定量装载系统现状及存在问题

依据《煤矿安全规程》第382条规定“提升装置的最大载重量和最大载重差，应在井口公布，严禁超载和超载重差运行”。然而不论是矿井多绳摩擦式提升机还是单绳缠绕式提升机，不论是主井提升还是副井提升系统，依据我国目前的设备和设施装备水平，都不能真正意义上的实现“严禁超载”，只能是依靠“定性”管理，而不能实现电梯式的“定量”超载闭锁的本质安全型管理。如矿井实际生产中对于副井提升系统矿车装料多少、吊运大件的单重、配重等，很难精确控制吨位数量，对于主井提升系统虽有装载定量系统，但箕斗的粘堵问题，时有造成二次装载问题，在煤矿行业就发生过多起因超载提升造成重大机电事故，这不仅使矿井的生产设备受到破坏，影响矿井的正常生产，而且还会危及作业人员的生命安全，给国家和人民造成巨大的经济损失。煤矿运输提升事故所占比例仅次于瓦斯和顶板事故，是煤炭系统的第三大灾难事故。

2 承载实时在线智能监控技术主要研究内容

2.1 提升机运行状态与钢丝绳终端载荷关联性研究

对提升机运行状态参数特征进行评估，基于统计学理论，构建提升机工作状态与钢丝绳终端载荷关联性判定方法；基于连续体振动力学理论，建立钢丝绳终端张力参数特征与提升机运行状态关联模型，解决提升机运行状态无法实时准确表征的难题。

2.2 提升机运行状态感知技术研究

基于动力学理论，对正常与非正常提升工况下钢丝绳终端张力状态分析，开展高精度、抗冲击性强的称重式传感器研发，解决现有传感器精度低、抗冲击性差的难题；结合信号调理技术，开发精度高、响应快的钢丝绳终端张力状态感知技术和设备，实现钢丝绳终端张力的实时、可靠检测。

2.3 钢丝绳终端载荷无线传输技术研究

基于无线传感器网络技术以及宽带无线通信技术，建立井下无线监测无线传感器拓扑结构，探求拓扑控制机制；设计与井下无线传感器网络具体应用环境与所采用的无线通信平台相适应的MAC协议；结合宽带无线通信技术与网络拓扑结构设计井下无线传感器网络的时间同步机制；开发适应于井下无线监测网络结构的数据管理技术；构建实时、稳定、可靠、高效的钢丝绳终端载荷无线传输系统。

2.4 提升机承载智能调控技术研究

结合提升机运行状态、钢丝绳终端载荷以及提升机电控系统，基于智能结构理论，以提升时间、提升载荷以及无线传感器功耗为目标，建立提升机承载的多目标归一智能结构最优控制模型，采用逐步线性规划法求解，实现提升机承载智能调控，有效避免提升机超载、二次装载等提升事故。

3 项目技术关键和实施方案

3.1 技术难点

（1）由于井筒环境恶劣，提升机在井筒中运行状态无法直接获得，而钢丝绳终端载与提升机运行状态具有紧密的相互关联性。因此，需掌握钢丝绳终端载荷的变化趋势，寻求提升机运行状态与钢丝绳终端载荷关联性模型，利用钢丝绳终端实时检测的张力来判断当前提升机运行状态。

（2）随着煤炭资源的日渐开采，矿井的设计井深、提升距离逐渐增大，提升钢丝绳运行与装载过程中的动载荷也越来越大，而提升钢丝绳绳受到的动载荷需要直接传递到实时监测钢丝绳终端载荷的称重式传感器上；同时，称重式传感器监测的数据需要快速的存储、分析与判断。因此，需开发以大量程、高精度、抗冲击性的称重式传感器为核心的提升机运行状态的感知技术与设备，实现提升机的安全可靠运行。

（3）随着矿井开采深度的增加，有线传输系统由于自身的局限性难以对矿井提升系统实施全面、有效和灵活的数据传输，而无线传输系统在井筒内无线信号衰减异常严重，对无线传输的可靠性、稳定性和准确性要求越来越高。

（4）提升机是矿井生产的咽喉，提升效率将直接影响矿井生产效率：钢丝绳终端载荷、提升时间与提升效率密切相关；有效控制提升载荷将降低超载、二次装载等提升事故，增加提升机安全可靠性，缩短维修时间；监测钢丝绳终端载荷的无线传感器的更换频率也影响提升时间。

3.2 实施方案

（1）提升机运行状态与钢丝绳终端载荷关联性研究技术路线

首先，对提升机运行状态参数特征进行评估；接着，基于统计学理论，构建提升机工作状态与钢丝绳终端载荷关联性判定方法；然后，基于连续体振动力学理论，建立钢丝绳终端张力参数特征与提升机运行状态关联模型；最后，分析并掌握相互关联特性。

（2）提升机运行状态感知技术研究技术路线

首先，基于动力学理论，对正常与非正常提升工况下钢丝绳终端张力状态分析；其次，基于张力变化特性，开展高精度、抗冲击性强的称重式传感器研发；再次，结合信号调理技术，开发精度高、响应快的钢丝绳终端张力状态感知技术和设备，最终实现钢丝绳终端张力的实时、可靠检测。

（3）钢丝绳终端载荷无线传输技术研究技术路线

首先，基于无线传感器网络技术以及宽带无线通信技术，建立井下无线监测无线传感器拓扑结构，探求拓扑控制机制；其次，设计与井下无线传感器网络具体应用环境与所采用的无线通信平台相适应的MAC协议；再次，结合宽带无线通信技术与网络拓扑结构设计井下无线传感器网络的时间同步机制；最后，开发适应于井下无线监测网络结构的数据管理技术。

（4）提升机承载智能调控技术研究技术路线

首先，结合提升机运行状态、钢丝绳终端载荷以及提升机电控系统，基于智能结构理论，建立优化控制模型；其次，以提升时间、提升载荷以及无线传感器功耗为目标，建立提升机承载的多目标归一智能结构最优控制模型；最后，采用逐步线性规划法求解，实现提升机承载智能调控，有效避免提升机超载、二次装载等提升事故。

4 结语

4.1 建立了钢丝绳终端张力参数特征与提升机运行状态关联模型，解决了提升机运行状态无法实时准确表征的难题；开发了精度高、响应快的钢丝绳终端张力状态感知技术和设备，实现了钢丝绳终端张力的实时、可靠检测。

4.2 建立了井下无线监测无线传感器拓扑结构，设计了与井下无线传感器网络具体应用环境与所采用的无线通信平台相适应的MAC协议，开发了适应于井下无线监测网络结构的数据管理技术；构建实时、稳定、可靠、高效的钢丝绳终端载荷无线传输系统。

4.3 建立了提升机承载的多目标归一智能结构最优控制模型，实现了提升机承载智能调控，有效避免了提升机超载、二次装载等提升事故。

［1] 中华人民共和国能源部.煤矿安全规程[M] .山西科学技术出版社,2006.

［2] 于励民,仵自连.矿山固定设备选型使用手册[S] .北京:煤炭工业出版社,2007.

［3] 陈维健,齐秀丽,肖林京,张开如.矿山运输与提升设备[M] .徐州:中国矿业大学出版,2011.