巷道掘进设备监控系统研究

谢光辉

（汾西矿业集团两渡煤业公司， 山西 灵石 031300）

0 引言

采面煤炭开采及巷道掘进是井下生产主要工序，随着煤炭开采强度不断增加，井下巷道掘进工程量呈显著增加趋势[1-2]。众多的学者及工程技术人员对巷道掘进技术、围岩支护技术及超前探测技术等进行研究，发现提高掘进、支护机械化、自动化及智能化水平是实现巷道快速掘进的重要保障条件[3]。为此众多矿井采用先进的掘进、支护及运输设备提高巷道掘进效率及掘进进尺，但是在巷道掘进过程中由于掘进设备工作环境恶劣、负载大同时掘进受粉尘、瓦斯、电磁干扰等多因素影响，容易导致掘进设备出现各类故障。掘进设备在使用期间常见故障类型包括有截割电机高温停机或者电机损坏；长期高负载运行导致截割部位轴承、花键、截割齿或者花键等出现裂纹、断裂、异常磨损等；液压油泵或者其他液压系统损坏导致运输部位运行异常；喷雾或者供水系统故障导致无法喷雾。掘进设备出现故障会严重制约巷道掘进效率甚至出现安全事故[4-8]。为实现巷道安全高效掘进，需要对掘进设备进行监控，以便实时掌握掘进设备运行情况并对故障进行预警。文中就以山西某矿15215 运输巷掘进为背景，对掘进设备监控系统进行分析探讨，以期为其他矿井掘进设备监控工作开展提供经验借鉴。

1 工程概况

15215 运输巷位于15 采区，巷道沿着回采的2 号煤层底板掘进，煤层赋存稳定、埋深均值256 m，倾角2°～9°，厚度5.8～6.37 m、均值6.12 m。15215 运输巷掘进范围内地质条件简单，断层、褶曲以及陷落柱等构造不发育，在掘进至750～960 m范围内煤层中2～5 层泥岩夹矸。为实现15215 工作面煤炭快速回采，15215运输巷采用较为先进的掘进设备，通过掘锚一体机+锚杆转载机组+桥式转载机+变频带式输送机等方式实现巷道快速掘进，采用的掘锚一体机型号为MB670-I；锚杆转载机型号为MZHB5-1000/30P，与掘锚机配合实现掘进、运输及支护平行开展；桥式转载机最大伸缩长度达到100 m，可满足快速掘进需要；使用的带式输送机型号为DSJ100/100/2×200，电机功率为2×200 kW、额定运输量为1 000 t/h。15215 运输巷设计为矩形断面（净宽5.6 m、净高4.3 m），设计采用锚网索支护，其中顶板布置4 根规格Φ22 mm×2 300 mm 螺纹钢锚杆、间排距为1 600 mm、1 000mm；采用3 根规格Φ16.8 mm×6 300 mm 锚索补强支护，布置间排距为1 400 mm、2 000 mm；巷帮布置4 根规格均为Φ22 mm×2 300 mm 锚杆（采面帮为玻璃钢锚杆、煤柱帮为螺纹钢锚杆），锚索间排距为1 500 mm、1 000 mm。正常情况下15215 运输巷掘进进尺超过680 m/月，但是当掘进设备出现故障时会严重制约巷道掘进，为此文中构建掘进设备监控系统，以期提高掘进设备可靠性及故障隐患排查能力。

2 掘进设备监控系统结构

2.1 监控系统整体架构

15215 运输巷使用的MB670-I 掘锚一体机涉及机械、液压以及电气系统，文中构建的监控系统主要针对掘锚一体机的重要组成部分，包括电机、电气设备以及泵站等。监控系统核心为MCU（微处理器），结构层级包括有智能监测层、远程监测中心层，具体架构如图1 所示，智能监测层结构包括有信号采集电路、监测传感器、声光报警装置、MCU、显示模块以及接口电路等，可实现掘进机结构部件数据采集、转换及处理等，当发现异常时发出声光报警信号并将结果通过工业以太网上传至监控上位机；远程监测中心层把控有工控PC、显示器以及通信网络等，实现监测数据处理及显示。

图1 监控系统整体架构

2.2 监控系统硬件设计

监控系统硬件设计综合巷道现场掘进条件以及掘进机工作原理进行，分别选用压力、倾角、电流、振动以及瓦斯传感器等布置在掘进机关键位置实现关键设备运行参数监测，通过数据采集调理电流对监测参数进行采集、放大、滤波以及转换等，并通过通信网络将数据传输给MCU 处理单元，MCU 内嵌程序对监测数据进行综合分析，以便判定是否进行预警。

2.2.1 系统硬件选型

监控系统涉及的硬件设备包括有各类监测传感器、MCU（微处理器）、通信电缆、远程工控机、电源以及电路板等。MCU 选用意法公司生产的STM32L0 型低耗MCU，该MCU 闪存为64 kB、RAM为8 kB，通过64 引脚封装；瓦斯传感器选用GJC4 甲烷传感器，具备结构简单、监测精度高等优点；振动传感器选用BZ11 振动传感器，具备抗干扰能力强、稳定性好的优点。

2.2.2 状态监测模块

监控系统需要对瓦斯、湿度、掘进机组成部件等监测。液压系统依靠压力、温度传感器实现液压系统油温、油压等持续监测，当出现压力或者油温异常时会发出预警；对液压电机电流、电压等持续监测。

截割系统对截割电机电流、电压以及绕组温度监测，通过振动传感器实现截割电机减速器、传动轴等振动监测；喷雾系统监测包括供水流量、高压水泵压力等；此外对运输部、装载部以及行走部液压马达压力进行持续监测，对掘进机本体振动、机身倾角等持续监测。具体状态监测模块结构如图2 所示。

图2 状态监测模块结构

2.2.3 通信网络设计

监控系统通信主要依靠现场总线技术实现，MCU通过8 个数据引脚与显示屏进行数据通信，通过RW、RS、EN 管脚对LED 显示进行控制；MCU 与工控机间用RS-485 串口通信；传感器采集得到的数据经调理电路与MCU 进行数据交互。具体选用的MCU 与显示屏间通信如图3 所示。

图3 MCU 与显示屏通信连接示意图

2.3 监控程序

为实现监控系统采集数据转化、处理以及传输，需对监控系统MCU 核心处理器进行编程。MCU 处理器型号为STM32L0，监控程序开发平台选用KeiL，该平台集成宏汇编语言、C 语言编译器、连接库以及仿真调试器等，可实现监控程序编写、调试。具体监控程序数据处理流程如图4 所示。

图4 监控程序数据处理流程

3 现场应用效果分析

将构建的监控系统应用到15215 运输巷掘进设备监控中，该监控系统可实现掘进设备运行状态参数采集、处理，当发现存在故障时会发出声光报警信号。同时监控系统通过各类传感器可实现环境参数、设备运行温度、振动值、倾角、压力等监测、显示。在监控系统应用过程中，曾发现截割部振动异常报警，操作人员停机检查后发现截割头截割较为坚硬夹矸时导致回转轴销脱落，后经过紧固处理后及时消除了隐患；在设备液压系统、电机等运行温度过高时，监控系统也会发出报警信号。现场应用实践表明，文中所提监控系统可实现掘进机运行参数、环境参数等监控，可在一定程度提升掘进机运行可靠性及保障能力。

4 结语

文中以15215 运输巷快速掘进为背景，构建掘进设备监控系统对掘进机运行状态参数、环境参数等进行监测，当发现掘进机出现故障或环境参数异常时即会发出预警信息，从而达到增强掘进机的可靠性、安全性。现场应用实践表明，该监控系统运行平稳，可实现掘进设备、环境参数监控，同时可显示、计算、存储计算结果，自动判定掘进设备运行是否出现异常，发现异常时会及时发出声光报警信号。构建的监控系统具备实时性强、自动化程度高等优点，可满足快速掘进巷道掘进设备监控需要。