高恒

关键词： 煤矿 副井 操车系统 改造工程 技术研究

中图分类号： TD53 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2023）15-0142-04

现有的副井操车系统在煤矿生产中存在诸多不足，如一些老旧矿井的操车系统应用的是电动机或气动机驱动，存在系统适应性差、灵活性低、体积大、重量高等问题。同时，该设备的运行噪声较大，可能会产生较为严重的噪声污染，影响井下作业工人的心理健康状态，影响煤矿的安全和效率。为了解决这些问题，有必要对副井操车系统进行技术改造，提高其性能和可靠性。本文主要分析副井操车系统的现状和存在的问题，探讨可能的改造方案和预期效果。

1 煤矿副井操车系统改造的意义

副井操车系统结构复杂，且较为容易受到不同矿井环境条件因素的影响，井下作业条件不同，对系统的应用影响也不同，通过对操车系统进行改造，提升其运行性能并开发更多功能，使其能够充分适应不同矿井生产需要，逐步提高自动化水平，将最终实现以下目标。

1.1 降低工人工作强度

煤矿井下作业劳动强度较大，井下作业人员经常感到劳累，而且由于工作量大，工作任务重，工人有时会因为过度疲劳而出现操作失误，导致安全事故。为了解决这类问题，有必要对煤矿副井操车系统进行改造，大幅提高操车系统的自动化程度，从而减轻煤矿工人的工作压力，降低劳动强度。在系统改造后，一些原来需要人力完成的事情将能够实现自动化操作，工作人员只需负责系统运行的监督。例如：改造后的推车机可以实现自动推进，推车机的推头会根据工程的需要而自动升降，完成装车、卸车等环节，这样一来就能降低工人的劳动强度。

1.2 解决安全问题

煤矿行业是安全问题频发的领域，这是由于煤矿生产的特殊环境所致。一方面，由于我国煤炭资源的分布不均匀，煤层埋藏深度通常较深，因而我国煤矿开采多为井下作业，危险性相对露天作业会更高，更需要注重安全问题；另一方面，我国地质条件与水文条件相对复杂，在掘进过程中，较常容易发生瓦斯泄漏、煤矿自燃、岩层坍塌等事故，存在极大的安全隐患[1]。传统煤矿副井操车系统的安全性较差，较为容易出现安全事故。例如：升机在启动过程中会需要较大的电流作为支持，而过大的电流则可能会带来电流冲击，从而导致提升机出现过大震动，如果此时提升机周边有采矿工人在现场，便会有可能被震动所掉落的废石砸伤。而对操车系统进行改造，减弱震动，则能够避免这一问题的发生[2]。

1.3 降低设备维护工作量

煤矿操车系统的维护同样十分重要。在以往的设备维护中，由于受到技术因素的影响，操车系统常常发生故障问题，技术人员设备维护的工作量很大。然而，即便经过精密的维修，也会致使设备使用寿命受到影响，影响煤矿开采工作的进行。针对操车系统的改造，会使整个系统运行过程更为可靠、稳定；同时，先进元件的应用，也能够降低操车系统故障概率，从而减少维护工作量，保证生产效率。

2 煤矿副井操车系统改造

在煤矿副井操车系统改造的问题上，应是对原有系统的升级与改进，优化已经明显老化、性能落后、故障率较高等不能稳定运行的系统，以提升系统的先进性、稳定性、可靠性，从而为煤矿生产提供保障。

2.1 煤矿副井操车系统改造的原则

在实际改造的过程中，为保证整个改造方向的准确性，需要遵循一定的原則，具体来说，主要有以下3个原则。

2.1.1 可靠性

可靠性是煤矿副井操车系统改造所需要遵循的主要原则。矿井是安全事故的多发区域，煤矿副井是煤矿内部发生安全事故时紧急救援的必要通道，其操车车系统的可靠性与煤矿生产的安全性有直接关系。因此，在设计时，应综合考虑多个方面的因素，务必保证每一个环节运行可靠，保证各个细节问题都能够得到解决。除此之外，还要尽可能降低设备结构的复杂性，以方便技术人员进行设备的维护管理。

2.1.2 适用性

适用性原则主要是指该操车系统能够被适用于各种复杂的井下开采环境，不会因为井下环境的改变而无法被有效应用。除此之外，适用性还与经济性和技术性有关：经济性方面，应尽可能降低该系统成本，以达到普及应用的效果；技术性方面，需要保证该系统操作的简便性，矿井生产作业人员只需经过简单的培训与学习后，便能够快速操作该系统进行煤矿生产作业。出于这一因素的考量，在进行设计时，需要充分考虑到我国不同煤矿生产地区的环境差异，尽可能通过大数据的统计与分析后进行改造，并经过详细而周密的实验论证，以保障该系统能够切实适应不同生产环境、不同煤矿企业生产的需要[3]。

2.1.3 先进性

先进性方面，需要保证该系统改造，具有较高的技术先进性，应对国内国外的相关技术进行充分的调查与研究，在综合考虑技术与经济因素后进行系统改造。改造过程应尽可能地应用先进技术与先进设备，提高自动化与智能化的水平，从而实现人员成本的降低与生产效率的提高，充分发挥技术先进性的优势，提高产品的市场竞争力，为我国煤矿行业在国际市场中的发展奠定良好基础。

2.2 煤矿副井操车系统改造设计

以20 世纪70 年代投入使用的某老矿井操车系统为例，该系统使用年限较久，投入时间较早，设备的整体运行效率低下，煤矿损耗率高，设备生产的安全性低，工人的劳动强度过大，且设备维护难度较高，常常发生设备故障，进而影响生产效率。除此之外，我国传统煤矿所采用的提升方式多为竖井，这会加大副井的运输难度，也会使副井的运输能力有所降低，该煤矿所应用的方式也为竖井，现已无法适应现代煤矿生产的需要，亟需进行改造，以提升煤矿生产效率。针对此类设备进行改造时，可以从电力来源、动力来源、系统装置与传输4 个方面入手[4]，所对应的分别是操车系统的电控、液压、机械与信号4 个部分。

2.2.1 电控部分

电控系统是操车系统的电力来源，相应的设备控制，均需要电控系统作为依靠，如果该系统出现故障，就会使整个操车系统无法运行，因而，需要保证电控部分的稳定性。在对电控部分进行改造时，主要包括以下两个方面。

一方面，该煤矿的副井操车系统电控部分问题较为明显，电控老化严重，设备故障率高，各个开关占地面积大，且电力控制并不稳定。出于这一因素的考虑，在进行改造时，可选择将整个电控系统进行拆除。而在对其他煤矿副井操车系统进行改造时，如果电力控制系统损耗并不明显，则可以在旧有系统基础上进行改造，以节省成本，提高经济效益。

另一方面，应进一步提升整个电控部分的自动化与智能化水平，采用先进的国外进口元器件，进一步提升电控系统性能的可靠性与稳定性。改造后的操车系统由PLC、可视化交互界面、视频监测装置等共同构成，而为了满足这些设备的供电需求，就需要充分保证供电的稳定性，同时还应使用物联网技术，为各种电控设备进行联网，以便实现智能化的监管。其中，PLC 主要负责提升机、摇台、安全门、推车机、阻车器、道岔、液压站等的控制工作，是一种可编程逻辑控制器，能够实现操车系统的自动、手动、检修等多种模式的控制，其中自动模式可实现自动调配车、罐笼到位后安全门和摇台的自动控制等，手动模式可实现各设备的手动控制功能。在自动模式和手动模式状态工作时，各闭锁功能严格按煤矿安全规程要求运行，如罐笼不到位不允许打开安全门、前后阻车器不允许同时打开等闭锁要求。当在检修模式运行时，各闭锁功能解除，正常生产作业时不允许使用检修模式，检修模式仅限在设备检修維护时使用。此系统所选用的PLC 型号为西门子S7-1200 系列，该系列PLC 性能稳定可靠，抗干扰能力强，具备多种通讯接口，充分满足煤矿副井操车系统控制的需要。可视化交互界面主要是通过操作台上的触摸屏来实现，可通过其实现操车系统各项指令的发出、系统运行信息的查看、系统参数的设置、当前故障信息及历史故障信息的查看等，在设计上，需要保证操作界面具有简洁性、直观性。视频监测装置则主要负责对矿井作业情况的视频画面信息与声音信息的反馈，现场作业状态会经由网络传送至集控室中，显示屏上会显示操车工作状态与现场作业画面，如果操车设备出现故障，绿色指示灯会变为红色进行提示。除此之外，在电力控制系统线路的设计问题上，应保证各个不同的设备系统间具有独立性，单一设备线路的损坏不会影响其他设备的正常使用；同时，还要设置备用电力线路，以保证线路故障时，煤矿生产依旧能够顺利进行。

2.2.2 液压部分

电控部分能够为整个操车系统提供电力支持，而液压部分则能够为系统提供必要的动力支持；同时，液压也是操车系统唯一的动力来源所在，液压部分的改造主要在于以下几方面。

首先，需要做好备用液压系统的设计。由于液压系统的重要性，一旦液压系统出现故障，就会使操车系统无法使用，因而需要设计备用液压系统，一般采用双电机双泵配置，当主系统故障时，自动或手动切换到备用系统。出于这一方面的考虑，系统改造完成后，需要定期对备用系统进行检修维护，保证备用系统能够随时使用。

其次，液压系统应具有比例控制功能，能够使推车机调速运行，同时，也能够为不同类型的装置运行提供不同的运行动力，依据传输需要进行调速即可。

再次，系统在设计时，为了能够充分适应不同煤矿环境生产需要，也为了保证液压系统安全性，按照高压进行系统构造，但是在实际使用时，应用中压即可。除此之外，为了系统维修便利，应采用并联双系统，防过载，采用双重保护。

最后，液压部分构造的问题上，应采用重型液压缸，双端缓冲[5]。

2.2.3 机械部分

机械部分是副井操车系统的具体作业部分，包含操车系统的所有相关机械装置，改造时，应尽可能从现代化、先进性、智能化等方面入手。涉及机械部分的改造内容较多，在这里，以推车机、阻车器、安全门等为例。

第一，推车机。现阶段我国所使用的推车机在动力来源上有电力、气动和液动3 种，本文选择的动力来源为液动，通过液压站为推车机提供所需的必要动力。在进行系统改造时，传统电动型煤矿推车设备的矿车更换主要依靠人力进行，一方面，会耗费人力、物力，另一方面，如果驱动轮与推爪链卡到一起，就会有可能造成损坏。而使用液压式推车机则能够避免上述问题。就目前来说，液压推车机还可具体分为两类，一类是销齿式推车机，另一类则是链条式推车机，本文所选用的为链条式推车机，并在链节处做了改进，适当降低了链节的宽度与长度，以减小推车运行惯性。链条式推车机的结构更为简单，便于维护和管理，同时还具备调速和调压功能，能够调整推车机的运行速度与动力，提高了设备的运行效率。最后，得益于液压系统的液压溢流保护功能，即便齿轮与推爪链卡到一起，液压便会自动溢流，从而防止推车机被损坏[6]。

第二，阻车器。阻车器的作用主要是在副井中，能够使运动中的推车或矿车得以实现快速制停，将推车或矿车停止在安全的区域内。一方面，阻车器的应用，能够避免矿车冲出矿道，提升煤矿开采的安全性，另一方面，能够实现自动化的控制。在系统构造上，可以利用限位装置来实现[7]。本文所选用的为组轮式阻车器，应用阻车爪进行制停，同时，采用弹簧结构对推车进行缓冲，缓解惯性撞击的力度[8]。

第三，安全门。安全门的设置需要保证具有足够的刚度和强度，能够保证不会在剧烈的冲击或撞击下发生变形，因而在安全门材料的选择上，选用既具有一定塑性，又具有较强刚度的材料。如此一来，一旦发生剧烈冲撞，刚度能够保证安全门承受撞击，而塑性则能够分散部分作用力，提高安全门抗冲撞能力。

2.2.4 信号提升系统

关于副井操车系统信号提升的改造方案，主要有以下几方面：首先，采用PLC 进行信号传输，设置不同的功能按键，依据操车系统设备的运行状态控制相对应的功能按钮；其次，不同的功能分别设置不同的信号传输状态，依据人、物、料、石等进行功能划分；再次，在安全门关闭、摇台抬起后，会发送信号，接收到信号后，提升机才能够启动，如果没有信号，提升机处于闭锁状态，无法启动；最后，设置备用信号系统，与主信号系统不属于同一线路，也不受PLC 的控制。同时，紧急制停信号系统同样单独设立，不受PLC 控制。

2.3 煤矿副井操车系统改造效果

在经过改造后，首先，系统运行成本将会得到降低。一方面，自动化改造完成之后，用于控制操车的工作人员岗位便可以减少设置，从而节约人工成本费用；另一方面，由于改造后的系统故障概率会有所降低，因此检修与维护的费用成本也会得到节约。其次，生产效率将得到提升。自动化水平的提升也意味着生产效率的提升，组链式推车机不再依靠人力装卸，自动化的装卸将会使操车提升效率得到提升，装车效率更高，休整时间更短，进而在更短时间内获得更高回报。最后，提升安全性。一方面，生产人员的减少，也就意味着人为因素发生事故的概率也随之降低，同时，事故发生时，所造成的人员伤亡也会减少；另一方面，视频监测装置的应用也有助于更好地适应矿井复杂作业环境[9]。

3 结语

综上所述，煤矿副井的操车系统的改造，使操车运行更加稳定与可靠，使设备、材料等的运输更加便利，有利于煤矿生产，保障经济效益的同时，也有助于保证企业社会效益。