矿井智能化开采技术_矿井提升机技术性能测定与分析

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第一作者：冯宝忠，高级工程师，现任宁夏天地西北煤机有限公司副总经理兼总工程师，主要从事散料输送系统的研究与设计工作

引用格式：冯宝忠，兰春森.带式输送机智能化关键技术探讨及发展展望[J].智能矿山，2022，3（7）：80-84.

宁夏天地西北煤机有限公司隶属中煤科工集团上海有限公司，是由原煤炭工业部直接投资建设的央企下属企业，秉承“输送精品·厚德载物”的经营理念和“创新·规范”的管理理念，经过50余载的创新发展，形成了涵盖主井带式输送机、可伸缩带式输送机、井下大巷固定带式输送机、地面固定带式输送机、露天矿移置和半移置式带式输送机、长距离曲线拐弯带式输送机、圆管带式输送机等7大系列近千款输送机。具备工艺系统策划、地形勘测、大型钢结构设计制造、安装调试等能力，是国内煤矿采掘工作面带式输送机定点生产厂家，国内最大的地下矿用带式输送机生产制造企业，国内最大的集研发、制造、服务为一体的带式输送机专业制造厂商。累计获国家授权专利60项，软件著作权6项，参与起草相关行业标准6项，在理论研究、新产品开发、有限元分析、可视化设计、标准化设计等方面处于国内领先水平。

01 带式输送机智能化发展现存问题

目前，煤矿主运输系统自动化、信息化建设水平参差不齐，个别煤矿已初步建成智能化示范矿井，但是在设计、技术实现、功能定义等方面尚处于摸索阶段，还存在底层传感器感知不准确、输送带钢丝绳及带面损伤检测困难、故障诊断水平低、运行效率低、巡检及转载点用工多、无人巡检技术不成熟、各子系统或设备集成困难等问题。

（1）运行效率低

煤矿带式输送机的运行比较粗放，无论载荷多少、有无载荷均满速运行，不仅浪费电能矿井智能化开采技术，而且减少了滚筒、电机、减速器、托辊等传动设备的使用寿命。关于智能调速技术，目前各煤矿企业也是处于探索应用阶段，主要是技术不太成熟，存在一定的技术风险。此外，带式输送机作为一个大惯性系统，频繁调速存在一定的困难。

（2）检测不准确或不及时

带式输送机沿线的基本综合保护（拉线、跑偏、撕裂、语音播报和声音预警、堆煤保护、超温洒水、打滑、烟雾等）已在煤矿广泛使用，但是也存在撒煤、滞后等问题，不能提前预防。

（3）设备自检和诊断水平低

机械设备（滚筒、电机、减速器、托辊、张紧装置、制动器等）故障诊断水平偏低且不全面，目前仅在关键传动部件（滚筒、电机、减速器等设备）安装了振动和温度传感器，实现了故障的基础信息采集与判断，还做不到设备使用全生命周期分析。驱动部供电设备大部分缺乏远程自检功能，仍需每天派人进行巡检及其他常规操作，难以实现无人化要求，可控性差、维护效率低。缺乏健康状态远程可视功能，部分部件损坏、保护功能缺失等非常规故障或操作，无法远程侦测，存在事故扩大化的风险。

（4）“信息孤岛”现象严重

由于各子系统通信协议存在差异，一些子系统控制逻辑之间相互矛盾，致使大量信息没有相互打通，形成了“信息孤岛”，没有充分发挥基础信息资源的优势。

（5）通信可靠性差，标准化程度低

监控系统存在网络慢、数据延时长，通话噪声较大、语音不清晰，设备种类繁多、协议众多、维护难度大等问题。

（6）运行维护无人化水平低

日常带式输送机输送网络中各子输送机均配置固定司机，在运行维护方面，异物清理、落煤清理、保护处理等还需要人工判断，整体技术水平偏低。

02 带式输送机智能化关键技术及特点

带式输送机智能控制系统主要由传感检测层、数据采集和传输层、数据分析服务层、终端服务层组成。传感检测层主要包含能够监测声音、振动、位移、温度等的各类传感器，并且具有使用、维护、安装便捷以及可靠性高的特点；数据采集和传输层主要包含无线网络协调器、各远程智能传输单元等模块，数据传输层可提供多种传输方式（4G、WiFi、有线网络）以满足不同的预警、分析形式，并完成监测数据的传输、上报，满足系统功能需求；数据分析服务层主要包含数据分析以及应用服务平台，通过对采集的相关数据进行传输、存储、分析，实现核心元部件健康诊断、状态实时再现、故障警示等；终端服务层可为用户提供APP、Web等多种访问方式，以便于实时了解系统中各核心元部件的运行状态，提高维护工作的便捷性及效率。

为推进智能化煤矿建设工作，宁夏天地西北煤机有限公司开发了带式输送机智能控制系统，总体方案架构如图1所示，其特点如下：

（1）关键设备全生命周期数据在线状态监测通过无线振动、温度传感器对设备状态进行在线监测，在WEB和移动终端实时显示运行数据。

（2）故障预警信息自动推送如果设备存在异常状况，故障信息会及时报送至设备管理员，提示风险存在的位置及严重程度等。

（3）设备故障分析与诊断对动态振动、温度等数据进行分析，得到设备运行的各种图谱，对设备进行精确故障分析与诊断。

（4）建立设备故障诊断智库结合设备的具体结构和维护保养信息，建立设备运行的故障特征库，快速诊断设备故障，包括轴承损坏、齿轮损坏、基础松动、负荷过载、超温、联轴器故障、不对中、动平衡故障等。

（5）预测设备失效趋势根据设备运行及维护数据进行预测性维修，最大程度地延长其使用寿命。

（6）系统定期出具设备运行维护体检报告自动统计故障列表和热点高频故障，对设备运行状态进行评估。

（7）建立专家问诊系统，提供“体检”报告线上专家可以在系统上通过文字、图片等方式与用户进行交流互动，查看用户开放的数据，并对设备的异常出具诊断分析报告。

（8）设备维保管理对设备维护保养记录进行管理与分析，包括维护保养频率、历史记录查询等，对关键设备维护前后、故障前后的监测数据进行专题研讨分析，保障关键设备维护质量及故障修理。

图1 智能控制系统总体方案架构

带式输送机智能化建设可分为主运系统智能化与单机智能化。主运系统智能化功能包括主运输设备集控系统、智能调速、自适应启停控制、采掘运设备协同控制、故障诊断等。以刮板输送机、转载机、巷道可伸缩带式输送机、大巷固定带式输送机、主井带式输送机、上仓带式输送机、配仓带式输送机等作为监控对象，通过采运协同控制技术、故障诊断技术、自适应启停控制、智能调速技术的研究和应用，实现主运系统的优化、协同及无人化运行。主运系统智能化结构如图2所示。

图2 带式输送机主运系统智能化结构

带式输送机单机智能化主要是利用煤量检测仪实现对带式输送机煤量的实时检测，控制分析带式输送机沿线载荷分布及动态存量，根据智能调速工艺控制带式输送机，使其运行在最佳速度区间；针对巷道带式输送机，根据运量、带速、运距等计算出带式输送机的最佳运行张力值，实现张紧力的自适应调节。拓展语音IP扩播功能，以实现井下和地面语音通话和扩播；增加无线通信和音视频通话模块，以实现智能终端接入和视频通话功能。多种网络接口，可方便接入无人巡检系统、输送带超温检测系统、人员安全监控系统、输送带钢丝绳芯无损检测系统等外部子系统。带式输送机单机智能化结构如图3所示。

图3 带式输送机单机智能化结构

03 带式输送机智能化技术重大攻关方向

目前，全球正出现以人工智能、大数据、智能制造、仿真技术为代表的新一轮技术创新浪潮，通过信息网络技术的应用，使得产品功能设计、制造、运行和管理等向信息化、智能化方向发展，促进了煤矿带式输送机的智能化发展。2020年2月，国家发展改革委等八部委发布了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确了智能化煤矿的发展目标、主要任务以及保障措施等内容矿井智能化开采技术，计划到2035年，各类煤矿要基本实现智能化，构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统，建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。围绕满足智能矿山的生产需要，立足煤矿安全、高效、绿色、低碳、智能开采的新形势和新要求，煤矿带式输送机领域的科技创新仍需以高可靠性设计、智能感知技术、动态分析技术、智能化运维管理等关键技术为突破口，攻克制约设备在设计、制造和运行过程中的技术瓶颈，实现我国煤矿主运输系统的节能低耗和智能化发展。带式输送机智能化技术发展应注重以下4个方面：

（1）透明输送

目前，带式输送机上物料的动态存量尚处于模糊状态，导致带式输送机的带速、启停时间、拉紧力大小很难合理设定，既造成了严重的资源浪费，又加快了元部件的磨损。可通过线激光双目立体相机使输送带上的动态物料透明化，以实现实时功率透明、拉紧力透明、输送量透明，进一步对输送系统的启动、制动、速度、张力、系统启停顺序等进行全面智能调控，使设备在最佳参数条件下运行，达到节能减排、延长核心元部件寿命、避免安全隐患的目的，透明输送系统应用场景如图4所示。

（a）线激光双目立体相机安装示意 （b）线激光双目立体相机 图4 透明输送系统应用场景

（2）故障诊断

通过对带式输送机驱动单元、滚筒、托辊、机架等核心元部件的振动、温度等参数进行数据采集，得到各元部件的加速度峭度、均方根值、幅值谱、功率谱、谱密度、倒频谱、包络谱等各种参数数据和图谱，建立部件专家智库，对轴承、齿轮、转轴等关键部件进行精确的故障分析与诊断，其中滚筒轴承诊断应用如图5所示。也可通过对设备历史运行数据的分析，提前判断设备故障，进行健康诊断，对设备进行预测性维护和保养，降低设备运维成本，最大限度地延长设备使用寿命。

图5 轴承故障诊断应用示意

（3）智能巡检

带式输送机一般长度较长，元部件比较分散，巡检存在一定的困难，可通过搭载智能巡检机器人定期进行巡检，负责监测托辊及输送带异常、监督人群、环境监测。机器人管家固定于机头、机尾，主要负责数据传输、给机器人充电、控制机器人等。固定式监测机器人主要负责大型辊筒及减速机的监测。巡检机器人系统可同时搭载多种传感器，通过检测设备的温度、振动和噪声判断设备是否存在故障并定位故障点，通过检测工况环境的温度、气体浓度、粉尘浓度来判断工作环境是否存在安全隐患，通过行为识别功能监测工作人员的危险操作，并实时警告、驱赶。

（4）机尾智能跟进

通过图像识别与可视化控制技术，开发带式输送机机尾三维空间相对位置与位姿状态检测系统、相对空间位置与位姿状态调整系统（图6）、远程可视化控制系统，以保证巷道掘进与综采工作面带式输送机机尾移动时，其移动、位姿能够根据需求进行智能调整，机身能够自动增补或缩短，以适应带式输送机长度变化需求，达到提高运输效率、降低人员劳动强度的目的。

图6 智能自移机尾姿态调整示意