百良旭升煤矿采选充系统现状
百良旭升煤矿及采选充系统简介
陕西澄合百良旭升煤炭有限责任公司（以下简称百良旭升煤矿）位于陕西省渭南市合阳县坊镇殿下村，井田面积，井田内地质资源量为2 634.18 Mt，设计可采储量为16.258 9 Mt；矿井服务年限为20年。百良旭升煤矿的实际生产能力约为100万t/a，根据矿井整体的采掘规划，目前正在回采518工作面5号煤层，煤层赋存条件较好，厚度稳定，平均厚度4.5 m，为厚煤层，煤层中赋存夹矸2～3层，一般为3层，夹矸厚度0.20～，百良旭升煤矿实际矸石年产生量约13万t。
百良旭升煤矿于2021年8月完成采选充一体化充填项目的建设，实现了井下煤矸智能干选及就地充填。井下布置智能干选设备将原煤进行煤矸洗选，洗选出的精煤返回煤仓，洗选出的矸石填充至边角煤和建下压煤区域的充填巷中，探索出了经济效益和社会效益相结合的资源低损失、环境低损伤、经济高收益的矸石综合处理成套技术方案，建立了关中老矿区生态环境治理与高质量发展的新模式。井下采选充工艺流程如图1所示。
图1 井下采选充工艺流程
图2 井下煤矸洗选及就地充填工艺流程
图3 就地巷道矸石充填工艺流程
图4 短壁干式充填现场（充填设备为抛矸机）
智能干选系统
煤矸分离（智能干选）系统包含筛分、智能干选2个环节。井下煤矸洗选及就地充填工艺流程如图2所示。原煤带式输送机卸料，经过电动翻板，原煤卸料至滚轴筛上，实现原煤以50 mm分级，筛下–50 mm末煤直接落入原煤仓，+50 mm经带式输送机转载经布料器转至干选机，智能干选机洗选得到块煤及矸石，块煤经返煤带式输送机转运回原煤仓上口，矸石通过双转子齿滚破碎机后经溜槽溜进矸石仓。
巷道抛矸系统
短壁干式充填（巷式充填）开采技术主要是针对我国部分煤矿井下掘进矸石或井下干选矸石产量大而研发的井下矸石置换煤柱技术，该技术以岩巷、煤-岩巷掘进过程中产生的矸石或者洗选矸石等材料作为充填物料，通过在工业广场煤柱、条带开采留设的煤柱、大巷保护煤柱、三角煤及“三下”压煤中布置充填巷，在充填巷道掘出后利用矸石充填输送机、高速动力抛矸机、无轨胶轮车、铲车等设备将矸石填充于充填巷内，从而达到充填置换煤炭资源、控制地表沉陷、处理矸石等废弃物、减少环境污染的目的。就地巷道矸石充填工艺流程及短壁干式充填现场如图3、图4所示。
采选充控制现状
智能干选系统中的TDS系统与其他运输设备相互独立，设备均为单独启动。在矸石充填系统中，各输送设备（充填机除外）实现联动，通过现场控制箱，进入矿井环网，上传到地面上位机，可实现地面联控井下煤矸分选设备如图5所示。
图5 井下煤矸分选设备
（1）TDS自控系统
TDS自控系统布置在TDS硐室，煤仓（矸石仓在同一水平）上口，由滚轴筛、大块煤矸带式输送机、布料器、干选机、回煤带式输送机、双转子齿滚破碎机（新增加，在矸石仓入口）组成。滚轴筛为变频器控制，其余设备均为防爆真空电磁启动器启动，启动器自身具有采集显示电流、电压及故障报警等功能，在硐室配点处，布置了1台触摸屏。TDS自控系统除新增加的齿滚破碎机外，各设备状态和控制均配有触摸屏控制，同时触摸屏组态画面通过光纤上传至地面调度室PC，实现地面远程控制。
（2）充填集控系统
充填集控系统主控设备布置在矸石仓下第1部运矸石的带式输送机机头，由仓下给煤机、3部运矸带式输送机、1部倒拉输送带（带式输送机尾部卸载滚筒安装在抛矸机拖动的自移卸载架上）、抛矸机组成。充填集控系统各设备（抛矸机除外）启动开关的启停信号均接入同一个井下控制箱，后经光纤转送至地面PC机，实现地面和井下的分别控制充填。
百良旭升煤矿采选充系统存在的问题
经过一段时间的现场使用及分析论证，认为百良旭升煤矿采选充系统存在以下9点问题：
（1）上部选矸和下部运输充填监控系统无法在同一个系统界面组态启动。
（2）筛分和矸石运输系统能做到单独系统一键启停，做不到关键数据采集。
（3）TDS筛选硐室设备运行时煤尘过大。
（4）TDS进风口需加装压风过滤器，避免喷嘴易堵塞。
（5）仓下给煤机非变频控制，出矸量不易控制，容易堵矸、堵带。
（6）2#带输送机起坡角度0°～13°，变角过渡紧凑，输送带容易跑偏。
（7）3#带式输送机和4#带式输送机搭接处机头对机头设计不合理。
（8）抛矸机不能实现遥控远程控制，人工操作增加危险系数。
（9）TDS系统各控制开关信号和厂家不统一，采集有误差。
百良旭升煤矿采选充系统升级改造方案
为打造国内首套井下智能采选充系统，实现无人或少人充填作业的目的，结合矿井实际需要，百良旭升煤矿采选充系统改造升级分为3个方面。
TDS 干选系统改造
TDS系统自身控制不做改动，控制信号在地面统一处理。干选系统设备开关统一型号，配电点需要更换KBZ-400馈电2台，QJZ315启动器1台，启动器2台，QJZ80启动器4台。
在配电点处安设集成控制PLC柜子1套，分站设有以太网口，可实现各设备的电力信息采集，信息经矿井环网，通过光缆上传至地面集控中心，实现各设备状态信息的上传和预警、试验和控制功能。
在配电点配置整个采选充系统集控电脑1台、视频监控电脑1台，实现对整个采选充系统的监视控制。
井下充填矸石储运系统改造
（1）井下充填矸石储运系统设备开关统一型号厂家，在1#带式输送机头配电点处安设1套集成控制PLC系统，配有以太网口，通过光缆上传至地面集控中心，实现各设备信息上传和预警、试验和控制功能。
（2）增加2套带式输送机综保，与原有带式输送机综保统一，该型号综保具备信号采集控制功能，可实现信号上传至地面集控功能
（3）更换矸石仓下给料机为变频给料机，实现变频无级调速。
（4）仓下给料机下方出口，1#带式输送机机尾增加缓冲床，避免大块矸石损坏H架。
（5）在1#带式输送机中部增加电子皮带秤，实现矸石输送量的在线实时监测，同时通过集控系统与仓下变频给料机相互作用，保证给料量始终保证在预设范围内。
（6）在1#带式输送机头配电点配置全局干选充填系统集控电脑1台、视频监控电脑1台，实现整个系统监视控制。
（7）将2#运矸带式输送机大倾角段H架和托辊约60 m处，更换为大包角的托辊架（图6），充填时调整好充填量，最大程度上避免该区段在运输时矸石滚落。
（8）整体更换4#运矸倒拉带式输送机驱动和储带仓部分，避免启动或运行时咬带和纠偏。改造后井下充填矸石储运带式输送机布置如图7所示，机头全长18.4 m，驱动布置在后方。
图6 大包角托辊架
图7 改造后井下充填矸石储运带式输送机
充填机改造
百良旭升煤矿井下抛矸机为基本型，不带遥控，根据实际情况，综合考虑实现远程控制、抛矸充填自动化、少人或无人化安全高效生产等因素，在不改变原有操作系统的基础上，增加本地视距遥控和地表集控中心远程视频遥控2种控制模式。电液改造的目的是实现远程控制，其地表远程控制系统由电液控系统、视频采集系统、数据采集系统、通信系统视距遥控系统和地表远程控制系统组成。
同时，为避免抛矸机堵转烧毁电机，建议更换转速为3.15 m/s的内置电滚筒。此外，为保证抛矸效率，将抛矸机输送带更换为波纹输送带。
井下视频和语音系统改造
在采选充系统共安装可自动清洁摄像头1 4个，安装照明灯24盏。增加ivr智能交互语音系统，在地面调度室即可控制语音关闭，同时，在充填机作业空间、矸石仓下、TDS硐室增加人员进入预警设施。
百良旭升煤矿采选充系统集成方案
采选充系统功能简介
集控监控系统分布在地面、TDS硐室和1#带式输送机头3处，该集控系统包含智能干选、智能输送、远程抛矸3个部分，干选系统和矸石输送系统分就地控制和远程控制2种模式。抛矸机可实现定位自动抛矸石捣实，也可通过井下远程遥控和地面遥控操作，实现掘进工作面无人作业。同时集控监控系统具有地面井下语音广播交互功能，确保系统运行效率和安全。采选充工艺流程如图8所示。
图8 采选充工艺流程
图9 采选充系统配置
采选充电控系统构成
电控系统包含地面集控系统、TDS干选系统、TDS硐室分站、充填区分站、抛矸机控制系统。各子系统就近接入已建成的矿山环网，利用现有以太网进行通信和控制。采选充系统配置如图9所示。
（1）地面集控系统可实现在地面集控中心对整个充填系统的所有设备进行远程监控，将监控功能移植到地面监控中心，减少井下人员数量，降低劳动强度，提高生产效率。
（2）TDS干选系统为TDS智能干选机及TDS下料机成套系统，改造后将其接入集控系统，在地面集控中心实现对TDS智能干选机的就地和远程监控。
（3）TDS硐室分站的作用是实现对TDS硐室内的圆辊筛、输送带输送机、破碎机的就地、集中和远程监控。
（4）充填区分站的作用是实现对充填区内给煤机、电子皮带秤的闭环控制以及系统等的就地、集中和远程监控。
地面集控系统
地面集控系统包含2套地面操作站、1套监控终端以及1套抛矸机远程操控平台。
（1）操作站可实现系统的集中统一监控，1台备用，也可以分别监控TDS智能干选系统或其他工艺过程的监控。操作站上安装组态软件，显示充填系统中各设备的运行状态、报警信息以及设备的操作，操作站显示设备为27寸显示器。
（2）监控终端包含1套16通道的硬盘录像机及1台27寸视频显示器。对井下充填区的视频信息进行显示、存储、管理和回放。
（3）抛矸机远程操控平台可实现地表集控中心远程视频遥控。
TDS 硐室分站
TDS硐室分站包含1套集成设备控制分站和1套电力分站，设备控制分站实现硐室处筛、运、破设备的控制，带式输送机综保实现带式输送机综合保护，各综保接入控制分站，实现数据采集、上传、集中控制和显示；电力分站用于对圆辊筛、破碎机、带式输送机进行电力信息采集、预警和显示。
TDS硐室设置操作终端可实现对整个系统的启停和监控，兼顾设备控制和电力信息采集。
充填区分站
充填区分站包含集成控制PLC柜、视频监控以及抛矸机分站。
带式输送机就地操作及综合保护由安装在带式输送机旁的通信控制装置分站实现，各分站接入控制柜，再通过控制分站对1-4#带式输送机进行集中控制、检测和显示。
在充填区设置1台KJD127矿用隔爆兼本安型计算机，对监控摄像机的视频信号进行采集并在充填区集中显示，同时将视频信号远程至集控中心，在地面进行集中监控。
抛矸机分站由电液控系统、视频采集系统、数据采集系统、通信系统和视距遥控系统和地表远程控制系统组成。对抛矸机进行改造，更换操作台，电控箱给车载接收器供电，控制器（车载接收器）为摄像头供电。
视频分站作为操作终端，可通过操作终端实现对整个系统的启停和监控。抛矸机分站布置如图10所示。
图10 抛矸机分站布置
结 语
通过对百良旭升煤矿采选充系统的改造，使该系统实现了井下煤炭运输上山带式输送机集中控制、选矸充填系统的地面和井下多点集中控制、原矸巷道充填矸石给料和运输的PID闭环稳定控制、原矸石充填关键设备抛矸机的远程自动摆动抛矸进行了无缝衔接，解决了原有选矸及充填系统设备和理念上存在的不足之处，为百良旭升煤矿成为全国首套采选充一体化、智能少人化巷道原矸充填系统奠定了基础，为全国同类其他矿井采选充系统的智能化升级改造探索了实践性道路。
