0 引言
目前矿用带式输送机已实现远程启停集中控制，但鉴于带式输送机运行时复杂的状况，在实际管理中，为防止断带、撕带、跑偏、堆煤、着火等事故，确保安全，仍需安排岗位人员和巡检人员对设备运行状态进行巡查和监控，难以实现无人值守，不能满足现代化高产高效矿井发展需求[1-2]。
带式输送机使用的钢丝绳芯阻燃输送带抗撕裂性能差，防撕裂保护的可靠性、灵敏性存在一定的缺陷，使其有效性受到限制，导致出现漏报、误报现象，所以煤矿企业仍然需要安排人员监护。煤矿井下环境潮湿，水腐蚀性强，带式输送机普遍使用的普通碳钢托辊耐腐蚀性差，易锈蚀，实际使用寿命远远达不到设计要求，且锈蚀托辊增加了运转阻力和对带面的磨损，大大降低了带面的寿命，提高了带式输送机维护成本，普通托辊自身较高的旋转阻力也降低了带式输送机的运行效率。变频技术在带式输送机上的应用除起到软启动的作用外，另一主要目的是节能，但目前实际运行中通过手动方式判断煤量，手动远程干预调速节能效果一般，给煤炭生产企业低成本运营带来很大负担。矿井综采新工作面安装和回采完毕回撤时均需对配套可伸缩带式输送机进行安装和回撤，安装与回撤频次高，传统的砼基础固定方式在安装前需提前施工基础坑，砼基础需要一定凝固期，回撤时固定机架的螺栓锈蚀导致拆除困难，拆除劳动强度大，安装回撤效率低。针对以上问题，结合目前煤矿机电设备高智能化、高稳定性、低能耗及快速安装与回撤的需求[3-5]，提出未来煤矿用带式输送机的发展方向和新技术应用前景。
1 智能自动化集中控制和无人值守技术
目前矿用带式输送机的急停、堆煤、跑偏、纵撕、运行、驱动、张紧等状态或故障相关信息均已上传调度室进行集中监控，且输送机卸载点等关键部位均装有监控摄像机，具备无人值守的基本功能[6-8]。为确保带式输送机安全运转，矿井的普遍做法是在带式输送机的卸载点、驱动部等关键部位安排岗位人员负责对带式输送机运行状况进行巡查。如何真正实现无人值守，彻底取代现有岗位和巡检人员的功能是目前研究和综合应用的关键[9-11]。了解现有人员的主要工作任务并采取科技手段替代现有岗位及巡查人员的作用是主要方向。岗位和巡查人员的作用从人的感官功能方面可以分为视觉、听觉和触觉3个方面。
1.1 视觉功能
现场工作人员在视觉方面的作用：在设备运行过程中检查带式输送机卸载部、驱动部、张紧部等各部件是否完好；输送带及接头是否有损坏现象，输送带是否跑偏；运输物料中是否有铁器、大块矸石等易导致输送带损坏的异物；落料点是否有卡堵；张紧是否到位，除铁器是否吸附影响安全运转的铁器；转载点及沿线是否有浮煤堆积与输送带摩擦现象。
为解决人的视觉能够发现的问题，并作出反映，需要在带式输送机卸载点、落煤点和驱动部、储带仓、除铁器等重要部位安装智能高清摄像机，采集被监视部位的视频图像、报警信号等信息，实时传至矿井调度室，调度室可实时监控和记录现场带式输送机上煤流和设备运行实况。计算机后台智能分析图像、数据异常情况，及时推送报警或停机信息，目前智能识别技术已在带式输送机保护方面进行了实验性应用，并取得了一定效果。例如在带式输送机卸载点安装智能摄像机可实现堆煤保护，堆煤报警阈值设置如图1所示，在视频图像上绘制方格，当煤量达到方格内且持续一定时间时，认定为达到报警条件。智能视频识别技术的应用综合了普通摄像机的远程监控功能和现有带式输送机的保护功能，在逐步完善的情况下，可以取代现有固定岗位和沿线巡查人员的视觉功能。
(a) 系统正常时的阈值
(b) 模拟预警时的阈值
图1 堆煤报警阈值设置
Fig.1 Setting of alarm threshold for coal heap
1.2 听觉功能
带式输送机岗位及巡查人员在岗位上除了通过视觉直观观察到的现象外，很多重要信息是通过听觉来发现的。例如带式输送机打滑、托辊损坏、设备损坏前的异常响声等，仅靠视觉是无法及时发现的，有经验的人员通过带式输送机运行中出现的异常声音就可以判断故障，如要取代现有岗位人员听觉功能，需增加音频智能识别系统，自动识别带式输送机运行时出现的异常声音，并报警、停机，通过语音识别技术实现远程通话功能。国内已有科研单位在着手研发相关系统，采集并分析带式输送机正常运行中产生的频谱，若出现不在频谱样本范围内的异常声音,则认为是故障状态，系统发出报警停车信号，停止带式输送机运转。因带式输送机运行环境复杂，声音智能识别技术尚未成功应用。
1.3 触觉和感知功能
巡查过程中岗位和巡查人员除了看和听外，还需检查设备温度和振动情况，有经验的岗位人员通过对设备触摸和感知的方式判断设备振动和温度是否异常。为使检查更加直观和准确，相关人员已配备手持式测温仪或点检仪,用于对设备温度和振动按照规定周期进行点检。人员使用手持式点检仪在现场周期点检存在费时费力及点检不到位问题，因此,需要安装设备在线状态监测系统实现在线点检。将温度和振动传感器安装在检测点，检测数据接入数据采集箱，然后上传至控制系统并接入调度室。该系统可对带式输送机各部位的运行状况进行实时监测，发生异常时，自动报警、停机，通过上位机可及时发现故障。
2 输送带防纵撕技术
为确保带式输送机不发生撕带、断带等重大故障，需要对钢丝绳芯输送带进行重点监测，目前采取的措施是在带式输送机落料点处安装防纵撕保护装置[12-13]。纵撕保护的方式也有多种，如漏煤洒落称重式、漏煤洒落翻板式、破损带或异物刺穿拉线式等。以上保护方式在可靠性、灵敏性和准确性方面存在一定缺陷[14-15]。在输送带出现撕裂后，因张力较大，裂口重叠在一起，漏煤洒落称重式和漏煤洒落翻板式保护容易产生漏报；破损带或异物刺穿拉线式保护存在穿透输送带的异物恰好卡在缓冲装置上的问题。因此，需要研究更加可靠的输送带防纵撕保护技术，并增加钢丝绳芯输送带无损检测系统，用于检测钢丝绳芯输送带的钢丝绳状况，防止带式输送机运行中带面出现钢丝绳断裂、抽动、锈蚀严重等现象。
目前已有科研单位开发并试用新钢丝绳芯输送带防撕裂装置——矿用输送带纵向撕裂识别装置。该装置利用摄像机视频识别技术对输送带表面损伤进行实时识别和判断，并根据识别和判断结果及时推送报警或停车信息。该装置主要工作原理：光感摄像机对激光在输送带表面形成的轮廓线拍摄成像，利用计算机软件系统对轮廓线变化情况进行判断，对带面纵撕、鼓包、损伤、表面脱胶等情况进行报警和停机处理，监控人员在监控主机上实时监控带面运行状态。停机后可以对带面异常部位图像进行局部放大，以便于观看、查询等。现场检测的未纵撕带面如图2所示，现场检测的带面修补部位起皮现象如图3所示。
图2 未纵撕带面
Fig.2 Inlongitudinal tearing zone
图3 带面修补部位起皮现象
Fig.3 Skin peeling phenomenon of belt repatching parts
3 节能降耗新技术
3.1 新型输送带应用
钢丝绳芯输送带因具有强度大，抗冲击性、成槽性和耐曲挠性好，寿命长等优点，在带式输送机上得到了广泛应用。但其带面自身质量重，运行中能耗高，抗纵撕能力差。以芳纶作为骨架材料的新型橡胶输送带的出现可有效解决这一问题。芳纶输送带具有质量小、能耗低、抗撕裂及抗冲击性能好等优点，在带强不变的情况下，质量比钢丝绳芯输送带减轻30%～60%。神东煤炭集团有限责任公司上湾煤矿一部带式输送机11 000 m带面全部更换为芳纶输送带，带面质量由68 kg/m降低为45 kg/m，减重33.82%，更换芳纶输送带后该部带式输送机同比电耗降低近6%。芳纶输送带与原钢丝绳芯输送带的参数对比见表1，可见，芳纶输送带整体经济性优于钢丝绳芯输送带，该类型输送带将会得到推广。
表1 芳纶输送带与钢丝绳芯输送带的参数对比
Table 1 Comparison of parameters between aramid conveyor belt and steel cord conveyor belt
3.2 视频识别智能调速技术
目前矿用带式输送机已普遍应用变频驱动，变频调速可以大大提高电动机转速的控制精度，将设备控制在最节能速度状态下运行，实现精确调速后，节能效果明显。在实际煤矿生产中，受地质条件、突发性故障等诸多因素的影响，输送带上物料量不均衡，轻载或空载运行时间所占比例非常高，因此实现带式输送机根据负荷变化随时调整运行速度意义重大。但现有变频驱动主要起到软启动器的作用，有些矿井通过加强人员监控方式，根据载荷大小人为远程干预调速，但没有真正发挥变频功能的实时效应，不能根据实际负载实现带式输送机自动调速运行。为实现带式输送机智能自动调速，根据运输煤量大小实时调节运行速度，需要进一步开发完善变频驱动的外围反馈、控制系统，真正实现节能降耗，降低生产成本。
随着智能视频识别技术的发展，视频识别技术被引入带式输送机智能调速中。利用安装在各落煤点的高清摄像机实时识别带式输送机所载煤量，通过后台计算机软件将各落煤点煤量信息进行综合分析和逻辑运算，给出带式输送机理论运行速度，并反馈至变频器进行实时调速，从而实现节约电能、减少设备转动件磨损的目的。2015年，神东煤炭集团有限责任公司哈拉沟煤矿主运输系统采用了智能视频识别技术，输送带的调速效果如图4所示。经统计，智能视频识别技术的应用可使带式输送机节能20%左右。
图4 输送带调速效果
Fig.4 Speed control effect of conveyor belt
3.3 新型托辊技术
托辊作为带式输送机主要组成部分，其使用寿命和阻力大小对带式输送机维护、运行费用影响很大，尤其是长距离运输、托辊数量多的带式输送机。煤矿环境复杂，水腐蚀性强，而现有普通碳钢托辊的防腐性能较差，实际运行时间远远达不到设计寿命，维护成本高，较高的运行阻力也使带式输送机的运行效率较低。为解决这一问题，某公司研发了代替现有普通碳钢托辊的低阻力不锈钢托辊，该托辊具有旋转阻力低、寿命长的优点，可将旋转阻力由2.66 N降到1.10 N以下，阻力降低约58.6%，运行寿命可达到50 000 h，并可有效减少带面磨损。2016年8月，上湾煤矿将集运一部带式输送机中部驱动至机尾段上下托辊全部替换，并对低阻力不锈钢托辊和普通碳钢托辊的参数进行对比，结果见表2。由表2可知，驱动电动机的重载平均电流由400 A下降到350 A左右，且避免了托辊锈蚀和提前损坏现象。替换前的普通碳钢托辊如图5所示，替换后的不锈钢托辊如图6所示。随着技术不断发展，新型托辊将会普遍应用到带式输送机上。
表2 普通碳钢托辊与不锈钢托辊的参数对比
Table 2 Comparison of parameters between ordinary carbon steel roller and stainless steel roller after trial
图5 替换前的普通碳钢托辊
Fig.5 Ordinary carbon steel idler before replacement
图6 替换后的不锈钢托辊
Fig.6 Stainless steel roller after replacement
4 快速安装与回撤技术
传统的长距离、大运量带式输送机安装均采用砼基础方式，安装前需要提前施工基础坑，安装调整完毕后再灌注混凝土进行固定。施工混凝土基础和浇灌固定每个阶段均需至少3 d凝固期，安装时间长，施工量大，若回撤时固定机架的螺栓锈蚀，则拆除困难，拆除劳动强度大，无法快速回撤，尤其是综采工作面可伸缩带式输送机安装和回撤频率较高,难度更大。
为解决带式输送机的安装与回撤问题，某公司研发出一种新型带式输送机固定方式，卸载、驱动、储带仓、张紧等部位的固定方式由目前砼基础改为无基础固定方式。无基础固定方式原理：在机架基础座两侧各安装一根油缸，上方支撑在巷道顶板上，下方将机架基础座支撑在底板上，从而实现机架的固定；在安装回撤时，通过操作液压泵站实现油缸的伸缩，从而实现带式输送机的快速安装回撤。为了保证在运行期间保持恒定压力，防止油缸长时间使用后泄压，在液压系统上安装压力传感器，实时监测支撑压力，当支撑压力低于设定的安全压力时，自动启动泵站进行补压。2016年12月，在大柳塔煤矿活鸡兔井12316工作面安装试用无基础带式输送机卸载部，一次性安装调试成功，试用10个月未发生异常，下一步将对整部带式输送机的机架固定采用此种方式进行设计并应用。
5 结语
分析了目前带式输送机需配备岗位人员监护设备，运行效率低，钢丝绳芯输送带易出现纵向撕裂，输送带和托辊自身质量重、旋转阻力大、能耗高，普通碳钢托辊易锈蚀、寿命短，传统砼基础安装方式安装回撤速度慢等问题，探讨了带式输送机智能自动化集中控制和无人值守技术、输送带防纵撕技术、节能降耗新技术和快速安装与回撤技术等新技术的引入和应用前景。矿用带式输送机将逐步实现高智能化集中自动控制、快速高效安装和回撤等功能，真正实现无人值守，达到减员增效目的，为煤矿实现安全高产高效打下坚实的基础。
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