淺析廟溝鐵礦自動(dòng)化通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建方法

溫 超

(河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司廟溝鐵礦，河北 秦皇島 066501)

0 引言

近年來，隨著礦產(chǎn)資源不斷開發(fā)，為了保證產(chǎn)能的有序銜接，大部分露天開采礦山開始籌劃或者已經(jīng)進(jìn)入露天轉(zhuǎn)井下開采[1-3]，礦井通風(fēng)問題也是礦山所面臨的主要技術(shù)問題[4-6]。對(duì)于部分井下開采礦山而言，通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)化程度低，能耗高，監(jiān)測(cè)方法落后，缺乏對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)化融合，導(dǎo)致通風(fēng)效果較差，帶來了一定的安全隱患[7-9]。河北鋼鐵廟溝鐵礦正處于露天轉(zhuǎn)井下開采這一關(guān)鍵時(shí)期，計(jì)劃過渡期為3年，井下開采設(shè)計(jì)使用無底柱分段崩落法開采，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)有較高的要求。為了實(shí)時(shí)有效監(jiān)控井下采場及巷道通風(fēng)情況，精準(zhǔn)準(zhǔn)確掌握采場通風(fēng)過程中可能發(fā)生的問題，對(duì)于該礦自動(dòng)化通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)建顯得尤為重要。

1 露天轉(zhuǎn)井下開采通風(fēng)系統(tǒng)存在問題分析

對(duì)于露天轉(zhuǎn)井下開采礦山，特別是井下采用無底柱分段崩落開采技術(shù)，通風(fēng)系統(tǒng)主要存在以下幾個(gè)方面的問題：

(1)隨著露天轉(zhuǎn)井下開采的進(jìn)行，當(dāng)露天掛幫礦開采后，容易導(dǎo)致首分段回采進(jìn)路與露天坑貫通，引起漏風(fēng)情況的發(fā)生。同時(shí)，自然風(fēng)會(huì)通過聯(lián)通口在風(fēng)壓影響下進(jìn)入井下采場，受季節(jié)因素的影響，造成進(jìn)行不穩(wěn)定風(fēng)流的產(chǎn)生，這樣致使設(shè)計(jì)的需風(fēng)量達(dá)不到井下通風(fēng)要求，如果沒有自動(dòng)化通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的介入，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，影響井下開采安全。

(2)大多井下采場作業(yè)過程中，未設(shè)置輔扇風(fēng)流控制系統(tǒng)，由于無底柱分段崩落法為獨(dú)頭巷道掘進(jìn)與進(jìn)路回采，沒有風(fēng)量監(jiān)控系統(tǒng)的存在，無法得知當(dāng)前風(fēng)量是否達(dá)到回采巷道內(nèi)的風(fēng)量需求，作業(yè)人員往往憑借經(jīng)驗(yàn)來判斷掘進(jìn)及回采爆破作業(yè)完成后，巷道及進(jìn)路內(nèi)污風(fēng)排出情況。這種方法主要是通過直觀的觀測(cè)巷道內(nèi)污氣擴(kuò)散情況，通過視線可以觀測(cè)到崩落礦石堆及吸入空氣不覺得不舒適為標(biāo)準(zhǔn)，隨后進(jìn)入作業(yè)場所，這種情況當(dāng)巷道達(dá)不到需風(fēng)量要求，導(dǎo)致有害氣體及粉塵含量未降至安全值，對(duì)作業(yè)人員身體健康造成威脅。

(3)井下開拓、采準(zhǔn)、切割及回采作業(yè)進(jìn)行時(shí)，對(duì)于不同的作業(yè)工序，往往所需風(fēng)量不同，單一憑借一個(gè)局部扇進(jìn)行通風(fēng)，往往導(dǎo)致兩種情況的發(fā)生：其一，風(fēng)量過大，作業(yè)人員長時(shí)間在此環(huán)境下作業(yè)，降低作業(yè)人員舒適感，間接影響生產(chǎn)效率；其二，風(fēng)量過小，導(dǎo)致污風(fēng)(含有害氣體)無法按時(shí)排出，造成污風(fēng)在采場內(nèi)循環(huán)情況的發(fā)生，危害人身健康。對(duì)于這種情況，采場內(nèi)如果設(shè)置通風(fēng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，將會(huì)有效解決這類問題。

由于廟溝鐵礦正處于井下開采基建期，通風(fēng)系統(tǒng)還未形成，對(duì)于這種條件，更加突出了構(gòu)建自動(dòng)化通風(fēng)系統(tǒng)的可行性與必要性。

2 自動(dòng)化通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建方法

井下開礦所使用的傳統(tǒng)通風(fēng)控制方式主要通過人力來完成，專門安排相關(guān)人員來定期監(jiān)測(cè)采場環(huán)境中風(fēng)量大小、粉塵及有害氣體的含量，隨后進(jìn)行危險(xiǎn)因素分析，這種通風(fēng)監(jiān)測(cè)方式，自動(dòng)化程度低、效率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大，不能及時(shí)排查危險(xiǎn)因素，對(duì)于大規(guī)模開采條件的礦山并不適用，基于近年來自動(dòng)化水平的不斷發(fā)展，對(duì)于廟溝鐵礦井下開采，研究提出采用基于PLC控制的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)建方法見圖1。

圖1 自動(dòng)化通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建圖

由圖1可以看出，所構(gòu)建的自動(dòng)化通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)由五大部分組成，包括操控平臺(tái)、傳感器監(jiān)控系統(tǒng)、PLC主控系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)及報(bào)警系統(tǒng)。PLC主控系統(tǒng)的作用在于將傳感器監(jiān)控系統(tǒng)獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行危險(xiǎn)要素分析，隨后將信息反饋給監(jiān)控人員；聲光報(bào)警系統(tǒng)的作用在于對(duì)礦井通風(fēng)過程中引發(fā)的故障及非正常情況進(jìn)行報(bào)警；變頻調(diào)速系統(tǒng)的作用在于保證井下通風(fēng)裝置實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的風(fēng)流速度調(diào)控；傳感器監(jiān)控系統(tǒng)作用在于對(duì)井下巷道及采場內(nèi)的環(huán)境(粉塵、有毒有害氣體、風(fēng)流等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)通過各部分間的協(xié)同配合，對(duì)井下巷道環(huán)境實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與控制，較小作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高采場通風(fēng)質(zhì)量，保障作業(yè)生產(chǎn)安全。主要系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能如下：

(1)PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)作為主要控制功能元件，是實(shí)現(xiàn)井下自動(dòng)化通風(fēng)監(jiān)測(cè)的重要組成部分，主要功能包含兩個(gè)部分：其一，是將傳感監(jiān)控系統(tǒng)中獲取的井下有關(guān)通風(fēng)參數(shù)及時(shí)傳遞給遠(yuǎn)程操控平臺(tái)；其二，執(zhí)行并分析遠(yuǎn)程操控平臺(tái)發(fā)布的有關(guān)操作命令，對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行指令分配，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入頻率，達(dá)到對(duì)于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制。該系統(tǒng)中在PLC控制器以外，還設(shè)有EM系列功能單元，包括EM232與EM235兩個(gè)單元，EM235單元的作用在于將監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成可以被PLC控制器識(shí)別并進(jìn)行分析的信號(hào)值；EM235單元的作用在于對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行有效控制。對(duì)于井下自動(dòng)化通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，往往設(shè)置兩個(gè)PLC控制器，使用一個(gè)備用一個(gè)，防止一旦PLC控制器出現(xiàn)故障而導(dǎo)致的停產(chǎn)情況的發(fā)生，從根本上提高這個(gè)自動(dòng)化通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

(2)傳感器監(jiān)控系統(tǒng)

對(duì)于露天轉(zhuǎn)井下開采礦山通風(fēng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，主要是通過傳感器監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。所以，在井下采場及巷道內(nèi)不同的部位需設(shè)置多個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)單元，例如風(fēng)壓監(jiān)測(cè)傳感器、風(fēng)流監(jiān)測(cè)傳感器及有害氣體監(jiān)測(cè)傳感器等。對(duì)于傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)金屬礦山而言，主要布置風(fēng)流及風(fēng)壓傳感器，甚至不設(shè)定相應(yīng)的傳感器，存在傳感器靈敏度低、覆蓋面小及種類單一等缺點(diǎn)，導(dǎo)致所測(cè)參數(shù)值少、不準(zhǔn)確及數(shù)據(jù)反饋滯后等問題，不能全面反映井下通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，易導(dǎo)致進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)故障及危險(xiǎn)的發(fā)生。對(duì)于自動(dòng)化通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，通過使用PLC主控制的自動(dòng)化通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，可以在主要運(yùn)輸、采準(zhǔn)及回采巷道布置多種類型的傳感器，覆蓋面廣，監(jiān)測(cè)信息精準(zhǔn)，運(yùn)算功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)采場風(fēng)量、風(fēng)壓、粉塵及有害氣體含量、溫濕度的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，同時(shí)將多種監(jiān)測(cè)傳感器及時(shí)反饋回來的信息進(jìn)行綜合化數(shù)據(jù)分析，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能化處理，保障傳輸數(shù)據(jù)的高度可靠性，精確掌握井下通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

(3)變頻調(diào)速系統(tǒng)

部分應(yīng)用傳統(tǒng)通風(fēng)方式的礦山，在調(diào)速方式上大多采用電磁調(diào)速，這種調(diào)速方式不但能耗高，而且反應(yīng)欠缺靈敏。為此，針對(duì)廟溝鐵礦設(shè)計(jì)提出采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)主要在于：其一，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)能耗方面將會(huì)有明顯的降低，滿足節(jié)能需求；其二，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)精準(zhǔn)控速，按照井下實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，降低設(shè)備在啟停切換中的磨損量，延長使用壽命。由于井下生產(chǎn)所采用設(shè)備均為大功率輸出裝置，對(duì)于變頻器的選擇可以采用“交-直-交”高壓型，多功率元件串聯(lián)布置，工作狀態(tài)下憑借PLC給定的變頻控制命令，達(dá)到精準(zhǔn)控制風(fēng)量的目的。

3 自動(dòng)化通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)作用原理分析

自動(dòng)化通風(fēng)系統(tǒng)的作用主要在于保障井下采場通風(fēng)體系的平穩(wěn)工作，在井下開采中，一般要設(shè)置兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，一臺(tái)工作，另一臺(tái)留作備用。井下風(fēng)流的供給主要通過自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，通過在作業(yè)場所安設(shè)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)傳感器，對(duì)采場及巷道中粉塵含量、有害氣體含量、溫度、風(fēng)壓等信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息來加以處理分析，針對(duì)廟溝鐵礦處于露天轉(zhuǎn)井下基建期這一條件，設(shè)計(jì)的自動(dòng)化通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的電路體統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 電路系統(tǒng)構(gòu)成圖

處理完成的數(shù)據(jù)利用Wifi網(wǎng)絡(luò)傳遞給PLC控制系統(tǒng)，隨后將收到的數(shù)據(jù)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)位移安全有效值之內(nèi)，表明井下通風(fēng)系統(tǒng)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。反之，反饋回來的數(shù)據(jù)參數(shù)異常，這時(shí)系統(tǒng)將發(fā)出聲光報(bào)警并將報(bào)警信號(hào)傳遞給遠(yuǎn)程操控平臺(tái)，該平臺(tái)設(shè)計(jì)集分部監(jiān)測(cè)與集中控制為一體，具有多個(gè)接口，可以連接多樣設(shè)備，內(nèi)部設(shè)有“一體化”軟件系統(tǒng)，可以同步完成監(jiān)測(cè)、控制及報(bào)警等功能，能夠及時(shí)提醒技術(shù)人員，井下通風(fēng)系統(tǒng)存在問題，對(duì)照異常參數(shù)可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問題的源頭所在，并采取相應(yīng)措施，以此實(shí)現(xiàn)井下通風(fēng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

4 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)能方法

傳統(tǒng)的井下通風(fēng)系統(tǒng)，將通風(fēng)設(shè)備作為主要部分，按需選擇與礦山風(fēng)量需求匹配的風(fēng)機(jī)，保證通風(fēng)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)運(yùn)行，通過對(duì)管道的合理布置，減少風(fēng)阻，達(dá)到需要的通風(fēng)效果[10]，對(duì)于這類通風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)于開采規(guī)模不大的礦山，基本滿足通風(fēng)需求，但是對(duì)于大規(guī)模開采礦山，能源消耗大，且達(dá)不到采場通風(fēng)節(jié)能要求。對(duì)于應(yīng)用自動(dòng)化通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)礦山而言，主要采用自動(dòng)化程序進(jìn)行節(jié)能控制，特別針對(duì)廟溝鐵礦井下通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)，可以采取以下方法：

(1)根據(jù)不同作業(yè)階段，按實(shí)際需求進(jìn)行風(fēng)量配置，如進(jìn)行掘進(jìn)、回采及爆破工序時(shí)，通過主扇通風(fēng)系統(tǒng)的變頻調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)不同階段的風(fēng)量調(diào)節(jié)與控制，避免風(fēng)量過大或者過小，實(shí)現(xiàn)按需供風(fēng)，達(dá)到節(jié)能目的。

(2)通過在線信息反饋，能夠?qū)崿F(xiàn)手機(jī)在線觀測(cè)系統(tǒng)中各個(gè)運(yùn)行數(shù)據(jù)(風(fēng)流、溫濕度、有害氣體及粉塵含量等)，電腦可以實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控通風(fēng)系統(tǒng)主要設(shè)備運(yùn)行情況，對(duì)于風(fēng)機(jī)啟停與風(fēng)量調(diào)整能夠滿足遠(yuǎn)程與現(xiàn)場雙控功能，達(dá)到節(jié)能目的。

(3)對(duì)于PLC控制系統(tǒng)，可以選擇高性能PLC。在系統(tǒng)中安裝風(fēng)機(jī)自動(dòng)故障診斷裝置，配備先進(jìn)的通信、信號(hào)提取及在線監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)故障報(bào)警與倒機(jī)雙自動(dòng)化，避免出現(xiàn)風(fēng)機(jī)故障無法及時(shí)排查，導(dǎo)致過度耗能情況，從而達(dá)到節(jié)能目的。

(4)強(qiáng)化作業(yè)人員及技術(shù)人員對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能理念，通過宣傳培訓(xùn)向企業(yè)效益與人身安全兩方面有關(guān)操作人員灌輸節(jié)能增效的重要性，建立節(jié)能增效管理體系，將節(jié)能與安全融合到一起，成立相應(yīng)監(jiān)管小組，從本質(zhì)上解決礦山通風(fēng)節(jié)能問題。

5 結(jié)語

對(duì)于露天轉(zhuǎn)井下開采礦山而言，通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響到礦山開采效益與作業(yè)人員安全，隨著自動(dòng)化水平的不斷發(fā)展以及礦山智能采礦理念的不斷被重視，建立先進(jìn)的自動(dòng)化礦山通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)尤為重要。因此，以廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)井下開采為例，淺析了智能化通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建方法及其作用原理，給出了系統(tǒng)節(jié)能方法，以保證該礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的建設(shè)安全合理、先進(jìn)可靠，實(shí)現(xiàn)礦山安全高效開采，也可為同類條件礦山通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)與改造提供借鑒與指導(dǎo)。