礦井多級(jí)聯(lián)控通風(fēng)安全控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

王學(xué)蘭

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司李雅莊煤礦，山西 霍州 031400）

霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司李雅莊煤礦井下的通風(fēng)機(jī)數(shù)量多，分布較為廣泛，為了確保井下的通風(fēng)安全，煤礦采用了“六專兩閉鎖”的管理模式[1]，安排專門的人員對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行管理和維護(hù)，由于通風(fēng)系統(tǒng)的布置較為分散而且對(duì)員工的專項(xiàng)技能要求較高，采用人員巡檢、維護(hù)的模式不僅效率低下而且無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行中的隱蔽故障，導(dǎo)致礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的故障率較高，嚴(yán)重影響了煤礦井下綜采作業(yè)的安全。

為了提高礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，提升系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化、智能化程度，提出了將與通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)聯(lián)性高的變電站、控制中心，均納入自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)風(fēng)機(jī)-變電站-地面控制中心的多級(jí)聯(lián)動(dòng)閉環(huán)控制，滿足了對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整、故障自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警的需求。該控制系統(tǒng)將通風(fēng)調(diào)控速度提升了37.6%，將風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障降低了85.3%。

1 多級(jí)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

礦井通風(fēng)控制系統(tǒng)的核心，是要實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的智能監(jiān)測(cè)和調(diào)整，滿足井下通風(fēng)安全的需求，因此該系統(tǒng)需具備以下功能：

（1）能夠?qū)νL(fēng)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行電流、工作電壓、風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)值、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行溫度、轉(zhuǎn)速等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

（2）對(duì)井下巷道內(nèi)的風(fēng)速、溫度、瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度、風(fēng)量、風(fēng)壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析；

（3）對(duì)控制系統(tǒng)內(nèi)的各設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，滿足礦井通風(fēng)系統(tǒng)在緊急情況下進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控的功能。

（4）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)相關(guān)設(shè)備監(jiān)測(cè)參數(shù)值的遠(yuǎn)程修改和調(diào)整，系統(tǒng)能夠根據(jù)人工控制指令進(jìn)行自動(dòng)切換試驗(yàn)、漏電試驗(yàn)、閉鎖試驗(yàn)等操作；

（5）能夠在供電中斷或者其他緊急情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)和啟動(dòng)備用電源，保證系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。

結(jié)合李雅莊煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際情況，本文所提出多級(jí)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)[2]主要包括了三個(gè)部分：第一部分是井下風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元，主要用于對(duì)井下環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)；第二部分是井下變電所，主要用于為通風(fēng)系統(tǒng)供電并對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析；第三部分是地面調(diào)度中心，主要用于對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)也能夠滿足緊急情況下遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)的需求。該通風(fēng)機(jī)多級(jí)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1[3]。

圖1 通風(fēng)機(jī)多級(jí)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

由圖1 可知，在井下風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元中，主要包括了各類傳感器設(shè)備，主要用于對(duì)井下的氣體環(huán)境、風(fēng)量及風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。每個(gè)風(fēng)機(jī)點(diǎn)配備一個(gè)礦用本安控制箱，用于對(duì)所控制的風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及井下空氣狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)CAN 數(shù)據(jù)總線[4]傳輸?shù)骄伦冸娝谋景灿?jì)算機(jī)內(nèi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和信號(hào)轉(zhuǎn)換，最后傳輸?shù)秸{(diào)度中心，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換后以圖表等形式將風(fēng)機(jī)和井下環(huán)境狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控終端上，便于監(jiān)控人員的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

該多級(jí)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，具有高度的模塊化程度，能夠根據(jù)不同綜采面的實(shí)際情況進(jìn)行快速的調(diào)整和更換，具有極高的靈活性。

2 供電監(jiān)測(cè)模塊及通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證通風(fēng)系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性，在采區(qū)變電所內(nèi)采用了雙回路的專用高壓配電裝置[5]。變電站和風(fēng)機(jī)監(jiān)控單元之間均采用高可靠性的高壓電纜連接，分為1 回專用移變和2 回專用移變，1回專用移變用于控制風(fēng)機(jī)的A Ⅰ和B Ⅰ控制開關(guān)，2 回移變用于控制風(fēng)機(jī)的A Ⅱ和B Ⅱ控制開關(guān)。由于李雅莊煤礦井下采用了四組局部通風(fēng)機(jī)，在正常情況下兩組即可滿足運(yùn)行需求，在進(jìn)行控制時(shí)一般是A Ⅰ和B Ⅱ或者A Ⅱ和B Ⅰ進(jìn)行組合，定期調(diào)整，滿足風(fēng)機(jī)均衡運(yùn)行的需求。井下變電站供電系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 井下供電系統(tǒng)布置示意圖

井下通信系統(tǒng)用于對(duì)各個(gè)模塊及監(jiān)控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不僅要求數(shù)據(jù)傳輸具有高效、高精度而且要求具有極強(qiáng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。結(jié)合李雅莊煤礦井下實(shí)際情況，本文提出的通信控制線路布置如圖3。

圖3 井下通信控制線路布置結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3 可知，井下各類傳感器和控制箱之間均采用了RS485 總線方式[6]進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，提高信息傳輸?shù)男屎桶踩浴Ｃ總€(gè)采區(qū)的兩個(gè)控制器之間通過(guò)通信光纜與交換機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信并傳輸?shù)江h(huán)網(wǎng)內(nèi)，中央變電所的控制計(jì)算機(jī)同步連入環(huán)網(wǎng)，和地面調(diào)度中心形成閉環(huán)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性和可靠性。

3 多級(jí)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)人員配備及應(yīng)急故障處理

針對(duì)優(yōu)化后的多級(jí)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，為了最大限度發(fā)揮其自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，人員配備及工作分配上進(jìn)行了優(yōu)化。由于實(shí)行的是風(fēng)機(jī)-變電站-地面控制中心三級(jí)聯(lián)動(dòng)，因此人員分布上也按三個(gè)地點(diǎn)分配。

（1）井下風(fēng)機(jī)處。由于在風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)配備有大量的傳感器設(shè)備，能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、井下空氣質(zhì)量、風(fēng)量等進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，而且風(fēng)機(jī)處的噪聲較大，不配備專門的看護(hù)人員。為了保證出現(xiàn)異常后處理的及時(shí)性，在井下配備了2 人巡檢小組，定時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)線路及傳感器是否被遮擋進(jìn)行巡查。

（2）變電所。在變電所內(nèi)設(shè)置了一臺(tái)本安計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)是連接上下游控制系統(tǒng)的橋梁，能夠通過(guò)環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。因此該處設(shè)置1 個(gè)具有專業(yè)技術(shù)資格的人員進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)需要根據(jù)故障類別及時(shí)進(jìn)行預(yù)警和分類處理。

（3）地面控制中心。該中心是監(jiān)控系統(tǒng)的“大腦”，實(shí)時(shí)顯示井下風(fēng)機(jī)和空氣狀態(tài)的情況，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)進(jìn)行報(bào)警。因此，需要監(jiān)控人員對(duì)井下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行模式具有高度的專業(yè)性，除了要能快速對(duì)故障進(jìn)行定位和分析外，還需要根據(jù)井下的實(shí)際情況調(diào)整風(fēng)機(jī)閾值或者風(fēng)機(jī)切換時(shí)間閾值等。因此需要設(shè)置1 名專業(yè)技術(shù)人員。

對(duì)每個(gè)通風(fēng)機(jī)配置一臺(tái)對(duì)應(yīng)的控制器并在變電所內(nèi)建立多光口交換機(jī)，為控制器和交換機(jī)建立數(shù)據(jù)交換通道，利用KJD18 通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛婵刂浦行?。在運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)井下空氣狀態(tài)，與數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)空氣狀態(tài)-風(fēng)機(jī)狀態(tài)匹配參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，獲取最佳的風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)信息，然后通過(guò)控制系統(tǒng)控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況。同時(shí)系統(tǒng)對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的供電穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)進(jìn)行備用電源切換，保證通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

礦井多級(jí)聯(lián)控通風(fēng)安全控制系統(tǒng)在李雅莊煤礦的實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）采用新的自動(dòng)控制系統(tǒng)后，需安排4 人即可保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，比傳統(tǒng)控制方案下10 人的配置，人員數(shù)量降低了60%。

（2）采用自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整時(shí)具有了更快的調(diào)節(jié)速度，風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)時(shí)的響應(yīng)時(shí)間由最初的14.6 s 降低到了目前的9.1 s，調(diào)控速度提升了37.6%。

（3）風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的故障數(shù)量由最初的3.1 次/天降低到了目前的0.46 次/天，故障數(shù)量降低了85.3%。