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安全高效現代化煤礦監控技術

發布時間:2013/5/13

孫繼平

中國礦業大學(北京)  北京  100083

摘要:提出安全高效礦井應采用先進可靠的監控技術,實現供電、排水、通風、壓風、運輸、提升、瓦斯抽采等固定崗位無人值守,地面遠程控制;綜采、綜放等采煤工作面少人作業,地面遠程控制;提出供電、排水、通風、壓風、運輸、提升、瓦斯抽采等監控系統應具有地面遠程控制功能;提出具有遠程控制、報警聯動、調度指揮等功能的煤礦調度指揮控制中心;提出整合計算機網絡機房、程控交換機機房、調度交換機機房、監控系統機房等的數據中心;提出基于煤層瓦斯壓力和瓦斯含量、綜合指標、鉆屑瓦斯解吸指標、復合指標、R值指標、瓦斯涌出量(根據瓦斯濃度和風量計算)、巷道位置、微震、地音、溫度等及其變化的煤與瓦斯突出預警方法;提出基于WIFI的礦用無線傳輸接口,以便于互通互聯;提出通過分布式光纖測溫預警煤炭自然發火,較通過CO等煤炭自然發火標志氣體更直接、更及時、更可靠;提出根據運煤量實時調整輸送帶速度:當煤量較小時,降低皮帶運行速度;當煤量較大時,提高皮帶運行速度,以提高運輸效率,減少設備磨損;提出基于光纖綜合保護的供電監控系統具有防越級跳閘、地面遠程整定和地面遠程控制功能,提高了煤礦供電的可靠性,可實現煤礦井下機電硐室無人值守;提出具有煤巖識別與滾筒自動調高,采煤機、刮板機、液壓支架3機聯動,記憶割煤,地面遠程、順槽近程、手動控制和緊急停機,放頂煤量和煤矸控制、采煤機和刮板機等大型機電設備故障診斷等功能的采煤工作面監控系統。

1 引言

煤炭是我國的主要能源,約占一次能源的70%。中國是世界第1產煤大國,煤炭產量約占世界50%。2011年全國煤炭產量35.2億噸,占世界煤炭總產量的49.5%。2011年全國煤礦發生死亡事故1201起,死亡1973人,百萬噸死亡率0.564,事故總量、較大事故、重特大事故和百萬噸死亡率均大幅下降,安全生產形勢明顯好轉。但煤礦安全形勢依然嚴峻,重特大事故時有發生,百萬噸死亡率遠高于美國、南非、俄羅斯等其他主要產煤國家[1]。

因此,有必要研究安全高效煤礦監控關鍵技術,實現供電、排水、通風、壓風、運輸、提升、瓦斯抽采等固定崗位無人值守,地面遠程控制;綜采、綜放等采煤工作面少人作業,地面遠程控制等;減少煤礦井下作業人員,實現煤礦安全高效生產[2]。

煤礦監控系統主要包括安全監控系統、人員位置監測系統、產量監測系統、供電監控系統、帶式輸送監控系統、排水監控系統、壓風監控系統、膠輪車運輸監控系統、軌道運輸監控系統、火災監控系統、礦壓監測系統等。煤礦監控系統除應具有模擬量、開關量等監測、顯示、報警、存儲、打印等功能外[2],還應根據煤礦安全高效生產的需要,具有預警、地面遠程控制等功能。

2 調度指揮控制中心

目前煤礦調度室主要用于煤礦安全生產信息顯示、電話調度指揮等,煤礦井下供電、排水、通風、壓風、運輸、提升、采掘、瓦斯抽采等主要生產環節有大量的作業人員。一旦發生瓦斯爆炸、透水、火災等事故,就會造成大量人員傷亡。因此,有必要采用先進可靠的監控技術,實現供電、排水、通風、壓風、運輸、提升等固定崗位無人值守,地面遠程控制;綜采、綜放等采煤工作面少人作業,地面遠程控制等[3]。

因此,需要建立煤礦調度指揮控制中心,不但具有煤礦安全生產信息顯示、電話調度指揮等功能,還具有供電、排水、通風、壓風、運輸、提升、采煤等遠程控制功能,減少煤礦井下作業人員;并具有聯動報警功能,當監測到異常狀況時,具有聲光報警、圖像抓拍與記錄、語音廣播與記錄、應急預案響應等功能。

為便于管理,降低維護成本,煤礦應將計算機網絡機房、程控交換機機房、調度交換機機房、監控系統機房等統籌考慮,建立統一的數據中心,并臨近煤礦調度指揮控制中心。

3 煤礦安全監控系統

煤礦安全監控系統應具有甲烷濃度、一氧化碳濃度、二化碳濃度、氧氣濃度、風速、風壓、溫度、煙霧、饋電狀態、風門狀態、風筒狀態、局部通風機開停、主通風機開停等監測功能,并實現甲烷超限聲光報警、斷電和甲烷風電閉鎖控制等[4-9]。

為滿足煤礦安全高效生產的需求,煤礦安全監控系統除應具有上述功能外,還應具有煤與瓦斯突出預警、瓦斯超限預控等功能。

瓦斯超限預控就是根據實時監測的瓦斯濃度,調節采煤機割截速度,控制瓦斯超限,減少瓦斯斷電對煤炭生產的影響:(1)當瓦斯濃度接近斷電濃度且繼續上升時,降低采煤機割截速度;(2)當瓦斯濃度較低且繼續降低時,在采煤機最大允許割截速度下,提高采煤機割截速度。

煤與瓦斯突出預警就是根據煤層瓦斯壓力和瓦斯含量、綜合指標、鉆屑瓦斯解吸指標、復合指標、R值指標、瓦斯涌出量(根據瓦斯濃度和風量計算)、巷道位置、微震、地音、溫度等及其變化,對煤與瓦斯突出預警。

4 煤礦井下人員位置監測系統

煤礦井下人員位置監測系統應具有人員位置、攜卡人員出入井時刻、重點區域出入時刻、限制區域出入時刻、工作時間、井下和重點區域人員數量、井下人員活動路線等監測、顯示、打印、存儲、查詢、異常報警、路徑跟蹤、管理等功能;在遏制超定員生產、事故應急救援、領導下井帶班管理、特種作業人員管理、井下作業人員考勤等方面發揮著重要作用[10-11]。

為滿足煤礦安全高效生產的需求,煤礦井下人員位置監測系統除應具有上述功能外,還應具有精確定位、雙向緊急呼叫、唯一性檢測、搜尋等功能。

為減少設備投入、便于系統安裝和維護,煤礦井下人員位置監測系統應與礦井移動通信系統、膠輪車運輸監控系統、軌道運輸監控系統、放炮監控系統等采用WIFI等技術,統一無線接口、統一傳輸平臺。

5 礦井火災監控系統

火災束管監測系統通過監測CO、O2、CO2、N2等煤炭自然發火標志氣體,進行采空區等煤炭自燃火災監測預警,在礦井內因火災防治工作中發揮著重要作用。但火災束管監測系統,存在著束管堵塞、漏氣、實時性差、不便于使用與維護等問題[12]。

分布式光纖測溫系統利用光纖拉曼散射效應和光時域反射技術、采用單根光纖實現溫度監測和信號傳輸;具有分布式、連續、實時測溫,可靠性高,便于使用與維護等特點。

敷設在采空區的感溫光纜,可實時監測采空區不同位置的溫度,并根據溫度及其變化,實現煤炭自燃火災監測與預警。通過監測溫度預警煤炭自然發火,較通過CO等煤炭自然發火標志氣體更直接、更及時、更可靠。

敷設在電纜、接線盒、開關、變壓器等電氣設備的分布式光纖測溫系統,可實時監測電氣設備、接頭、觸點溫度,當溫度異常時及時報警或斷電,避免或減少礦用電氣設備火災發生。

敷設在帶式輸送機沿線的分布式光纖測溫系統,可實時監測機頭、機尾、托輥、皮帶等溫度,當溫度異常時及時報警或斷電,避免或減少皮帶火災發生。

6 煤礦帶式輸送監控系統

煤礦帶式輸送監控系統應具有輸送帶速度、溫度、煙霧、跑偏、撕裂、打滑、堆煤、運煤量、功率平衡、強力輸送帶鋼絲斷絲、電機工作電壓、工作電流、功率、運行狀態等監測、顯示、報警功能;具有逆煤流起動、順煤流停止控制功能;具有緊急停機控制和閉鎖功能;具有縮帶、收帶、伸帶、放帶控制功能;具有多電機速度同步控制和功率自動平衡功能;具有超溫報警、灑水控制和閉鎖功能;具有煙霧報警、灑水控制和閉鎖功能;具有堆煤報警、停機控制和閉鎖功能;具有跑偏報警、停機控制和閉鎖功能;具有撕裂報警、停機控制和閉鎖功能;具有煤倉煤位報警、控制和閉鎖功能;具有自動、手動、就地、遠程、多機聯鎖及單機控制功能[13]。

為提高運輸效率,減少設備磨損,系統應能根據運煤量實時調整皮帶速度:當煤量較小時,降低皮帶運行速度;當煤量較大時,提高皮帶運行速度;長時間無煤時,自動停機;有煤時,自動開機。

為減少煤礦井下皮帶運輸工,系統應具有地面遠程控制功能,并配以視頻監視系統和礦井移動通信系統,實現地面調度指揮控制中心遠程控制。

7 煤礦供電監控系統

煤礦供電監控系統應具有電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率、溫度、電網絕緣、電磁起動器、饋電開關分/合、有功電量等采集、顯示、報警功能;具有過流(短路、過負荷等)、過壓、欠壓、斷相、接地、漏電、誤操作保護功能[14]。

基于光纖綜合保護的供電監控系統具有防越級跳閘、地面遠程整定和地面遠程控制功能,提高了煤礦供電的可靠性,配以視頻監視系統和礦井移動通信系統,可實現地面調度指揮控制中心遠程控制,煤礦井下機電硐室無人值守。

8 采煤工作面監控系統

采煤工作面監控系統應具有模擬量和開關量采集、顯示及報警功能:(1)采煤機位置、割截速度、采高、牽引速度,采煤機各電機電壓、電流、功率、溫度,采煤機開停狀態等;(2)刮板機各電機電壓、電流、功率、溫度,刮板機開停狀態等;(3)轉載機電機電壓、電流、功率、溫度,轉載機開停狀態等;(4)破碎機電機電壓、電流、功率、溫度,破碎機開停狀態等;(5)液壓支架壓力、支撐高度、位置、累計推移行程等;(6)內、外噴霧壓力,清水泵開停狀態;(7)電液系統壓力,乳化液泵開停狀態等[15]。

采煤工作面監控系統應具有自動閉鎖控制功能:(1)順序啟動,延時時間可調:順槽帶式輸送機→破碎機→轉載機→刮板輸送機→采煤機;(2)順序停機,延時時間可調:采煤機→刮板輸送機→轉載機→破碎機→順槽帶式輸送機;(3)乳化液自動配比、乳化液箱自動補液、乳化液泵過壓自動卸載溢流、清水泵箱自動補液、失壓保護等;(4)液壓支架移架與支撐;(5)過負載保護等。

采煤工作面監控系統應具有煤巖識別與滾筒自動調高,采煤機、刮板機、液壓支架3機聯動,記憶割煤,地面遠程、順槽近程、手動控制和緊急停機,放頂煤量和煤矸控制、采煤機和刮板機等大型機電設備故障診斷等功能。

9 礦井軌道運輸監控系統

礦井軌道運輸監控系統應具有列車位置、機車編號、運行方向、運行速度、車皮數、信號機狀態、電動轉轍機狀態、供電電壓、架空線絕緣等采集功能;具有人員上下車時,切斷上、下車地點架空線電源功能[13]。

礦井軌道運輸監控系統應具有信號機、電動轉轍機等閉鎖控制功能,且符合下列要求:(1)列車應按規定進路運行,每條進路只允許有一組列車,進路的最短距離應大于一列車長;(2)防護進路的信號機開放前,應先滿足進路中所有電動道岔位置正確、區段空閑、敵對進路未建立等條件。防護進路信號機開放時,應先閉鎖敵對進路及進路內所有電動道岔,再開放信號機;(3)進路區段解鎖可采用一次解鎖或分段解鎖;進路應具有系統授權控制的人工解鎖功能;(4)列車進入信號機內方,應及時關閉信號;信號機關閉后,不經辦理,不應再次開放;區間信號機可當整列列車進入信號機內方后,再關閉信號,但不應造成追尾事故;信號機發生故障時,應自動轉為關閉狀態,或故障指示狀態;具有信號機、電動轉轍機故障報警和列車進入未解鎖區段報警等功能。

10 瓦斯抽采監控系統

瓦斯抽采監控系統應具有模擬量采集、顯示及報警功能:(1)抽采(放)管路中甲烷濃度、流量、壓力、溫度、一氧化碳濃度、閥門開度等管道參數;(2)瓦斯抽采(放)泵站室內甲烷濃度、井下臨時抽采(放)瓦斯泵站下風側柵欄外甲烷濃度等環境參數;(3)電機溫度、抽采(放)泵真空度、抽采(放)泵軸溫等設備參數;(4)水量、水壓、冷卻水池水溫、水位等供水參數;(5)電流、電壓、功率因素等供電參數;(6)供氣管道正壓、溫度、甲烷濃度、流量、供氣閥開度等供氣參數;(7)罐高、罐壓、罐內甲烷濃度、密封水位、密封水溫等儲氣罐參數。

瓦斯抽采監控系統應具有瓦斯抽采(放)泵狀態、閥門狀態、供水狀態等開關量采集、顯示及報警功能;具有瓦斯抽采(放)混合量和純瓦斯量等累計量監測、顯示功能;具有瓦斯抽采(放)泵、閥門等控制功能;具有閥門開度等自動、手動、就地、遠程和異地調節功能。

11 礦井排水監控系統

礦井排水監控系統應具有水倉水位、流量、壓力(含管路壓力、真空泵負壓等)、設備溫度(水泵軸承溫度、電機繞組及軸承溫度等)、電流、電壓、功率等模擬量采集、顯示及報警功能;具有水泵、閥門、真空泵、防水門狀態等開關量采集、顯示及報警功能;具有排水量、有功電量、水泵運行時間等累計量采集、顯示及報警功能;具有水泵、電機軸承振動等采集、顯示、故障診斷及報警功能;具有過流(短路、過負載等)、過壓、欠壓、斷相、接地、漏電、誤操作等保護功能。

礦井排水監控系統應具有地面遠程控制功能,實現水泵等啟/停地面遙控;具有自動控制功能,根據水位、用電峰谷等自動啟/停水泵;具有人工就地控制功能,實現水泵等啟/停就地人工控制;具有按設定順序啟停多臺水泵功能;具有遠程控制、自動控制、就地控制、檢修等功能設置,并可設定優先級,檢修時閉鎖其他控制狀態。

12 煤炭產量遠程監測系統

煤炭產量遠程監測系統應具有煤炭產量監測、處理、存儲、查詢、顯示、打印等功能;具有嚴重超產報警功能;具有系統工作狀態監測、處理、顯示、打印、存儲、查詢、報警等功能:(1)計量儀器外殼開啟狀態;(2)計量儀器調整參數狀態;(3)計量儀器供電狀態;(4)輸煤異常狀態;(5)計量異常狀態;(6)通信異常狀態等[16]。

13 礦山壓力監測與預報系統

礦山壓力監測與預報系統應具有液壓支架和單體液壓支柱工作阻力及下縮量,錨桿拉力,鉆孔應力,巷道頂底板位移,頂板離層位移,頂板下沉速度,聲發射總事件、大事件、能率,微震等監測報警,頂板大面積來壓等預警功能。

14 結論

煤炭行業是高危行業,煤炭開采會發生瓦斯、水災、火災、頂板、煤塵、爆破、機電等事故。因此,通過機械化、自動化、信息化,減少煤礦井下作業人員,是煤炭安全高效生產的必然選擇。實現供電、排水、通風、壓風、運輸、提升、瓦斯抽采等固定崗位無人值守,地面遠程控制;綜采、綜放等采煤工作面少人作業,地面遠程控制;既是煤炭安全高效生產的需要,也是是煤礦監控系統的發展方向。本文全文發表在《工礦自動化》2012年第12期[孫繼平.安全高效礦井監控關鍵技術研究.工礦自動化,2012,38(12):1-5]

來源:國家煤炭工業網

 

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