煤矿斜巷运输安全监测及管控技术研究及应用

2018-05-11韩雷

同煤科技 2018年6期

韩雷

关键字煤矿；斜巷轨道运输；安全监测及管控提升系统

1 概述

斜巷轨道运输是煤矿运输体系中非常重要的组成部分，为了预防斜巷轨道运输事故的发生，我国煤矿技术工作者对此进行了大量的研究。田国正等[1]设计了一种将井下人员定位系统和绞车闭锁控制系统相结合的联动闭锁控制系统。通过识别闯入斜巷人员的身份，迅速控制绞车闭锁并用声光报警器进行报警提示，同时该系统可在4 s 之内控制绞车闭锁并发出报警信号，可有效地避免斜巷轨道运输出现安全事故。魏臻等[2]研究了一种基于LonWorks现场总线的斜巷轨道运输监控装置的结构和工作原理。轨道车辆定位技术采用计轴器双对冗余配置，针对易发生脱钩、断绳、脱轨事故原因进行分析，研究了常闭式、常开式防护装置的控制策略，阐述了跑车防护的检测原理和设计方法。汤琼[3]针对矿井斜巷轨道运输中，跑车[4]这一多发事故，提出了一种以可编程逻辑控制器PLC为核心控制单元的斜巷跑车防护系统，阐述了系统的工作原理，并对软硬件的设计和实现进行了详细说明。

虽然我国在矿井斜巷运输安全监控系统[5]方面取得了重要的研究成果，但是斜井轨道运输事故仍然频发，据相关数据显示，每年因斜巷轨道运输而引起的事故占煤矿全部运输事故的35%以上，对矿井安全造成严重危害。因此，发明一套完善的煤矿斜巷运输安全综合监控系统就显得很有必要，并且对有效的防止斜巷运输事故的发生，对于实现矿井安全生产都具有十分重要的现实意义。

2 煤矿斜巷运输安全监测及管控技术

2.1 安全监测及管控提升系统设备构成

煤矿斜巷运输安全监测及管控提升系统是以报警、监测设施为辅[6]，以西门子可编程逻辑控制器作为核心控制元件的安全提升系统[7]。该系统由磁性传感器、红外对射型传感器、语音报警箱、控制箱等部件组成。

磁性传感器主要作为监测设备进行使用，分别对上下车场警戒绳、上平台阻车器、上下车场挡车杠、下平台信号硐室安全门等进行监测；红外对射传感器主要用来监测车辆提升到某个固定位置；语音控制箱主要对绞车运行时存在的问题进行报警。在斜巷提升时，通过磁性传感器、红外对射传感器将探测所得数据传输至西门子PLC 可编程控制器，通过控制器处理数据协调各部动作，使各项操作的相互闭锁、连锁和安全语音提醒功能，报警状态不解除，无法启动运行绞车设备。

当设置的安全条件现场达成时，斜巷绞车提升工作安全、稳定进行。如监测到不满足绞车运行条件存在时，西门子可编程逻辑控制器促使安全语音报警装置动作，并禁止绞车启动，以此实现绞车安全提升运行。

2.2 安全监测及管控提升系统工作原理

煤矿斜巷运输安全监测及管控提升系统采用西门子可编程控制器来完成各种控制以及保护装置的闭锁、连锁功能。当绞车准备运行时，任何不满足绞车安全提升运行要求的监测信号，都不能正常启动斜巷提升绞车，并对不满足提升要求的监测信号进行语音预警提示。

当底车场或上平台警戒绳未拉到位，绞车禁止运行，并语音及红灯闪烁报警提示“上平台未拉警戒绳，请拉好后启动绞车或底车场未拉警戒绳，请拉好后启动绞车”；如果上平台和底车场都没有拉好警戒绳，当按下绞车启动按钮时，上平台和底车场语音预警提示会采用循环预警；拉好其中一个条警戒绳时，语音只会报没有拉好的警戒绳；上平台和底车场警戒绳都拉好后，西门子可编程控制器就会自动进入检测底车场躲避硐室防护栏是否关好及人员是否进入安全防护栏内；当信号把钩工没有及时进入躲避硐室及关好防护栏时，西门子可编程控制器控制启动语音模块反复提示“工作人员请注意，绞车即将运行，请立即进入躲避硐室，关好防护栏”。上平台警戒绳和底车场警戒绳及信号把钩工进入硐室关好防护栏后，按下启动按钮，PLC 控制绞车延时3 秒后启动，并控制语音模块反复提示“正在行车，严禁行人”。

当绞车提车至斜巷矿车位置检测传感器时，如果下平台挡车杠没有升起，西门子可编程控制器就会控制语音模块反复提示“车辆即将到达下平台挡车杠处，请升起下平台挡车杠”，只有挡车杠升起后，西门子可编程控制器立即控制语音模块反复提示“下平台挡车杠已升起，车辆通过后请及时关闭”；当绞车提车至斜巷另一处矿车位置检测传感器时，如果上平台挡车杠没有升起，西门子可编程控制器就会控制语音模块反复提示“车辆即将到达上平台挡车杠处，请升起上平台挡车杠”，只有挡车杠升起后，西门子可编程控制器立即控制语音模块反复提示“上平台挡车杠已升起，车辆通过后请及时关闭”；当绞车提车至斜巷中第三处矿车位置检测传感器时，如果上平台阻车器没有打开，西门子可编程控制器就会控制语音模块反复提示“车辆即将到达上平台，请打开上平台阻车器”，只有阻车器打开后，西门子可编程控制器立即控制语音模块反复提示“上平台阻车器已打开，车辆通过后请及时关闭”；

西门子PLC 控制器根据检测到的各个传感器状态对六种报警语音进行控制转换，不管预警何种语音，语音报警箱上面LED红灯以每20 ms的频率闪烁。

在绞车控制方面，绞车控制箱有3个按钮，正转—反转—停止。绞车正转的时候，如果误把反转按钮当做停止按钮按下，虽然绞车停止，但是绞车马上反转运行；相反把正转按钮当成停止按钮按下，绞车马上正转运行，这种误操作在井下就出现过，也容易造成斜巷提升事故的发生，针对电器的缺陷及绞车操作人员误操作等问题，斜巷绞车安全提升系统采用可编程控制器程序连锁，只要绞车在运行的时候误操作，可编程控制器就会停止绞车运行并锁死正转和反转按钮，只有按下停止按钮后方可重新启动绞车，同时绞车正常操作，是不会出现按钮锁死现象的。斜巷绞车安全提升系统电气原理图，如图1所示；斜巷绞车安全提升系统运行函数关系图，如图2所示。

图1 斜巷绞车安全提升系统电气原理图

图2 斜巷绞车安全提升系统运行函数关系图

3 安装与使用情况

3.1 煤矿斜巷运输安全监测及管控提升系统的构成

3.1.1 主控制箱

主控制箱以西门子可编程逻辑控制器做为控制核心，以本质安全电源模块和语音处理模块为辅助，通过通讯电缆连接各个检测传感器。西门子可编程逻辑控制器主要用于采集各个传感器检测到的状态信号，通过对接收的信号进行分析比较处理，并发出相应的控制指令使对于的执行机构动作，实现斜巷的安全提升系统的自动化操作。考虑为方便绞车司机的观察，主控制箱安装于斜巷绞车操作硐室，电源就近取自斜巷配电点照明综保，确保控制电源与绞车动力电源各为独立、互不干扰，提高系统的安全与可靠性。

3.1.2 自动行人阻行装置

行人阻行装置安装在上下车场口，取代原有手拉式警戒绳，减少人员劳动强度节省人员体力。行人阻行装置主要由小型汽缸，限位开关，电动球阀、警示阻人栏组成。小型汽缸做为行人阻行装置警示阻人网上下移动驱动装置，动力源采用风压，通过电动球阀的开闭来控制风压动力的输入和输出；限位开关用于检测警示阻人栏的位置情况。

行人阻行装置两侧分别用两条膨胀螺栓固定在巷帮，并确保装置固定牢靠；两个小型汽缸根部分别固定在行人阻行器两侧的固定支架上，两个伸缩杆分别固定警示阻行栏的两端，用于警示阻行栏的升降；警示阻行栏的一端安装一个限位磁性开关的永久磁铁，磁性开关安装在巷帮，位置与警示阻行栏落下时的位置保持在一条直线上，即警示阻行栏落下时，永久磁铁能触动磁性开关动作为准；磁性开关信号通过监测线传输至可编程控制器。

3.1.3 闭锁式信号操作硐室装置

闭锁式信号操作硐室装置，主要有安全门、限位开关、信号装置组成，安全门和限位开关主要用来管理信号工必须进入信号硐室后方可进行信号操作。安全门分别用4 条膨胀螺栓固定在信号硐室两侧巷帮上，两扇门的高度要保持一直，整齐美观；限位开关安装在两扇门的合并处，即：必须关好安全门时，永久磁铁能触动磁性开关动作为准；信号装置安装于信号硐室内，安装位置为关闭安全门后在安全外面无法操作信号装置，信号工只能进入信号硐室内方能操作信号装置；磁性开关信号通过监测线传输至可编程控制器；实现闭锁式信号操作硐室装置。

3.1.4 位置传感器

位置传感器主要用于斜巷内车辆运行位置的检测，由三组红外传感器组成，分别安装在斜巷上平台挡车杠与上平台阻车器之间、两个连锁挡车杠之间、底车场和下挡车杠之间，红外传感器固定在斜巷巷帮，红外发射器和接收器要保持同一高度，高度略高于矿车中心线。

3.1.5 设备状态检测传感器

设备状态检测传感器主要由磁性开关和永久磁铁组成；斜巷绞车安全提升系统中分别应用在上下平台警戒绳、阻车器、下平台操作硐室安全门等状态的检测上，磁性开关做为固定部分，固定在设备上或巷帮上，而永久磁铁主要做为运动部分固定在设备的运动部位。

阻车器主要用于防止车辆非正常下行，检测阻车器的时时状态对安全提升具有重要意义，状态检测传感器磁性开关安装在斜巷上平台阻车器防护盖下方，永久磁铁安装在执行机构一端，当阻车器打开时，永久磁铁运行至触动磁性开关范围内，磁性开关动作，输出阻车器实时状态信号，并传输给西门子可编程控制器，完成阻车器信号检测，进行语音预警；当阻车器关闭时，永久磁铁远离触动磁性开关范围，磁性开关动作，输出阻车器实时状态信号，并传输给西门子可编程控制器，完成阻车器信号检测，进行语音预警。

挡车杠主要用于防止非正常下行跑车，检测挡车杠的升降到位状态，状态检测传感器磁性开关安装斜巷挡车杠行程范围上方顶板上，永久磁铁安装在挡车杠内侧，当挡车杠升起时，永久磁铁运行至触动磁性开关范围内，磁性开关动作，输出挡车杠实时状态信号，并传输给西门子可编程控制器，完成挡车杠信号检测，进行语音预警；当挡车杠下降时，永久磁铁远离触动磁性开关范围，磁性开关动作，输出挡车杠实时状态信号，并传输给西门子可编程控制器，完成挡车杠信号检测，进行语音预警（连锁挡车杠上下车场挡车杆安装方式相同）。

3.1.6 声光语音预警装置

语音预警装置由一块语音模块和声光语音控制箱组成，由主控制箱控制语音模块工作，语音模块将信号传输给语音控制实现智能语音报警。语音模块安装在主控制箱内，声光语音箱在斜巷上平台和下平台各安装一台，并吊挂在行人侧巷道顶板醒目处，使得上、下平台作业人员都能清楚的看到与听到声光语音箱发出的警报。斜巷绞车安全提升新系统各传感器安装位置示意图如图3。

图3 煤矿井下联络斜巷绞车安全提升系统各传感器安装位置示意图

3.2 煤矿斜巷运输安全监测及管控提升系统的使用情况

煤矿斜巷运输安全监测及管控提升系统通过安装传感器对斜巷提升过程中各个重要设备及固定地点的信号采集，将传感器采集到的信号通过西门子PLC可编程逻辑控制器进行分析判断后控制斜巷运输系统保护设施的动作及语音预警提醒岗位操作人员，能有效防止因操作人员误操作、人员的违章操作和人员违章进入不安全区域而造成的斜巷提升运输事故的发生，达到了对不安全因素及保护状态的语音报警提示和操作安全连锁、闭锁运行的目的，实现了斜巷绞车运输安全管控和本质安全，在陈四楼煤矿皮带检修斜巷提升运输中进行了现场安装使用，取得了良好效果。

煤矿斜巷运输安全监测及管控相关技术研究及应用实现斜巷绞车运输的安全监测及管控的要求，克服了以往依靠人员监管的弊端，大大提高了安全提升效果。使用西门子PLC可编程控制器，使控制电路变得简单而明确，减少了电器元件，如延时断电模块，延时吸合模块，继电器模块，避免了利用模块控制时出现的配合不稳定情况，同时PLC 控制时所有的程序由内部处理器统一控制，使得控制输出更确切，更稳定。