浅析庙沟铁矿自动化通风监测系统构建方法

温 超

(河北钢铁集团矿业有限公司庙沟铁矿，河北 秦皇岛 066501)

0 引言

近年来，随着矿产资源不断开发，为了保证产能的有序衔接，大部分露天开采矿山开始筹划或者已经进入露天转井下开采[1-3]，矿井通风问题也是矿山所面临的主要技术问题[4-6]。对于部分井下开采矿山而言，通风系统自动化程度低，能耗高，监测方法落后，缺乏对通风系统的自动化融合，导致通风效果较差，带来了一定的安全隐患[7-9]。河北钢铁庙沟铁矿正处于露天转井下开采这一关键时期，计划过渡期为3年，井下开采设计使用无底柱分段崩落法开采，对通风系统有较高的要求。为了实时有效监控井下采场及巷道通风情况，精准准确掌握采场通风过程中可能发生的问题，对于该矿自动化通风系统构建显得尤为重要。

1 露天转井下开采通风系统存在问题分析

对于露天转井下开采矿山，特别是井下采用无底柱分段崩落开采技术，通风系统主要存在以下几个方面的问题：

(1)随着露天转井下开采的进行，当露天挂帮矿开采后，容易导致首分段回采进路与露天坑贯通，引起漏风情况的发生。同时，自然风会通过联通口在风压影响下进入井下采场，受季节因素的影响，造成进行不稳定风流的产生，这样致使设计的需风量达不到井下通风要求，如果没有自动化通风监控系统的介入，不能及时发现问题，影响井下开采安全。

(2)大多井下采场作业过程中，未设置辅扇风流控制系统，由于无底柱分段崩落法为独头巷道掘进与进路回采，没有风量监控系统的存在，无法得知当前风量是否达到回采巷道内的风量需求，作业人员往往凭借经验来判断掘进及回采爆破作业完成后，巷道及进路内污风排出情况。这种方法主要是通过直观的观测巷道内污气扩散情况，通过视线可以观测到崩落矿石堆及吸入空气不觉得不舒适为标准，随后进入作业场所，这种情况当巷道达不到需风量要求，导致有害气体及粉尘含量未降至安全值，对作业人员身体健康造成威胁。

(3)井下开拓、采准、切割及回采作业进行时，对于不同的作业工序，往往所需风量不同，单一凭借一个局部扇进行通风，往往导致两种情况的发生：其一，风量过大，作业人员长时间在此环境下作业，降低作业人员舒适感，间接影响生产效率；其二，风量过小，导致污风(含有害气体)无法按时排出，造成污风在采场内循环情况的发生，危害人身健康。对于这种情况，采场内如果设置通风自动化监控系统，将会有效解决这类问题。

由于庙沟铁矿正处于井下开采基建期，通风系统还未形成，对于这种条件，更加突出了构建自动化通风系统的可行性与必要性。

2 自动化通风监控系统构建方法

井下开矿所使用的传统通风控制方式主要通过人力来完成，专门安排相关人员来定期监测采场环境中风量大小、粉尘及有害气体的含量，随后进行危险因素分析，这种通风监测方式，自动化程度低、效率低且劳动强度大，不能及时排查危险因素，对于大规模开采条件的矿山并不适用，基于近年来自动化水平的不断发展，对于庙沟铁矿井下开采，研究提出采用基于PLC控制的自动化监控系统，系统构建方法见图1。

图1 自动化通风监控系统构建图

由图1可以看出，所构建的自动化通风监控系统由五大部分组成，包括操控平台、传感器监控系统、PLC主控系统、变频调速系统及报警系统。PLC主控系统的作用在于将传感器监控系统获取的相关数据进行危险要素分析，随后将信息反馈给监控人员；声光报警系统的作用在于对矿井通风过程中引发的故障及非正常情况进行报警；变频调速系统的作用在于保证井下通风装置实现准确的风流速度调控；传感器监控系统作用在于对井下巷道及采场内的环境(粉尘、有毒有害气体、风流等)进行实时监测，整个监控系统通过各部分间的协同配合，对井下巷道环境实现自动化监测与控制，较小作业人员劳动强度，提高采场通风质量，保障作业生产安全。主要系统的设计功能如下：

(1)PLC控制系统

PLC控制系统作为主要控制功能元件，是实现井下自动化通风监测的重要组成部分，主要功能包含两个部分：其一，是将传感监控系统中获取的井下有关通风参数及时传递给远程操控平台；其二，执行并分析远程操控平台发布的有关操作命令，对变频调速系统进行指令分配，自动调节输入频率，达到对于电动机转速的实时控制。该系统中在PLC控制器以外，还设有EM系列功能单元，包括EM232与EM235两个单元，EM235单元的作用在于将监测参数进行转换，形成可以被PLC控制器识别并进行分析的信号值；EM235单元的作用在于对变频调速系统进行有效控制。对于井下自动化通风监控系统的设计，往往设置两个PLC控制器，使用一个备用一个，防止一旦PLC控制器出现故障而导致的停产情况的发生，从根本上提高这个自动化通风监控系统的可靠性。

(2)传感器监控系统

对于露天转井下开采矿山通风自动化监控系统设计来说，主要是通过传感器监控系统来实现。所以，在井下采场及巷道内不同的部位需设置多个传感器监测单元，例如风压监测传感器、风流监测传感器及有害气体监测传感器等。对于传统通风系统金属矿山而言，主要布置风流及风压传感器，甚至不设定相应的传感器，存在传感器灵敏度低、覆盖面小及种类单一等缺点，导致所测参数值少、不准确及数据反馈滞后等问题，不能全面反映井下通风系统的运行状况，易导致进行通风系统故障及危险的发生。对于自动化通风监控系统，通过使用PLC主控制的自动化通风监控系统，可以在主要运输、采准及回采巷道布置多种类型的传感器，覆盖面广，监测信息精准，运算功能强大，实现采场风量、风压、粉尘及有害气体含量、温湿度的实时准确监测，同时将多种监测传感器及时反馈回来的信息进行综合化数据分析，对监测数据实现智能化处理，保障传输数据的高度可靠性，精确掌握井下通风系统的运行状态。

(3)变频调速系统

部分应用传统通风方式的矿山，在调速方式上大多采用电磁调速，这种调速方式不但能耗高，而且反应欠缺灵敏。为此，针对庙沟铁矿设计提出采用变频调速系统，该系统优点主要在于：其一，在电机运转能耗方面将会有明显的降低，满足节能需求；其二，该技术可以实现电机精准控速，按照井下实际需要进行调整，降低设备在启停切换中的磨损量，延长使用寿命。由于井下生产所采用设备均为大功率输出装置，对于变频器的选择可以采用“交-直-交”高压型，多功率元件串联布置，工作状态下凭借PLC给定的变频控制命令，达到精准控制风量的目的。

3 自动化通风监控系统作用原理分析

自动化通风系统的作用主要在于保障井下采场通风体系的平稳工作，在井下开采中，一般要设置两台风机，一台工作，另一台留作备用。井下风流的供给主要通过自动化监控系统来实现，通过在作业场所安设相应的监测传感器，对采场及巷道中粉尘含量、有害气体含量、温度、风压等信息转换为数字信息来加以处理分析，针对庙沟铁矿处于露天转井下基建期这一条件，设计的自动化通风监控系统的电路体统构成如图2所示。

图2 电路系统构成图

处理完成的数据利用Wifi网络传递给PLC控制系统，随后将收到的数据参数与标准参数进行对比分析，当收到的监测数据位移安全有效值之内，表明井下通风系统处于正常运转状态。反之，反馈回来的数据参数异常，这时系统将发出声光报警并将报警信号传递给远程操控平台，该平台设计集分部监测与集中控制为一体，具有多个接口，可以连接多样设备，内部设有“一体化”软件系统，可以同步完成监测、控制及报警等功能，能够及时提醒技术人员，井下通风系统存在问题，对照异常参数可以第一时间发现出现问题的源头所在，并采取相应措施，以此实现井下通风自动化监测。

4 自动化监控系统节能方法

传统的井下通风系统，将通风设备作为主要部分，按需选择与矿山风量需求匹配的风机，保证通风系统间的协调运行，通过对管道的合理布置，减少风阻，达到需要的通风效果[10]，对于这类通风系统，对于开采规模不大的矿山，基本满足通风需求，但是对于大规模开采矿山，能源消耗大，且达不到采场通风节能要求。对于应用自动化通风监控系统矿山而言，主要采用自动化程序进行节能控制，特别针对庙沟铁矿井下通风系统节能设计，可以采取以下方法：

(1)根据不同作业阶段，按实际需求进行风量配置，如进行掘进、回采及爆破工序时，通过主扇通风系统的变频调节功能，实现不同阶段的风量调节与控制，避免风量过大或者过小，实现按需供风，达到节能目的。

(2)通过在线信息反馈，能够实现手机在线观测系统中各个运行数据(风流、温湿度、有害气体及粉尘含量等)，电脑可以实现视频监控通风系统主要设备运行情况，对于风机启停与风量调整能够满足远程与现场双控功能，达到节能目的。

(3)对于PLC控制系统，可以选择高性能PLC。在系统中安装风机自动故障诊断装置，配备先进的通信、信号提取及在线监测模块，实现风机故障报警与倒机双自动化，避免出现风机故障无法及时排查，导致过度耗能情况，从而达到节能目的。

(4)强化作业人员及技术人员对于通风系统运行的节能理念，通过宣传培训向企业效益与人身安全两方面有关操作人员灌输节能增效的重要性，建立节能增效管理体系，将节能与安全融合到一起，成立相应监管小组，从本质上解决矿山通风节能问题。

5 结语

对于露天转井下开采矿山而言，通风系统的优劣直接影响到矿山开采效益与作业人员安全，随着自动化水平的不断发展以及矿山智能采矿理念的不断被重视，建立先进的自动化矿山通风监控系统尤为重要。因此，以庙沟铁矿露天转井下开采为例，浅析了智能化通风监控系统构建方法及其作用原理，给出了系统节能方法，以保证该矿井下通风系统的建设安全合理、先进可靠，实现矿山安全高效开采，也可为同类条件矿山通风系统建设与改造提供借鉴与指导。