蒙库铁矿通风系统远程控制技术的应用

季立山

(富蕴蒙库铁矿有限责任公司)

1 概况

富蕴蒙库铁矿井下矿为露天转井下生产矿,现主要回采原露天矿东部挂帮矿体,采用无底柱分段崩落法回采,为多级机站通风系统。 矿井现回采的938m 中段共布置有风机站5 道,大小各类机站风机8 台,中段机站设置及风机选型见表1。 总装机容量1065kW,设计总风量12120m3/min。

表1 938m 中段机站设置及风机选型表

由于矿井生产工艺及采掘部署的特性,井下主要生产巷道在立体上呈网状结构,如图1 所示。 存在大量角联通风巷道,通风系统较为复杂。 作为矿井通风系统关键部位的机站风机及主要通风设施采取现场人工控制方式,存在作业场所分散、路程远、噪音大等不利因素,在进行通风参数测定及系统调整时难度较大,导致系统在出现变化后,专业技术人员无法在短时间内进行专业分析和对通风系统的快速调整。 再有通风系统装机功率一般较大,电耗通常占矿井总能耗的三分之一,由于金属非金属地下矿山生产工艺及多级机站通风系统的特点,现场普遍存在有效风量率低、通风能耗高、管理难度大等缺点,因此改进通风系统控制方式是通风管理高效化和矿山节能降耗的重要途径之一。

图1 蒙库铁矿地下矿山通风系统示意图

2 通风系统远程控制的建立

2.1 通风参数实时监控

蒙库铁矿井下矿建立有KJ83N 安全监控系统,可对井下各个风机站、控风设施及主要通风巷道的的运行状态和通风参数进行监控,并在中控室计算机集中实时显示。 井下矿根据现场实际情况及时完善各类监测传感器,其中风机站设置有风速、风压、温度、一氧化碳浓度等传感器,针对每台机站风机设置风机开停及开关馈电传感器;矿井主要进回风井、主要通风巷道及各个分层进回风天井联络巷处设置风速、温度及一氧化碳浓度传感器。

为确保通风参数监控数据的真实有效性,巷道中安装的传感器一般设置在距离巷道交叉口10m处,前后10m 范围严禁堆放杂物阻塞巷道,以确保能够监测经过充分混合的气体浓度。 由于空气的粘性和井巷壁面摩擦的影响,巷道断面中风速大小呈不均衡状态分布,风速传感器一般悬挂在距离巷道顶板1/3 处,同时传感器数据需定期与机械式风表实测数据进行对比,保障监控数据的真实有效。

通过上述通风监控系统的优化完善,实时掌握井下通风系统现状,为风机站及主要控风设施的远程控制提供数据支撑。

2.2 风机站远程控制

蒙库铁矿井下矿机站风机采用变频调速控制,以S7-300 系列PLC 作为控制核心,在中控室设置网络柜,通过光纤将采集的机站风机监控信号传输至中控室。 中控室计算机wincc 画面实时监控和显示风机运行状态,包括风机开停、正反转、电流、频率、电机轴承温、故障报警等信息,通过中控室计算机对每台风机实现远程集中控制。 同时根据采掘区域实际作业情况及矿井需风量变化,对机站风机进行分阶段变频调速控制。 由于井下各个采掘区域在不同生产工序期间实际需风量不同,在进行通风系统调整期间,可充分发挥多级机站通风系统的优势,针对各个生产区域的不同时间段,按照其实际需风量进行变频调速控制。 工作面在爆破期间,在短时间内可适当加大采场临近风机站的运行频率,加快炮烟的排放速度,可为采掘工作面提供更多的有效生产时间;铲运期间,则根据巷道通风排尘和柴油设备的需风情况,对风机频率进行合理调整;工作面检修期间,则降低风机站的运行频率,无人作业时甚至可将邻近的供风风机站暂时停机。通过对风机站的分阶段远程变频控制,在保障生产安全的情况下,使矿井风量得到最大的利用,实现按需通风和节能降耗的目的。

2.3 主要通风设施远程控制

井下各分层进、回风天井联络巷及其他主要控风地点的通风设施均采用自动调节风门,其风门设置有可调节风量的百叶风窗。 风门控制主机内置485 通讯接口,井下分站通过485 通讯与上位机相连,位于中控室的上位机连接井下分站,对风门开闭及风窗百叶角度进行控制,使得主要控风设施具有远程智能调节功能。

主要控风设施自动调节功能是通过安设在巷道中的风速、一氧化碳浓度传感器检测到风量或有害气体浓度变化时,输出模拟信号至控制主机,控制主机根据接收的模拟信号输出控制信号至通风设施的液压站,液压站根据其输出的不同信号对通风设施进行风门开闭、风窗百叶角度调节等操作。同时也可根据通风系统临时调整需要,对井下的主要通风设施进行远程调节,主要控风设施安装位置就地设置有机旁控制按钮,可直接进行现场调节,同时现场完善有视频监控、通讯联络、语音广播、声光信号报警、通风参数监控等设施。

3 通风系统远程控制的运行

3.1 数据传输与远程控制

蒙库铁矿井下矿通风系统远程控制由现场数据监控、数字通讯传输、地面监控管理组成。 现场数据监控主要具有数据采集、控制命令执行及现场操作等功能;数字通讯传输则利用高速工业以太网构建通讯链路,确保井下矿现场监控数据能够准确快速地传输到地面中控室,同时将中控室的控制命令能够快速的传递至井下;地面监控管理主要有展示、存储、查询、分析、控制等功能。 通过存储大量的现场监控数据,专业技术人员可对其指标参数信息、事故信息、预警信息等进行快速的综合分析,为分析决策和远控程序优化提供数据基础,根据监控系统采集的数据分析当前通风系统的运行状况,对险情进行报警,并对井下各通风设备、设施进行联动控制,及时排除通风险情和隐患。

井下矿现场每月对各类通风参数传感器进行检查和标校,确保各类监控数据传输的准确性,做好人工数据采集和传感器数据校核。 通风系统出现较大变化时,及时优化远程控制程序,避免通风系统因远程自动控制程序的不合理操作,出现通风隐患。 中控室调度员作为通风系统远程控制程序的日常管理和使用者,需熟悉井下通风系统现状、具备一定的通风专业知识,在作业中要实时观察其运行状况,严格按照工艺指令操作系统,并及时向专业技术人员反馈异常信息。 而专业技术人员则需要有足够的理论和现场工作经验,能够准确的对计算机反馈的综合数据进行分析,对现场存在的通风异常能通过对风机站和主要控风设施的远程调控进行快速处理。

3.2 按需通风与调控

蒙库铁矿井下矿根据其矿体分布及采掘部署,每个分层分为东、西两个采场,分别对应由1#进风天井和2#进风天井进风。 单个采场按照施工工序主要分为爆破通风、回采铲运、检修等三个阶段,各工序阶段实际需要风量计算如下:

(1)爆破通风期间需要风量采用前苏联B. H.沃洛宁公式进行计算:

式中:A—工作面一次爆破最大炸药用量,kg;

b—1kg 炸药产生的CO 当量,岩巷爆破取40L/kg;

S—巷道断面积,m2;

L—巷道通风长度,m;

P—始末端风量之比,采场为全风压通风,P=1.0;

C—巷道内CO 浓度的允许值,取0.0024%;

T—放炮后通风时间,取30min。

采场单次爆破药量为1600kg,通风路线长度为250m,经计算爆破通风期间单个采场需要风量为1122m3/min。

(2)回采铲运期间需要风量按柴油设备功率计算:

式中:W—采场工作面同时作业柴油设备的总功率,kW;

4—每千瓦柴油设备的供风量,m3/min。

采场工作面同时作业的柴油设备为3m3铲运机1 台,单台功率136kW,回采铲运期间单个采场实际需要风量为544m3/min。

(3)检修期间需要风量按排尘风速计算:

式中:V—采场工作面最低排尘风速,取0.25m/s;

S—巷道断面积,m2。

采场工作面按最低排尘风速计算,确定检修期间单个采场需要风量为226.2m3/min。

综合上述计算,采场在不同生产工序阶段的实际需风量变化较大,由于井下矿各个采场生产工序的时间基本一致,蒙库铁矿井下矿充分利用通风系统远程控制技术的优势,在不同的生产阶段对风机站及主要控风设施进行优化调节,按需通风达到节能降耗的目的,具体变频调控参数见表2。

表2 938m 中段风机站分阶段变频调控参数表 Hz

3.3 注意事项

(1)通风监控传感器需严格按照安装规范要求进行设置,并定期进行核对标校,以确保通风监控数据的准确性。

(2)由于通风监控传感器存在一定的数据误差甚至误报,专业技术人员的指令需高于计算机的控制指令。

(3)风机站及主要通风设施远程变频调控,不同运行状态下采场的通风参数需现场实测核实。采场在不同生产工序时,实际需风情况需准确计算核实,之后再严格按照现场实际需风量对通风系统进行合理调控。

(4)完善井下通风设施,严格控制采场覆盖层厚度,回采完毕区域及时进行永久封闭,减少漏风,尤其是要避免出现与地表相通的漏风通道,以确保矿井通风系统的整体可控。

4 现场应用效果

蒙库铁矿井下矿一期工程938m 中段于2018年建设完成,随着通风系统的形成,逐步实施了通风系统远程控制技术的应用。 938m 中段现有的5道风机站及其配电室全部实现无人值守,减少了现场设备维护和操作人员及人机接触的频次。 专业技术人员对矿井通风系统的管控能力有了较大提升,在通风系统需要调整时,仅需1 ～3min 即可完成对应机站风机和主要控风设施的预定操作,实现对全矿井通风系统的快速调整和改善员工作业环境并降低劳动强度。 同时矿井通风系统抗灾变能力有了质的提升,采掘区域因各种原因导致现场通风需求出现变化时,可根据通风参数的变化情况,及时调整对应风机频率及控风设施的通风断面,通过风量、风压的远程集中控制,及时调整风路和改善现场作业环境,极大降低了通风系统的管理难度。

在节能降耗方面,通风系统远程控制技术根据各采掘区域实际需风情况,通过风机变频调速及控风设施的自动调节,实行按需通风,采掘区域爆破通风时间普遍降低了40%以上,每天增加矿石铲运时间达1 小时。 1-5 号机站风机总装机容量达1065kW,运行过程中根据生产需要进行变频控制,根据电表计量数据对比,每年可节约电耗达224 万kWh,产生可观的经济效益。

5 结语

蒙库铁矿矿井通风系统远程控制技术,通过实时监控通风系统的运行状态,能够快速对通风系统进行调整,实现按需通风,通风和节能效果得到显著改善,同时现场监控数据准确快速地传输到地面,专业技术人员能够根据生产需要,调整风路改善现场作业环境,并及时排除通风险情和隐患,极大提升了矿山通风系统安全管理水平,经济效益和社会效益显著,是井下矿通风技术发展的方向。