溫 超
(河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司廟溝鐵礦,河北 秦皇島 066501)
近年來,隨著礦產(chǎn)資源不斷開發(fā),為了保證產(chǎn)能的有序銜接,大部分露天開采礦山開始籌劃或者已經(jīng)進入露天轉(zhuǎn)井下開采[1-3],礦井通風問題也是礦山所面臨的主要技術(shù)問題[4-6]。對于部分井下開采礦山而言,通風系統(tǒng)自動化程度低,能耗高,監(jiān)測方法落后,缺乏對通風系統(tǒng)的自動化融合,導致通風效果較差,帶來了一定的安全隱患[7-9]。河北鋼鐵廟溝鐵礦正處于露天轉(zhuǎn)井下開采這一關鍵時期,計劃過渡期為3年,井下開采設計使用無底柱分段崩落法開采,對通風系統(tǒng)有較高的要求。為了實時有效監(jiān)控井下采場及巷道通風情況,精準準確掌握采場通風過程中可能發(fā)生的問題,對于該礦自動化通風系統(tǒng)構(gòu)建顯得尤為重要。
對于露天轉(zhuǎn)井下開采礦山,特別是井下采用無底柱分段崩落開采技術(shù),通風系統(tǒng)主要存在以下幾個方面的問題:
(1)隨著露天轉(zhuǎn)井下開采的進行,當露天掛幫礦開采后,容易導致首分段回采進路與露天坑貫通,引起漏風情況的發(fā)生。同時,自然風會通過聯(lián)通口在風壓影響下進入井下采場,受季節(jié)因素的影響,造成進行不穩(wěn)定風流的產(chǎn)生,這樣致使設計的需風量達不到井下通風要求,如果沒有自動化通風監(jiān)控系統(tǒng)的介入,不能及時發(fā)現(xiàn)問題,影響井下開采安全。
(2)大多井下采場作業(yè)過程中,未設置輔扇風流控制系統(tǒng),由于無底柱分段崩落法為獨頭巷道掘進與進路回采,沒有風量監(jiān)控系統(tǒng)的存在,無法得知當前風量是否達到回采巷道內(nèi)的風量需求,作業(yè)人員往往憑借經(jīng)驗來判斷掘進及回采爆破作業(yè)完成后,巷道及進路內(nèi)污風排出情況。這種方法主要是通過直觀的觀測巷道內(nèi)污氣擴散情況,通過視線可以觀測到崩落礦石堆及吸入空氣不覺得不舒適為標準,隨后進入作業(yè)場所,這種情況當巷道達不到需風量要求,導致有害氣體及粉塵含量未降至安全值,對作業(yè)人員身體健康造成威脅。
(3)井下開拓、采準、切割及回采作業(yè)進行時,對于不同的作業(yè)工序,往往所需風量不同,單一憑借一個局部扇進行通風,往往導致兩種情況的發(fā)生:其一,風量過大,作業(yè)人員長時間在此環(huán)境下作業(yè),降低作業(yè)人員舒適感,間接影響生產(chǎn)效率;其二,風量過小,導致污風(含有害氣體)無法按時排出,造成污風在采場內(nèi)循環(huán)情況的發(fā)生,危害人身健康。對于這種情況,采場內(nèi)如果設置通風自動化監(jiān)控系統(tǒng),將會有效解決這類問題。
由于廟溝鐵礦正處于井下開采基建期,通風系統(tǒng)還未形成,對于這種條件,更加突出了構(gòu)建自動化通風系統(tǒng)的可行性與必要性。
井下開礦所使用的傳統(tǒng)通風控制方式主要通過人力來完成,專門安排相關人員來定期監(jiān)測采場環(huán)境中風量大小、粉塵及有害氣體的含量,隨后進行危險因素分析,這種通風監(jiān)測方式,自動化程度低、效率低且勞動強度大,不能及時排查危險因素,對于大規(guī)模開采條件的礦山并不適用,基于近年來自動化水平的不斷發(fā)展,對于廟溝鐵礦井下開采,研究提出采用基于PLC控制的自動化監(jiān)控系統(tǒng),系統(tǒng)構(gòu)建方法見圖1。
圖1 自動化通風監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建圖
由圖1可以看出,所構(gòu)建的自動化通風監(jiān)控系統(tǒng)由五大部分組成,包括操控平臺、傳感器監(jiān)控系統(tǒng)、PLC主控系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)及報警系統(tǒng)。PLC主控系統(tǒng)的作用在于將傳感器監(jiān)控系統(tǒng)獲取的相關數(shù)據(jù)進行危險要素分析,隨后將信息反饋給監(jiān)控人員;聲光報警系統(tǒng)的作用在于對礦井通風過程中引發(fā)的故障及非正常情況進行報警;變頻調(diào)速系統(tǒng)的作用在于保證井下通風裝置實現(xiàn)準確的風流速度調(diào)控;傳感器監(jiān)控系統(tǒng)作用在于對井下巷道及采場內(nèi)的環(huán)境(粉塵、有毒有害氣體、風流等)進行實時監(jiān)測,整個監(jiān)控系統(tǒng)通過各部分間的協(xié)同配合,對井下巷道環(huán)境實現(xiàn)自動化監(jiān)測與控制,較小作業(yè)人員勞動強度,提高采場通風質(zhì)量,保障作業(yè)生產(chǎn)安全。主要系統(tǒng)的設計功能如下:
(1)PLC控制系統(tǒng)
PLC控制系統(tǒng)作為主要控制功能元件,是實現(xiàn)井下自動化通風監(jiān)測的重要組成部分,主要功能包含兩個部分:其一,是將傳感監(jiān)控系統(tǒng)中獲取的井下有關通風參數(shù)及時傳遞給遠程操控平臺;其二,執(zhí)行并分析遠程操控平臺發(fā)布的有關操作命令,對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行指令分配,自動調(diào)節(jié)輸入頻率,達到對于電動機轉(zhuǎn)速的實時控制。該系統(tǒng)中在PLC控制器以外,還設有EM系列功能單元,包括EM232與EM235兩個單元,EM235單元的作用在于將監(jiān)測參數(shù)進行轉(zhuǎn)換,形成可以被PLC控制器識別并進行分析的信號值;EM235單元的作用在于對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行有效控制。對于井下自動化通風監(jiān)控系統(tǒng)的設計,往往設置兩個PLC控制器,使用一個備用一個,防止一旦PLC控制器出現(xiàn)故障而導致的停產(chǎn)情況的發(fā)生,從根本上提高這個自動化通風監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。
(2)傳感器監(jiān)控系統(tǒng)
對于露天轉(zhuǎn)井下開采礦山通風自動化監(jiān)控系統(tǒng)設計來說,主要是通過傳感器監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)。所以,在井下采場及巷道內(nèi)不同的部位需設置多個傳感器監(jiān)測單元,例如風壓監(jiān)測傳感器、風流監(jiān)測傳感器及有害氣體監(jiān)測傳感器等。對于傳統(tǒng)通風系統(tǒng)金屬礦山而言,主要布置風流及風壓傳感器,甚至不設定相應的傳感器,存在傳感器靈敏度低、覆蓋面小及種類單一等缺點,導致所測參數(shù)值少、不準確及數(shù)據(jù)反饋滯后等問題,不能全面反映井下通風系統(tǒng)的運行狀況,易導致進行通風系統(tǒng)故障及危險的發(fā)生。對于自動化通風監(jiān)控系統(tǒng),通過使用PLC主控制的自動化通風監(jiān)控系統(tǒng),可以在主要運輸、采準及回采巷道布置多種類型的傳感器,覆蓋面廣,監(jiān)測信息精準,運算功能強大,實現(xiàn)采場風量、風壓、粉塵及有害氣體含量、溫濕度的實時準確監(jiān)測,同時將多種監(jiān)測傳感器及時反饋回來的信息進行綜合化數(shù)據(jù)分析,對監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)智能化處理,保障傳輸數(shù)據(jù)的高度可靠性,精確掌握井下通風系統(tǒng)的運行狀態(tài)。
(3)變頻調(diào)速系統(tǒng)
部分應用傳統(tǒng)通風方式的礦山,在調(diào)速方式上大多采用電磁調(diào)速,這種調(diào)速方式不但能耗高,而且反應欠缺靈敏。為此,針對廟溝鐵礦設計提出采用變頻調(diào)速系統(tǒng),該系統(tǒng)優(yōu)點主要在于:其一,在電機運轉(zhuǎn)能耗方面將會有明顯的降低,滿足節(jié)能需求;其二,該技術(shù)可以實現(xiàn)電機精準控速,按照井下實際需要進行調(diào)整,降低設備在啟停切換中的磨損量,延長使用壽命。由于井下生產(chǎn)所采用設備均為大功率輸出裝置,對于變頻器的選擇可以采用“交-直-交”高壓型,多功率元件串聯(lián)布置,工作狀態(tài)下憑借PLC給定的變頻控制命令,達到精準控制風量的目的。
自動化通風系統(tǒng)的作用主要在于保障井下采場通風體系的平穩(wěn)工作,在井下開采中,一般要設置兩臺風機,一臺工作,另一臺留作備用。井下風流的供給主要通過自動化監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn),通過在作業(yè)場所安設相應的監(jiān)測傳感器,對采場及巷道中粉塵含量、有害氣體含量、溫度、風壓等信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息來加以處理分析,針對廟溝鐵礦處于露天轉(zhuǎn)井下基建期這一條件,設計的自動化通風監(jiān)控系統(tǒng)的電路體統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。
圖2 電路系統(tǒng)構(gòu)成圖
處理完成的數(shù)據(jù)利用Wifi網(wǎng)絡傳遞給PLC控制系統(tǒng),隨后將收到的數(shù)據(jù)參數(shù)與標準參數(shù)進行對比分析,當收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)位移安全有效值之內(nèi),表明井下通風系統(tǒng)處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)。反之,反饋回來的數(shù)據(jù)參數(shù)異常,這時系統(tǒng)將發(fā)出聲光報警并將報警信號傳遞給遠程操控平臺,該平臺設計集分部監(jiān)測與集中控制為一體,具有多個接口,可以連接多樣設備,內(nèi)部設有“一體化”軟件系統(tǒng),可以同步完成監(jiān)測、控制及報警等功能,能夠及時提醒技術(shù)人員,井下通風系統(tǒng)存在問題,對照異常參數(shù)可以第一時間發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問題的源頭所在,并采取相應措施,以此實現(xiàn)井下通風自動化監(jiān)測。
傳統(tǒng)的井下通風系統(tǒng),將通風設備作為主要部分,按需選擇與礦山風量需求匹配的風機,保證通風系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)運行,通過對管道的合理布置,減少風阻,達到需要的通風效果[10],對于這類通風系統(tǒng),對于開采規(guī)模不大的礦山,基本滿足通風需求,但是對于大規(guī)模開采礦山,能源消耗大,且達不到采場通風節(jié)能要求。對于應用自動化通風監(jiān)控系統(tǒng)礦山而言,主要采用自動化程序進行節(jié)能控制,特別針對廟溝鐵礦井下通風系統(tǒng)節(jié)能設計,可以采取以下方法:
(1)根據(jù)不同作業(yè)階段,按實際需求進行風量配置,如進行掘進、回采及爆破工序時,通過主扇通風系統(tǒng)的變頻調(diào)節(jié)功能,實現(xiàn)不同階段的風量調(diào)節(jié)與控制,避免風量過大或者過小,實現(xiàn)按需供風,達到節(jié)能目的。
(2)通過在線信息反饋,能夠?qū)崿F(xiàn)手機在線觀測系統(tǒng)中各個運行數(shù)據(jù)(風流、溫濕度、有害氣體及粉塵含量等),電腦可以實現(xiàn)視頻監(jiān)控通風系統(tǒng)主要設備運行情況,對于風機啟停與風量調(diào)整能夠滿足遠程與現(xiàn)場雙控功能,達到節(jié)能目的。
(3)對于PLC控制系統(tǒng),可以選擇高性能PLC。在系統(tǒng)中安裝風機自動故障診斷裝置,配備先進的通信、信號提取及在線監(jiān)測模塊,實現(xiàn)風機故障報警與倒機雙自動化,避免出現(xiàn)風機故障無法及時排查,導致過度耗能情況,從而達到節(jié)能目的。
(4)強化作業(yè)人員及技術(shù)人員對于通風系統(tǒng)運行的節(jié)能理念,通過宣傳培訓向企業(yè)效益與人身安全兩方面有關操作人員灌輸節(jié)能增效的重要性,建立節(jié)能增效管理體系,將節(jié)能與安全融合到一起,成立相應監(jiān)管小組,從本質(zhì)上解決礦山通風節(jié)能問題。
對于露天轉(zhuǎn)井下開采礦山而言,通風系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響到礦山開采效益與作業(yè)人員安全,隨著自動化水平的不斷發(fā)展以及礦山智能采礦理念的不斷被重視,建立先進的自動化礦山通風監(jiān)控系統(tǒng)尤為重要。因此,以廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)井下開采為例,淺析了智能化通風監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建方法及其作用原理,給出了系統(tǒng)節(jié)能方法,以保證該礦井下通風系統(tǒng)的建設安全合理、先進可靠,實現(xiàn)礦山安全高效開采,也可為同類條件礦山通風系統(tǒng)建設與改造提供借鑒與指導。