蒙庫鐵礦通風系統遠程控制技術的應用

季立山

(富蘊蒙庫鐵礦有限責任公司)

1 概況

富蘊蒙庫鐵礦井下礦為露天轉井下生產礦,現主要回采原露天礦東部掛幫礦體,采用無底柱分段崩落法回采,為多級機站通風系統。 礦井現回采的938m 中段共布置有風機站5 道,大小各類機站風機8 臺,中段機站設置及風機選型見表1。 總裝機容量1065kW,設計總風量12120m3/min。

表1 938m 中段機站設置及風機選型表

由于礦井生產工藝及采掘部署的特性,井下主要生產巷道在立體上呈網狀結構,如圖1 所示。 存在大量角聯通風巷道,通風系統較為復雜。 作為礦井通風系統關鍵部位的機站風機及主要通風設施采取現場人工控制方式,存在作業場所分散、路程遠、噪音大等不利因素,在進行通風參數測定及系統調整時難度較大,導致系統在出現變化后,專業技術人員無法在短時間內進行專業分析和對通風系統的快速調整。 再有通風系統裝機功率一般較大,電耗通常占礦井總能耗的三分之一,由于金屬非金屬地下礦山生產工藝及多級機站通風系統的特點,現場普遍存在有效風量率低、通風能耗高、管理難度大等缺點,因此改進通風系統控制方式是通風管理高效化和礦山節能降耗的重要途徑之一。

圖1 蒙庫鐵礦地下礦山通風系統示意圖

2 通風系統遠程控制的建立

2.1 通風參數實時監控

蒙庫鐵礦井下礦建立有KJ83N 安全監控系統,可對井下各個風機站、控風設施及主要通風巷道的的運行狀態和通風參數進行監控,并在中控室計算機集中實時顯示。 井下礦根據現場實際情況及時完善各類監測傳感器,其中風機站設置有風速、風壓、溫度、一氧化碳濃度等傳感器,針對每臺機站風機設置風機開停及開關饋電傳感器;礦井主要進回風井、主要通風巷道及各個分層進回風天井聯絡巷處設置風速、溫度及一氧化碳濃度傳感器。

為確保通風參數監控數據的真實有效性,巷道中安裝的傳感器一般設置在距離巷道交叉口10m處,前后10m 范圍嚴禁堆放雜物阻塞巷道,以確保能夠監測經過充分混合的氣體濃度。 由于空氣的粘性和井巷壁面摩擦的影響,巷道斷面中風速大小呈不均衡狀態分布,風速傳感器一般懸掛在距離巷道頂板1/3 處,同時傳感器數據需定期與機械式風表實測數據進行對比,保障監控數據的真實有效。

通過上述通風監控系統的優化完善,實時掌握井下通風系統現狀,為風機站及主要控風設施的遠程控制提供數據支撐。

2.2 風機站遠程控制

蒙庫鐵礦井下礦機站風機采用變頻調速控制,以S7-300 系列PLC 作為控制核心,在中控室設置網絡柜,通過光纖將采集的機站風機監控信號傳輸至中控室。 中控室計算機wincc 畫面實時監控和顯示風機運行狀態,包括風機開停、正反轉、電流、頻率、電機軸承溫、故障報警等信息,通過中控室計算機對每臺風機實現遠程集中控制。 同時根據采掘區域實際作業情況及礦井需風量變化,對機站風機進行分階段變頻調速控制。 由于井下各個采掘區域在不同生產工序期間實際需風量不同,在進行通風系統調整期間,可充分發揮多級機站通風系統的優勢,針對各個生產區域的不同時間段,按照其實際需風量進行變頻調速控制。 工作面在爆破期間,在短時間內可適當加大采場臨近風機站的運行頻率,加快炮煙的排放速度,可為采掘工作面提供更多的有效生產時間;鏟運期間,則根據巷道通風排塵和柴油設備的需風情況,對風機頻率進行合理調整;工作面檢修期間,則降低風機站的運行頻率,無人作業時甚至可將鄰近的供風風機站暫時停機。通過對風機站的分階段遠程變頻控制,在保障生產安全的情況下,使礦井風量得到最大的利用,實現按需通風和節能降耗的目的。

2.3 主要通風設施遠程控制

井下各分層進、回風天井聯絡巷及其他主要控風地點的通風設施均采用自動調節風門,其風門設置有可調節風量的百葉風窗。 風門控制主機內置485 通訊接口,井下分站通過485 通訊與上位機相連,位于中控室的上位機連接井下分站,對風門開閉及風窗百葉角度進行控制,使得主要控風設施具有遠程智能調節功能。

主要控風設施自動調節功能是通過安設在巷道中的風速、一氧化碳濃度傳感器檢測到風量或有害氣體濃度變化時,輸出模擬信號至控制主機,控制主機根據接收的模擬信號輸出控制信號至通風設施的液壓站,液壓站根據其輸出的不同信號對通風設施進行風門開閉、風窗百葉角度調節等操作。同時也可根據通風系統臨時調整需要,對井下的主要通風設施進行遠程調節,主要控風設施安裝位置就地設置有機旁控制按鈕,可直接進行現場調節,同時現場完善有視頻監控、通訊聯絡、語音廣播、聲光信號報警、通風參數監控等設施。

3 通風系統遠程控制的運行

3.1 數據傳輸與遠程控制

蒙庫鐵礦井下礦通風系統遠程控制由現場數據監控、數字通訊傳輸、地面監控管理組成。 現場數據監控主要具有數據采集、控制命令執行及現場操作等功能;數字通訊傳輸則利用高速工業以太網構建通訊鏈路,確保井下礦現場監控數據能夠準確快速地傳輸到地面中控室,同時將中控室的控制命令能夠快速的傳遞至井下;地面監控管理主要有展示、存儲、查詢、分析、控制等功能。 通過存儲大量的現場監控數據,專業技術人員可對其指標參數信息、事故信息、預警信息等進行快速的綜合分析,為分析決策和遠控程序優化提供數據基礎,根據監控系統采集的數據分析當前通風系統的運行狀況,對險情進行報警,并對井下各通風設備、設施進行聯動控制,及時排除通風險情和隱患。

井下礦現場每月對各類通風參數傳感器進行檢查和標校,確保各類監控數據傳輸的準確性,做好人工數據采集和傳感器數據校核。 通風系統出現較大變化時,及時優化遠程控制程序,避免通風系統因遠程自動控制程序的不合理操作,出現通風隱患。 中控室調度員作為通風系統遠程控制程序的日常管理和使用者,需熟悉井下通風系統現狀、具備一定的通風專業知識,在作業中要實時觀察其運行狀況,嚴格按照工藝指令操作系統,并及時向專業技術人員反饋異常信息。 而專業技術人員則需要有足夠的理論和現場工作經驗,能夠準確的對計算機反饋的綜合數據進行分析,對現場存在的通風異常能通過對風機站和主要控風設施的遠程調控進行快速處理。

3.2 按需通風與調控

蒙庫鐵礦井下礦根據其礦體分布及采掘部署,每個分層分為東、西兩個采場,分別對應由1#進風天井和2#進風天井進風。 單個采場按照施工工序主要分為爆破通風、回采鏟運、檢修等三個階段,各工序階段實際需要風量計算如下:

(1)爆破通風期間需要風量采用前蘇聯B. H.沃洛寧公式進行計算:

式中:A—工作面一次爆破最大炸藥用量,kg;

b—1kg 炸藥產生的CO 當量,巖巷爆破取40L/kg;

S—巷道斷面積,m2;

L—巷道通風長度,m;

P—始末端風量之比,采場為全風壓通風,P=1.0;

C—巷道內CO 濃度的允許值,取0.0024%;

T—放炮后通風時間,取30min。

采場單次爆破藥量為1600kg,通風路線長度為250m,經計算爆破通風期間單個采場需要風量為1122m3/min。

(2)回采鏟運期間需要風量按柴油設備功率計算:

式中:W—采場工作面同時作業柴油設備的總功率,kW;

4—每千瓦柴油設備的供風量,m3/min。

采場工作面同時作業的柴油設備為3m3鏟運機1 臺,單臺功率136kW,回采鏟運期間單個采場實際需要風量為544m3/min。

(3)檢修期間需要風量按排塵風速計算:

式中:V—采場工作面最低排塵風速,取0.25m/s;

S—巷道斷面積,m2。

采場工作面按最低排塵風速計算,確定檢修期間單個采場需要風量為226.2m3/min。

綜合上述計算,采場在不同生產工序階段的實際需風量變化較大,由于井下礦各個采場生產工序的時間基本一致,蒙庫鐵礦井下礦充分利用通風系統遠程控制技術的優勢,在不同的生產階段對風機站及主要控風設施進行優化調節,按需通風達到節能降耗的目的,具體變頻調控參數見表2。

表2 938m 中段風機站分階段變頻調控參數表 Hz

3.3 注意事項

(1)通風監控傳感器需嚴格按照安裝規范要求進行設置,并定期進行核對標校,以確保通風監控數據的準確性。

(2)由于通風監控傳感器存在一定的數據誤差甚至誤報,專業技術人員的指令需高于計算機的控制指令。

(3)風機站及主要通風設施遠程變頻調控,不同運行狀態下采場的通風參數需現場實測核實。采場在不同生產工序時,實際需風情況需準確計算核實,之后再嚴格按照現場實際需風量對通風系統進行合理調控。

(4)完善井下通風設施,嚴格控制采場覆蓋層厚度,回采完畢區域及時進行永久封閉,減少漏風,尤其是要避免出現與地表相通的漏風通道,以確保礦井通風系統的整體可控。

4 現場應用效果

蒙庫鐵礦井下礦一期工程938m 中段于2018年建設完成,隨著通風系統的形成,逐步實施了通風系統遠程控制技術的應用。 938m 中段現有的5道風機站及其配電室全部實現無人值守,減少了現場設備維護和操作人員及人機接觸的頻次。 專業技術人員對礦井通風系統的管控能力有了較大提升,在通風系統需要調整時,僅需1 ～3min 即可完成對應機站風機和主要控風設施的預定操作,實現對全礦井通風系統的快速調整和改善員工作業環境并降低勞動強度。 同時礦井通風系統抗災變能力有了質的提升,采掘區域因各種原因導致現場通風需求出現變化時,可根據通風參數的變化情況,及時調整對應風機頻率及控風設施的通風斷面,通過風量、風壓的遠程集中控制,及時調整風路和改善現場作業環境,極大降低了通風系統的管理難度。

在節能降耗方面,通風系統遠程控制技術根據各采掘區域實際需風情況,通過風機變頻調速及控風設施的自動調節,實行按需通風,采掘區域爆破通風時間普遍降低了40%以上,每天增加礦石鏟運時間達1 小時。 1-5 號機站風機總裝機容量達1065kW,運行過程中根據生產需要進行變頻控制,根據電表計量數據對比,每年可節約電耗達224 萬kWh,產生可觀的經濟效益。

5 結語

蒙庫鐵礦礦井通風系統遠程控制技術,通過實時監控通風系統的運行狀態,能夠快速對通風系統進行調整,實現按需通風,通風和節能效果得到顯著改善,同時現場監控數據準確快速地傳輸到地面,專業技術人員能夠根據生產需要,調整風路改善現場作業環境,并及時排除通風險情和隱患,極大提升了礦山通風系統安全管理水平,經濟效益和社會效益顯著,是井下礦通風技術發展的方向。