韓雷

關(guān)鍵字 煤礦；斜巷軌道運(yùn)輸；安全監(jiān)測(cè)及管控提升系統(tǒng)

1 概述

斜巷軌道運(yùn)輸是煤礦運(yùn)輸體系中非常重要的組成部分，為了預(yù)防斜巷軌道運(yùn)輸事故的發(fā)生，我國(guó)煤礦技術(shù)工作者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。田國(guó)正等[1]設(shè)計(jì)了一種將井下人員定位系統(tǒng)和絞車閉鎖控制系統(tǒng)相結(jié)合的聯(lián)動(dòng)閉鎖控制系統(tǒng)。通過識(shí)別闖入斜巷人員的身份，迅速控制絞車閉鎖并用聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警提示，同時(shí)該系統(tǒng)可在4 s 之內(nèi)控制絞車閉鎖并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，可有效地避免斜巷軌道運(yùn)輸出現(xiàn)安全事故。魏臻等[2]研究了一種基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的斜巷軌道運(yùn)輸監(jiān)控裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理。軌道車輛定位技術(shù)采用計(jì)軸器雙對(duì)冗余配置，針對(duì)易發(fā)生脫鉤、斷繩、脫軌事故原因進(jìn)行分析，研究了常閉式、常開式防護(hù)裝置的控制策略，闡述了跑車防護(hù)的檢測(cè)原理和設(shè)計(jì)方法。湯瓊[3]針對(duì)礦井斜巷軌道運(yùn)輸中，跑車[4]這一多發(fā)事故，提出了一種以可編程邏輯控制器PLC為核心控制單元的斜巷跑車防護(hù)系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的工作原理，并對(duì)軟硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)說明。

雖然我國(guó)在礦井斜巷運(yùn)輸安全監(jiān)控系統(tǒng)[5]方面取得了重要的研究成果，但是斜井軌道運(yùn)輸事故仍然頻發(fā)，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，每年因斜巷軌道運(yùn)輸而引起的事故占煤礦全部運(yùn)輸事故的35%以上，對(duì)礦井安全造成嚴(yán)重危害。因此，發(fā)明一套完善的煤礦斜巷運(yùn)輸安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)就顯得很有必要，并且對(duì)有效的防止斜巷運(yùn)輸事故的發(fā)生，對(duì)于實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 煤礦斜巷運(yùn)輸安全監(jiān)測(cè)及管控技術(shù)

2.1 安全監(jiān)測(cè)及管控提升系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成

煤礦斜巷運(yùn)輸安全監(jiān)測(cè)及管控提升系統(tǒng)是以報(bào)警、監(jiān)測(cè)設(shè)施為輔[6]，以西門子可編程邏輯控制器作為核心控制元件的安全提升系統(tǒng)[7]。該系統(tǒng)由磁性傳感器、紅外對(duì)射型傳感器、語(yǔ)音報(bào)警箱、控制箱等部件組成。

磁性傳感器主要作為監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行使用，分別對(duì)上下車場(chǎng)警戒繩、上平臺(tái)阻車器、上下車場(chǎng)擋車杠、下平臺(tái)信號(hào)硐室安全門等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；紅外對(duì)射傳感器主要用來監(jiān)測(cè)車輛提升到某個(gè)固定位置；語(yǔ)音控制箱主要對(duì)絞車運(yùn)行時(shí)存在的問題進(jìn)行報(bào)警。在斜巷提升時(shí)，通過磁性傳感器、紅外對(duì)射傳感器將探測(cè)所得數(shù)據(jù)傳輸至西門子PLC 可編程控制器，通過控制器處理數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)各部動(dòng)作，使各項(xiàng)操作的相互閉鎖、連鎖和安全語(yǔ)音提醒功能，報(bào)警狀態(tài)不解除，無法啟動(dòng)運(yùn)行絞車設(shè)備。

當(dāng)設(shè)置的安全條件現(xiàn)場(chǎng)達(dá)成時(shí)，斜巷絞車提升工作安全、穩(wěn)定進(jìn)行。如監(jiān)測(cè)到不滿足絞車運(yùn)行條件存在時(shí)，西門子可編程邏輯控制器促使安全語(yǔ)音報(bào)警裝置動(dòng)作，并禁止絞車啟動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)絞車安全提升運(yùn)行。

2.2 安全監(jiān)測(cè)及管控提升系統(tǒng)工作原理

煤礦斜巷運(yùn)輸安全監(jiān)測(cè)及管控提升系統(tǒng)采用西門子可編程控制器來完成各種控制以及保護(hù)裝置的閉鎖、連鎖功能。當(dāng)絞車準(zhǔn)備運(yùn)行時(shí)，任何不滿足絞車安全提升運(yùn)行要求的監(jiān)測(cè)信號(hào)，都不能正常啟動(dòng)斜巷提升絞車，并對(duì)不滿足提升要求的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行語(yǔ)音預(yù)警提示。

當(dāng)?shù)总噲?chǎng)或上平臺(tái)警戒繩未拉到位，絞車禁止運(yùn)行，并語(yǔ)音及紅燈閃爍報(bào)警提示“上平臺(tái)未拉警戒繩，請(qǐng)拉好后啟動(dòng)絞車或底車場(chǎng)未拉警戒繩，請(qǐng)拉好后啟動(dòng)絞車”；如果上平臺(tái)和底車場(chǎng)都沒有拉好警戒繩，當(dāng)按下絞車啟動(dòng)按鈕時(shí)，上平臺(tái)和底車場(chǎng)語(yǔ)音預(yù)警提示會(huì)采用循環(huán)預(yù)警；拉好其中一個(gè)條警戒繩時(shí)，語(yǔ)音只會(huì)報(bào)沒有拉好的警戒繩；上平臺(tái)和底車場(chǎng)警戒繩都拉好后，西門子可編程控制器就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入檢測(cè)底車場(chǎng)躲避硐室防護(hù)欄是否關(guān)好及人員是否進(jìn)入安全防護(hù)欄內(nèi)；當(dāng)信號(hào)把鉤工沒有及時(shí)進(jìn)入躲避硐室及關(guān)好防護(hù)欄時(shí)，西門子可編程控制器控制啟動(dòng)語(yǔ)音模塊反復(fù)提示“工作人員請(qǐng)注意，絞車即將運(yùn)行，請(qǐng)立即進(jìn)入躲避硐室，關(guān)好防護(hù)欄”。上平臺(tái)警戒繩和底車場(chǎng)警戒繩及信號(hào)把鉤工進(jìn)入硐室關(guān)好防護(hù)欄后，按下啟動(dòng)按鈕，PLC 控制絞車延時(shí)3 秒后啟動(dòng)，并控制語(yǔ)音模塊反復(fù)提示“正在行車，嚴(yán)禁行人”。

當(dāng)絞車提車至斜巷礦車位置檢測(cè)傳感器時(shí)，如果下平臺(tái)擋車杠沒有升起，西門子可編程控制器就會(huì)控制語(yǔ)音模塊反復(fù)提示“車輛即將到達(dá)下平臺(tái)擋車杠處，請(qǐng)升起下平臺(tái)擋車杠”，只有擋車杠升起后，西門子可編程控制器立即控制語(yǔ)音模塊反復(fù)提示“下平臺(tái)擋車杠已升起，車輛通過后請(qǐng)及時(shí)關(guān)閉”；當(dāng)絞車提車至斜巷另一處礦車位置檢測(cè)傳感器時(shí)，如果上平臺(tái)擋車杠沒有升起，西門子可編程控制器就會(huì)控制語(yǔ)音模塊反復(fù)提示“車輛即將到達(dá)上平臺(tái)擋車杠處，請(qǐng)升起上平臺(tái)擋車杠”，只有擋車杠升起后，西門子可編程控制器立即控制語(yǔ)音模塊反復(fù)提示“上平臺(tái)擋車杠已升起，車輛通過后請(qǐng)及時(shí)關(guān)閉”；當(dāng)絞車提車至斜巷中第三處礦車位置檢測(cè)傳感器時(shí)，如果上平臺(tái)阻車器沒有打開，西門子可編程控制器就會(huì)控制語(yǔ)音模塊反復(fù)提示“車輛即將到達(dá)上平臺(tái)，請(qǐng)打開上平臺(tái)阻車器”，只有阻車器打開后，西門子可編程控制器立即控制語(yǔ)音模塊反復(fù)提示“上平臺(tái)阻車器已打開，車輛通過后請(qǐng)及時(shí)關(guān)閉”；

西門子PLC 控制器根據(jù)檢測(cè)到的各個(gè)傳感器狀態(tài)對(duì)六種報(bào)警語(yǔ)音進(jìn)行控制轉(zhuǎn)換，不管預(yù)警何種語(yǔ)音，語(yǔ)音報(bào)警箱上面LED紅燈以每20 ms的頻率閃爍。

在絞車控制方面，絞車控制箱有3個(gè)按鈕，正轉(zhuǎn)—反轉(zhuǎn)—停止。絞車正轉(zhuǎn)的時(shí)候，如果誤把反轉(zhuǎn)按鈕當(dāng)做停止按鈕按下，雖然絞車停止，但是絞車馬上反轉(zhuǎn)運(yùn)行；相反把正轉(zhuǎn)按鈕當(dāng)成停止按鈕按下，絞車馬上正轉(zhuǎn)運(yùn)行，這種誤操作在井下就出現(xiàn)過，也容易造成斜巷提升事故的發(fā)生，針對(duì)電器的缺陷及絞車操作人員誤操作等問題，斜巷絞車安全提升系統(tǒng)采用可編程控制器程序連鎖，只要絞車在運(yùn)行的時(shí)候誤操作，可編程控制器就會(huì)停止絞車運(yùn)行并鎖死正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)按鈕，只有按下停止按鈕后方可重新啟動(dòng)絞車，同時(shí)絞車正常操作，是不會(huì)出現(xiàn)按鈕鎖死現(xiàn)象的。斜巷絞車安全提升系統(tǒng)電氣原理圖，如圖1所示；斜巷絞車安全提升系統(tǒng)運(yùn)行函數(shù)關(guān)系圖，如圖2所示。

圖1 斜巷絞車安全提升系統(tǒng)電氣原理圖

圖2 斜巷絞車安全提升系統(tǒng)運(yùn)行函數(shù)關(guān)系圖

3 安裝與使用情況

3.1 煤礦斜巷運(yùn)輸安全監(jiān)測(cè)及管控提升系統(tǒng)的構(gòu)成

3.1.1 主控制箱

主控制箱以西門子可編程邏輯控制器做為控制核心，以本質(zhì)安全電源模塊和語(yǔ)音處理模塊為輔助，通過通訊電纜連接各個(gè)檢測(cè)傳感器。西門子可編程邏輯控制器主要用于采集各個(gè)傳感器檢測(cè)到的狀態(tài)信號(hào)，通過對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行分析比較處理，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令使對(duì)于的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)斜巷的安全提升系統(tǒng)的自動(dòng)化操作。考慮為方便絞車司機(jī)的觀察，主控制箱安裝于斜巷絞車操作硐室，電源就近取自斜巷配電點(diǎn)照明綜保，確?？刂齐娫磁c絞車動(dòng)力電源各為獨(dú)立、互不干擾，提高系統(tǒng)的安全與可靠性。

3.1.2 自動(dòng)行人阻行裝置

行人阻行裝置安裝在上下車場(chǎng)口，取代原有手拉式警戒繩，減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度節(jié)省人員體力。行人阻行裝置主要由小型汽缸，限位開關(guān)，電動(dòng)球閥、警示阻人欄組成。小型汽缸做為行人阻行裝置警示阻人網(wǎng)上下移動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，動(dòng)力源采用風(fēng)壓，通過電動(dòng)球閥的開閉來控制風(fēng)壓動(dòng)力的輸入和輸出；限位開關(guān)用于檢測(cè)警示阻人欄的位置情況。

行人阻行裝置兩側(cè)分別用兩條膨脹螺栓固定在巷幫，并確保裝置固定牢靠；兩個(gè)小型汽缸根部分別固定在行人阻行器兩側(cè)的固定支架上，兩個(gè)伸縮桿分別固定警示阻行欄的兩端，用于警示阻行欄的升降；警示阻行欄的一端安裝一個(gè)限位磁性開關(guān)的永久磁鐵，磁性開關(guān)安裝在巷幫，位置與警示阻行欄落下時(shí)的位置保持在一條直線上，即警示阻行欄落下時(shí)，永久磁鐵能觸動(dòng)磁性開關(guān)動(dòng)作為準(zhǔn)；磁性開關(guān)信號(hào)通過監(jiān)測(cè)線傳輸至可編程控制器。

3.1.3 閉鎖式信號(hào)操作硐室裝置

閉鎖式信號(hào)操作硐室裝置，主要有安全門、限位開關(guān)、信號(hào)裝置組成，安全門和限位開關(guān)主要用來管理信號(hào)工必須進(jìn)入信號(hào)硐室后方可進(jìn)行信號(hào)操作。安全門分別用4 條膨脹螺栓固定在信號(hào)硐室兩側(cè)巷幫上，兩扇門的高度要保持一直，整齊美觀；限位開關(guān)安裝在兩扇門的合并處，即：必須關(guān)好安全門時(shí)，永久磁鐵能觸動(dòng)磁性開關(guān)動(dòng)作為準(zhǔn)；信號(hào)裝置安裝于信號(hào)硐室內(nèi)，安裝位置為關(guān)閉安全門后在安全外面無法操作信號(hào)裝置，信號(hào)工只能進(jìn)入信號(hào)硐室內(nèi)方能操作信號(hào)裝置；磁性開關(guān)信號(hào)通過監(jiān)測(cè)線傳輸至可編程控制器；實(shí)現(xiàn)閉鎖式信號(hào)操作硐室裝置。

3.1.4 位置傳感器

位置傳感器主要用于斜巷內(nèi)車輛運(yùn)行位置的檢測(cè)，由三組紅外傳感器組成，分別安裝在斜巷上平臺(tái)擋車杠與上平臺(tái)阻車器之間、兩個(gè)連鎖擋車杠之間、底車場(chǎng)和下?lián)踯嚫苤g，紅外傳感器固定在斜巷巷幫，紅外發(fā)射器和接收器要保持同一高度，高度略高于礦車中心線。

3.1.5 設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)傳感器

設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)傳感器主要由磁性開關(guān)和永久磁鐵組成；斜巷絞車安全提升系統(tǒng)中分別應(yīng)用在上下平臺(tái)警戒繩、阻車器、下平臺(tái)操作硐室安全門等狀態(tài)的檢測(cè)上，磁性開關(guān)做為固定部分，固定在設(shè)備上或巷幫上，而永久磁鐵主要做為運(yùn)動(dòng)部分固定在設(shè)備的運(yùn)動(dòng)部位。

阻車器主要用于防止車輛非正常下行，檢測(cè)阻車器的時(shí)時(shí)狀態(tài)對(duì)安全提升具有重要意義，狀態(tài)檢測(cè)傳感器磁性開關(guān)安裝在斜巷上平臺(tái)阻車器防護(hù)蓋下方，永久磁鐵安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)一端，當(dāng)阻車器打開時(shí)，永久磁鐵運(yùn)行至觸動(dòng)磁性開關(guān)范圍內(nèi)，磁性開關(guān)動(dòng)作，輸出阻車器實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)，并傳輸給西門子可編程控制器，完成阻車器信號(hào)檢測(cè)，進(jìn)行語(yǔ)音預(yù)警；當(dāng)阻車器關(guān)閉時(shí)，永久磁鐵遠(yuǎn)離觸動(dòng)磁性開關(guān)范圍，磁性開關(guān)動(dòng)作，輸出阻車器實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)，并傳輸給西門子可編程控制器，完成阻車器信號(hào)檢測(cè)，進(jìn)行語(yǔ)音預(yù)警。

擋車杠主要用于防止非正常下行跑車，檢測(cè)擋車杠的升降到位狀態(tài)，狀態(tài)檢測(cè)傳感器磁性開關(guān)安裝斜巷擋車杠行程范圍上方頂板上，永久磁鐵安裝在擋車杠內(nèi)側(cè)，當(dāng)擋車杠升起時(shí)，永久磁鐵運(yùn)行至觸動(dòng)磁性開關(guān)范圍內(nèi)，磁性開關(guān)動(dòng)作，輸出擋車杠實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)，并傳輸給西門子可編程控制器，完成擋車杠信號(hào)檢測(cè)，進(jìn)行語(yǔ)音預(yù)警；當(dāng)擋車杠下降時(shí)，永久磁鐵遠(yuǎn)離觸動(dòng)磁性開關(guān)范圍，磁性開關(guān)動(dòng)作，輸出擋車杠實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)，并傳輸給西門子可編程控制器，完成擋車杠信號(hào)檢測(cè)，進(jìn)行語(yǔ)音預(yù)警（連鎖擋車杠上下車場(chǎng)擋車桿安裝方式相同）。

3.1.6 聲光語(yǔ)音預(yù)警裝置

語(yǔ)音預(yù)警裝置由一塊語(yǔ)音模塊和聲光語(yǔ)音控制箱組成，由主控制箱控制語(yǔ)音模塊工作，語(yǔ)音模塊將信號(hào)傳輸給語(yǔ)音控制實(shí)現(xiàn)智能語(yǔ)音報(bào)警。語(yǔ)音模塊安裝在主控制箱內(nèi)，聲光語(yǔ)音箱在斜巷上平臺(tái)和下平臺(tái)各安裝一臺(tái)，并吊掛在行人側(cè)巷道頂板醒目處，使得上、下平臺(tái)作業(yè)人員都能清楚的看到與聽到聲光語(yǔ)音箱發(fā)出的警報(bào)。斜巷絞車安全提升新系統(tǒng)各傳感器安裝位置示意圖如圖3。

圖3 煤礦井下聯(lián)絡(luò)斜巷絞車安全提升系統(tǒng)各傳感器安裝位置示意圖

3.2 煤礦斜巷運(yùn)輸安全監(jiān)測(cè)及管控提升系統(tǒng)的使用情況

煤礦斜巷運(yùn)輸安全監(jiān)測(cè)及管控提升系統(tǒng)通過安裝傳感器對(duì)斜巷提升過程中各個(gè)重要設(shè)備及固定地點(diǎn)的信號(hào)采集，將傳感器采集到的信號(hào)通過西門子PLC可編程邏輯控制器進(jìn)行分析判斷后控制斜巷運(yùn)輸系統(tǒng)保護(hù)設(shè)施的動(dòng)作及語(yǔ)音預(yù)警提醒崗位操作人員，能有效防止因操作人員誤操作、人員的違章操作和人員違章進(jìn)入不安全區(qū)域而造成的斜巷提升運(yùn)輸事故的發(fā)生，達(dá)到了對(duì)不安全因素及保護(hù)狀態(tài)的語(yǔ)音報(bào)警提示和操作安全連鎖、閉鎖運(yùn)行的目的，實(shí)現(xiàn)了斜巷絞車運(yùn)輸安全管控和本質(zhì)安全，在陳四樓煤礦皮帶檢修斜巷提升運(yùn)輸中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)安裝使用，取得了良好效果。

煤礦斜巷運(yùn)輸安全監(jiān)測(cè)及管控相關(guān)技術(shù)研究及應(yīng)用實(shí)現(xiàn)斜巷絞車運(yùn)輸?shù)陌踩O(jiān)測(cè)及管控的要求，克服了以往依靠人員監(jiān)管的弊端，大大提高了安全提升效果。使用西門子PLC可編程控制器，使控制電路變得簡(jiǎn)單而明確，減少了電器元件，如延時(shí)斷電模塊，延時(shí)吸合模塊，繼電器模塊，避免了利用模塊控制時(shí)出現(xiàn)的配合不穩(wěn)定情況，同時(shí)PLC 控制時(shí)所有的程序由內(nèi)部處理器統(tǒng)一控制，使得控制輸出更確切，更穩(wěn)定。

4 總結(jié)

（1）斜巷運(yùn)輸安全監(jiān)測(cè)及管控提升系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)行人阻行裝置的自動(dòng)化操作，大大減輕了信號(hào)把鉤工的勞動(dòng)強(qiáng)度，運(yùn)輸效率顯著提高。擋車杠、阻車器狀態(tài)的監(jiān)視和非正常情況下的智能語(yǔ)言報(bào)警功能，可有效地預(yù)防運(yùn)輸事故的發(fā)生[8]。

（2）斜巷絞車安全提升系統(tǒng)可以對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行判斷[9]，對(duì)車輛將要到達(dá)上下車場(chǎng)狀況進(jìn)行智能語(yǔ)音報(bào)警提醒及時(shí)開閉擋車杠、阻車器，保證了斜巷運(yùn)輸?shù)陌踩煽啃?，將消除因人的不安全行為引發(fā)的各類事故，能夠使煤礦斜巷運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全，如果能在煤炭行業(yè)推廣的話，可獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。