煤礦斜巷運輸安全監測及管控技術研究及應用

韓雷

關鍵字 煤礦；斜巷軌道運輸；安全監測及管控提升系統

1 概述

斜巷軌道運輸是煤礦運輸體系中非常重要的組成部分，為了預防斜巷軌道運輸事故的發生，我國煤礦技術工作者對此進行了大量的研究。田國正等[1]設計了一種將井下人員定位系統和絞車閉鎖控制系統相結合的聯動閉鎖控制系統。通過識別闖入斜巷人員的身份，迅速控制絞車閉鎖并用聲光報警器進行報警提示，同時該系統可在4 s 之內控制絞車閉鎖并發出報警信號，可有效地避免斜巷軌道運輸出現安全事故。魏臻等[2]研究了一種基于LonWorks現場總線的斜巷軌道運輸監控裝置的結構和工作原理。軌道車輛定位技術采用計軸器雙對冗余配置，針對易發生脫鉤、斷繩、脫軌事故原因進行分析，研究了常閉式、常開式防護裝置的控制策略，闡述了跑車防護的檢測原理和設計方法。湯瓊[3]針對礦井斜巷軌道運輸中，跑車[4]這一多發事故，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系統，闡述了系統的工作原理，并對軟硬件的設計和實現進行了詳細說明。

雖然我國在礦井斜巷運輸安全監控系統[5]方面取得了重要的研究成果，但是斜井軌道運輸事故仍然頻發，據相關數據顯示，每年因斜巷軌道運輸而引起的事故占煤礦全部運輸事故的35%以上，對礦井安全造成嚴重危害。因此，發明一套完善的煤礦斜巷運輸安全綜合監控系統就顯得很有必要，并且對有效的防止斜巷運輸事故的發生，對于實現礦井安全生產都具有十分重要的現實意義。

2 煤礦斜巷運輸安全監測及管控技術

2.1 安全監測及管控提升系統設備構成

煤礦斜巷運輸安全監測及管控提升系統是以報警、監測設施為輔[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[7]。該系統由磁性傳感器、紅外對射型傳感器、語音報警箱、控制箱等部件組成。

磁性傳感器主要作為監測設備進行使用，分別對上下車場警戒繩、上平臺阻車器、上下車場擋車杠、下平臺信號硐室安全門等進行監測；紅外對射傳感器主要用來監測車輛提升到某個固定位置；語音控制箱主要對絞車運行時存在的問題進行報警。在斜巷提升時，通過磁性傳感器、紅外對射傳感器將探測所得數據傳輸至西門子PLC 可編程控制器，通過控制器處理數據協調各部動作，使各項操作的相互閉鎖、連鎖和安全語音提醒功能，報警狀態不解除，無法啟動運行絞車設備。

當設置的安全條件現場達成時，斜巷絞車提升工作安全、穩定進行。如監測到不滿足絞車運行條件存在時，西門子可編程邏輯控制器促使安全語音報警裝置動作，并禁止絞車啟動，以此實現絞車安全提升運行。

2.2 安全監測及管控提升系統工作原理

煤礦斜巷運輸安全監測及管控提升系統采用西門子可編程控制器來完成各種控制以及保護裝置的閉鎖、連鎖功能。當絞車準備運行時，任何不滿足絞車安全提升運行要求的監測信號，都不能正常啟動斜巷提升絞車，并對不滿足提升要求的監測信號進行語音預警提示。

當底車場或上平臺警戒繩未拉到位，絞車禁止運行，并語音及紅燈閃爍報警提示“上平臺未拉警戒繩，請拉好后啟動絞車或底車場未拉警戒繩，請拉好后啟動絞車”；如果上平臺和底車場都沒有拉好警戒繩，當按下絞車啟動按鈕時，上平臺和底車場語音預警提示會采用循環預警；拉好其中一個條警戒繩時，語音只會報沒有拉好的警戒繩；上平臺和底車場警戒繩都拉好后，西門子可編程控制器就會自動進入檢測底車場躲避硐室防護欄是否關好及人員是否進入安全防護欄內；當信號把鉤工沒有及時進入躲避硐室及關好防護欄時，西門子可編程控制器控制啟動語音模塊反復提示“工作人員請注意，絞車即將運行，請立即進入躲避硐室，關好防護欄”。上平臺警戒繩和底車場警戒繩及信號把鉤工進入硐室關好防護欄后，按下啟動按鈕，PLC 控制絞車延時3 秒后啟動，并控制語音模塊反復提示“正在行車，嚴禁行人”。

當絞車提車至斜巷礦車位置檢測傳感器時，如果下平臺擋車杠沒有升起，西門子可編程控制器就會控制語音模塊反復提示“車輛即將到達下平臺擋車杠處，請升起下平臺擋車杠”，只有擋車杠升起后，西門子可編程控制器立即控制語音模塊反復提示“下平臺擋車杠已升起，車輛通過后請及時關閉”；當絞車提車至斜巷另一處礦車位置檢測傳感器時，如果上平臺擋車杠沒有升起，西門子可編程控制器就會控制語音模塊反復提示“車輛即將到達上平臺擋車杠處，請升起上平臺擋車杠”，只有擋車杠升起后，西門子可編程控制器立即控制語音模塊反復提示“上平臺擋車杠已升起，車輛通過后請及時關閉”；當絞車提車至斜巷中第三處礦車位置檢測傳感器時，如果上平臺阻車器沒有打開，西門子可編程控制器就會控制語音模塊反復提示“車輛即將到達上平臺，請打開上平臺阻車器”，只有阻車器打開后，西門子可編程控制器立即控制語音模塊反復提示“上平臺阻車器已打開，車輛通過后請及時關閉”；

西門子PLC 控制器根據檢測到的各個傳感器狀態對六種報警語音進行控制轉換，不管預警何種語音，語音報警箱上面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個按鈕，正轉—反轉—停止。絞車正轉的時候，如果誤把反轉按鈕當做停止按鈕按下，雖然絞車停止，但是絞車馬上反轉運行；相反把正轉按鈕當成停止按鈕按下，絞車馬上正轉運行，這種誤操作在井下就出現過，也容易造成斜巷提升事故的發生，針對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采用可編程控制器程序連鎖，只要絞車在運行的時候誤操作，可編程控制器就會停止絞車運行并鎖死正轉和反轉按鈕，只有按下停止按鈕后方可重新啟動絞車，同時絞車正常操作，是不會出現按鈕鎖死現象的。斜巷絞車安全提升系統電氣原理圖，如圖1所示；斜巷絞車安全提升系統運行函數關系圖，如圖2所示。

圖1 斜巷絞車安全提升系統電氣原理圖

圖2 斜巷絞車安全提升系統運行函數關系圖

3 安裝與使用情況

3.1 煤礦斜巷運輸安全監測及管控提升系統的構成

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，以本質安全電源模塊和語音處理模塊為輔助，通過通訊電纜連接各個檢測傳感器。西門子可編程邏輯控制器主要用于采集各個傳感器檢測到的狀態信號，通過對接收的信號進行分析比較處理，并發出相應的控制指令使對于的執行機構動作，實現斜巷的安全提升系統的自動化操作。考慮為方便絞車司機的觀察，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照明綜保，確保控制電源與絞車動力電源各為獨立、互不干擾，提高系統的安全與可靠性。

3.1.2 自動行人阻行裝置

行人阻行裝置安裝在上下車場口，取代原有手拉式警戒繩，減少人員勞動強度節省人員體力。行人阻行裝置主要由小型汽缸，限位開關，電動球閥、警示阻人欄組成。小型汽缸做為行人阻行裝置警示阻人網上下移動驅動裝置，動力源采用風壓，通過電動球閥的開閉來控制風壓動力的輸入和輸出；限位開關用于檢測警示阻人欄的位置情況。

行人阻行裝置兩側分別用兩條膨脹螺栓固定在巷幫，并確保裝置固定牢靠；兩個小型汽缸根部分別固定在行人阻行器兩側的固定支架上，兩個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限位磁性開關的永久磁鐵，磁性開關安裝在巷幫，位置與警示阻行欄落下時的位置保持在一條直線上，即警示阻行欄落下時，永久磁鐵能觸動磁性開關動作為準；磁性開關信號通過監測線傳輸至可編程控制器。

3.1.3 閉鎖式信號操作硐室裝置

閉鎖式信號操作硐室裝置，主要有安全門、限位開關、信號裝置組成，安全門和限位開關主要用來管理信號工必須進入信號硐室后方可進行信號操作。安全門分別用4 條膨脹螺栓固定在信號硐室兩側巷幫上，兩扇門的高度要保持一直，整齊美觀；限位開關安裝在兩扇門的合并處，即：必須關好安全門時，永久磁鐵能觸動磁性開關動作為準；信號裝置安裝于信號硐室內，安裝位置為關閉安全門后在安全外面無法操作信號裝置，信號工只能進入信號硐室內方能操作信號裝置；磁性開關信號通過監測線傳輸至可編程控制器；實現閉鎖式信號操作硐室裝置。

3.1.4 位置傳感器

位置傳感器主要用于斜巷內車輛運行位置的檢測，由三組紅外傳感器組成，分別安裝在斜巷上平臺擋車杠與上平臺阻車器之間、兩個連鎖擋車杠之間、底車場和下擋車杠之間，紅外傳感器固定在斜巷巷幫，紅外發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 設備狀態檢測傳感器

設備狀態檢測傳感器主要由磁性開關和永久磁鐵組成；斜巷絞車安全提升系統中分別應用在上下平臺警戒繩、阻車器、下平臺操作硐室安全門等狀態的檢測上，磁性開關做為固定部分，固定在設備上或巷幫上，而永久磁鐵主要做為運動部分固定在設備的運動部位。

阻車器主要用于防止車輛非正常下行，檢測阻車器的時時狀態對安全提升具有重要意義，狀態檢測傳感器磁性開關安裝在斜巷上平臺阻車器防護蓋下方，永久磁鐵安裝在執行機構一端，當阻車器打開時，永久磁鐵運行至觸動磁性開關范圍內，磁性開關動作，輸出阻車器實時狀態信號，并傳輸給西門子可編程控制器，完成阻車器信號檢測，進行語音預警；當阻車器關閉時，永久磁鐵遠離觸動磁性開關范圍，磁性開關動作，輸出阻車器實時狀態信號，并傳輸給西門子可編程控制器，完成阻車器信號檢測，進行語音預警。

擋車杠主要用于防止非正常下行跑車，檢測擋車杠的升降到位狀態，狀態檢測傳感器磁性開關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側，當擋車杠升起時，永久磁鐵運行至觸動磁性開關范圍內，磁性開關動作，輸出擋車杠實時狀態信號，并傳輸給西門子可編程控制器，完成擋車杠信號檢測，進行語音預警；當擋車杠下降時，永久磁鐵遠離觸動磁性開關范圍，磁性開關動作，輸出擋車杠實時狀態信號，并傳輸給西門子可編程控制器，完成擋車杠信號檢測，進行語音預警（連鎖擋車杠上下車場擋車桿安裝方式相同）。

3.1.6 聲光語音預警裝置

語音預警裝置由一塊語音模塊和聲光語音控制箱組成，由主控制箱控制語音模塊工作，語音模塊將信號傳輸給語音控制實現智能語音報警。語音模塊安裝在主控制箱內，聲光語音箱在斜巷上平臺和下平臺各安裝一臺，并吊掛在行人側巷道頂板醒目處，使得上、下平臺作業人員都能清楚的看到與聽到聲光語音箱發出的警報。斜巷絞車安全提升新系統各傳感器安裝位置示意圖如圖3。

圖3 煤礦井下聯絡斜巷絞車安全提升系統各傳感器安裝位置示意圖

3.2 煤礦斜巷運輸安全監測及管控提升系統的使用情況

煤礦斜巷運輸安全監測及管控提升系統通過安裝傳感器對斜巷提升過程中各個重要設備及固定地點的信號采集，將傳感器采集到的信號通過西門子PLC可編程邏輯控制器進行分析判斷后控制斜巷運輸系統保護設施的動作及語音預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入不安全區域而造成的斜巷提升運輸事故的發生，達到了對不安全因素及保護狀態的語音報警提示和操作安全連鎖、閉鎖運行的目的，實現了斜巷絞車運輸安全管控和本質安全，在陳四樓煤礦皮帶檢修斜巷提升運輸中進行了現場安裝使用，取得了良好效果。

煤礦斜巷運輸安全監測及管控相關技術研究及應用實現斜巷絞車運輸的安全監測及管控的要求，克服了以往依靠人員監管的弊端，大大提高了安全提升效果。使用西門子PLC可編程控制器，使控制電路變得簡單而明確，減少了電器元件，如延時斷電模塊，延時吸合模塊，繼電器模塊，避免了利用模塊控制時出現的配合不穩定情況，同時PLC 控制時所有的程序由內部處理器統一控制，使得控制輸出更確切，更穩定。

4 總結

（1）斜巷運輸安全監測及管控提升系統能夠實現行人阻行裝置的自動化操作，大大減輕了信號把鉤工的勞動強度，運輸效率顯著提高。擋車杠、阻車器狀態的監視和非正常情況下的智能語言報警功能，可有效地預防運輸事故的發生[8]。

（2）斜巷絞車安全提升系統可以對車輛狀態進行判斷[9]，對車輛將要到達上下車場狀況進行智能語音報警提醒及時開閉擋車杠、阻車器，保證了斜巷運輸的安全可靠性，將消除因人的不安全行為引發的各類事故，能夠使煤礦斜巷運輸實現本質安全，如果能在煤炭行業推廣的話，可獲得巨大的經濟效益和社會效益。