煤礦機械工作環境應急控制設計與研究

陳夏明

（霍州煤電汾河焦煤公司三交河煤礦， 山西 霍州 031400）

1 煤礦機械工作環境應急控制系統設計標準

以粉塵爆炸為例的危險性緊急情況前后控制在煤炭開采領域一直以來受到高度的重視。Shakhtinskaya礦（2004年），Lenin礦（2006年）和Abaiskaya礦（2008年）三起嚴重事故在哈薩克斯坦奪走了90多名礦工的生命。其他國家也面臨這樣的擔憂：俄羅斯Ul'yanovskaya和Yubileinaya礦山（2007年）年爆炸后140多人死亡，此外，在中國，每年有數千名礦工都會通過空氣和甲烷混合物爆炸而死亡[1-2]。應急前后控制系統（PECS）包含礦山的工作運行環境控制和環境電器設備控制，設計了和飛機相似的“黑匣子”來進行數據和圖像的記錄，以此來降低煤礦事故率。PECS的主要目的是在礦山技術區域采取、記錄和存儲數據參數，這對于事故發生前后的處理是非常重要的。

根據對煤礦事故的調查和長期一線工作的經驗，以下性能標準是為本文系統開發的：

1）在緊急情況下，自主運行模式長期存儲數據；

2）事故發生前、事故中和事故后系統可有效運行；

3）內置起動器設備，用于傳輸電氣設備的當前狀態變量；變電站內的低壓電網將應急操作條件數據傳輸到PECS的中央單元中；

4）自動切換到斷電狀態下的備用電池供電，并提升充電電量標準操作條件；

5）在PECS的中央控制單元（CCU）的外殼面上分配傳感器，測量傳播的沖擊波，通過壓力，聲音可靠地確定沖擊波的方向和光參數；

6）遠程數據讀出。如果可能的話，將傳感器安裝在CCU的防爆外殼內；

7）PECS的中央控制單元（CCU）安裝在礦區最危險的地區，布置在壁交匯處和通風處（在長壁中只需要安裝2個CCU）；

8）連續記錄非正常情況下的參數和電氣設備性能特性。

2 煤礦機械工作環境應急控制系統設計

圖1示意性地顯示出了具有CCU的PECS、內置設施功率控制單元（FPCU）防爆起動器（EPS）、礦井空氣傳感器和低壓配電數據傳輸網絡。甲烷濃度超標是最常見的礦井爆炸原因，包括有缺陷的電氣設備，或電動火花設備在違背操作規定的情況下與開放式外殼一起運行。所開發的系統具有電氣設備運行和礦區生產并行控制運行特點。因此，PECS包括礦區機械控制子系統、電氣設備控制子系統和數據處理和存儲子系統。

圖1 煤礦機械和環境應急控制系統（PECS）設計示意圖

電氣設備控制子系統負責檢查起動器和礦場內的配電設備，即電力供應或切斷，電纜完整性和非法接入電力設備。受控制的礦區參數為CH4、CO、CO2、H2和O2濃度。火災爆發通常伴隨著更高的溫度、聲音和沖擊波，因此，子系統提供礦井壓力控制、光控（主要在紅外領域）、聲學和溫度控制、CCU過驅動和重新定位控制。PECS的中央控制單元（CCU）擁有記錄信息的非法訪問記錄器。礦區傳感器布置在內部CCU，來自礦區傳感器的數據被處理并存儲在CCU中。主體數據量巨大，只有當前數據發生變化時才會記憶和存儲信息，另外，數據在1 h周期內進行循環替換。在正常運行中，電力設備的當前參數在FPCU中連接到CCU進行處理，并記錄任何與換向有關的事件，即電壓上升或切斷或開啟機動外殼，或者與最新測量數據相關的礦井空氣特性的任何變化。電力設備的緊急狀態意味著切斷所有電纜的電壓、設備或啟動器開放式外殼供電、立即進入防爆設備啟動態。鑒于上述任何一種情況，PECS本身就會切換為自我維持供應和數據存儲，在幾天內維持CCU和FPCU的自我持續運行。PECS必須在一次意外幾天之后保持相同的自我持續運作模式。礦區緊急狀態參數由CCU中的專用程序進行分析并確定沖擊波最可能發生的方向或火花源的位置。電力數據在事故發生期間和事故發生后的設備運行都被處理并存儲在FPCU中。所有單位模塊以最快速度記錄，記錄當前時間并將數據保存在非易失性存儲器中并在1 h周期內更換數據[3-4]。

當相同的記錄模式持續受到沖擊，保存在CCU存儲器中的數據可以被讀出是很重要的。PECS設計能夠承受甲烷和空氣混合物的爆炸，同時，PECS機房必須具有較高的機械強度。選用無線數據傳輸通道可以達到這個效果。感應通信通道維持遠程數據的電磁場的磁分量，即使設備在事故發生后被埋在煤下，也能通過設備外殼傳輸。

無線數據傳輸在事故發生后作為“信標”來尋找設備。在正常采礦條件下，無線數據傳輸允許PECS的周期性檢測到可能的危險行為。啟動器控制發射器設備，電壓狀態快速脫開輔助觸點的位置，通過PECS的中央控制單元（CCU）實現電流特性的低壓網絡遠程指示。啟動器狀態的遠程指示使用啟動器的電源線供能。

PECS存儲子系統積累來自位于CCU內部或外部的各種模擬和離散傳感器的數據（內置防爆外殼）。內部傳感器重復主要的目的是傳感器在爆炸下無法正常工作。電氣和火花安全饋電電路和所有接口通過使用電隔離連接外部傳感器來保證。在子系統的標準操作中，為了在FLASH存儲器中提供足夠的空間，數據保存時間是5 min。

與世界上已知的控制系統不同，PECS系統通過完成集成，在正常、事故前和事故后模式下控制礦井空氣和電氣設備檢查礦址設備的電源，并在所有防爆外殼內進行檢查并將關于起動器和設備狀態的數據傳輸給CCU。PECS在事故中記錄礦井空氣和電氣設備的特點，并通過有關壓力、聲音和光線的數據確定沖擊波的可能方向。事故發生后，PECS保持對該事件幾天內的礦區參數的控制和記錄，用于防止重復的火災和爆炸。該系統具有通過系統金屬外殼無線感應式數據傳輸的功能，即可同時作為事故發生后發現CCU的線索。

3 結語

在制定了PECS的基本標準的基礎上，對煤礦電氣設備和空氣狀況進行持續綜合治理防治系統進行設計。在緊急情況下，該系統運行和記錄在事故和事故后模式中的礦區參數。本系統可以很好地適應于現行的煤礦行業。