關(guān)于井下避難硐室中環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

郝 存

（霍州煤電集團(tuán)三交河煤礦， 山西 洪洞 041600）

引言

隨著國(guó)家對(duì)煤礦資源的大量開采，加上井下環(huán)境的惡劣性，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)瓦斯、一氧化碳等氣體濃度過高，井下壓力過大，工作溫度過高等現(xiàn)象，在煤礦長(zhǎng)時(shí)間開采中，極容易發(fā)生火災(zāi)、爆炸等事故現(xiàn)象[1-2]，導(dǎo)致礦井的坍塌及人員的傷亡，井下作業(yè)的安全問題已成為當(dāng)下政府及企業(yè)面臨的嚴(yán)峻問題。因此，在井下設(shè)計(jì)一套避難硐室裝置，井下人員可在礦井發(fā)生相關(guān)事故時(shí)快速進(jìn)入避難硐室，以有效保障自身的生命安全[3-5]。而本文則主要利用現(xiàn)有的先進(jìn)設(shè)備及控制技術(shù)，針對(duì)避難硐室中的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，研究?jī)?nèi)容主要包括環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及系統(tǒng)中的關(guān)鍵配置（例如：電源裝置、備用電源、傳感器、監(jiān)視器等）的設(shè)計(jì)等，最終將其在三交河煤礦避難硐室中進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試，由此，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性，這為提高避難硐室的保護(hù)性能及井下作業(yè)安全具有重要意義。

1 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

結(jié)合礦井中出現(xiàn)的典型災(zāi)害現(xiàn)象，有必要在井下設(shè)計(jì)避難硐室，并對(duì)避難硐室內(nèi)外的環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，根據(jù)避難硐室的環(huán)境特點(diǎn)，利用當(dāng)下先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備，設(shè)計(jì)了一套避難硐室中的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括電源裝置系統(tǒng)、備用電源系統(tǒng)、各類傳感器（氧氣傳感器、甲烷傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等）系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、監(jiān)視器等。其中，電源裝置選用了KDW1140 型隔爆兼本安型，主要負(fù)責(zé)為硐室中各類用電設(shè)備提供電源，而備用電源則采用了DXB120 型UPS 備用電源裝置，當(dāng)系統(tǒng)的電源裝置無法正常使用時(shí)，可通過該UPS 備用電源裝置，為各類設(shè)備提供電源，以保證設(shè)備的持續(xù)工作。監(jiān)視器選用了JHC12 型礦用本質(zhì)安全型，安裝于硐室中的生存室中，具有分辨率高、畫面?zhèn)鬏敺€(wěn)定等特點(diǎn)[6]，可全方面對(duì)硐室環(huán)境的特點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)控。另外，為更加有效地掌握硐室中人員的基本情況，在該系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了人員定位系統(tǒng)，人員進(jìn)出避難硐室時(shí)，人員定位系統(tǒng)會(huì)通過內(nèi)部的讀卡器裝置來對(duì)人員進(jìn)行識(shí)別，由此提高整套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能化程度。所設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架原理圖

2 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵配置的設(shè)計(jì)

2.1 電源裝置的設(shè)計(jì)

由于井下環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的用電設(shè)備相對(duì)較多，故需對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行電源裝置設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)中的主要用電設(shè)備包括各類傳感器、照明、通信設(shè)備等，所需的電量相對(duì)較大。因此，結(jié)合現(xiàn)有避難硐室的環(huán)境特點(diǎn)，配備了KDW1140 型隔爆兼本安型電源裝置。該裝置的外殼采用了Q235 材料，并進(jìn)行了烤漆、耐腐蝕性處理，在其內(nèi)部設(shè)計(jì)了隔離開關(guān)，可方便后期電池的維護(hù)[7]；同時(shí)，在電源裝置內(nèi)部設(shè)計(jì)了AC/DC 轉(zhuǎn)換器、電池浮充電模塊等零件，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，不僅能為用電設(shè)備提供電源，也能及時(shí)向備用電池間充電操作。另外，由于系統(tǒng)中各類用電設(shè)備

主要采用24 V 點(diǎn)直流電源，總功率約1.5 kW，因此，

該裝置的有效輸出電壓設(shè)計(jì)為24 V，電池容量設(shè)計(jì)為500 Ah，電池電量達(dá)到了12 kWh，可較好保證系統(tǒng)中用電設(shè)備的正常使用。電源裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 電源裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 備用電源的設(shè)計(jì)

為防止監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的主電源裝置運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)突然供電故障或停電現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。故在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中配備了備用電源裝置，通過該裝置，向監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及時(shí)輸出本質(zhì)安全電源，以保證避難硐室中的正常供電。所配備的備用電源采用了DXB120 型UPS 備用電源裝置，其電池種類主要使用鉛酸電池，配備的電池容量為120 Ah，工作電壓為24 V，總電量達(dá)到2.8 kWh，最大放電電流為1.5 A，端子型號(hào)采用了M8L，橡套軟電纜的截面積大于2.5 mm2。在整個(gè)備用電源設(shè)計(jì)中，主要是將兩組鉛酸電池進(jìn)行串聯(lián)，并與熔斷器保護(hù)裝置、隔離開關(guān)進(jìn)行串聯(lián)連接，其連接原理圖如圖3 所示。該裝置的設(shè)計(jì)，可為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、甲烷傳感器、照明通訊設(shè)備等提供大于96 h 的使用電源供應(yīng)。由此，提供了整套環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性。

2.3 主要傳感器的匹配設(shè)計(jì)

由于避難硐室的環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)甲烷濃度及一氧化碳濃度升高、氧氣濃度下降、環(huán)境溫度偏高等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著硐室中總體安全性。故在環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了多種傳感器，主要包括氧氣、一氧化碳、甲烷、二氧化碳、壓力、溫度等傳感器，并分別安裝于避難硐室內(nèi)部及外部空間，其具體型號(hào)及數(shù)量如表1 所示。

圖3 備用電源連接原理圖

表1 各類傳感器基本參數(shù)

2.4 監(jiān)視器的匹配設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)視器選用了JHC12 型礦用本質(zhì)安全型，包含接線板、液晶顯示器、CPU 微處理主板等。其中，接線板主要負(fù)責(zé)與各類傳感器進(jìn)行連接，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)接收能力，CPU 則主要負(fù)責(zé)對(duì)接收的數(shù)據(jù)信號(hào)、報(bào)警閥值、斷電門限、量程等方面進(jìn)行處理，最終通過液晶顯示器進(jìn)行硐室中相關(guān)信號(hào)參數(shù)及狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示。而所選用的液晶顯示器采用了800×600 分辨率的帶背景光功能的配置，可將傳感器通道信號(hào)、采集信號(hào)參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。整個(gè)監(jiān)視器額定工作電壓為24 V，工作電流160 mA，頻率型信號(hào)為200～1 000 Hz，可較好地與電源裝置及備用電源進(jìn)行有效連接。整個(gè)監(jiān)視器的工作原理圖如圖4 所示。

圖4 JHC12J 監(jiān)視器工作原理框架圖

3 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用測(cè)試

結(jié)合前文所設(shè)計(jì)避難硐室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為進(jìn)一步測(cè)試其系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)性能，將其在三交河煤礦避難硐室中進(jìn)行了將近6 個(gè)月的應(yīng)用測(cè)試，主要是將現(xiàn)有的避難硐室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)替換成此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在避難硐室中的相關(guān)部分安裝所配置的各類傳感器及其他設(shè)備，由此開展該環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)運(yùn)行正常，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，在整個(gè)測(cè)試過程中未出現(xiàn)運(yùn)行故障，監(jiān)視器能將所采集的相關(guān)信號(hào)及控制命令信號(hào)等信息進(jìn)行清晰顯示，且顯示內(nèi)容較為豐富。同時(shí)，該系統(tǒng)能發(fā)出不同類別的聲光報(bào)警提示，以此來區(qū)別故障類型。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)有經(jīng)驗(yàn)人員估算，與現(xiàn)有系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的應(yīng)用可使避難硐室的安全性提高約50%，井下故障發(fā)生率降低約60%，并給企業(yè)節(jié)約30%在物力、財(cái)力等方面的費(fèi)用支出，整套系統(tǒng)具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，建議將其進(jìn)行推廣應(yīng)用。由此，驗(yàn)證了該環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性。

4 結(jié)論

結(jié)合礦井出現(xiàn)的典型故障問題，對(duì)避難硐室中的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并將其在三交河煤礦避難硐室中進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：

1）該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能較為全面地實(shí)現(xiàn)對(duì)井下各類信號(hào)的采集分析及處理；

2）所設(shè)計(jì)的監(jiān)視器畫面顯示效果較好，且能對(duì)各類信息進(jìn)行全面顯示和發(fā)出不同類別的聲光報(bào)警提示，方便了操作人員對(duì)故障的辨識(shí)及分析；

3）該系統(tǒng)的應(yīng)用，可使避難硐室的安全性提高約50%，井下故障發(fā)生率降低約60%，降低約30%費(fèi)用支出，得到了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的一致認(rèn)可；

4）該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能大大提高避難硐室的防護(hù)效果及井下作業(yè)安全，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。