梅花井煤礦長距離單巷安全監控系統DC24V供電技術探索與實踐

張杰文

摘要：為解決當前梅花井煤礦長距離單巷掘進過程中無法全部對巷道內全部非本質安全型設備進行斷電的問題，通過分析當前煤礦安全監控系統無法實現遠距離供電問題的原因，結合當前梅花井煤礦現有安全監控系統供電及巷道實際布局方式，提出將電壓等級提升至24V并通過降低線纜電阻的方式，并通過111801工作面現場實踐研究，結果表明這種方案具有實際操作價值，認為方案可行，簡便高效;并探討安全監控系統遠距離供電對礦井安全生產的實踐意義。

Abstract： In order to solve the problem that all non-intrinsically safe equipment in the roadway cannot be powered off during the long-distance single-drilling process in Meihuajing Coal Mine， the cause that the current coal mine safety monitoring system cannot realize the long-distance power supply problem is analyzed. Combining with the Meihuajing Coal Mine's existing safety monitoring system power supply and actual layout of the roadway， the way of increasing the voltage level to 24V and reducing the cable resistance is proposed. And through the field practice research of 111801 working face， the results show that this scheme has practical operating value， the scheme is considered feasible， simple and efficient. And the practical significance of long-distance power supply of safety monitoring system for mine safety production is discussed.

關鍵詞：安全監控系統;遠距離供電;解決方案;實踐意義

0? 引言

梅花井煤礦安全監控系統與國內大部分礦井一致，主要采用18V直流供電方式對傳感器進行供電;當掘進工作面超過2000m時，由于巷道內傳感器較多，線纜壓降導致迎頭傳感器無法全部拖動，需在巷道中部單獨加裝供電電源進行升壓供電;遇到甲烷超限時，系統會將整個巷道內電源斷掉，迎頭傳感器只能依靠巷道中部后備電源供電，由于距離過長，且電池供電能力有限，存在安全運行風險[1]。

1? 現狀分析

梅花井煤礦作為寧東能源化工基地的主力礦井，根據國家相關要求在井下建設了安全監控系統;根據《煤礦安全監控系統及檢測儀器使用管理規范》（AQ1029—2019）要求，目前安全監控系統在各掘進工作面迎頭及后巷100m范圍內共安裝甲烷、粉塵、風筒開停、一氧化碳、煙霧、溫度共六臺傳感器;根據國家及企業標準要求，在采煤工作面回風巷上隅角區域安裝甲烷、氧氣傳感器，在采煤工作面回風巷工作面區域安裝甲烷、溫度、一氧化碳、粉塵共四組傳感器[1]。

礦井井形大，采掘工作面距離長，部分采煤工作面距離達到了5000m，迎頭傳感器無法實現巷口18V長距離分站一次拖動;針對采煤工作面情況，當前梅花井煤礦與國內大部分煤礦一樣，主要采用以下兩種方式解決：

一是從機巷設備列車安裝分站及后備電源，通過采煤工作面架間敷設監測線纜，將采煤工作面回風巷內上隅角及工作面區域的傳感器進行拖動，由于監測線纜受到采煤過程中頻繁移架影響，導致斷線頻繁，系統故障頻發;管理難度極大。

二是在巷口配電點安裝后備電源及分站，負責安全監控系統2000m以內傳感器拖動，同時在超過2000m的巷道中部加設專用電源進行二次供電，并敷設長距離線纜進行拖動。

2? 安全監控系統實現遠距離一次供電問題的原因

2.1 國家針對煤礦管理的行業法規要求

根據《煤礦安全規程》（2016版）第四百六十二條“在總回風巷、專用回風巷道及機械提升的進風斜井中不應敷設電力電纜的要求;采煤工作面回風巷內不應安裝電纜及電氣設備。當前梅花井煤礦采煤工作面回風流長度大部分在3000m以上，部分采煤工作面長度甚至達到了5000m;第二種傳感器拖動方式與國家法規相沖突;在極端情況下，工作面出現甲烷等有害氣體超限，巷道內正在使用的電氣設備具有引爆甲烷氣體的風險。

2.2 巷道掘進方式的轉變

隨著礦井掘進方式的改變，現有工作面的掘進方式正在由過去的主運輸巷+輔助運輸巷雙巷掘進方式改變為單主運巷掘進方式，長距離掘進巷道和采煤工作面回風巷道內的“安全監控系統長距離一次供電實現傳感器拖動解決方案”顯得尤為重要。

2.3 國家對煤礦安全監控系統遠距離供電的標注要求

根據國家煤礦安全監察局印發《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》（煤安監函〔2016〕5號）第十一條第六款“分站的最大遠程本案供電距離（在設計工況條件下）實行分級管理，分別為2km、3km、6km”要求，現有安全監控系統具備長距離傳輸功能，但是與生產廠家溝通時發現，他們所謂的長距離供電是一根電纜拖動一臺傳感器，并且在地面進行測試實現了6km信號傳輸，井下目前還沒有成熟的解決方案，如果采用一根線纜進行拖動，將會導致線纜敷設量成倍增加，且不利于現場維護，不符合現場實際。

目前各煤礦針對安全監控系統長距離供電的問題，主要采用在中部加設電源和分站的二次供電方式進行解決，這種方式顯然與國家規定相違背，并且沒有較好的解決方案，導致當前安全監控系統針對長距離工作面傳感器運行方式與國家規程違背;許多煤礦都在迫切希望能夠通過一種方案解決。

3? 解決方案實踐

根據《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》（煤安監函〔2016〕5號）升級改造要求，當前安全監控系統是可以實現6km拖動，這說明6km傳輸RS485監測數據是沒有任何問題（通過實際測試安全監控系統可以實現RS485信號傳輸），只是因為長距離傳輸過程中壓降導致迎頭傳感器無法拖動;圍繞問題解決的突破點在于提高線纜長距離傳輸后的電壓滿足傳感器拖動要求;當前系統主要采用常規的18V電壓進行拖動，通過井下試驗，現有傳感器在滿負荷情況只能傳輸2000m;當輸出功率一定的情況下，電壓越低，電流就會越高;根據功率計算公式P=I*I*R的關系，在線纜傳輸的過程中電流越高浪費的無效功率也就越多，這是導致無法進行長距離傳輸的根本原因。

解決問題的突破點是圍繞提高電壓、降低電阻的辦法進行解決，但是《煤礦安全監控系統通用技術標準》（AQ-6201-2006）第4.4.2.3“由外部本安電源供電的設備一般應能在9-24V范圍內正常工作”的要求，現有電源最高只能提供24V電源輸出。針對當前情況，梅花井煤礦通過選用天地常州自動化股份有限公司的24V、04mA的KDW65B電源，并對電纜信號進行選型，共提出了四種解決方案，具體如下：

3.1 常規線纜接線拖動法

分站輸出一路24V電源，0.4mA電流，采用MHYV1*4*7/0.52電纜進行4700m地面傳輸測試，兩芯電纜提供24電源，可以實現激光甲烷傳感器、一氧化碳、煙霧一根線纜拖動;但是更換為普通催化甲烷傳感器就無法拖動;更換為粉塵傳感器+催化甲烷傳感器可以拖動，但是增加到第三個傳感器時，無法拖動;采用常規線纜接線拖動法，迎頭需敷設3根監測線纜，雖比單根線纜拖動有所減少，但是現場維護量依然不變。

3.2 增大電流拖動法

分站輸出24V電源，0.8mA電流，采用MHYV1*4*7/0.52電纜進行4700m地面傳輸測試，兩芯電纜提供24V電源，可以拖動甲烷、一氧化碳、煙霧、一氧化碳四個傳感器;較第一種方案有所提升，但是效果不明顯;無效功率較第一種方案提高一倍;同時0.8mA電流與國家標準相違背，無法實施。

3.3 兩正加一負電壓拖動法

分站輸出2路24V電源、0.4mA電流，使用1*6*7/0.52電纜進行4700m地面測試，兩芯電纜提供2個正極，1芯電纜提供負極，2芯負責RS485信號進行傳輸，可以拖動甲烷、一氧化碳、煙霧、一氧化碳四個傳感器;整個工作面拖動6臺傳感器須另外敷設1根1*4*7/0.52線路;此種拖動效果較差;同時不利于維護工作;主要原因為電源負極線纜直徑限制，整個線纜的電阻與一正一負一致，現場無法實施。

3.4 線路并聯電壓拖動法

分站輸出1路24V電源、0.4mA電流，使用1*6*7/0.52電纜進行4700m地面測試;其中2芯電纜提供正極，2芯電纜提供負極，2芯負責RS485信號進行傳輸，通過測試可以一次性拖動甲烷、一氧化碳、煙霧、一氧化碳、粉塵、風速共6個傳感器，并且傳感器運行穩定，無頻繁斷線現象;此種方案可以滿足長距離工作面迎頭所有傳感器一次性拖動的要求。

4? 原因分析

通過分析，2000m以內能夠拖動，主要是線纜傳輸距離短，電流在一定的情況下，電阻相對較小，線纜無效功較小，工作面迎頭的傳感器可以一次性拖動;那么針對長距離工作面，就要從降低電阻、提高電壓兩個方面進行測試，在電壓24V恒定的情況下，在滿足迎頭傳感器工作電流的基礎上，降低線纜電阻，在現有的情況下，提高線纜的橫截面積，是降低的電阻的最簡單而且是最有效的方式。

通過計算，具體數據如下：MHYV1*4*7/0.52電纜的負責供電的電纜芯橫截面積為：0.21cm2;MHYV1*6*7/0.52電纜的負責供電的電纜芯橫截面積為：0.42cm2;那么在電纜采購時只要負責供電的芯線電纜橫截面積滿足要求，即可解決當前的問題。

5? 意義

此次安全監控系統長距離供電方案的選定并在1118101工作面回風巷測試成功，解決了當前困擾國內煤礦長距離掘進想解決而一直未能解決的老大難問題，使得礦井4000m及以上巷道的斷電及迎頭傳感器一次性拖動變為現實;

國內許多煤礦均在探索單主運輸巷掘進方式進行采煤工作面布置，這種方式可以大幅度降低巷道維護成本，由于受到安全監控系統無法一次性拖動及其他因素影響，國內許多礦井未大面積應用實施;此次安全監控系統長距離供電方案的測試成功打破了現有單巷道長距離掘進無法實現巷道內所有設備一次性斷電的突出問題;實際使用意義重大。

此次國家煤監局下發的《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》（煤安監函〔2016〕5號）第十條第六款分站的最大遠程本安供電距離（在設計工況條件下）實行分級管理，分別為2km、3km、6km的標準要求;梅花井煤礦的實際測試成功，為推動標準落地及實際應用提供了實踐支撐。

參考文獻：

[1]高春礦.煤礦安全監控系統現狀與發展前景[J].煤炭技術，2004（11）.

[2]開輝.運輸監視及安全監控系統在礦井的應用[J].價值工程，2019，38（19）：211-214.

[3]袁冠文.上海潘廣路～逸仙路電力隧道綜合監控系統設計[J].價值工程，2019，38（24）：268-271.