北宿煤礦副暗斜井安全設(shè)施自動監(jiān)控系統(tǒng)研究應(yīng)用

1、北宿煤礦副暗斜井安全設(shè)施自動監(jiān)控系統(tǒng)的研究應(yīng)用 論證報告北宿煤礦副暗斜井安全設(shè)施自動監(jiān)控系統(tǒng)的研究應(yīng)用1 課題的必要性、目的及意義運輸是煤礦生產(chǎn)過程的重要組成部分。在煤炭生產(chǎn)過程中，運輸所占的工作量最大，所占用的設(shè)備不僅類型多而且數(shù)量大。因此，高效、可靠的運輸系統(tǒng)對提高礦井的經(jīng)濟技術(shù)指標具有重大意義。同時，運輸也是煤礦生產(chǎn)的動脈，為了保證礦井生產(chǎn)的正常進行，生產(chǎn)所需的各類機電設(shè)備及物資，如支護設(shè)備、管道、電纜、油料、乳化液等，必須由地面經(jīng)巷道運往工作面，而且工作面的各種裝備也需要經(jīng)巷道運往地面進行維修。隨著采掘作業(yè)的集中化及采區(qū)、煤層、工作面產(chǎn)量的增加，采區(qū)主要貨流的運輸工作已基本實現(xiàn)了輸送機

2、械化（包括刮板輸送機及膠帶輸送機）。軌道運輸仍然是礦井運輸系統(tǒng)的主要運輸方式。對于主要貨流運輸實現(xiàn)了輸送機械化的采區(qū)巷道及集中巷道，大量的輔助運輸工作（如各種材料、設(shè)備及零部件和人員運送）不能僅靠輸送機運輸進行。軌道運輸?shù)闹饕獌?yōu)點是能充分適應(yīng)距離的變化及巷道的彎曲，而且適用范圍廣，既能用于水平巷道，也能用于傾斜巷道，傾斜角度幾乎不受限制。對于礦井軌道運輸而言，無論是生產(chǎn)礦井的技術(shù)改造，還是新礦井的建設(shè)，其發(fā)展方向應(yīng)該是應(yīng)用重型、高速電機車及大容量礦車，并采用固定道床鋪設(shè)重軌軌道以適應(yīng)高速、大載重量列車的需要。因此，軌道運輸在礦井運輸中具有很重要的地位。煤礦安全規(guī)程第三百七十條規(guī)定：在傾斜井巷內(nèi)

3、使用串車提升時，必須安設(shè)能夠?qū)⑦\行中斷繩、脫鉤的車輛阻止住的跑車防護裝置。要求跑車防護裝置(捕車器)應(yīng)具有動作靈敏可靠的特性，當發(fā)生跑車事故時能可靠動作，并捕捉住車輛，當車輛在斜巷內(nèi)正常運行時，不誤操作。斜巷運輸是礦井安全生產(chǎn)中一個重要的環(huán)節(jié)，也是在職業(yè)安全健康管理體系危害辨識、風險評價和風險控制中，受控要素較多、較難管理控制的一個部分，其最大危害就是斜巷跑車事故。目前，雖然斜巷防跑車裝置種類很多，但一般能在普通斜巷與最常用小絞車真正實現(xiàn)自動控制的個例卻鮮見。煤礦生產(chǎn)安全在生產(chǎn)過程中是最為關(guān)鍵的工作和最為重要的組成部分，煤礦運輸安全又是整個生產(chǎn)安全中很重要的組成部分之一。最近幾年，全國煤礦重大

4、、特大運輸提升事故頻繁發(fā)生，事故數(shù)量占整個事故的50%。為遏止煤礦運輸事故的多發(fā)勢頭，利用先進科學技術(shù)完善運輸保安設(shè)施也是非常重要的有效舉措之一。北宿煤礦副暗斜井是井下矸石和各種物料運輸?shù)谋亟?jīng)之道，是唯一連接220水平、-290水平的運輸巷道，巷道長度350m，巷道坡度12度，坡度較大，年運輸量達百萬噸。同時是安全運輸?shù)谋∪鯀^(qū)，曾多次因為安全設(shè)施的控制不可靠、職工疏忽大意不正確使用防跑車裝置和跑車防護裝置、對車輛運行情況狀態(tài)不了解等原因，造成多次跑車事故和傷人事故，嚴重影響了礦井的安全生產(chǎn)。目前，副暗斜井只能依靠兩部雷達捕車器來判斷和阻攔脫軌、脫繩的礦車，而且目前無法第一時間得到跑車事故信息，

5、也不能及時準確判斷安全設(shè)施是否真正靈敏、安全、可靠，這極易威脅到副斜下方把鉤工人的人身安全。整個斜巷的安全設(shè)施控制均為手動操作，按鈕各自獨立，操作連續(xù)性差，所有現(xiàn)場設(shè)備工作狀況全靠人的眼睛觀察，存在一定的誤差，且看不到斜巷中間的跑車防護裝置，加之光線暗淡，容易造成職工視覺疲勞，從而導致做出錯誤判斷。為了第一時間做出及時準確的處理，我們決定將監(jiān)視與控制有機地結(jié)合起來，對副暗斜井各安全設(shè)施進行自動化控制并實施監(jiān)控。使用可編程控制器集中控制副暗斜井各安全設(shè)施的運轉(zhuǎn)操作，實現(xiàn)自動化的操作控制。并采用手動和自動兩種控制方式，以應(yīng)對不同情況下的提升。此次立項改造主要是為了提高副暗斜井的安全系數(shù)和運輸效率及

6、安全設(shè)施自動化控制水平，創(chuàng)造本質(zhì)安全型運輸環(huán)境，確保礦井長治久安，此項目的實施將填補煤炭行業(yè)斜巷安全設(shè)施的全過程監(jiān)控、自動化控制的空白，必將推動斜巷安全設(shè)施向著控制自動化、全過程動態(tài)監(jiān)視、安全高效方向發(fā)展。2 國內(nèi)外斜巷防跑車的研究現(xiàn)狀跑車防護裝置是指，當跑車事故發(fā)生，防止車輛繼續(xù)向前運行的裝置。跑車防護裝置應(yīng)達到的指標為：（1）正常提升過程中，應(yīng)保證礦車順利通過，當發(fā)生跑車事故時，車擋應(yīng)準確動作，有效地阻擋礦車繼續(xù)向前運行；（2）在阻擋跑車的過程中，應(yīng)逐步推廣使用吸能裝置，以有效地保護礦車及跑車防護裝置；（3）當跑車事故發(fā)生后，跑車防護裝置能快速復位，從而確保較快地恢復礦井生產(chǎn)；（4）正常提

7、升過程中，跑車防護裝置的能量消耗應(yīng)盡量的??；（5）跑車防護裝置應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠，維修方便。目前，煤礦使用的防跑車裝置種類較多，無論依據(jù)哪種原理設(shè)計的防跑車裝置都必須靈敏可靠，動作準確，成本低，其結(jié)構(gòu)也不要過于復雜，以免制造和維護困難。在煤礦生產(chǎn)中主要有以下幾種斜井防跑車裝置，其優(yōu)缺點分別介紹如下：(1)撞動式防跑車裝置撞動式防跑車裝置是根據(jù)跑車后速度變化原理而設(shè)計的。該裝置如圖1所示，主要由控制機構(gòu)、牽引繩和擋車欄等部分組成。在正常情況下，此裝置各部分是不動作的。擋車欄11被牽引繩10吊起，牽引繩的另一端連在拉桿5的下端，拉桿的上端掛在作用桿8上。當?shù)V車正常運行時，礦車碰撞活動桿2，撞板3

8、不會與作用桿相碰。當發(fā)生跑車事故后，跑車速度超過正常車速，車輛與活動桿相碰時，其碰撞能量超過正常運行時的能量，因而轉(zhuǎn)軸擺動角度增大，轉(zhuǎn)軸上的撞板就碰撞作用杠桿，將作用桿抬起，拉桿就脫扣，牽引繩失去拉力，擋車欄在重力的作用下落下而阻住跑下的車輛，起到防跑車作用。7411109865321圖1 撞動式防跑車裝置示意圖1礦車 2活動桿 3撞板 4拉桿銷軸 5拉桿 6拉桿支撐7作用桿銷軸 8作用桿 9小滑輪 10提升繩 11擋車欄此防跑車裝置的優(yōu)點是其動作機構(gòu)完全懸在空間，不致被煤渣堵塞失靈，動作靈敏，結(jié)構(gòu)較簡單，維護方便。它的缺點是裝料過高運輸時，容易引起誤動作。另外，如一次掛車輛過多，活動桿連續(xù)被

9、碰，逐漸增大擺幅，也會產(chǎn)生誤動作。(2)雷達防跑車裝置雷達防跑車裝置以雷達作為控制核心。該裝置如圖2所示，裝置由雷達控制器、擋車網(wǎng)、吸能制動器、監(jiān)視器和燈鈴報警等幾部分組成。在正常情況下，雷達對運行礦車進行速度探測。當發(fā)生跑車時，雷達測量出礦車超速，發(fā)出控制信號，控制器中的電磁牽引機構(gòu)落下?lián)踯嚲W(wǎng)12，同時報警電鈴8報警。擋車網(wǎng)套住跑車，跑車拖著吸能器10制動鋼絲繩下滑。吸能制動器吸收跑車能量，直到把礦車擋住。此裝置的優(yōu)點是采用雷達測速，具有高可靠性及良好的機械強度，同時具有監(jiān)視功能，便于維護。但該裝置只有在有電情況下才能實現(xiàn)攔車功能。105123467891112圖2 雷達捕車器示意圖1橫輥

10、2鋼絲繩 3緊限器 4控制器吊梁 5雷達控制器 6監(jiān)視燈7報警電鈴 8報警燈 9吸能器基礎(chǔ) 10吸能器 11礦車 12擋車網(wǎng)(3)電動式防跑車裝置87654321電動式斜井防跑車裝置的操縱與絞車深度指示器連鎖并配以平衡重錘實現(xiàn)自動控制。如圖3所示，該裝置是由擋車門、驅(qū)動裝置、平衡重錘和電控系統(tǒng)四部分組成。圖3 電動式防跑車裝置示意圖1門式立柱 2滑輪 3擋車門 4礦車 5驅(qū)動裝置6平衡重錘 7下限位開關(guān) 8上限位開關(guān)在正常情況下，擋車門3處于閉合狀態(tài)，擋車門在門式立柱1上可以上下滑動，當?shù)V車下放到一定位置后，深度指示器的指針觸動開關(guān)，驅(qū)動電動機將擋車門3提起，同時平衡重錘6下降到預(yù)定位置觸到下

11、方限位開關(guān)7，則驅(qū)動電動機斷開電路停止運轉(zhuǎn)，此時，擋車門3已提至需要高度，使礦車通過。當?shù)V車全部通過擋車門后，深度指示器指針繼續(xù)運轉(zhuǎn)，接通驅(qū)動電動機使之反向轉(zhuǎn)動，將擋車門下放，平衡重錘上升到預(yù)定位置并觸動上方限位開關(guān)8，則驅(qū)動電動機停止運轉(zhuǎn)，此時，擋車門處于閉合狀態(tài)。當跑車事故發(fā)生時，礦車位置比深度指示器位置超前，擋車門處于閉合狀態(tài)，從而防止了跑車事故。此裝置的優(yōu)點是裝置設(shè)有誤動保護裝置，保證動作的靈敏可靠。裝置簡單易制造，其缺點是該裝置要與絞車深度指示器連鎖使用?，F(xiàn)有跑車防護裝置的設(shè)計方法的共同特點是，經(jīng)驗化、靜態(tài)化，應(yīng)用這些方法在計算過程中忽略了一些難點、非主要因素，如將礦車重力沿軌道方向

12、的分力乘以放大系數(shù)作為碰撞沖擊力，而且將這個力作為常數(shù)力。這樣做可以使問題簡化，但是難以如實地反映實際情況，有時會存在一些偏差。在國內(nèi)對跑車防護系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)的理論研究，而且設(shè)計制造的產(chǎn)品不易現(xiàn)場試驗（試驗多為破壞性的）。這些都導致了目前跑車防護系統(tǒng)的可靠度較低。據(jù)統(tǒng)計，在國內(nèi)已裝設(shè)的跑車防護裝置多數(shù)不能正常工作，有些不能有效阻擋跑車。為此必須將現(xiàn)代設(shè)計方法應(yīng)用于其中，現(xiàn)代設(shè)計方法的特點是，動態(tài)化、系統(tǒng)化、計算機化。其中動態(tài)模擬集成了計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體、軟件工程、信息處理、自動控制等多個高新技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)成果。國外很多學者對跑車防護裝置進行了研究。A.G.Johnston等人

13、研制了新型逐級吸能式跑車防護裝置并進行了1:1樣機試驗。英國礦山安全研究所（The Safety in Mines Research Establishment）會同英國煤管總局采礦研究所，對逐級吸能式跑車防護裝置進行了動力試驗，測定了各部件承受沖擊力的能力；不同材質(zhì)的閘瓦在軌道不同污染時的制動參數(shù)，包括動摩擦系數(shù)。英國UMM公司和GMT公司均有正式產(chǎn)品供礦井使用。跑車防護裝置的生產(chǎn)在國內(nèi)已有十幾年的歷史，各礦均制造能夠適應(yīng)自己生產(chǎn)規(guī)模的跑車防護裝置，其主要類型及特點如表1所示。3 課題的研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)3.1 主要研究內(nèi)容北宿煤礦副暗斜井是井下矸石和各種物料運輸?shù)谋亟?jīng)之道，巷道長度350米

14、，巷道坡度12度，坡度較大，運輸量大，為確保巷道運輸安全，提高運輸效率，整套設(shè)計方案如下：該項目控制系統(tǒng)分為斜巷運輸監(jiān)視、防跑車控制、道岔位置指示、運行警示、提升鉤數(shù)計量、控制臺等部分組成。防跑車控制系統(tǒng)采用技術(shù)成熟的，PLC可編程控制器實現(xiàn)巷道常閉式擋車梁控制裝置的閉鎖及設(shè)備之間的連鎖，通過采用CONCEPT軟件可編制梯形圖，完成連鎖控制。針對我國斜井防跑車方面所作的工作以及存在的問題，針對兗礦集團實際，提出該課題的研究內(nèi)容如下：表1 跑車防護裝置的類型及特點類型特點跑車防護裝置常閉式擋車裝置旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動式繩輪牽引式以旋轉(zhuǎn)電機為驅(qū)動裝置，將電機的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)過減速裝置、繩輪中間傳動環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)闋?/p>

15、引車擋的直線運動，應(yīng)用普遍，型式較多螺桿牽引式直線電機驅(qū)動式巷道頂部布置式體積較小，結(jié)構(gòu)簡單，維修量較小，便于遠距離控制，容易實現(xiàn)產(chǎn)品系列化巷道側(cè)面布置式上車場布置式氣動式以壓縮空氣為動力，以氣缸為動力元件，通過鋼絲繩牽引車擋運動，結(jié)構(gòu)簡單，維修量小，動作可靠電磁鐵驅(qū)動式以電磁鐵為動力元件機械聯(lián)動式絞車聯(lián)動式以絞車提升鋼絲繩的張力為動力，帶動車擋運動，車擋與阻車器實現(xiàn)聯(lián)動阻車器聯(lián)動式手動式以絞車提升鋼絲繩的張力為動力，帶動車擋運動，車擋與阻車器實現(xiàn)聯(lián)動常開式擋車裝置碰桿式礦車正常通過，碰桿與礦車之間的作用力較小，碰桿擺動角度較小，車擋不動作，當發(fā)生跑車時，礦車速度較高，其對碰桿的作用力較大，碰

16、桿的擺動幅度較大，車擋動作碰爪式以碰爪作為速度檢測裝置電磁鐵自動控制式以電氣設(shè)備作為速度檢測裝置直線電機驅(qū)動式以直線電機驅(qū)動車擋動作，可以實現(xiàn)車擋的自動動作及遠程控制，應(yīng)具有速度檢測裝置操縱桿式具有常開狀態(tài)的車擋及常閉狀態(tài)的車擋（1）控制臺臺面的研究設(shè)計（2）防跑車裝置的設(shè)計與安裝 防跑車控制的技術(shù)研究 GDC-A型軌道計數(shù)器 跑車吸能器（3）2#防跑車裝置設(shè)計與安裝（4）語音報警的技術(shù)研究3.2 關(guān)鍵技術(shù)及主要技術(shù)指標本次研發(fā)的主要內(nèi)容就是完成副暗斜井的實時監(jiān)視和自動化控制操作。本系統(tǒng)主要硬件有可編程控制器（PLC）模塊、可以顯示現(xiàn)場設(shè)備工作狀態(tài)的操作臺（自行設(shè)計）、工業(yè)控制計算機、多畫面圖

17、象分割器、液晶顯示器、傳感器、轉(zhuǎn)撤機、計數(shù)器、光通信設(shè)備、推車機、常閉擋車欄、雷達鋪車器，主要分為控制和監(jiān)測兩部分，控制部分主要是使用可編程控制器針對現(xiàn)場的設(shè)備設(shè)施編制相應(yīng)的程序，并通過信號反饋來觸發(fā)控制現(xiàn)場設(shè)備，以達到自動控制的效果。監(jiān)視部分主要是使用多畫面分割器同時監(jiān)視副暗斜井頂盤、巷道和底盤的各安全設(shè)備設(shè)施。（1）以實現(xiàn)各安全設(shè)施所必須的閉鎖關(guān)系；（2）實現(xiàn)斜巷安全設(shè)施控制的自動化；（3）監(jiān)控管理，數(shù)據(jù)存儲（設(shè)置可打印功能）；（4）現(xiàn)場狀態(tài)工作指示；(5)實現(xiàn)巷道各設(shè)施的全方位監(jiān)控，跟蹤動態(tài)；（6）實現(xiàn)手動和自動兩種方式控制，自動情況下保證反饋信息和模塊輸出的準備、穩(wěn)定和可靠；（7）提高

18、副暗斜井運輸?shù)陌踩禂?shù)，提高副斜提升運輸效率30%和自動化操作水平，降低工人的勞動強度。3.3 主要功能特點(1)系統(tǒng)具有故障部位代號顯示；(2)具有故障及跑車聲光報警；(3)具有車位距離數(shù)字顯示；(4)具有自動、手動功能；(5)具有提升機脫機器、聯(lián)機功能；(6)具有跑車及故障輸出觸點與絞車聯(lián)鎖；(7)具有各傳感器動作顯示；(8)采用PLC可編程序控制器、旋轉(zhuǎn)編碼器，提高了系統(tǒng)可靠性。4 副暗斜井安全設(shè)施自動監(jiān)控系統(tǒng)實施方案本課題采用現(xiàn)場調(diào)查、理論分析、實驗測定和現(xiàn)場工業(yè)性試驗相結(jié)合的方式進行實施。4.1 斜井防跑車裝置的設(shè)計計算斜井防跑車裝置的設(shè)計計算是比較復雜而重要的問題，沖擊動能的大小計

19、算，動能轉(zhuǎn)化的過程與形式，擋車裝置安全保護的合理距離，擋車欄的強度計算等，都需要有科學合理的計算方法。本文在總結(jié)以往設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了較為系統(tǒng)的計算方法。4.1.1 跑車速度的計算礦車發(fā)生跑車后，在重力的作用下沿斜井加速運動，到達擋車欄處的速度和所需時問的計算。（1）礦車從靜止(初速度為零)狀態(tài)下發(fā)生跑車時速度計算擋車欄處的速度（見圖4）圖4 礦車從靜止狀態(tài)跑車示意圖由及有 （1）式中 礦車從跑車點至擋車欄處的距離，m； 斜井的傾角； 鋼軌與礦車車輪之間的滾動摩擦系數(shù)，一般取=0.01； 重力加速度，=9.80665 。跑車所需時間 由有 （2）（2）礦車以初速度為發(fā)生跑車時速度計算 （

20、1）擋車欄處的速度由及 有 （3） （2）跑車所需時間由有 （4）4.1.2 擋車欄動作指令提前量的確定對于常閉式防跑車裝置，需要確定礦車運行到擋車欄前多長距離發(fā)出擋車欄開啟的信號；對于常開式防跑車裝置，需要確定速度檢側(cè)裝置與擋車欄之間的合理距離，這是有效地阻擋跑車的重要參數(shù)。（1）擋車欄提起與落下時間對于常閉式防跑車裝置，擋車欄的提起方式一般有2種情況：垂直提起；旋轉(zhuǎn)提起。對于常開式防跑車裝置，擋車欄落下方式一般有自由落體式和旋轉(zhuǎn)關(guān)閉式。垂直提起時間 （5）式中 提升高度，m； 提升速度，m/s。旋轉(zhuǎn)提起時間 （6）式中 擋車欄處于下位時的鋼繩長度，m； 擋車欄處于上位時的鋼繩長度，m。自由

21、落體式擋車欄的落下時間 （7）式中 擋車欄自由落下高度，m。旋轉(zhuǎn)關(guān)閉式擋車的落下時間旋轉(zhuǎn)關(guān)閉式的多數(shù)情況是擋車欄在重力的作用下，繞其轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而自動關(guān)閉的。由能量守恒定律得到擋車欄在角度 處的角速度 又，則d （8）式中 擋車欄的質(zhì)量，kg； 擋車欄的轉(zhuǎn)動慣量， kg·m2； 擋車欄的質(zhì)心距轉(zhuǎn)軸中心的距離，m； 擋車欄初始位置角，rad； 擋車欄終止位置角，rad。（2）擋車欄動作提前量的確定 常閉式防跑車裝置的擋車欄動作提前量 （9）式中 絞車下放礦車的速度，m/s； 富裕常數(shù)，m，取決于擋車欄的可靠度和紋車安全保護裝置的靈敏度，通常取=1.52.5m。 常開式防跑車裝置的擋車欄動作

22、提前量 （10）式中 跑車到達傳感器處的速度，m/s。4.1.3 跑車作用于擋車欄上的沖擊力跑車作用于擋車欄上的沖擊力是設(shè)計擋車欄和吸能制動器的主要依據(jù)。礦車與擋車欄相撞擊的沖擊力計算有2種情況。（1）按1輛礦車計算沖擊力礦車與擋車欄相撞，無論礦車數(shù)量多少，均按1輛礦車的沖擊力為計算依據(jù)。1輛礦車作用在擋車欄上的沖擊力 （11）式中 重車作用在擋車欄上的靜力，N ； 礦車自身質(zhì)量，kg； 礦車載運物料的質(zhì)量，kg； 動荷系數(shù)。 （12）擋車欄在靜力分量作用下，整個的彈性變形，m；靜力Q沿擋車欄表面垂直方向的分量，N；擋車欄與鉛垂線之間的銳角，（°）；礦車橡膠碰頭的彈性變形，m；擋車欄

23、的彈性變形，m；緩沖彈簧的彈性變形，m； 主軸的彈性變形，m。（2）以多輛礦車計算沖擊力當出現(xiàn)以下2種情況時，要按一輛礦車計算出的沖擊力進行修正。當?shù)V車之間的距離很小，出現(xiàn)重疊撞擊的情況：由于礦車之間沒有足夠的間距，當?shù)?輛礦車與擋車欄的撞擊過程尚未完成時，第2輛礦車就又撞擊到第l輛礦車上，出現(xiàn)重疊撞擊的現(xiàn)象。當?shù)V車受到非正常阻力，出現(xiàn)整體撞擊的情況：當?shù)?輛礦車受到非正常阻力速度減慢時，后面的礦車緊貼在前面的礦車上，會出現(xiàn)整體撞擊擋車欄的現(xiàn)象。鑒于上述情況，計算沖擊力時，每輛礦車都應(yīng)考慮增加一個小于1的疊加系數(shù)，則作用于擋車欄上的沖擊力： （13）式中 每輛礦車的疊加系數(shù)，對第i輛礦車，=1

24、.1-0.2（25）。（3）作用于柔性檔車欄上的沖擊力 （14）式中 在靜力Q作用下?lián)踯嚈谏箱摻z繩的靜變形，m； 擋車欄中鋼絲繩的長度，m； 鋼絲繩的彈性模量，Pa； 承載鋼絲繩的斷面積，m2。4.2 安全設(shè)施自動監(jiān)控系統(tǒng)的實施方案4.2.1 控制臺臺面的研究設(shè)計實施方案采用現(xiàn)場測定和調(diào)研的形式，獲取相關(guān)資料。本課題的調(diào)研資料主要是副暗斜井的基礎(chǔ)資料，控制臺安裝在副暗斜井上彎道信號工室內(nèi)，控制計算機顯示器采用光纜通訊，保證信息傳輸?shù)目煽啃?。操作臺設(shè)計示意圖見圖5。斜井防跑車保護裝置是系統(tǒng)的主要控制核心，該核心由一臺P4工控計算機、19液晶顯示器及信號接口組成。P4工控計算機可直接與副暗斜巷安裝

25、的3套防跑車裝置控制箱的PLC編程器通過RS-232通信口進行數(shù)據(jù)通信，循環(huán)讀取每臺PLC實際數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)參數(shù)進行整理后，送到顯示界面，顯示界面采用先進的DELPHI語言進行編程，采用多種不同運算方法編制了整巷道安裝的3臺防跑車裝置的工作示意圖，信號工可直觀的觀察到每臺擋車器的起落情況，界面顯示直觀、動畫效果強，界面除進行動態(tài)圖形顯示外，并配有漢化文字顯示圖文并舉，有故障報警顯示、提升鉤數(shù)當班顯示、月累加顯示。4.2.2 防跑車裝置的設(shè)計與安裝實施方案KHF-A型斜井防跑車保護裝置，是我公司最新研制的一種新型全自動防跑車保護裝置，主機型號為KXFZ-A型，防爆形式為：礦用隔爆兼本安型；防爆標

26、志為：ExdibI。裝置組成有控制主機、吸能器、軌道測速器、網(wǎng)式擋車欄、汽缸等組成。副暗斜井巷道全長320m，需安裝3套防跑車裝置，編號為1#、2#、3#（1#、3#安裝示意圖見圖6）。圖5 控制操作臺示意圖圖6 斜井防跑車裝置示意圖（1） 防跑車控制的技術(shù)研究礦山斜井是生產(chǎn)運輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，也是跑車事故經(jīng)常發(fā)生的地段。為了有效地防止跑車事故的發(fā)生，在生產(chǎn)中裝備了多種形式的防跑車裝置。在這些防跑車裝置中采用常開跌落式的居多，其中部分采用機械撞擊式控制機構(gòu)，其動作準確率不高。而大多數(shù)采用電動脫落式控制機構(gòu)，多為人工控制，功能較少、可靠性不高、適應(yīng)性較差、現(xiàn)場調(diào)試維護不便。將PLC技術(shù)應(yīng)用于防跑車控

27、制系統(tǒng)，不僅能夠達到控制要求，而且與采用數(shù)字電路或單片機設(shè)計的方案相比，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡練，可靠性和性能/價格比高?；赑LC的防跑車控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對防護裝置的多功能自動控制。配上相應(yīng)的電源部分后，能夠廣泛用于礦山井下所有有127V電源的斜井，可分別做成礦用一般型和礦用防爆型兩種形式，以滿足不同井型和不同地點的斜井使用。其探頭安裝不受軌道形狀和距離的限制，可適用于各種不同軌、距軌型的斜井，其速度整定值可在1.0m/s到15m/s的范圍內(nèi)任意選定。適用于絞車提升速度不同的所有斜井，它所控制的防跑車裝置為常開式，可以克服常閉式防跑車裝置給斜井提升帶來的不利因素。它有對防跑車裝置動作狀態(tài)的檢測功能，以免

28、防跑車裝置動作后仍進行提升而造成其他事故。具有本地報警和遠程報警的功能，方便了實際操作，提高了安全性，具有實時速度顯示功能，使人們對車輛的運行狀態(tài)有直觀的了解，且方便對系統(tǒng)運行狀態(tài)的判別和現(xiàn)場調(diào)試、維修。有一定的超速運行值的記憶功能以便查詢，有方便的模擬功能，以減少實際試驗對防跑車裝置造成的破壞。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)流程圖如圖7所示。初始化后根據(jù)輸入信號的有無進行參數(shù)的設(shè)置和歷史記錄查詢的相關(guān)處理，接下來進行實時速度的測量和判斷，如超過設(shè)定值則啟動本地和遠程報警，同時將速度值存入歷史記錄之中，否則只將速度值送出顯示。實際系統(tǒng)中考慮到車輪距以及運行方式等多種因素下的抗干擾和誤檢測，規(guī)定兩只測速探頭的安

29、裝距離，該距離除以礦車經(jīng)過兩個測速點的時間間隔即得到實際速度。初始化設(shè)置參數(shù)查詢處理測量速度，并與設(shè)定值比較小于設(shè)定值啟動報警，保存速度值顯示YN圖7 系統(tǒng)軟件框圖當?shù)V車正常下行時，汽缸處于敞開狀態(tài)，礦車阻擋欄下放在道軌中間，礦車以正常速度行至測速區(qū)時，通過軌道計數(shù)傳感器(A)與通過軌道計數(shù)傳感器(B)兩點的時間大于1ms，信號傳遞給PLC控制主機，PLC控制主機判定為礦車正常行駛速度范圍內(nèi)，輸出執(zhí)行信號電磁換相氣閥(A)打開，使汽缸關(guān)閉收縮，礦車阻擋欄升起礦車通過，當?shù)V車下行通過軌道計數(shù)傳感器(C)點時，軌道計數(shù)傳感器(C)發(fā)出信號，PLC控制主機控制電磁換相氣閥(A)關(guān)閉，擋車欄自動下落恢

30、復常閉狀態(tài)。當?shù)V車超過非正常行駛范圍，通過軌道計數(shù)傳感器A、B兩點的時間小于1ms，PLC控制主機不發(fā)送信號，電磁換相氣閥(A)不工作，擋車器處于常閉狀態(tài)，從而有效地防止跑車事故的發(fā)生。當?shù)V車上行越過軌道計數(shù)傳感器(C)點時，軌道計數(shù)傳感器將發(fā)出礦車上行信號，PLC控制主機輸出執(zhí)行信號使電磁換相氣閥(A)打開，擋車器升起，礦車通過軌道計數(shù)傳感器(B)點后，發(fā)出上行礦車越過擋車欄信號，PLC控制主機發(fā)出執(zhí)行信號使電磁換相氣閥(A)關(guān)閉，擋車欄下放又處于常閉狀態(tài)。控制器設(shè)有自動、手動兩種狀態(tài)，當把轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至手動狀態(tài)時，擋車工可操作電磁換相氣閥(B)人為控制擋車欄的升降。（2） GDC-A型軌道計

31、數(shù)器關(guān)鍵技術(shù)研究GDC-A型軌道計數(shù)器配合我公司生產(chǎn)的KXFZ-A型斜井跑車保護裝置主機作為礦車檢測、計數(shù)統(tǒng)計等用。傳感器安裝時A、B、C都是兩個，軌道內(nèi)兩邊各安裝一臺，只有兩個礦車輪同時接觸到傳感器時方可起作用，減少人為干擾，保證信號的可靠傳輸。（3） 跑車吸能器關(guān)鍵技術(shù)研究煤礦傾斜井巷（斜井、斜巷、斜坡）提升運輸作業(yè)是煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。其中最大的威脅是斜井跑車（車輛失去控制下沖）造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失。為避免此類事故的發(fā)生，在斜井區(qū)域適當安設(shè)和正確操縱控制各類車輛攔阻裝置是最直接、針對性最強的有效措施之一。人們創(chuàng)造出許多車輛攔阻裝置，起名為“阻車器”、“擋車器”、“擋車欄”、“擋車

32、裝置”、“捕車器”等，統(tǒng)稱為“防跑車和跑車防護裝置”。一般來說，“防跑車裝置”是指不讓它跑車，預(yù)防、防止發(fā)生跑車，而“跑車防護裝置”指把跑車阻截、捕獲的裝置或設(shè)施。按照裝置通常所處狀態(tài)、操縱控制方式、結(jié)構(gòu)、使用方法等的不同，其形式分為“常閉式”（裝置通常處于關(guān)閉狀態(tài)，只有當車輛正常通過時才打開，通過后恢復關(guān)閉）、“常開式”（裝置通常處于打開狀態(tài)，只有發(fā)生跑車時才關(guān)閉）、就地式、遙控式、手動式、自動式、機械式、電動式、氣動式、液動式等。這些裝置有的很不起眼，但正常發(fā)揮其作用對規(guī)范車輛行止狀態(tài)，避免跑車事故的發(fā)生意義重大。最常用的是常開式，主要有雷達式、電磁感應(yīng)-軌道傳感器式、光電式、擺桿式等。所

33、謂“雷達式”，即使用雷達測速傳感。在巷道上方雷達探頭時刻監(jiān)測運動物體的速度，一旦發(fā)現(xiàn)車輛過速即判斷其為跑車，發(fā)出事故信號，控制器中的電磁牽引機構(gòu)脫扣，使常開的擋欄迅速關(guān)閉攔截跑車。這種裝置能有效捕捉各種原因造成的跑車，包括跑地滾等。電磁感應(yīng)軌道傳感器式是將一種稱為“軌道傳感器”的電磁感應(yīng)元件安設(shè)于軌面以下，當車輛輪踏面軋過后，根據(jù)其感應(yīng)產(chǎn)生的脈沖信號分析車速大小，車速過大即判斷為跑車，發(fā)出跑車信號，執(zhí)行機構(gòu)動作使擋欄關(guān)閉。這種裝置能攔截各種順道跑車，但攔截不了脫軌跑車。光電式是使用一種含紅外光敏元件的“光電傳感器”，將其安裝在巷道壁，當車輛通過時遮擋紅外光線，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，發(fā)出與車速對應(yīng)的電信號

34、，據(jù)此判斷車速大小。若車速過大即令車擋關(guān)閉。擺桿式也是利用測速傳感。它是在礦車通過時車框碰撞安設(shè)于恰當位置的活動擺桿，以碰撞力的大小確定車擋是否關(guān)閉。跑車時車速高、碰撞力大，擺桿擺動幅度大，致使機構(gòu)脫扣車擋落下。這種裝置純機械式，簡單實用，能夠?qū)Ω俄樀蓝ㄏ蚺苘?，但通用性差。對多種車輛（礦車、材料車、平板車等）混用的斜井，擺桿安設(shè)位置不好選定。而針對北宿煤礦的實際情況，在纜車網(wǎng)10m上方安裝有跑車攔截吸能器，當發(fā)生跑車時鋼絲繩卡住礦車，礦車拖動繩輪旋轉(zhuǎn)，繩輪帶動齒輪泵，齒輪泵給液壓缸加壓，齒輪泵旋轉(zhuǎn)越快液壓缸壓力越大，迫使礦車停止。吸能器安裝示意圖見圖8。圖8 欄車鋼絲繩示意圖4.2.3 2#防

35、跑車裝置設(shè)計與安裝2#防跑車裝置因安裝在巷道中間，信號工觀察困難，所以在2#防跑車裝置前安裝有擋車梁開啟預(yù)警系統(tǒng)，當?shù)V車以正常行進距離擋車欄10m時，擋車梁還未啟動預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出報警信號，告知絞車司機減速停車，2#防跑車裝置安裝示意圖見圖9。圖9 2#防跑車裝置安裝示意圖4.2.4 語音報警的技術(shù)研究副暗斜井在上彎道口、下彎道及各分巷道之間都安裝有公司生產(chǎn)的KXB127礦用語音燈光信號裝置，本產(chǎn)品適用于煤礦井下有瓦斯煤塵爆炸危險的軌道斜巷及上下車場等地，當發(fā)出開車電鈴信號時（打點2次或24次），控制電路控制語音電路工作發(fā)出“正在行車，不準行人”的語音警告同時紅色發(fā)光管閃亮，若打一長點，則聲光電路

36、停止工作，轉(zhuǎn)換為綠燈亮。4.3 礦車運行狀態(tài)及跑車捕捉過程的仿真研究4.3.1 礦車運行狀態(tài)動態(tài)模擬以兩自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)為礦車力學模型，以伯努利歐拉梁為軌道力學模型，以MATLAB的組件Simulink為仿真工具，對礦車運行過程中豎直方向的振動過程進行動態(tài)模擬，從而分析礦車運行過程中車體、車輪受力及振幅隨礦車運行速度及道床剛度變化的規(guī)律。礦車在軌道上運行過程中與軌道及道床組成一個系統(tǒng)，軌道的動態(tài)特性是影響礦車振動特性的因素，對軌道的振動過程進行動態(tài)模擬。根據(jù)實際工況，建立的礦車軌道力學模型如圖10所示。圖10 車輪軌道力學模型圖礦車廣泛應(yīng)用于礦井軌道運輸，礦車的車體由連接彈簧與車軸相接，忽略

37、車軸的變形。以1/4車體為對象建立礦車力學模型，由圖10可見，力學模型中車體及車輪等效為質(zhì)量為m、m1的剛體，連接彈簧由剛度系數(shù)為k1的彈簧及阻尼系數(shù)為r1的阻尼器組成，礦車在軌道上運行過程中車體在豎直方向的位移為x，車輪在豎直方向的位移為x1，以車體及車輪的靜平衡位置為原點，向上為正方向。礦車在軌道上運行過程中，軌道將在車輪作用力的平面內(nèi)作橫向振動，而且軌道各面的中心主慣性軸也在此平面內(nèi)，忽略軌道的剪切變形及截面繞中性軸的轉(zhuǎn)動，軌道以等效為連續(xù)彈性基礎(chǔ)上的伯努利歐拉梁，連續(xù)彈性基礎(chǔ)的等效剛度為k。上述過程軌道各截面的中心主慣性軸在同一平面內(nèi)。礦車在軌道上運行過程中，軌道受到車輪的作用力，道床

38、對軌道的彈力，根據(jù)式建立軌道受力數(shù)學模型。車輪對軌道的作用力為集中力，利用函數(shù)將車輪對軌道的作用力轉(zhuǎn)化為均布力，此力滿足式中 車輪對軌道的作用力，N；軌道的長度，m；礦車的速度，m/s。礦車在軌道上運行的過程中，連接彈簧對車體的作用力為彈力、阻尼力，車體振動微分方程為式中 1/4礦車車體質(zhì)量，kg；連接彈簧剛度系數(shù)，N/m；連接彈簧阻尼系數(shù)，N·s/m；車體位移，m；車輪位移，m。4.3.2 礦車與吸能器聯(lián)動的柔性車擋碰撞過程仿真析圖11 原理圖1軌道 2礦車 3枕木 4車擋 5鋼絲繩 6吸能器圖12 力學模型圖由圖11可見，跑車2以速度與柔性車擋4碰撞，當鋼絲繩的拉力大于吸能器6的

39、制動力，鋼絲繩5的長度增大，從而減小礦車對柔性車擋的碰撞力。以圖11所示的動力學系統(tǒng)為原形建立的礦車與跑車防護裝置組成的力學模型如圖12所示。由圖12可見，礦車等效為一質(zhì)量為m的剛體，鋼絲繩由變剛度系數(shù)彈簧及變質(zhì)量剛體組成。礦車與柔性車擋碰撞，力學模型中等效彈簧的剛度系數(shù)及等效剛體的質(zhì)量隨鋼絲繩長度變化。根據(jù)實際工況，若礦車的位移大于鋼絲繩的長度，礦車受到鋼絲繩的拉力，若礦車的位移小于鋼絲繩的長度，鋼絲繩對礦車無彈力，所以力學模型中等效彈簧為無質(zhì)量一向彈簧。礦車的受力為碰撞過程中鋼絲繩對礦車的拉力為，重力的分力及摩擦力f，剛絲繩受到的力為-及吸能器的制動力。5 預(yù)期獲得的成果及其推廣應(yīng)用價值北

40、宿煤礦副暗斜井斜巷內(nèi)安全設(shè)施實現(xiàn)了全自動控制，可大幅度減輕了工人的勞動強度，改善了現(xiàn)場的安全環(huán)境，為斜巷安全運輸提供了保障。實現(xiàn)斜巷內(nèi)電動、氣動擋車欄、氣動臥閥、氣動阻車器等常閉阻車，實現(xiàn)安全設(shè)施相互連鎖自鎖及自動控制和手動控制并用，實現(xiàn)雷達監(jiān)控同電動檔欄連鎖人工緊急手控，可有效的杜絕跑車事故的發(fā)生，可靠的保護下把鉤人員的安全和巷道內(nèi)設(shè)施不受損壞。該系統(tǒng)中的手動電控、手動氣控、自動電控、自動監(jiān)控、全過程監(jiān)控等先進的工作方式和完善的保護功能、自連鎖功能、自動控制長時檢測功能、氣動阻車器、氣動臥閘、氣動擋車攔全部常閉的功能在斜巷運輸跑車和跑車防護裝置方面達到國內(nèi)先進水平。6 對安全、環(huán)境、健康的影響性分析北宿煤礦副暗斜井是井下矸石和各種物料運輸?shù)谋亟?jīng)之道，是唯一連接220水平、-290水平的運輸巷道，巷道長度350m，巷道坡度12度，坡度較大，年運輸量達百萬噸。同時是安