控风决策支持系统中控风设施设计研究

张俊辉，孙勤盛，王 凯，郝晋伟，毕俊刚

(1.西山煤电集团 西铭矿，山西 太原 030053； 2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；3.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013)



控风决策支持系统中控风设施设计研究

张俊辉1，孙勤盛1，王 凯2，郝晋伟3，毕俊刚1

(1.西山煤电集团 西铭矿，山西 太原 030053； 2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；3.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

为了有效控制井下灾变时期事故范围扩大化，设计了一种既能作为普通矿用风门满足日常行人过车需求又能以执行机构用于控风决策支持系统的控风设施，分别对控风设施进行了机械设计和监控分站软硬件设计。此种救灾风门在正常生产时期作为压力平衡风门较普通平衡风门有易于实现自动控制以及开启关闭平稳等优点，并且实现机械闭锁功能，而在灾变时期又能实现远程控制实现应急救援，有极强的现场应用价值。

风流控制；决策支持系统；控风设施；风压平衡风门

一通三防是矿井事故发生的主导因素，而矿井通风系统是矿井生产系统的重要组成部分之一，更是保证整个矿井实现安全生产的基础[1]. 瓦斯爆炸、煤尘爆炸以及电缆火灾、皮带火灾等事故的发生都会产生大量有毒有害气体。电缆火灾、皮带火灾事故往往在初期没有得到及时控制造成火势逐渐变大，火灾产生火风压的作用造成整个矿井通风系统瘫痪，表现为风流紊乱，使事故蔓延扩大造成大量人员伤亡。灾变时期通风调度就要进行科学的决策[2].科学决策的关键在于合理地运用通风手段，防止事故产生的有毒有害气体蔓延及火风压对通风系统造成危害[3].1 控风决策支持系统风流控制方法

重大火灾事故易导致的通风系统瘫痪的基本形式有烟流逆退和风流逆转两种类型。灾变时期控制风流的基本措施有风量控制、风压调节控制、风流流动方向控制。风流流动方向控制包括全矿反风法、局部区域反风法以及风流短路法。

控制风流基本措施中的风流短路法和局部区域反风法，都需要预先在巷道布置常闭风门组和常开风门组来达到控风的目的。由于常闭风门组在此特定情况下需要解除闭锁将两道风门同时打开，因此对常闭风门组控风设施进行了机械结构设计。

2 控风设施机械结构设计

现有压力平衡风门实现异向同步开闭的装置稳定性差、风门关闭过快、易伤过往行人和损坏风门，且在控风决策支持系统中需要两道风门同时开启时不能解除机械闭锁而开启。鉴于以上普通风门的不足及不能满足在特定情况控制风流的要求，设计研究了一种既能作为普通通风设施自动开启又能应用于控风决策支持系统中远程控制两道门同时开启的救灾压力平衡风门。

2.1 救灾压力平衡风门主体设计

救灾压力平衡风门主要由传动机构、门框、闭锁箱、闭锁三角块、恢复闭锁限位弹簧、重锤组成。救灾压力平衡风门主视图见图1.

1—传动机构 2—门框 3—闭锁箱 4—闭锁三角块 5—恢复闭锁限位弹簧 6—重锤图1 救灾压力平衡风门主视图

救灾压力平衡风门实现两个门扇异向同步开启的核心机构是风门联动装置，联动装置中的传动轮与门扇上部的门轴相嵌入，从而将作用在风门上的风压通过传动机构转化为一种内力并得到平衡，保证了风门打开时省力、方便灵活[4]. 在矿井正常生产时期，远程控风设施的常闭风门组作为保证矿井通风系统安全的通风设施，处于自动风门工作模式时，其可以满足矿井正常时期行人过车的需要。机械闭锁装置能够在特定救援模式下将闭锁三角块推出，实现解除闭锁达到风流控制功能。

2.2 联动装置设计

普通压力平衡风门实现异向同步开启的机构主要由传动杆CD实现，而此种风门在灾变时期不易于实现远程自动控制，并且在重锤牵引下关门瞬间无缓冲作用会产生较大的关门速度，容易损坏风门以及伤到过往行人及车辆，见图2.

图2 普通风压平衡风门传动杆示意图

设计的新型救灾压力平衡风门的联动装置固定于门框位于门体上方，包括传动轮、链条、传动杆、门轴、动力气缸、动力气缸缸杆连接件、门开到位挡板、缓冲气缸、缓冲气缸缸杆连接件。平衡风门传动机构设计见图3.

8—传动轮 9—链条 10—传动杆 11—门轴 12—动力气缸 13—缸杆连接件 14—门开到位挡板 15—缓冲气缸 16—缸杆连接件图3 新型风压平衡风门传动机构设计图

2.3 闭锁装置设计

设计了无压平衡风门的机械闭锁装置，机械闭锁装置包括：闭锁块、恢复闭锁限位弹簧、重锤和闭锁失效动作气缸等。闭锁装置主视图和俯视图见图4.

3—闭锁箱 4—闭锁三角块 5—恢复闭锁限位弹簧 6—重锤 7—闭锁失效动作气缸图4 闭锁装置主视图和俯视图

3 控风设施监控分站硬件软件设计

监控分站的硬件软件设计实现了作为普通风压平衡风门在正常时期保证通风系统稳定的自动风门功能，且其在决策支持系统中作为控风设施的控制功能。远程控风设施结合矿井通风系统的实际情况，通常以常开风门或常闭风门组的形式预先设置在某些特定巷道中，在特定情况实现了风流短路、区域反风等控制风流的措施，从而防止火风压造成的风流紊乱和火灾产生的有毒有害气体蔓延导致事故扩大化。作为系统的执行机构在启动救援系统后常开风门根据系统命令执行关闭动作，切断巷道风流；常闭风门组需要两道风门全部打开时，控制系统下达命令将远程控风设施的机械闭锁解除，随后同时开启两道风门，使巷道风流导通。

3.1 监控分站硬件设计

监控分站是控风决策支持系统的核心组成部分，根据救灾风门监控分站的性能要求和S7-200-CPU224的性能特点，设计了监控分站主机。主要有隔爆箱体、可编程控制器、模拟量输入模块EM231、数字光端机、隔离安全栅、开关电源、充电器、铅酸蓄电池、变压器、固态继电器、电源切换电路、蓄电池过放保护电路、开盖断电装置等主要零部件组成[5].监控分站内部结构电气原理图见图5. 监测行人和车辆信号选用常州宇达安防科技有限公司生产的FHF5矿用本质安全对射型红外传感器，包括一个红外发送器和一个红外接收器。

图5 监控分站内部结构的电气原理图

3.2 监控分站软件设计

监控分站PLC程序设计采用模块化和线性化结构相结合，用顺序控制法实现远程控风设施分站软件编程。在编程过程中应用程序组织单元有效的配置了系统资源，优化了编程思路。主程序流程图见图6.

顺序控制设计法是组织线性化程序结构的一种有力工具，采用顺序控制设计法编写监控分站的主程序，主程序顺序功能图见图7.

图6 监控分站主程序流程图

图7 主程序顺序功能图

M0.0位寄存器记录状态初始化子程序工作状态。自动风门工作模式M1.0、M1.1、M1.2、M1.3寄存两道风门向里向外走4个工作状态，主程序对4道红外传感器输入信号进行检测判断进入自动风门工作模式相应的4个子程序，相应子程序执行完成整个开关门动作。

4 结 论

1) 本文分析了普通平衡风门设计不足且不能满足决策支持系统控制要求，提出了设计新型风压平衡风门。

2) 确定了新型控风设施的设计方案，设计了一种具有较高可靠性的救灾门，并逐步对救灾门的联动装置、机械闭锁装置进行了设计生产。

3) 控风设施在控风决策支持系统中是控制风流的执行机构，设计了可靠的监控分站并对其实现自动控制，使能够在正常时期处于自动风门工作模式满足行人车辆的通过要求，灾变时期解除机械闭锁达到风流控制功能。

[1]张国枢，谭允祯. 通风安全学[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2007：23.

[2]金 晶. 基于SVM的煤矿瓦斯抽采系统火灾隐患判识研究[D]. 安徽理工大学，2014.

[3]常大怒. 试论矿井安全救援与通风[J]. 科学之友，2011(3)：4-6.

[4]吴景民，刘红星，夏 彬. 新型手动无压风门在新集二矿的应用[J]. 矿业安全与环保，2002(3)：54-56.

[5]王 凯. 煤矿热动力灾害控制机理及远程应急救援系统研究[D]. 中国矿业大学，2012.

Research on Design of Air Control Facilities in Airflow Control Decision Support System

ZHANG Junhui, SUN Qinsheng, WANG Kai, HAO Jinwei, BI Jungang

To effectively control the expansion of the accident in underground, a control system is designed, which can meet the requirements of worker’s daily going through, of tramcar’s passing through, also can be used for the air control facilities. It consists of mechanical system design and monitoring system design in sub-station involving hardware and software. The air door dedicated in urgent relief, it acts the function of air balance in normal time with the advantages of easy to be automatically open and closed in a stable way, meanwhile achieve the mechanical locking function. And in emergency it plays the role of remote control for quick rescue, has strong field application value.

Air current control; Decision support system; Air control facilities; Air door for pressure balance

2017-01-15

张俊辉(1984—)，男，山西太原人，2015年毕业于太原理工大学，助理工程师，主要从事煤矿管理工作

(E-mail)anchorsqs@qq.com

TD724

B

1672-0652(2017)03-0038-03