神东煤炭集团公司布尔台煤矿 内蒙古鄂尔多斯 017209
摘要：随着现代化煤矿不断朝着大规模的方向发展，采煤工作面更加分散，距离越来越长，对安全监控系统数据远距离传输提出了更高的要求。针对布尔台煤矿掘进工作面在掘进过程中，工作面传感器到安全监控分站之间的数据传输距离在1500米-2500米左右；辅助运输顺槽的距离在4500米-5500米左右，通过具体分析传感器的功率、工作电压、工作电流、线路损耗等技术参数，平衡电流、电压、传感器数量、传输距离、经济成本等多种条件同时满足实际应用，并且确保安全监控系统正常运行，传感器数据平稳、真实准确的传输到中心站。通过计算、测试、实际应用对布尔台煤矿安全监控系统做出的优化设计。
关健词：安全监控系统；远距离传输；电流；电压
布尔台煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗，井田面积192.63km2，地质储量33.03亿吨，可采储量20.13亿吨，矿井设计生产能力20Mt/a，服务年限71.8a[8]。矿井可采煤层10层，现主采煤层为22煤与42煤，22煤平均厚度3.05m，平均埋深300m；42煤平均厚度5.9m，平均埋深377m[9]。现开采的22、42煤层自燃倾向性属于I类易自燃[10]，煤尘均有爆炸性[11]。矿井采用斜井、平硐、立井综合开拓方式，分区抽出式通风。
1布尔台煤矿安全监控系统介绍
神东布尔台煤矿现使用KJ95X煤矿安全监控系统，采用工业以太环网+现场总线架构，系统由监控系统主备机、多系统融合服务器、交换机、监控分站、传感器、执行器、电源等组成。如图1
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图1 KJ95X煤矿安全监控系统图
Figure 1 kj95x coal mine safety monitoring system diagram
2 布尔台煤矿安全监控系统现状及存在的问题
2.1 掘进工作面
布尔台煤矿掘进工作面通常情况下铺设2根矿用聚氯乙烯绝缘通信电缆，型号MHYVP\1×4×7/0.52mm。一根连接回风流一氧化碳传感器和瓦斯传感器，另一根连接工作面瓦斯、一氧化碳、温度、粉尘、风筒，以及皮带机尾的一氧化碳、烟雾共计7台传感器。为了使传输距离达到最远，选择使用24V电源模块为工作面的7台传感器供电。在使用过程中出现粉尘传感器间歇性重启，并导致同一条线路上的传感器全部断线的故障。如图2
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图2 掘进工作面安全监控示意图
Fig.2 Schematic diagram of safety monitoring system for driving face
2.2 辅运顺槽移变硐室
22209、42109、42205辅运顺槽距离长，最远的移变硐室从顺槽口计算达到4300米左右，每1000米设置1个移变硐室，而且到切眼的距离更是超过5000米。由于线路过长，并且需要安设的传感器多，每个移变硐室不要设置4个传感器，切眼需要设置1个甲烷传感器，这么长的传输距离，需要设置这么多的传感器，在我国其他地区的矿井中难得一见。这种情况下使用1根矿用聚氯乙烯绝缘通信电缆（型号MHYVP\1×4×7/0.52mm），最多可正常连接1000米-3000米的三个移变硐室的12个传感器。最终只能在编制安全技术措施后，采用在顺槽中部的移变硐室（2000米移变硐室）增设一套安全监控分站及电源，这才变相的解决了3000米之后移变硐室和切眼设置的传感器的数据传输问题。
3 监控系统电源分析
煤矿井下使用的电气设备应符合防爆要求，安全监测监控设备大都采用本质安全型电气设备。本质安全型电气设备的防爆原理：首先本质安全型防爆电器是专供煤矿井下使用的防爆电器设备的分类之一。防爆电器设备分为隔爆型、增安型、本质安全型等，本质安全型电器设备的特征是其全部电路全部为本质安全电路，就是在正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物的电路。也就是说该类电器设备并不是靠外壳防爆和充填物实现防爆目的的，而是因其电路在正常使用或出现故障的时侯，瞬间产生的电火花或热效应的能量小于0.28mJ(B级防爆), 即瓦斯浓度为8.5%(最易爆炸的浓度)最小点燃能量[1]。由于上述原因，监控系统对电源有特殊的要求。（见表1）
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表1 KDW65A 矿用隔爆兼本安电源参数
Table 1 Parameters of kdw65a mine flameproof and intrinsically safe power supply
3.1 过流保护分析
按照布尔台矿掘进工作面安全监控设备的布置，掘进工作面一条线路上全部传感器的正常工作电流为：
2*90+2*40+50+80+100=490mA（见表2）
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表2 各类传感器工作电流
Table 2 working current of various sensors
但在考虑电源负载时，要注意该电源和负载设备两者的特性。对电源而言，不仅仅是输出电流的平均值不能超过过流保护动作值，还要求瞬时峰值电流也不能超过过流保护动作值。对于该电源所接各种负载(本安设备)而言，不能仅仅考虑它们的电源电流的平均值，还要考虑电源电流的峰值(许多本安设备在上电起动时的供电电流较大；还有一些设备，供电电流是脉动电流)[2]。当该电源接这类负载时，为了可靠，电流分配必须留有余量，否则瞬时电流超限就会引起过流保护动作，影响正常使用。
影响矿井传感器瞬时电流变化的原因主要是声光报警。当矿井甲烷、一氧化碳等气体或者传感器监测的其他物理量出现异常，超过设定的报警值时，传感器的声光报警开始工作。这时传感器的功耗增大，电流是正常工作状态下的1.5-2倍左右（不同类型传感器增加的值不同）。当工作电流数值在正常情况下接近过流保护电流值时，同一条线路上的传感器只要其中的一台报警，就会触发过流保护，导致传感器闪断故障。
瞬时电功率的计算公式[3]，瞬时电压和瞬时电流为u(t)、i(t)，瞬时功率为p(t)，下式无条件成立：
p(t)=u(t)i(t)
综合上表及计算公式，电源模块输出电压越大，过流保护动作值越小。最终得出结论：安全监控电源箱的24V电源模块适合给长距离供电，但因过流保护的影响，所接传感器的数量相对较少。和18V模块相比，在1000米的范围内同时给7个传感器供电，当回路中的电流大于过流保护值的时候，24V电源模块供电会出现过流保护动作，这条线路上的所有路传感器频繁出现断线故障。
3.2 电压分析
除了过流保护外，传感器的工作电压也是限制长距离传输的一个重要因素[4]。矿井安全监控系统通常使用的是MHYVP型电缆：俗称双芯电缆(双绞线)，是煤矿用聚乙烯绝缘编织屏蔽聚氯乙烯护套通信电缆，其等效图见图3，
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双芯电缆 (双绞线 )等效图3
单芯截面积不小于1.5，电缆分布电容小于等于60nF／km，电缆分布电感小于等于0.8mH／km，电缆分布电阻小于等于 12.8 km；传输中电源压降主要在电阻上,每公里电阻25.6Ω(双芯 ),则5km的电阻为128Ω。因此需要提供给传感器的电压为：
Up=IR+W／I
式中：Up为需要供电的电压；I是假设的电流；R是线路实际电阻；W是传感器功耗[5]。
在煤矿井下安全监控数据长距离传输的过程中，线路压降是一个很重要的影响因素。
压降计算公式： △U=（P*L）/(A*S)
式中：du P为线路负荷L为线路长度，A为导体材质系数（铜大概为77，铝大概为46），S为电缆截面。
由于压降还受接线盒数量、接线工艺等其他因素的影响，在这里只根据布尔台煤矿实际使用情况进行分析。通常情况下布尔台煤矿掘进工作面使用一根通信电缆接7台传感器，在传感器到分站间的距离在1000米左右的时候电压降至16V左右，当传感器到分站间的距离超过1500米的时候，其平均工作电压将降到13V左右。由于工作面粉尘传感器由于内置两台电机功耗较大，当有电流波动时，粉尘传感器偶尔会出现重启现象。在线路超过2000米的时候，这种现象开始经常出现，并且会导致一条线路上的其他传感器同时闪断故障或者一直断线故障。
综合上述的计算公式及实际应用的结果，可以得出18V电源模块适合给距离相对较短，传感器相对较多的线路供电。
3.3 其他因素
在井下实际布置安全监控系统的过程中，线路接线盒的个数、接线工艺、线路老化等都是影响线路长距离传输的因素。所以我们还要根据现场实际情况和测量值来选择合适型号的电源。
4 传感器远距离传输安设方法
4.1 掘进工作面传感器安设
根据以上数据的分析总结，布尔台煤矿掘进工作面现在通常使用两路18V电源模块分别给工作面7台传感器和回风流两个传感器供电。正常情况下，不过多使用接线盒，接线标准，工作面的7台传感器可以达到1500米到2000米的距离基本能保证传感器的正常运行。需要注意在传输距离超过1000米以后对压降做好测量，如果安全监控系统可以监测到传感器的电压信息，则在系统上观察，在电压降到额电电压下限前及时倒移分站和电源。回风流这条线路一般只有两台传感器，不存在电压达不到额定电压的情况。
4.2 辅运顺槽移变硐室传感器安设
22209辅运顺槽移变硐室传感器的布置，在顺槽口安设安全监控分站和电源，使用3路24V电源模块分别给切眼瓦斯传感器，4000米移变硐室4个传感器传感器，3000米移变硐室4个传感器传感器供电，再使用1路18V电源模块给2000米移变硐室和1000米移变硐室的8个传感器供电。
5 结论
（1）针对不同的区域、巷道长度、设置要求等，煤矿安全监控的传感器安设前要仔细分析每一条线路的长短、所接传感器的个数，根据功率、电流、电压等参数来确定铺设缆线的数量，最后选择合适的电源模块供电。
（2）在符合本安型电气设备的要求下提高传输距离、增加同一线路的传感器数量。可以通过降低传感器工作电流的同时增加电源模块的输出电压，或者降低电路电阻来实现，如果能采用几种技术方法的有机结合，则可以更好的解决传输瓶颈。
参考文献:
[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中国国家标准化管理委员会.爆炸性环境GB 3836.1-2010 2011-08-01.
[2]冷云，诸葛赫林，韩晓，梁雨虹，王久峰，杨虹运．煤矿瓦斯监测仪器设备安装调试、使用维护和故障处理技术手册．吉林电子出版社，2005（5）:3-71．
[3]机械工业职业技能鉴定指导中心.初级电工技术.机械工业出版社．
[4]林志刚，刘蓉，蒋新民，张清华，邢飞，王刚清，李喜恩．煤矿监测监控综合技术手册．煤矿科技出版社，2011(5):3-73．
作者简介：吴磊（1986－），男，内蒙古鄂尔多斯人，助理工程师，现任神东煤炭集团布尔台煤矿通风队技术员，从事安全监控管理工作。
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图4：罐体倾斜变形示意图
（5）8个硫酸罐，倾斜最大的为3#罐，倾斜变形为0.0026，参考《建筑地基基础设计规范》表5.3.4规定，小于20m的高耸结构，倾斜变形允许值为0.008，硫酸罐倾斜变形小于允许值。
5. 质量说明
本项目外业扫描共23站，站站之间通过标靶球（同名公共点）进行配准，相邻测站标靶球不少于3个，配准误差平面Δs最大为6mm，高程Δh最大为9mm。符合相关规范要求。
用坐标数据拟合圆，用多于点进行拟合误差检验，经统计检核点偏离圆周情况如下：
表3：罐体拟合偏移量表(mm)
|
偏移量
罐号
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
|
顶部
|
2.3
|
3.9
|
2.1
|
0.9
|
1.8
|
2.4
|
1.3
|
3.0
|
|
底部
|
2.6
|
2.7
|
1.9
|
1.6
|
1.7
|
0.8
|
1.5
|
2.1
|
由表3可知，拟合误差最大为2#硫酸罐顶部拟合圆3.9mm，相对于罐直径17m，仅为1/4359，可以忽略不计。
6. 总结
激光扫描技术具有精度高、数字化、高效率、适用性广等特点，在本次硫酸罐变形监测中得到了成功应用，通过全方位、多角度的扫描测量，构建了硫酸罐真三维模型，真实可靠的反映了罐体的垂直度，为后续管理及安全预警提供了强有力的数据支撑，在未来的数字工程、智慧工厂等领域必将广泛应用。
作者简介：潘有发(1982)，男，甘肃人，昆明理工大学工学学士学位，注册测绘师，常年从事工程测量工作。