井下通风机供电系统设计.pdf

2020 年第 6 期2020 年 6 月 对于井下生产来说，各作业面瓦斯超限问题长期 以来都是影响生产安全的主要因素之一，而为有效确 保瓦斯浓度达标，就需要确保井下通风机持续不间断 运行，以及时置换井下内外空气，实现对瓦斯的及时 排出，从而为作业人员创造安全的作业环境[1]。鉴于 此，为确保井下通风机供电系统运行的安全、持续和可 靠，常用的供电方式为双电源供电方式，以便在一路电 源发生故障后，能够立即切换至另一路电源，从而确保 通风机运行的不中断。本次研究主要聚焦于井下通风机 供电系统启动切换装置，以保证井下电压自动切换的有 效性，为矿井综合效益的有效获得提供坚实保障。 1井下通风机供电系统 图 1 所示即为煤矿井下通风机供电系统结构示意 图。井下通风机供电系统主要构成部分包括负载部分、 交流供电部分和备用电源部分三大部分。其中，负载 部分为矿井通风机；交流供电部分主要包括各类切换 开关和两条供电线路；备用电源部分构成组件以蓄电 池和相关管理电路为主，常见的管理电路包括触摸屏 电路、监测电路、充放电管理电路等[2]。在正常作业过 程中，当蓄电池容量小于额定容量的 20后，供电系 统便会自行进行蓄电池充电作业。此外，为确保电源 供电的持续有效，必须定期切换至蓄电池组进行供电， 从而确保其有效性。 2自动切换装置设计 2.1硬件组成 为确保煤矿井下作业的安全性，其通风机必须使 用双电源供电，一旦作业电路出现故障，若采用手动切 换装置更换电源，将大幅增加通风机断电时长，从而导 致瓦斯积聚量增大，对井下作业人员安全构成严重威 胁。因此需要配设能够快速切换的启动切换装置，图 2 即为自动切换装置硬件构成示意图。该装置以 STM32 型单片机为核心，并采用 RS-485 通信方式实现远程监 控平台与控制器之间的互连，并在单片机与外部开关量 之间布设光电耦合隔离装置，以避免外界信号对单片机 运行造成干扰。 图 1煤矿井下通风机供电系统结构示意图 图 2自动切换装置硬件构成示意图 2.2接线方式 通风机供电系统自动切换装置接线图如图 3 所示。 收稿日期2020-04-17 作者简介彭飞，1984年生，男，山西忻州人，2014年毕业于太 原理工大学采矿工程专业，助理工程师。 井下通风机供电系统设计 彭飞 （ 山西焦煤集团有限责任公司西山煤电杜儿坪煤矿，山西 太原 030022 ） 摘要 以井下通风机供电系统设计为对象开展探究。在分析井下通风机供电系统设计的基础上，对双电源自动切换装置 设计进行了总结，并对备用电源监测电路设计进行了全面剖析，希望能够为井下通风机供电系统的更有效运转提供帮助。 关键词 矿井；通风机；供电系统；切换装置 中图分类号 TD635文献标识码 A文章编号 2095-0802-202006-0134-02 Design of Power Supply System for Underground Ventilator PENG Fei Duerping Coal Mine of Xishan Coal Electricity Group Co., Ltd., Shanxi Coking Coal Group Co., Ltd., Taiyuan 030022, Shanxi, China Abstract This paper discussed the design of power supply system of underground ventilator. Based on the analysis of the design of the power supply system of the underground ventilator, it summarized the design of the automatic switching device of the dual power supply, and made a comprehensive analysis of the monitoring circuit design of the standby power supply, hoping to provide help for the more effective operation of the power supply system of the underground ventilator. Key words mine; ventilator; power supply system; switching device （总第 177 期） 技术研究 整流 电路 逆变 电路 蓄电池组 矿井通风机 电源快速 切换装置 母联I 母联II 交流电源 短 路 保 护 电 路 电 流 监 测 电 路 温 度 监 测 电 路 备用电源 远程监控 平台 出口 继电器 外部 开关量 A/D转换光电耦合STM32 RS-485 电压 互感器 134 2020 年第 6 期2020 年 6 月 作业时，切换开关的信号主要取自支路 1 和支路 2 中 的电流、电压等信号，通过对这些电气信号的分析和 判断，确定是否执行开关切换动作。 图 3通风机供电系统自动切换装置接线示意图 通常而言，当矿井供电系统有效运转时，系统中 自动切换开关 CB1 和 CB2 会保持关闭，而自动切换开 关 CB3 则保持开启，此时两条线路单独进行供电作业。 而当供电系统出现故障后，则 CB1 或 CB2 从闭合状态 改为断开状态，CB3 更换为闭合状态，并发出声音预 警，提醒相关人员立即处置。与此同时，上级电路会暂 时向下级电路供电，从而维持供电系统的有效运转[3]。 2.3启动方式 通常来说，供电系统的运行大体包括 3 种状态， 分别是正常运行、非正常运行和故障。其中，正常运 行时，系统中的自动切换装置不运行；非正常运行时， 根据异常情况的差异，自动切换装置会自行选择失压 启动或偷跳启动；而在故障状态下，供电系统则会依 照保护接电设计自行进行相关操作。 切换作业时，STM32 单片机首先会向支路继电装 置发出动作信号，这时 CB1 和 CB2 两个自动切换开关 会有一个断开，紧接着系统对电路开关状态进行综合 判定，符合切换条件时，CB3 自动切换开关才会闭合[4]。 3备用电源监测电路设计 3.1电流监测电路设计 为确保供电系统运行的有效性，需对备用电池的 充放电电流进行持续监测。监测电路控制核心采用型 号为 MAX472 的芯片，该芯片属于高精度集成电路芯 片，能够在正常温度区间实现高精度电流监测，监测 误差不超过 2，同时其具备电流双向监测功能，可以 实现对电池充电和放电两个过程的有效监测。 图 4 为电流监测电路硬件构成示意图。其中， RG1、RG2 为增益电阻，Rsense 为监测电阻，SIGN 为 引脚，Vcc 为接入电路的电压，SHDN 为关断控制信 号，OUT 为输出，NC 为空脚，GND 为地线，ROUT 为 右输出。该电路能够依据系统电平实现对电流方向的 判定。 图 4电流监测电路硬件构成示意图 3.2温度监测电路设计 当电池进行供电作业时，一旦发生短路或出现电 流过大的情况，极大可能导致电池温度升高。此时， 一旦无法有效处置，便会引起严重后果。鉴于此，需要 在蓄电池外侧布设温度监测电路，以便随时监测蓄电 池温度，避免出现充放电流过大的现象。 在温度监测电路中采用型号为 DS18B20 的芯片作 为控制核心，采用单总线接口的方式，实现控制芯片 与微处理装置间的双向通信。该监测电路不仅结构简 单，而且抗干扰性强，具备较高的测量精准度，是保 障供电系统运行稳定性的有效设备。 3.3电池保护电路设计 电池保护电路以 S8261 型芯片为控制核心，其具备 功耗极低的特征，在休眠状态下仅需 0.1 滋A 的电流即 可维持待机状态。整个保护电路具备完整的电压监测 功能，内设有 3 段过电流监测电路，具备 6 种不同的作 业状态，分别为常规状态、过电流状态、过充电状态、 过放电状态、充电电流异常监测状态和延时作业状态。 其中，在放电作业时，若电池电压低于放电监测电压 且维持时间超过规定延迟时间，则系统会立即停止放 电，以确保电路安全[5-6]。 4结语 井下通风机作为矿井生产安全开展的重要保障， 对其供电系统进行深入的研究，对于提升矿井作业综 合效益意义重大。从交流供电和备用电源两个方向着 手，针对井下通风机供电系统开展分析探究。在交流 供电方面，设计相应的双电源自动切换装置，实现通 风机供电线路故障时的自动切换；在备用电源方面， 从电池电流监测、温度监测和电池保护电路多方面开 展综合分析，使得电池使用效率得到显著提升。 参考文献 ［1］ 乔峰.煤矿局部通风机供电系统改进 ［J］ .山东工业技术， 20192 80. ［2］ 高洋.某矿供电系统运行方式优化 ［J］ .中国矿山工程， 2019， 481 35-37. ［3］ 郭庆力.长平公司井下四盘区供电系统运行方式研究 ［J］ .自 动化应用， 20192 139-140. 电源快速 切换开关 CB3 CB1CB2 支 路 1 支 路 2 （下转 137 页） 彭飞 井下通风机供电系统设计 135 2020 年第 6 期2020 年 6 月 （上接 135 页） ［4］ 刘腾.井下局部通风机供电系统改造优化 ［J］ .内蒙古煤炭经 济， 201913 48. ［5］ 崔治国.矿井局部通风机供电系统改进研究 ［J］ .机电工程技 术， 2019， 489 252-253. ［6］ 黄友鹤.高瓦斯矿井局部通风机智能控制系统研究 ［D］ .徐州 中国矿业大学， 2019. （ 责任编辑刘晓芳 ） 该液压支架降尘装置中液压缸 1、液压缸 2、喷雾 降尘控制装置、控制喷雾装置接煤槽运动的机构均与 液压支架后侧支柱的液压控制机构相连通。液压支架 在降柱或者移架时，首先接煤槽运动控制机构控制接 煤槽伸出，然后喷雾降尘装置开始向液压支架之间的 缝隙处喷雾，使上侧松散的煤粒润湿，最终沉降到接 煤槽内。接煤槽的伸出位置和行程通过液压缸的行程 进行控制，当落入接煤槽内的煤泥质量超过拉伸弹簧 的最大承受拉力时，接煤槽将偏转，向下侧倾斜，接 煤槽内的煤泥将滑落到溜槽内，弹簧的拉力降低后自 动回到接煤位置。当液压支架完成降架、移位后，喷 雾装置自动停止运行，接煤槽回归到最初位置，完成 移架降尘任务。 2液压支架降柱和移架喷雾降尘作业流程 液压支架在降柱和移架作业时，喷雾降尘装置的 工作状态如图 2 所示，其中，“90”表示支架的除尘口 宽度为 90 mm。接煤槽向两侧伸出，位于液压支架的 下侧，位于液压支架上侧的煤炭将会逐渐向下落入到 接煤槽内。在降柱移架的过程中，喷雾控制装置接口 打开，接煤槽上的喷嘴向支架上方的煤层内喷雾，使 煤炭颗粒充分润湿后再落煤。煤炭逐渐在接煤槽内积 聚，直到其质量大于拉伸弹簧的拉伸力时，产生一个 向下的偏转力矩[4]，使接煤槽向着溜槽的一侧倾斜，煤 泥滑入溜槽内，接煤槽复位[5]。在整个移架过程中，接 煤槽不断地进行接煤、放煤作业，反复交替，喷雾降 尘装置的喷口不停地对支架上方的煤粒进行润湿，使 其在落下时无法形成粉尘分散，进而有效地控制了移 架过程中粉尘的产生。 单位mm 1.支架；2.油缸1；3.油缸2。 图 2液压支架降柱和移架时喷雾降尘装置的工作状态示意图 3降尘装置的喷雾降尘效果 为了验证喷雾降尘装置的降尘效果，本文以 A 矿 井下综采作业面的液压支架为验证对象，对液压支架 进行改造，加装降移架降尘装置，对降尘前后的除尘 率进行统计，统计结果如表 1 所示。 由实际统计分析结果可知，采用液压支架降移架 喷雾降尘装置后，液压支架在移架过程中的降尘率达 到了 97.9以上，显著地降低了移架过程中的粉尘质量 浓度，对改善煤矿井下综采作业环境，提升综采作业 效率和安全性具有十分重要的作用。 表 1喷雾降尘装置降尘效果汇总表 4结语 针对煤矿井下液压支架移架过程中粉尘质量浓度 大，给综采作业安全和人员健康带来较大影响的现状， 提出了一种新的液压支架降移架降尘装置，将液压支 架立柱的液压管路与降尘装置的控制阀相连通，当液 压支架进行降柱作业时，控制喷雾装置进行喷雾降尘 作业，同时支架上的接煤槽自动伸出对支架间隙处的 落煤进行搜集，在喷雾降尘作用下粉尘颗粒被润湿， 降落到接煤槽内，然后接煤槽在弹簧控制机构的作用 下实现自动卸煤。分析表明，该装置具有以下优点 a 结构简单、体积小，安装、拆卸方便，控制机构与 液压支架的移架控制机构相连接，在液压支架移架过 程中能够自动地进行喷雾降尘作业；b 接煤槽采用自 动偏转结构，能够确保煤泥进入到溜槽内，保证煤泥 的有效利用；c 该液压支架的降移架喷雾降尘效率达 到了 97.9以上，显著地降低了移架过程中的粉尘质量 浓度，对改善煤矿井下综采作业环境，提升综采作业 效率和安全性具有十分重要的作用。 参考文献 ［1］ 朱云霞， 菅从光， 袁兴.矿井提升机恒减速制动控制系统的研 究 ［J］ .煤矿机械， 2007， 282 121-123. ［2］ 张杰.大倾角综采工作面液压支架的优化设计 ［J］ .机械管理 开发， 2019， 344 34-36. ［3］ 王兆喜， 江兆利， 周长超， 等.煤矿粉尘在线监测及智能喷雾降 尘技术 ［J］ .煤矿安全， 20087 35-38. ［4］ 陈贵， 王德明， 王和堂， 等.大断面全岩巷综掘工作面泡沫降尘 技术 ［J］ .煤炭学报， 2012， 3711 1859-1864. ［5］ 李志勇.不同工况下的矿用液压支架结构性能研究 ［J］ .机械 管理开发， 2018， 3311 106-108. （ 责任编辑刘晓芳 ） 优化前粉尘质量浓度/ mg m-3 优化后粉尘质量浓度/ mg m-3 喷雾降尘率/ 9011398.6 9521598.4 1 0851998.2 1 2741598.8 7941298.4 6811497.9 792998.9 9961198.9 111 3 2 和液压支架升柱接口连通 （有液） 和液压支架降柱接口连通 （无液） 9090 郝锦龙 液压支架降移架降尘装置的设计 137