矿井用自动防水闸门监控系统的设计

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1、上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1矿井水害防治技术现状及发展矿井水害防治技术现状及发展 矿井防治水技术工作早在50年代就己引起人们的重视，但由于受历史条件的限制，整体 技术水平一直处于初期的探索阶段。后来虽经60-70年代的发展，仍然满足不了生产的需要， 扼制不住水害肆虐的势头。80年代初、中期以来，由于较大水害事故频繁发生，严酷的现实 使人们清醒地认识到，加强矿井防治水的研究力度并尽快拿出行之有效的技术方法已是迫在 眉睫的任务。在这种共识下，随着人力、物力、财力的投入，许多新思想、新理论、新技术 方法应运而生，这一时期人们实践和认识的增强大大提高了

2、我国矿井防治水整体技术水平， 取得了显著的经济、社会和环境效益。 矿井防治水技术泛指对包括底、顶板水在内的一切可能或已经造成水害的水体水的赋存 介质、补、径、排规律的探查、预测预报及治理技术，以及在高水头压力下水上采煤技术及 对矿井排(涌)水的处理和应用技术。我国目前煤矿防治水技术根据其阶段性和目的、任务， 大致划分为：水文地质条件探查技术；底、顶板突、溃水预报技术；水患治理技术；地下水 供排结合及水处理技术；以及由于矿井水害及排水引起的多种环境负效应，如地面沉降、土 地沙化、水环境污染的预测及治理技术等。当然这种划分是相对的，各阶段的工作和各种类 型技术和方法并不是独立的，它们具有极强的互补

3、性。 1 综观防治水技术的现状，可以看出在过去几十年中，我国防治水工作者在不同比例尺、 不同水文地质体的条件探测、水害发生的机理及预测预报、水害治理等方面都探索出了一些 实用、有效、可操作性强的技术方法，其中有的已形成规范化工作程序，有的则形成了配套 技术。虽然如此，随着生产的发展，老矿区采深的加大，新建矿区新问题的出现，以及高产 高效矿井工作面的技术要求，都将对矿井防治水工作提出更高的要求,其中包括，计算机信息 技术新的开发与应用、水患发生机理的实验与理论研究、水患预测预报技术的开发及仪器化、 新仪器、新设备、新方法在水害探测及治理中的推广及应用、地下水流模型、水资源管理信 息系统的开发与应

4、用、多因素、多变量联合研究与综合评判、与矿井突(排)水有关的环境负 效应研究。 1.2 矿井安全监控系统的现状及发展矿井安全监控系统的现状及发展 1.2.1 矿井安全系统监控现状 改革开放以来，我国煤矿安全生产监测监控得到长足的发展，监控系统产品种类有几十 种。目前，我国的重点煤矿已全部安装有监测监控系统，并已经成为煤矿标准化达标的首要 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 2 条件。但是，现有矿井监控系统均存在着通用性差、智能化程度低等问题，既不符合智能型 集中监控的要求，又不能满足煤矿安全生产的需要。具体表现在以下三个方面： (1)现有矿井监控系统大多针对某一监控对象开发，为单一的环

5、境安全、皮带开停、提升 运输、设备开停等专用监控系统，从而造成设备、配件互不通用，信道各自为政，信息不能 共享。如若一个矿井实现集中监控，则需要装备数个互不兼容的系统，从而造成设备重复投 资，电缆重复敷设，增加维护人员，浪费大量的人力、物力和财力。而且大部分矿井的监控 系统没有将数据、文字、声音、图形、图像等多种媒体有机地结合在一起，难以提高信息的 利用率。 (2)现有矿井监控系统多为封闭系统，协议和信息交换标准都由生产厂家自己定，从而造 成不同厂家的设备无法接入，不利于系统的升级和维护。另外，这种传输系统多为主从式系 统，可靠性受地面中心站设备及主干电缆影响很大，当地面中心站设备或干线电缆发

6、生故障， 将会造成整个系统瘫痪，当用于单一方面监控时，一般不会出现中心站瓶颈效应，但当用于 全矿井多方面综合监控时，由于信息量的增加，必然会出现严重的中心站瓶颈效应，若靠提 高传输速率解决中心站瓶颈效应必然会增加误码率，导致系统的准确性降低。 (3)现有矿井监控系统多通过电缆采用频分制传输方式、数字基带传输方式和数字频带传 输方式。由于电缆本身的特性所决定的，所以如果传输距离比较远，为保证信息的准确性， 通信的波特率必须得低，这样就增加了信息传输的时间，从而降低了系统的实时性，给矿井 的安全生产带来了隐患。而且目前的系统大多也不具备故障闭锁功能，当与闭锁有关的设备 未投入运行时或故障时，监控设

7、备不能切断所监控区域内的全部非本质安全型电气设备的电 源，也没有断电状态监测、反馈电状态监测功能和异地断电等功能。 1 1.2 2.2 2 我国矿井安全系统的发展方向 我国矿井安全系统的发展方向 运行安全可靠的矿井监测监控系统，有助于强化管理，协调生产，降低劳动强度，确保 矿井安全生产。近年来，国内外都在开发综合监控系统，基本的发展趋势是向网络化、信息 化、多媒体化、智能化专家系统方向发展。具体表现在： (1)系统按照通用标准及煤炭调度信息化建设的标准进行设计开发，系统标准统一、开放 式结构，便于升级集成和维护，从而变相的节约了成本，保证了系统的发展，为煤矿的安全 生产也提供了保证。 (2)随

8、着网络技术的发展，各生产矿井与矿务局、各矿务局与本省乃至全国煤炭系统会构 成统一完整、功能先进的计算机网络系统，真正实现更大范围的煤炭资源共享。而且随着集 成技术的不断进步，现在已出现了传感器本身就是一个易于联网的计算机系统，这样就会真 正实现系统的网络化。 (3)系统的各部分性能会逐渐提高。监控主机的档次和性能越来越高，速度也越来越快， 网络功能更趋于完善，处理电视监视图像的能力进一部提高。将声、像、环境参数的监控融 为一体，形成一种既有图文又有声像显示的多媒体监控系统。井下分站和传感器更趋向智能 化和小型化，能提供自诊断功能和数据记忆功能。当系统出现故障时能自行处理或者能显示 上海交通大学

9、工程硕士学位论文 第一章 绪论 3 故障报警通知管理人员及时进行处理，同时把出现故障前的数据存储起来，等系统恢复正常 后再传给主机。 (4)光纤通信会大规模引入到矿井监测监控系统中。 从地面中心站到井下的主信号传输干 线采用光缆。这样即可根除矿井上下机电设备的电磁干扰、大大降低系统遭雷击等外来因素 破坏的可能性，使得整个系统的稳定性有极大地提高，又可以实现信息的高速传输，进而提 高了系统的实时性和煤矿安全生产的安全系数。 1.3 自动防水闸门系统的作用、现状及发展自动防水闸门系统的作用、现状及发展 1.3.1 自动水闸门系统的作用及意义 矿用防水闸门是保证煤矿采煤顺利进行的一种安全设备。它一般

10、设置于井下运输巷内， 正常生产时防水闸门敞开着，在运输巷道内闸门所在位置装设短的活动铁轨，当突然发生水 患时，将其拆卸，关闭闸门，将水阻挡于闸门之外。防水闸门来水一侧1525m处，应加设1 道挡物箅子门，它的作用是阻挡洪水冲来的杂物。防水闸门与箅子门之间，不得停放车辆或 堆放杂物。来水时先关箅子门，后关防水闸门。因此防水闸门是为预防采掘过程中突然涌水 造成淹井而设的闸门。目前，大部分矿井使用的防水闸门系统为人工现场操纵，它存在有如 下缺点： (1)无报警系统，这样，在突水到来时，很难在第一时间将信息传递给井下的领导及决策 人员，也无法进行远程控制； (2)闸门底板的轨道采取人工卸螺丝，手动移开

11、的方式，这样仅拆卸导轨就大约需要 30 多分钟，这在很大程度上延误了关闭防水闸门的时间，甚至造成来不及关闭防水闸门，从而 延误了矿井抢险时间； (3)闸门和篦子门都是人工现场推拉关闭，而逃生是发生突水事件时矿工的第一选择，这 又增加了人身安全隐患并且影响了煤矿的安全生产。 因此为了有效的防止淹井事故的发生，确保矿工生命安全和矿井安全，研制一种适应现 场的新型矿井防水闸门系统是煤矿生产的迫切需要。 1.3.2 自动水闸门系统的现状及发展 现有的防水闸门主要有防水门、门框、支座、螺栓、密封圈、耳子、轴套和轨道等部件 组成。目前，大部分矿井防水闸门的关闭还是采用人工方式，即在关门时由人工拆卸矿车运

12、行轨道，然后再由人工将门关上，并用螺栓拉紧。在开门时，由人工先将螺栓松开，把门开 启后，再由人将轨道铺好、固定。开关门必须由多人操作，不能进行远程控制，开关门动作 慢，劳动强度大，有可能无法及时关闭闸门 2。目前，自动防水闸门系统多采用液压作为动 力源，因其作用力大而平稳，适合闸门开闭用，但仅是实现了自动开闭功能，并没有与水文 监测报警系统、通信系统联网，无法作为煤矿监控网络中的一个节点纳入监控体系。 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 4 1.4 论文完成的主要工作论文完成的主要工作 自动防水闸门系统由监控系统、通信系统、报警系统、故障预测及自诊断系统、保护系 统、液压执行系统等各子

13、系统组成。本课题研究及完成的主要内容如下： (1)篦子门采用液压缸进行开闭，液压缸与巷道侧壁的支座连接固定，活塞杆与篦子门远 轴侧铰接。平时篦子门处于巷道侧壁，有利于机车及人员的进出； (2)防水闸门附近的轨道改为自移式轨道。每个导轨两端均与液压杆铰接，液压缸与巷道 侧壁的支座连接固定，导轨可上移和平移，让开防水闸门； (3)闸门的启闭也采用液压控制，防水闸门上设有液压缸、支座和转轴。液压缸与巷道侧 壁的支座连接固定，活塞杆与防水闸门远轴侧铰接； (4)上述三个液压缸均由一液压站提供动力源，采用电液控制方式； (5)在巷道前方的侧壁埋设水位传感器，当水位信息超过设定值时，报警系统发出声光报 警

14、，并将报警信号传至地面监控室，同时开启液压站油泵，等待闸门关闭指令。若在规定时 间内未收到关闭指令，则自动关闭闸门； (6)水闸门附近安装摄像头，平时关闭，突水报警后自动开启，对巷道内的情况进行实时 监控，以便监控人员在最短的时间内了解水闸门附近情况，确定是否下达关闭指令； (7)对液压控制系统能够进行常规诊断，保证在发生突发事故时系统不失灵； (8)通信系统采用M-BUS总线，进行低功耗设计； (9)可现场操作，可进行手动自动的切换。 最后通过该项目的实施，可以达到在矿井突水的紧急情况下，能快速地拆卸活轨和关闭 防水闸门，有效的防止淹井事故的发生，确保矿工生命安全和矿井安全。 自动防水闸门系

15、统的具体实施涉及建筑、机械设计等学科，鉴于本专业特点，本论文重 点完成以下工作： (1)自动防水闸门系统功能与总体结构的设计； (2)基于M-Bus总线技术的通信系统设计及现有通信分站功能扩展； (3)基于M-Bus总线的智能水闸门控制器的设计。 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 自动防水闸门系统功能及结构设计 5 第二章第二章 自动防水闸门系统功能及结构设计自动防水闸门系统功能及结构设计 2.1 自动防水闸门系统的功能自动防水闸门系统的功能 自动防水闸门系统由监控系统、通信系统、报警系统、故障预测及自诊断系统、保护系 统、液压执行系统、人机联系系统、手动系统各子系统组成。为了可靠完成闸门

16、的启闭，各 子系统应具备以下功能： 2.1.1 监控系统 (1)控制功能，包括 水闸门的正常开启和突水关闭； 篦子门的正常开启和突水关闭； 突水时导轨移动到指定位置及正常移回； 水闸门的紧急停止； 水闸门可以稳定运动(比如不会受到水冲击作用力影响)到任一开度。 (2)闸门运行参数及状态信号的采集和处理，包括 水位数据的采集和处理：即闸门前附近水位，及闸门后附近水位数据的采集和处理； 闸门系统位置状态的采集和处理：即水闸门的开度、篦子门的开度、活动导轨的位置， 并判断各机构是否越限，是否出现卡滞； 液压系统运行状态数据的采集和处理（如对油温、油压、流量等的测量） ； 突水时闸门所受水压数据的采集和处理。 2.1.2 报警系统 (1)突水报警 通过采集到的闸门附近的水位数据及其它水文数据，综