АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМЫПРОВЕТРИВАНИЯ ШАХТ И РУДНИКОВ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Система проветривания шахт и рудников включает в себя вентиляционную сеть (комплекс горных выработок, по которым проходит свежий и отработанный воздух) и различные вентиляционные устройства сети (двери, окна, перемычки, ляды, шиберы), главную вентиляторную установку, вентиляторы местного проветривания (ВМП), средства контроля содержания метана в шахтной атмосфере и калориферные установки.
Автоматизация вентиляторов главного проветривания в настоящее время сводится к применению дистанционного управления вентиляторами и устройствами реверсирования струи воздуха с пульта, установленного на центральном диспетчерском пункте или в другом месте нахождения постоянного дежурного персонала, а также к автоматическому контролю и сигнализации о режимах работы.
Вентиляторы местного проветривания применяются для подачи свежего воздуха в подготовительные выработки. При значительной длине тупиковой выработки вследствие утечек из воздухопровода может оказаться, что при работающем главном вентиляторе в забой поступает недостаточное количество воздуха. Согласно Правилам безопасности (ПБ), ВМП должны работать непрерывно, а в случае их остановки или нарушения вентиляции напряжение с электрооборудования, находящегося в тупиковой части выработки, должно быть снято. Последнее обеспечивается с помощью специальной аппаратуры.
На шахтах, опасных по газу, контроль содержания метана в шахтном воздухе – одно из основных условий обеспечения безопасности работ.
Широкое использование электрической энергии и ведение взрывных работ требуют, чтобы контроль содержания метана был непрерывным и автоматическим с передачей соответствующей информации диспетчеру шахты.
Температура воздуха в стволе шахты зависит от температуры и количества холодного воздуха, поступающего с поверхности шахты, и подогретого воздуха, поступающего от калориферной установки. Автоматизация калориферной установки заключается в достаточно точном поддержании температуры воздуха в стволе шахты (не ниже +2 °С) и повышении надежности и экономичности работы установки.
При удалении вентиляторной установки на расстояние свыше 500 м от диспетчерского пункта экономически выгодно вместо обычной многопроводной системы дистанционного управления, сигнализации и контроля применять телемеханические системы, позволяющие по минимальному числу линий связи передавать большое количество команд и сигналов. Особенно выгодно использование телемеханических систем для управления вентиляторами местного проветривания в связи со значительной удаленностью их от диспетчерского пункта.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ВЕНТИЛЯТОРОВ ГЛАВНОГО
ПРОВЕТРИВАНИЯ
Схемы автоматизации вентиляторных установок главного проветривания должны обеспечивать дистанционное управление из помещения диспетчерского пункта и местное из машинного зала, возможность работы вентиляторов в автоматическом режиме без постоянного присутствия обслуживающего персонала. В схеме должен быть предусмотрен непрерывный контроль положения ляд и шиберов, направляющего и спрямляющего аппаратов, положения тормоза, депрессии и производительности вентилятора, температуры подшипников электродвигателя и вентилятора, тока ротора и статора, напряжения питания электропривода.
Аппаратура автоматизации должна обеспечивать:
частичное регулирование производительности вентиляторов путем поворота лопаток направляющего аппарата;
реверс вентиляционной струи без остановки вентилятора;
автоматическое включение резервного агрегата при выходе из строя работающего;
полное защитное отключение вентиляторной установки в случаях: коротких замыканий и перегрузок в электрической сети, отключения напряжения питания на время более 10 с, асинхронного режима работы синхронного двигателя; затянувшегося пуска двигателя, наложения тормоза во время работы вентилятора, нарушений режима работы в системе маслосмазки вентиляторов, повышения температуры подшипников двигателя и вентилятора.
Система блокировок схемы автоматизации должна исключать: одновременную работу двух вентиляторов, если это не предусмотрено технологической схемой; самопроизвольный запуск электропривода вентилятора; включение вентилятора при несоответствующем выбранному режиму положении ляд в воздушных каналах; включение электроприводов ляд и шиберов во время работы вентилятора (если не предусмотрено технологией работы вентилятора).
Схема автоматизации должна обеспечивать автоматическую световую и звуковую сигнализацию при возникновении аварийных режимов.
Для автоматизации вентиляторов главного проветривания промышленностью выпускается комплектная аппаратура. В качестве примера можно привести унифицированную аппаратуру УКАВ-М производства ХЭМЗ. Последняя отвечает всем современным требованиям, предъявляемым к автоматизации системы проветривания, и позволяет автоматизировать все типы выпускаемых промышленностью вентиляторов главного проветривания.
Аппаратура УКАВ-М обеспечивает: дистанционное и местное управление двумя главными вентиляторами; реверсирование воздушной струи; регулирование производительности вентиляторов; различные виды защит электродвигателей вентиляторов и других механизмов; автоматическое отключение двигателей вентиляторов и механизмов при аварийных режимах; автоматическую световую и звуковую сигнализацию.
Конструктивно комплект УКАВ-М представляет собой набор шкафов закрытого исполнения и пульт дистанционного управления. Комплект УКАВ-М выпускается в нескольких исполнениях в зависимости от типа электропривода (синхронный, асинхронный, синхронно-асинхронный), количества ляд и вспомогательных приводов.
Автоматическая система управления УКАВ-М содержит блок микропрограммного автомата БМА, который является цифровым устройством, последовательно обрабатывающим команды программы, записанной в постоянном запоминающем устройстве ПЗУ. В процессе работы блок БМА опрашивает состояние различных датчиков и в соответствии с программой, записанной в ПЗУ, формирует выходные сигналы управления электрическими аппаратами и приводами механизмов вентилятора.
Аппаратура автоматизации УКАВ-М относится к классу управляющих устройств с программируемой логикой. В этом случае в зависимости от типов вентилятора и электропривода изменению подлежит программа, записанная в ПЗУ. В то же время аппаратная часть остается неизменной.
Комплектно с аппаратурой УКАВ-М поставляются программы: центробежного вентилятора с асинхронным приводом, центробежного вентилятора с синхронным приводом, осевого вентилятора с синхронным приводом.
АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ ПОДАЧИ ВОЗДУХА ВЕНТИЛЯТОРАМИ МЕСТНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ
Надежная работа вентиляторов местного проветривания (ВМП) во многом определяет безопасность и производительность труда рабочих. Поэтому необходимо обеспечивать непрерывный контроль за поступлением свежего воздуха к забою горной выработки, проветриваемой ВМП. Для этой цели применяют специальные системы автоматического контроля поступления воздуха от ВМП по скорости струи воздушного потока в конце воздухопровода. Рассмотрим принцип действия таких систем на примере широко распространенной аппаратуры АКВ-2П.
Аппаратура АКВ-2П обеспечивает: выдержку времени 5 – 10 мин на включение электрооборудования в горной выработке после включения вентилятора и установления нормального режима проветривания; автоматическое отключение электроэнергии с выдержкой 1 – 2 мин при нарушении режима проветривания и невозможность включения электрооборудования до устранения причины нарушения нормального проветривания; мгновенное автоматическое отключение электроэнергии при остановке вентилятора; световую сигнализацию о нормальном и аварийном режимах проветривания забоя выработки.
Схема аппаратуры АКВ-2П представлена на рис. 4.1. Она состоит из мембранного датчика расхода воздуха, устанавливаемого в конце воздухопровода, и релейного блока во взрывобезопасном корпусе с искробезопасными цепями датчика.
В датчике расхода воздуха (рис. 4.1, а) скорость движения воздуха определяется по динамической составляющей давления 
воздушного потока, равной разности полного 
и статического 
давлений. Чувствительным элементом датчика является упругая мембрана 3. Под мембраной через трубку 6 с раструбом 7 создается полное давление . Над мембраной через канал 5 в воздухопроводе 4 устанавливается статическое давление воздушного потока. На мембрану будет действовать усилие, пропорциональное разности полного и статического давлений, т. е. скорости потока. Под действием этого усилия мембрана прогибается и при определенной скорости потока, соответствующей требуемому расходу воздуха, подвижной контакт 1 на мембране замкнется с неподвижным контактом 2.
Релейный блок (рис. 4.1, б) содержит выключатель SА; источник питания, состоящий из трансформатора Т, резистора R1, конденсаторов С1 и С2, диода VD1; делитель напряжения на стабилитронах VD2, VD3; приемное реле К1, которое не чувствительно к переменному току; исполнительное реле К2; вспомогательное реле К3; электронное реле времени, собранное на транзисторах VТ1 – VТ4, конденсаторе С3 и резисторах R3 и R4; сигнальные лампы с зеленым HL1 и красным HL2 светофильтрами, сигнализирующие соответственно о нормальном и аварийном режимах проветривания.
Рассмотрим принцип действия релейного блока.
1. При включении пускателя вентилятора и замыкании выключателя SА переменное напряжение 36 В от понижающего трансформатора подается через зажимы ХЗ, Х4 на первичную обмотку трансформатора Т.
2. В исходном состоянии контакты мембранного датчика ВV разомкнуты. Так как реле К1 не реагирует на переменное напряжение со стороны вторичной обмотки трансформатора Т, то оно отключено. Вследствие этого все транзисторы заперты, реле К2 и КЗ отключены. Загорается сигнальная лампа НL2 с красным светофильтром. Конденсатор С3 заряжается до напряжения, равного напряжению на стабилитроне VD2 по цепи: зажим 3 трансформатора Т, стабилитрон VD3, конденсатор С3, размыкающие контактные пары переключающих контактов К2.1 и К1.1, резистор R2, диод VD1, зажим 2.
3. При достижении установленной скорости воздуха в воздухопроводе контакт датчика ВV замыкается. Через контакт датчика ВV катушка реле К1 шунтируется в течение одного полупериода напряжения диодом VD6 и светодиодом НL. Через катушку реле К1 будет проходить выпрямленный ток. В результате загорится светодиод НL в датчике и включится реле K1.
4. Контакт К1.2 включит лампу НL1 с зеленым светофильтром. Контакт К1.1 разорвет цепь заряда конденсатора С3, который начнет разряжаться через стабилитрон VD3 и резистор R3, обеспечивая выдержку времени на подачу электроэнергии для забойного оборудования. Перед разрывом контактом К1.1 цепи заряда конденсатора С3 «минус» напряжения на конденсаторе подавался на базу транзистора VТ2, а «плюс» на анод стабилитрона VD3. По истечении установленной выдержки времени, равной 5 – 10 мин, конденсатор С3 разрядится и начнет перезаряжаться по цепи: зажим 3 трансформатора Т, резистор R3, конденсатор С3, стабилитрон VD2, резистор R2, диод VD1, зажим 2. При этом на базу транзистора VТ2 будет подаваться «плюс» напряжения на конденсаторе, а на эмиттер транзистора VТ1 «минус» напряжения на конденсаторе. Следовательно, базы транзисторов VТ1 и VТ2 приобретут положительный по отношению к эмиттерам потенциал и транзисторы VТ1 и VТ2 откроются. Это приведет к открыванию транзисторов VТ3 и VТ4 и срабатыванию реле К2.
5. Контакт К2.2 реле К2 через выключатель SА обеспечит возможность включения группового пускателя электрооборудования горной выработки, где находится ВМП. Контакт К2.3 отключит лампу НL2, контакт К2.4 заблокирует реле К2 во включенном состоянии.
6. В цепи катушки реле К3 замкнется контакт К2.5, однако реле К3 не успеет сработать. Это объясняется тем, что включается контакт К2.1 и образуется цепь заряда конденсатора С3: зажим 3 трансформатора Т, стабилитрон VD3, конденсатор С3, замыкающие (а не размыкающие) контактные пары переключающих контактов К2.1 и К1.1, резистор R2, диод VD1, зажим 2. Конденсатор быстро перезарядится. На базу транзистора VT2 опять будет подан отрицательный по отношению к эмиттеру потенциал, и транзисторы VТ1 – VТ4 закроются.
7. Все элементы схемы будут находиться в таком состоянии, пока расход воздуха не уменьшится ниже допустимого значения. В этом случае произойдет размыкание цепи датчика ВV и реле К1 отключится. Погаснет светодиод НL в датчике, а контакт К1.2 разомкнет цепь питания лампы НL1 (зеленая) в релейном блоке. Контакт К1.1 разорвет цепь заряда конденсатора С3, который начнет разряжаться через параллельно включенные резисторы R3, R4 и стабилитрон VD3, создавая выдержку времени на отключение электрооборудования в горной выработке, проветриваемой ВМП. Через 1 – 2 мин конденсатор С3 разрядится и начнет перезаряжаться. Вновь откроются транзисторы VТ1 – VТ4, что приведет к срабатыванию реле К3.
8. Реле К3 контактом КЗ.1 разомкнет цепь питания реле К2.
Реле К2 контактом К2.2 отключит подачу электроэнергии, контактом К2.3 включит лампу НL2 (красная) – сигнал отсутствия воздуха в горной выработке. Контакт К2.5 отключит цепь питания реле КЗ, переключающий контакт К2.1 создает цепь заряда конденсатора С3.
При заряде конденсатора С3 транзисторы VТ1 – VТ4 закрываются и схема возвращается в исходное состояние.
Кроме аппаратуры АКВ-2П для обеспечения непрерывного контроля за подачей свежего воздуха в тупиковые выработки применяется более совершенная аппаратура АЗОТ и АПТВ. В дополнение к функциям, которые выполняет аппаратура АКВ-2П, эта аппаратура обеспечивает: возможность местного и диспетчерского телемеханического управления ВМП; плавное заполнение вентиляционного трубопровода воздухом путем импульсного включения ВМП; передачу в систему телемеханики сигналов о включении ВМП и режиме проветривания (нормальный или аварийный).
Для контроля поступления воздуха в аппаратуре АЗОТ применяется датчик мембранного типа от аппаратуры АКВ-2П. В аппаратуре АПТВ используется датчик, который представляет собой искробезопасный тахогенератор переменного тока, на оси которого крепится крыльчатка. Датчик крепится внутри металлического патрубка воздухопровода вблизи выхода воздушной струи. При включенном ВМП воздух, действуя на крыльчатку, приводит во вращение ротор тахогенератора, на выходной обмотке которого возникает напряжение, частота которого пропорциональна скорости движения воздуха.
Аппаратура АПТВ отличается от выпускавшейся ранее аппаратуры АЗОТ высокой точностью контроля за скоростью воздуха и стабильностью характеристик, более простым монтажом датчика, наличием индикации о фактической скорости воздуха в трубопроводе.
Современная аппаратура контроля за поступлением свежего воздуха к забою горной выработки применяется совместно с телемеханической аппаратурой, так как при удалении пульта управления от вентиляторных установок на расстояние свыше 500 м использование многопроводных схем управления становится экономически невыгодным. В таких случаях применяют малопроводные телемеханические системы.
Аппаратура АЗОТ и АПТВ применяется совместно с телемеханической аппаратурой «Ветер».
Аппаратура телеуправления и телесигнализации «Ветер» обеспечивает централизованное диспетчерское управление ВМП и передачу информации от датчиков, имеющих контактный выход, о состоянии электродвигателя вентилятора («Включен» или «Отключен»), телеконтроль подачи воздуха в проветриваемый забой и наличия в нем метана сверх установленных правилами безопасности норм.