石人沟铁矿地下采矿关键工序自动化系统优化设计与改造

向伟华

(河钢集团矿业公司石人沟铁矿，河北 遵化 064200)

0 引言

石人沟铁矿位于河北省唐山市遵化市兴旺寨乡，三期工程设计矿石产量为200万t/a，岩石产量为36万t/a，开拓方式为主副竖井-辅助斜坡道。其中三期主井提升机型号为JKM-3.5×6(Ⅲ)E型多绳提升机，提升主导轮直径3 500 mm，电机功率2 000 kW，电压750 V，提升机设计提升高度493 m，最大运行速度9.89 m/s。通风系统采用对角双翼抽出式通风，共建有三级通风机站，其中第三级通风机站设置在地表，第二级通风机站设置在-60 m水平，第一级通风机站在-180 m水平。新鲜风流经三期副井和斜坡道进入井下，经过-180 m井底车场、-180 m双轨运输平巷和斜坡道各中段等进入地下生产各作业面，流经工作面后的污风通过回风井到达-60 m水平回风平巷，最后通过南、北风井排至地表，所有通风机均为现场手动控制。中央水泵房设置在井下-180 m水平，水泵房内共配置8台D450-60×7型泵离心泵，所有水泵均为现场手动控制。

1 各关键工序自动化系统存在的问题

1.1 提升系统存在的问题

石人沟铁矿主要井下出矿通道有2个，一是通过三期主井提升机箕斗出矿，二是通过斜坡道无轨车辆运输出矿，其中三期主井出矿能力占85%左右，斜坡道出矿能力占15%左右。但是三期主井出矿能力已达到设计能力，基本满负荷运转，满足不了矿石提升量要求，并且三期主井设计时自动化程度不高，需要人为参与控制，提升机的稳定性、安全性和经济性都未达到最佳。如何通过对三期主井提升系统进行升级改造，优化提升机运行参数，以提高三期主井的出矿量及自动化控制水平，是当前必须解决的问题。

1.2 通风系统存在的问题

石人沟铁矿通风系统分为三级通风机站，各级机站风机均为现场手动控制，无法实现远程集中控制，各类通风参数远程无法监控，并且通风机均为工频运转，无法根据井下通风需要进行频率调节，实现节能运行。

1.3 排水系统存在的问题

-180 m水平中央水泵房为有人值守，所有水泵均为现场手动控制，水泵工劳动强度特别大，并且在井下突发透水事故时，水泵工需要坚守岗位，对其人身安全造成很大的威胁。

2 各系统的优化设计与改造

2.1 提升系统工艺优化设计与改造

三期主井提升系统工艺及技术优化改造是在不违背提升系统相关安全检测检验标准的前提下进行的。改造后提升机操作室设在三楼，与卸载站合并，减少岗位人员8人，同时通过优化提升机各项运行参数，提高了提升机箕斗的出矿效率，由原设计提升能力的11斗/h增加至15斗/h。

一是对提升设备的运行参数进行优化，缩短提升机箕斗的上行及下行的运行时间，从而提高提升效率。原设计提升机单程提升时间为117 s，对运行参数优化后，提升机单程运行时间缩短到97 s。原设计提升机采用七阶段非对称速度图，提升运动学计算结果见表1,原设计提升机速度运行曲线见图1。

表1 提升运动学计算表

图1 原设计提升机速度运行曲线

运行参数优化后提升机采用七阶段非对称速度图，优化后提升运动学计算结果见表2,优化后提升机速度运行曲线见图2。

图2 优化后提升机速度运行曲线

表2 运行参数优化后提升运动学计算表

二是对井下-336 m装载站溜槽进行改造，由原来的活动式溜槽改造成为固定式溜槽，节省了每次装料时打开溜槽与关闭溜槽的时间，此项改造可节省时间15 s。三期主井提升系统经过以上两项工艺优化改造后，提升能力从原来的11斗/h增加至15斗/h。

三是在保留原有全部设备和全部安全保护功能的前提下，在三楼信号间新增一台卷扬操作平台，将八楼卷扬操作工转移至三楼信号操作间内，与信号工同岗操作。在原有各项安全保护装置不变的基础上，将提升机控制系统由半自动模式升级为全自动模式，并增加了一系列实时监测保护装置，全面提升设备安全运行水平[1]。同时对设备的运行参数进行优化，缩短提升机箕斗的上行及下行的运行时间，从而提高提升效率。

2.2 通风系统无人值守设计与改造

2.2.1 PLC远程控制自动通风原理

采用西门子S7-200系列PLC系统,充分利用该系统在集散自动化系统中强大功能，代替传统继电器的简单控制。通过PLC模拟量模块和数字量模块，采集变频器、电动机及风机运行参数，将电流、电压、轴承及绕组温度、振动等信号，通过网络传输到远程集控中心，实现了各级风机站风机的远程控制与监测[2]。

2.2.2 主要改造内容

一是对通风机控制柜进行改造，选用变频控制柜代替原来的自耦降压启动柜。这样改造后通过调节电动机运行频率，可实现通风机变速运行，根据井下通风质量随时调节运行频率，在保证井下通风正常的条件下，最大限度的节能运行。

二是对每台风机现场安装一套西门子S7-200PLC控制柜，在矿调度室安装一台上位机进行集中监控。在现场安装各类传感器，采集风机运行时的电压、电流、频率等信号传输到S7-200PLC控制柜，为实现远程集中控制提供必要的基础条件。

三是各级通风机站均实现了远程监测监控功能。改造新增一套监测监控系统，通过在现场安装风速、风压、开停、轴承温度等传感器，可将风机运行的各类参数传输到矿调度室，远程可监测风机运行的各类数据。并且新增一套视频监控系统，将一、二、三级风站现场视频画面全部引入到中控室，在远程可随时监控现场环境情况。

2.2.3 运行方式

改造后通风机具有两种运行方式：就地手动控制和远程手动控制方式。

就地手动控制时，由通风工在现场对水泵进行启停操作，此种方式主要用于平常点检通风设备及检修维护通风设备的短时间试运行[3]。

远程手动控制时,矿调度室值班工人员及时根据井下通风质量，调节各级风机站运行频率，实现最大限度的节能运行。

2.3 中央水泵房无人值守设计与改造

2.3.1 DCS远程控制自动排水原理

采用美国OPTO公司DCS控制系统，该系统装备两套SNAP-PAC-S1控制器，一用一备，在运行过程中实时监测控制器的情况，对备用控制器参数能按照流程要求实时同步计算运行。将现场DCS控制柜和地面矿调度室控制中心上位机通过网络进行连接，DCS模拟量输入模块通过各类传感器采集水仓水位、吸水管真空度、水泵出水口压力、电动阀、电动机、水泵工作状态的数据，DCS的数字量输入模块采集各种开关量信号，各类数据通过DCS现场控制单元FCU运算，实现对排水泵的远程自动控制[4]。

2.3.2 主要改造内容

一是普通阀门全部更换成电动调节阀。由于-180m水泵房是多级离心泵，每次启动水泵时均需对水泵进水侧进行抽真空，故需要将原来的手动阀门全部换成电动阀门。

二是新增一套OPTO22型DCS控制系统，主要包括一个DCS集中控制柜、各类电动阀、各类压力表、投入式液位计、轴承温度传感器等。同时在矿调度室设置远程集中控制系统上位机，调度室值班人员可设置水泵运行的各项参数，远程控制水泵的启停，并且可实时监测水泵运行各种情况。

2.3.3 运行方式

改造后水泵具有三种运行方式：就地手动控制、远程手动控制和远程自动控制方式。

就地手动控制时，由水泵工在现场对水泵进行启停操作，此种方式主要用于平常点检设备及检修维护设备的短时试运行。

远程手动控制时,矿调度室值班工人员及时观察水仓水位，水位较高时在上位机上进行操作启动水泵，水位较低时在上位机上进行操作停止水泵。

远程自动控制时，现场的DCS控制系统实时采集水仓水位，并根据水仓水位设定情况，自动控制水泵的启停。自动运行状态下，DCS控制系统可根据涌水量的情况判断需要运行的水泵台数。当启动1台水泵排水后，水位继续上涨时，会自动启动第二台泵进行排水，以此类推，在水仓水位降到停泵点时，会自动停止水泵运行，全程不需要人工参与，并且在上位机突发故障时，下位机仍可正常运行。

3 改造后的效果

3.1 三期主井提升系统实现了提速增效

三期主井提升系统经过工艺技术优化改造后，减少了人工操作内容，降低了人为稳定因素，提高并改善了卷扬机安全性及可靠性，增强了设备检测传感的自动化操作功能，精确性得到了提高，增强了提升系统的高可靠性，更主要的是提升能力从原来的每小时11斗增加到每小时15斗，为石人沟铁矿完成每年的生产任务提供了坚实保障。

3.2 三级通风机站实现了无人值守

三级通风机站经过改造后，实现了各级风机站风机的远程控制启停，同时完善了通风质量监测系统，通过使用高可靠性的传感器采集、记录设备的运行参数，监测风机的运行状况，可通过调整通风机电机运行频率实时调节电机转速，实现最大程度节能运行。

3.3 -180m中央水泵房实现了无人值守

水泵排水自动控制系统采用DCS控制，水泵启动可实现一键启动，能够减少岗位人员频繁操作步骤。同时根据程序设置，水泵运行严格执行避峰填谷措施，始终处于最经济运行状态，同时水泵房实现了无人值守，节省岗位工8人。

4 结语

石人沟铁矿经过对关键工序的自动化系统进行升级改造，大幅度提高了数字矿山建设水平，并达到国家安全总监局部门“机械化换人，自动化减人”科技强安专项行动要求，对国内传统老旧矿山自动化及无人值守改造具有示范引领作用，同时为行业的创新发展积累了宝贵的经验。