矿井轨道运输“信集闭”系统应用技术探析

摘 要：本文借鉴国内矿井轨道运输“信集闭”系统的现有研究成果，介绍了系统主要装备组成和应用功能。同时归纳川内煤矿实际应用中反馈的问题，并根据本矿“信集闭”建设预想达到的部分目的和要求，从宏观角度分析市场应用前景，提出“信集闭”系统方案优化改进措施，以进一步提高“信集闭”系统实际运用的安全性、可靠性和实用性。

关键词：矿井轨道运输；转辙信号；敌对闭锁；集中控制；以太环网

引言

矿用机车轨道运输是矿井平巷运输大巷中的主要运输方式之一，由于其具有机动、灵活、弯道的特性，它广泛应用于各类煤矿主、辅运输系统中，并且是许多中小型煤矿的主要运输方式。近十年来，多数国有矿井完成了产煤方式的机械化之路，矿井产量大幅提高，大巷运输量不断增加，单位时间列车组成数量随之增加，轨道运输安全运行压力逐渐增大，矿井轨道运输监测监控“信集闭”系统成为了多数矿井的优先选择。《煤矿安全规程》第351条第九款规定[1]，在弯道或司机视线受阻的区段，应设置列车占线闭塞信号；在新建和改扩建的大型矿井井底车场和运输大巷，应设置信号集中闭塞系统。近十年来，绿水洞煤矿矿井原煤产量从60万t扩建至120万t，原煤生产水平运输大巷每班列车数量几近达10多台，由于没有尽早建成轨道运输“信集闭”系统，每年运输大巷机车因道岔无交通信号和敌对闭锁信号所发生的列车错行等运输事故不在少数，甚至还发生过撞车、追尾事故，且长期需要在列车前、后两端由人工进行扳道及复道，造成运输效率不高。因此，为保证矿井轨道运输安全高效运行，对机车运输的监控在煤矿生产综合监控中具有十分重要的地位[2]。

1.“信集闭”系统的国内现状

1950年代初，由原苏联援建的东北几座大型矿井首先采用了“信集闭”行车系统。1964年，煤炭工业部成立了“矿井信集闭研制工作组”，为我国煤矿自行设计、制造、安装第一套国产“信集闭”系统迈出了第一步[3]。30余年来，无论是从前苏联引进或是我国自行研制和生产的“信集闭”系统，其技术路径和方案没有根本性的改变，系统都是以继电器为基本元器件组成，各逻辑关系都是以继电器实现，取得较好效果的也只有十几家（包括冶金矿山），“信集闭”系统没有在国内推广，主要原因是监控系统可靠性不高，容易出故障，难以在井下长期运行。

1980年代初，我国开始从英、德、法、美等西方国家引进“信集闭”相关系统，并试用于部分国有煤矿。通过对先进引入技术的学习，结合国内煤矿自身特点，国内许多院校和科研单位相继研制和生产出轨道运输监控系统，并在国内至少五百多家生产矿井所应用。比较知名的有：合肥工业大学高科信息技术有限公司研制生产的KJ15A型及改进版KJ293型矿井轨道运输监控系统，该系统是一套基于DCS控制的隔爆兼本安型轨道运输监控系统，以三级或二级计算机网络为核心，在地面监控室对井下运输大巷的列车实现监控和自动调度；天地科技股份有限公司常州自动化分公司研制的KJ35型矿井轨道运输监控系统，它是一种单板机式分级计算机实时控制系统；中国矿业大学研制的KJ41型矿井轨道运输监控系统，采用PLC作为控制主机及模拟显示的集中控制系统，系统不设分站，主机与现场设备直接通过电缆直接通信。1990年，他们都通过了部级鉴定，分别达到了同期国际先进水平。

2.基本组成及工作原理

轨道运输监控“信集闭”系统主要由地面（或井下硐室）主控设施、井下运输巷道控制分站、运输大巷讯号收发等执行机构及以上三部分间信号传输光缆所构成，其拓扑结构如图1所示。

图1 轨道运输监控“信集闭”系统拓扑结构示意图

主控设施是 “信集闭”系统的信息传输、指令控制、机构执行的中枢，是系统集中控制的具体体现。它负责监测井下机车的运行状态，监视系统各设备的工作状况，编制自动、就地运行工作计划，发布道岔和信号设备动作命令，收集当班运输车辆、列车状态等运行数据，向企业局域网、互联网传输实时信息数据，输出或打印当天、月度、年度运输系统运行管理报表，是车辆运行指挥中心，它主要由主控计算机、管理计算机、显示屏、交换机和信息传输接口等设备组成，一般设在地面，也可设在井底车场或机电硐室。

控制分站连接主控计算机进行系统信号指令及执行机构信息传输和发布，实现巷道行车信号、道岔敌对闭锁的功能。控制分站一般还配备有供停电使用2小时的稳压电源，控制分站接线口一般能对3至4副道岔及附近500m范围内行车信号进行信息传输和控制，它现场管理各种监测和执行设备，保证其可靠工作，执行调度室下发的各项命令，汇报各种通过巡检位置标识器采集的机车、车辆运行识别信息，并通过CAN总线或矿用高速环网完成通讯连接。系统主机运行轨道运输监控系统软件，软件监听控制分站上传的总线数据，在软件界面中显示机车位置和机车信息，并在系统数据库中存储列车运输信息。控制分站一般通过稳压电源外接127v三相电源，为执行机构和自身提供稳定、并具有2小时备用能力的所需动力源。

执行机构与控制分站相接，它是“信集闭”系统的终端体现，完成行车信息的收集，并执行主控计算机运行和发布的命令。电动转辙机与信号动态机同步动作，交通信号灯指示方向分绿、黄、红三种基本信号，并伴随箭头指示道岔行径线路。行车数据采集有轨道计轴器和壁挂式车辆接收仪两种，它的主要目的是沿线跟踪每列车运行的方向、速度、路线、装载货物及车辆累计运行时间并传输至主控计算机，计算机再反馈行车指令进行信号及道岔的动作，并闭锁敌对列车或车辆进入本线路，同向、同线路车辆闭锁行车间距保持在100m以上。

各机构间的连接及大巷铺设主要靠通讯电缆或光缆（光纤），及少部分低压电缆，全部选用煤矿矿用安全标志产品。

3.应用中现存主要问题

川内及国内应用轨道运输监控“信集闭”系统不成功的矿井占大多数，所反馈出的主要现象是现场执行机构的不动作或误动作，给行经车辆不发出或发出错误信号，造成运输故障或事故，矿井就不敢使用了，配件质量问题现今还不是主要问题，但依然需要得到改进。

川内五家煤矿一直使用不正常，处于半停半用状态。主要原因是执行机构中的轨道计轴传感器易损坏，当车辆行经时接收不了信号造成系统不动作。轨道计轴传感器在系统中地位十分重要，每隔一定距离或在关键岔口，它前后左右错差安装于钢轨两侧，系统靠它来检测运行车辆的方向、速度、位置并传输至控制计算机系统软件运行并发出交通命令。其损坏的主要原因是由于其安装靠轨面近、宽度超过轨道面板，其顶部易受聚积的浮煤矸经快速车轮挤压变形，连接缆线受震松动或保护不足、井巷潮湿绝缘降低都有可能造成它的损坏，生产厂家虽吸收了意见但见效慢。目前，国内绝大多数“信集闭”系统研制单位主要使用轨道计轴传感器来进行行车信息收集，这也是目前“信集闭”系统在国内应用率不高的重要原因之一。

电动转辙机（司控道岔）适应井下环境性能较差，防挤岔、防过载能力不强，故障率高[4]，绿水洞煤矿多次使用过司控道岔，遇水淹、大巷潮湿等情况，司控道岔故障特别明显，人工摇动还不如搬道砣快速和准确，维护量大、配件更换频换，之后就难以再继续使用下去了。

线路、车辆管理功能还处于初步阶段，深入度不够。运输线路、运输车辆使用维护管理是矿井运输重要的基础工作，线路、车辆的投入时间和运行时间记录是线路、车辆科学进行大修、中修的依据，可有效避免线路、车辆故障。在国内，大多数研制厂家都还未开发此类井下车辆管理系统软件或者较简单。

“信集闭”系统软硬件设施的可靠性，是系统的重要保障。国内大多数轨道运输监控系统编程软件都基于windows XP系统，随着微软公司2014年3月退出对XP系统的服务，轨道运输监控系统运行软件面临升级的必要。轨道运输监控“信集闭”系统中传感器种类和数量众多，它的可靠性是系统正常运行的基本条件，其故障检测、报警功能必须能实时反馈至主控中心，也是生产厂家所必须重视的重要一环。

4.应用前景及改进建议

国内现有国有大中型煤矿1300多座，使用正常的不过40多座，虽然目前各重点国有煤矿多数改成了钢绳芯胶带运输机的运煤方式，但人员、材料、矸石的运输大多数仍然采用机车运输方式，水平运输机车台数多在3至5台以上。根据我国2013年版煤矿质量标准化建设标准要求，5台及以上机车必须建立“信集闭”系统[5]。还有非煤矿山及近7000家的中小型煤矿，由于国家对煤矿安全监控系统建设的门槛逐年提高，轨道运输监控“信集闭”系统的应用前景十分巨大。在国内未大量推进轨道运输监控“信集闭”系统的重要原因是目前系统可靠性仍然较差，如我们广能集团处于观望状态，一旦绿水洞煤矿应用新模式成功后就必然推广到其它3个矿；川煤集团应用的5个矿，也因为系统可靠差而令其他矿暂缓建设。因此，轨道运输监控“信集闭”系统有必要进行改进，根据现存问题表露出的现象，笔者提出了以下改进建议：

（1）淘汰现有主要使用的轨道计轴传感器，改为在巷壁两帮悬挂的位置标识器。如此可以杜绝轨道受运行时震动、挤压、线路难保护的缺点，通过车辆识别卡，位置标示器可判断车辆的方向、类型和数量，但不能自动判断车辆行驶的路线（主要指占用非设定路线或逆行车辆），这点无法与轨道计轴传感器相比拟，这也是红外线位置标识示器的不足。因此，它还必须配合在轨道道床下面埋设的不受行经车辆震动影响的位置传感器，来判断车辆所经线路，但数量要比轨道计轴器少很多，主要在运输大巷道岔进出端安装即可，如图2所示。采用巷壁悬挂装置总成本可节约40%以上，相比1万米运输大巷，采用轨道计轴器的系统成本比采用位置标识器配合位置传感器的系统高50～90万元左右。

图2 位置传感器、识别器安装示意图

（2）有条件的矿井尽量使用气动转辙机，可解决电动转辙机力弱现象。气动速度快，几乎不受井巷潮湿条件的制约，且成本每台少0.4～0.5千元左右，结构简单、易于维护，值得推广。

（3）建立车辆运行维护记忆系统，满足矿井机电运输设备设施科学管理要求。在新的windows环境下，编制机车、煤车、矸石车、材料车、人车等车辆卡片，一车一卡，随时调阅车辆运行时间、维修维护管理资料，自动生成车辆项目实时维修内容。最后，注意吸纳用户合理化建议，努力改进自身产品的可靠性和先进性。

5.研究结论

随着国内煤炭生产安全环境建设的发展，矿井安全监测监控系统已得到进一步深化，完善与补充矿井自动化监控系统已成为当代煤炭行业的主要课题。矿井轨道运输监控“信集闭”系统虽起步较早，但发展缓慢，已成为矿井综合自动化平台的较弱一环。受煤矿地质结构布置影响，煤炭企业轨道运输方式大量存在，轨道运输监控“信集闭”系统也要求得到发展和应用，以打造安全高效的矿井运输环境，比较国内众多煤企对“信集闭”系统的应用效果，升级原有主要元器件的应用性能或淘汰落后性能产品是行业必经之路，市场是需要和检验新技术和新工艺的试金石，低成本高效益的“信集闭”系统必然深受煤矿企业喜爱和欢迎。

参考文献：

[1]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].煤炭工业出版社，2012.2：188

[2]王云鹏，付衍斌.基于精确定位的井下运输信集闭系统的研究[J].电子技术，2013（2）：14-16

[3]商永泰，暴枫.我国煤矿井下机车监控系统的技术现状及其发展[J].煤炭科学技术，1996（3）：1-5

[4]霍志涛.信、集、闭系统在煤矿机车运输大巷中应用的探讨[J].科技信息，2010（21）：185

[5]国家煤矿安全监察局，中国煤炭工业协会.《煤矿安全质量标准化基本要求及评分方法（试行）》[M].煤炭工业出版社，2013.3：66

作者简介：彭英豪（1968-），男，重庆潼南人，本科，工程师，现任四川煤炭产业集团广能公司绿水洞煤矿机运科副科长，研究方向为矿山机械应用。

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