煤（巖）與瓦斯突出監測和報警系統研制

郝程楠（1.太原理工大學礦業工程學院，太原 030024；2.天津中煤電子信息工程有限公司，天津 300010）

煤（巖）與瓦斯突出監測和報警系統研制

郝程楠1，2
（1.太原理工大學礦業工程學院，太原 030024；2.天津中煤電子信息工程有限公司，天津 300010）

煤（巖）與瓦斯突出監測和報警系統可以有效監測煤礦井下采煤工作面、掘進工作面進、回風巷道以及采區回風巷、總回風巷的瓦斯和通風參數及煤與瓦斯突出導致的逆風流情況，實現對瓦斯突出事故發生時間、地點的自動判識并及時發出報警信息，采取斷電、撤人措施，自動預測瓦斯涌出量和波及范圍，以達到提升煤礦安全管理水平，保障礦井及人員的安全，防止引發次生災害的發生的目的。

煤巖；瓦斯；監測；報警系統

1　煤（巖）與瓦斯突出原因分析

煤(巖)與瓦斯突出是嚴重威脅煤礦正常生產和人身安全的地質災害[1]。煤(巖)與瓦斯突出是煤礦井下發生的極其復雜的動力現象。它是由地應力、煤層瓦斯壓力、煤的力學特性以及采動影響等多因素綜合作用的結果[2-4]。研究表明:盡管煤與瓦斯突出是突發性的,但在突出前均有預兆顯現,這些預兆為煤與瓦斯突出的監測和報警提供了途徑[5]。

采掘進速度和煤層中的瓦斯含量與工作面瓦斯突出成正比關系。在風量和采掘進速度一定的情況下，煤層中的瓦斯含量是使工作面瓦斯突出的決定因素。當采掘到瓦斯含量高的煤層時，就會產生瓦斯突出現象，這時空氣中瓦斯含量會迅速增高。當采掘到含有高瓦斯氣團的煤層時，除空氣中瓦斯含量會迅速增高外，還會使通風風流逆轉，將會產生巨大的安全隱患[6-7]。

2　傳感器的安裝

為實現煤（巖）與瓦斯突出監測與報警，煤（巖）與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井需在井下設置安裝甲烷、風向風速、風壓、風筒傳感器。甲烷傳感器應采用全量程紅外或高低濃甲烷傳感器。

采煤工作面在圖1標志點設置甲烷傳感器和雙向風速傳感器。當甲烷濃度達到報警濃度時，發出聲光報警信號；當甲烷濃度達到斷電濃度時，自動切斷相關區域電源。圖2為掘進工作面傳感器設置。

圖1　采煤工作面傳感器設置位

圖2　掘進工作面傳感器設置

1）采煤工作面（圖1中T1）及其上隅角（圖1 中T0）、回風巷（圖1中T2）、進風巷靠近工作面處（圖1中T3）、進風巷靠近分風口處（圖1中T4）設置甲烷傳感器。回風巷（圖1中F2）必須設置風速傳感器,進風巷（圖1中F1）設置雙向風速傳感器。

2）掘進工作面（圖2中T1）及其回風流中（圖2 中T2）設置甲烷傳感器。進風巷（圖2中F3）設置雙向風速傳感器。

3）采區進、回風巷，一翼進、回風巷，總進、回風巷設置甲烷傳感器和雙向風速傳感器。

3　煤與瓦斯突出報警系統組成及結構

3.1煤與瓦斯突出報警系統的組成

煤與瓦斯突出報警系統主要有四部分組成:

1）現有的煤礦安全監控系統，加裝紅外甲烷傳感器和雙向風速傳感器；

2）突出事故報警系統檢測計算機；

3）突出事故報警系統軟件；

4）短信發布平臺。

3.2系統網絡結構

利用現在使用的安全監控系統的網絡結構。在中心站加裝1臺工業控制計算機，專門用于瓦斯突出報警系統。瓦斯突出報警系統網絡圖，見圖3。

圖3　瓦斯突出報警系統網絡圖

4　瓦斯突出報警系統主要功能

4.1瓦斯突出報警計算機功能

通過局域網從監控系統中實時獲取相關檢測點的數據；對采集得到的數據，進行分析、處理并存儲；當達到或超過瓦斯突出事故報警限時，發出瓦斯突出報警信息，發生時間、地點的自動判識和及時報警，及時發出斷電指令。

4.2掘進工作面瓦斯突出報警與斷電控制

掘進工作面的瓦斯突出事件是由井下多功能監控器進行判斷，實施報警、斷電的。當發生下述情況之一時，可發出瓦斯突出報警并實施就地切斷本區域的供電電源。

1）掘進工作面甲烷濃度迅速增高或達到報警值（1.0%CH4）；掘進巷道回風流甲烷濃度迅速增高或達到報警值（1.0%CH4），掘進巷道回風速、或采區回風巷風速不低于正常值。

2）掘進工作面甲烷濃度迅速增高或達到報警值（1.0%CH4）；掘進巷道回風流甲烷濃度迅速增高或達到報警值（1.0%CH4），一翼回風巷或總回風巷甲烷濃度迅速增高或達到報警值（0.7%CH4），一翼回風巷或總回風巷風速不低于正常值。

3）掘進工作面甲烷濃度迅速增高或達到報警值（1.0%CH4）；掘進巷道回風流甲烷濃度迅速增高或達到報警值（1.0%CH4）；掘進工作面進風風向風流逆轉、或采區進風巷風流逆轉、或一翼進風巷風流逆轉。總進風巷風流逆轉。

4）掘進工作面甲烷濃度迅速增高或達到報警值（1.0%CH4）；掘進巷道回風流濃度迅速增高或達到報警值（1.0%CH4）；采區進風巷甲烷濃度迅速增高或達到報警值（0.5%CH4）、或一翼進風巷甲烷濃度迅速增高或達到報警值（0.5%CH4）、或總進風巷甲烷濃度迅速增高或達到報警值（0.5%CH4）。

4.3采煤工作面瓦斯突出報警與斷電控制

綜采工作面的瓦斯突出事件是由井下多功能監控器進行判斷，實施報警、斷電的。當發生下述情況之一時，可發出瓦斯突出報警并實施就地切斷本區域的供電電源。

1）工作面的甲烷濃度迅速增高或達到報警值（1.0%CH4）；工作面回風巷、采區回風巷的甲烷濃度迅速增高或達到報警值（1.0%CH4），回風巷風速傳感器監測到的風速不低于正常值。

2）工作面的甲烷濃度迅速增高或達到報警值（1.0%CH4）；工作面回風巷、采區回風巷的甲烷濃度迅速增高或達到報警值（1.0%CH4）；一翼回風巷甲烷濃度迅速增高或達到報警值（0.7%CH4），一翼回風巷風速不低于正常值，或總回風巷的甲烷濃度迅速增高或達到報警值（0.7%CH4），總回風巷的風速不低于正常值。

3）工作面的甲烷濃度迅速增高或達到報警值（1.0%CH4）；工作面上隅角、回風巷、采區回風巷的甲烷濃度迅速增高或達到報警值（1.0%CH4），一翼回風巷、總回風巷甲烷濃度迅速增高或達到報警值（0.7%CH4）。

4）工作面、回風巷、上隅角的甲烷濃度迅速增高或達到報警值（1.0%CH4）；進風巷的甲烷濃度迅速增高或達到報警值（0.5%CH4）；進風巷風向風流逆轉；或采區進風巷風向風流逆轉、或一翼進風巷風向風流逆轉。

5）工作面、回風巷的甲烷濃度迅速增高或達到報警值（1.0%CH4）；進風巷（靠近工作面）、總進風巷的甲烷濃度迅速增高或達到報警值（0.5%CH4）。

4.4瓦斯突出報警系統軟件

煤與瓦斯突出報警的監控軟件采用組態軟件，該軟件適用廣泛、實用性強，便于編輯。軟件人員可根據高瓦斯礦井和瓦斯突出礦井的實際情況，編輯瓦斯突出報警條件、方式及報警內容，瓦斯突出事故及其發生時間、地點的自動判識等內容。主要可以實現以下功能：

1）顯示功能。可實現列表顯示、分類顯示、模擬圖顯示。

2）瓦斯涌出量的統計功能。瓦斯突出報警系統軟件可統計瓦斯涌出量。根據巷道的截面積、風速值及時間，統計從甲烷迅速增高時刻開始，到甲烷恢復正常值為止的瓦斯涌出量。

3）波及范圍自動預測功能。a.瓦斯突出事故發生后，當進風處甲烷檢測值和風速檢測值均為正常時，按順風流進行預測波及范圍；采區回風→一翼回風→總回風。b.瓦斯突出事故發生后，當進風處甲烷檢測值和雙向風速均為報警時，預測潑及范圍除順風流外還應包括進風處。

4）調用查詢功能。可實現相關瓦斯突出檢測數據及分析結果的調用查詢、曲線調用和瓦斯突出事故報警查詢功能。

5）報表統計及打印功能。可生成瓦斯突出事故報警報表并打印輸出功能。

5　實際應用

1）案例1。山西陽煤集團溫家莊礦設計生產能力100萬t/a，計劃生產能力200萬t/a，按高瓦斯礦設計，2007年投入生產。使用該瓦斯突出報警系統后，在2013年8月23日掘進工作面施工時，發生瓦斯突出現象，掘進工作面甲烷值迅速升高，最高值高達10.5%CH4，持續了4 min時間，回風流甲烷值隨后升高，最高值達到3.6%CH4，持續12 min恢復到0.9%CH4以下。統計瓦斯涌出量100 m3。當掘進工作面甲烷值達到0.9%CH4時，系統及時發出了甲烷超限報警信號，并切斷該區域的供電電源，同時撤離作業人員。成功的避免了一次因瓦斯突出引發的事故。此次瓦斯突出屬于低能量指標突出，進風出甲烷、風速均為正常值，沒有造成返風流。按順風流進行預測波及范圍，采取防范措施。

2）案例2。山西晉煤集團長平礦設計生產能力450萬t/a，計劃生產能力600萬t/a。按高瓦斯礦設計，2005年投入生產，使用該系統后，在2014年7 月17日綜采工作面出現煤幫垮塌，造成瓦斯突出現象，上隅角甲烷傳感器監測值迅速升高，甲烷值高達2.3%CH4，維持2 min。系統及時發出了甲烷超限報警信號并切斷該區域的供電電源。因瓦斯突出的能量比較小，回風處的甲烷監測值由原來的0.5%CH4上升到0.9%CH4，未達到報警線。

6　結束語

在當今的技術條件下，還不能對煤（巖）與瓦斯突出進行準確的預測和預報，但

可以通過瓦斯突出報警系統，實時監測煤礦井下采、掘工作面環境中瓦斯濃度和風速風流的變化情況，分析煤（巖）瓦斯是否產生突出，一旦發生瓦斯突出現象，切斷煤礦井下瓦斯突出區域范圍內的電源，避免或減少瓦斯爆炸事故發生。同時，進行煤與瓦斯突出報警，撤出煤礦井下作業人員，避免或減少人員傷亡。

[1]趙明鵬,王宇林,梁冰,等.煤(巖)與瓦斯突出的地質條件研究——以阜新王營礦為例[J].中國地質災害與防治學報,1999(1):15-20.

[2]瓦斯噴出和煤(巖)與瓦斯突出[J].能源與節能,2014(12):170.

[3]劉鋒.一起瓦斯突出事故案例引起的分析與反思[J].企業技術開發,2015(5):175-176.

[4]吳自立.AE信號參數預測預報煤(巖)與瓦斯突出危險性的進展及展望[J].礦業安全與環保,2005(1):27-29.

[5]楊景波.煤(巖)與瓦斯突出影響因素分析[J].陜西煤炭,2008(3):16-18.

[6]孫繼平.煤礦監控新技術與新裝備[J].工礦自動化,2015(1):1-5.

[7]畢萬全,蔣承林,王智立,等.煤(巖)堅固性系數測定的準確性和穩定性研究[J].煤礦安全,2012(8):41-44.

[8]程紹仁,賈有根,郭恩生,等.晉城地方煤礦高瓦斯礦區煤與瓦斯突出防治的初探[J].礦業安全與環保,2004(6):44-47.

（編輯：樊敏）

Monitoring and Alarming System of Coal（Rock）and Gas Outburst

HAO Chengnan1，2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China 2.Tianjin Coal Electronic In Formation Engineering Co.,ltd.,Tianjin 300010,China)

The monitoring and alarming system of coal(rock)and gas outburst could effectively monitor gas and ventilation parameters in intake airway and return airway of mining face and driving face, return airway of mining area,and main return airway,as well as reverted air flow caused by coal and gas outburst.The system could also realize the automatic identification on the time and place of outburst accidents,sound an alarm,cut off power,adopt measures on personnel evacuation,and automatically predict the gas inrush content and range,in order to improve safety management and protect mine and staff from secondary disasters.

coal rock;gas;monitoring;alarming system

TD712

A

1672-5050（2016）02-0058-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.018

2015-10-29

郝程楠（1984-），男，天津人，在讀工程碩士，工程師，從事煤礦安全管理工作。