煤礦井下瓦斯治理方案及通風系統的優化

徐 偉

（陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

作為國民經濟發展和進步的關鍵性能源資源，人類社會對煤炭的需求量不斷的提升，隨著綜采技術的不斷進步，煤炭綜采作業的深度、綜采作業的復雜性均有了極大的提升。煤炭在開采過程中會產生大量的瓦斯，如果不及時將瓦斯氣體排出，一方面會導致井下綜采作業人員中毒，另一方面當瓦斯濃度積聚到一定的程度時會產生瓦斯爆炸事故，給煤礦井下的綜采作業安全造成巨大的損失。傳統的瓦斯治理方案中主要是利用通風系統連續不間斷的大量排風將瓦斯含量進行稀釋，從而保證綜采作業安全，但實際應用過程中該方案存在著耗電量大、經濟性差，而且也無法確保瓦斯突然大量涌出時的緊急排風需求，給井下綜采作業安全造成了一定的安全隱患，因此本文提出了一種新的鉆孔布管抽采+通風系統優化方案，利用布管抽采的方案將瓦斯進行提前抽采，降低綜采作業過程中的瓦斯涌出量，同時采用微機控制及變頻控制技術，實現了礦井通風系統根據井下瓦斯含量靈活調整通風特性，實際應用表明該組合技術方案能夠有效的確保井下綜采作業的安全性。

1 鉆孔布管抽采技術

煤礦井下瓦斯的鉆孔布管抽采技術主要是指在井下高瓦斯含量區域進行預鉆孔對瓦斯進行抽采的方案，鉆孔時需要根據煤礦井下的實際地質條件旋轉性的布置多個抽放鉆場，每個抽放鉆場內設置4～8 個鉆孔，鉆場之間的距離不小于100 m，每個鉆孔的深度以鉆進到高壓裂隙帶為準，鉆孔的直徑通常選擇為80 mm。鉆孔設置完成后需要用管道將抽采區域的瓦斯排出，為了確保抽采過程中的穩定性和安全性，對鉆孔布管抽采工藝的封孔工藝要求極高。經過多次研究，本文提出了采用機械封孔的技術方案，該封孔設備的封孔原理如圖1 所示[1]。

圖1 機械封孔原理示意圖

由圖1 可知，在該機械封孔方案中，采用了大流量的封孔泵，封孔用的管道可采用厚臂型的PVC 套管，滿足在井下惡劣環境中長期工作的可靠性需求，抽采鉆孔在封孔時的封孔長度不小于9 m，封孔用的材料可選用高強度水泥料，首先將水泥、碎石、促凝劑、膨脹劑按照一定的比例進行攪勻，然后加入到封孔泵的料倉內，在封孔泵的作用下沿著注漿管道進入到封孔區域，完成封孔作業。該煤礦井下瓦斯治理方案的優點在于提前對瓦斯集聚區進行抽采，避免了在綜采作業過程中瓦斯的集中涌出，經濟性好、防止瓦斯突出的效果顯著，有效提升了井下綜采作業的安全性。

2 礦井通風系統的優化

針對多數礦井通風系統采用風機定功率運行模式所存在的調節靈活性差，無法適應井下多變的通風環境要求且通風電量消耗大、成本高的缺陷，結合通風系統的實際需求和發展趨勢，本文提出了一種新的FX-PLC 與變頻控制器相結合的礦井變頻通風控制系統，該控制系統的整體結構如圖2 所示[2]。

圖2 礦井通風變頻控制系統結構示意圖

由圖2 可知，該變頻控制系統主要包括FXPLC 控制中心、變頻控制器及CC-LINK 數據總線系統，該系統采用了閉環調節反饋的模式，根據監測到的煤礦井下瓦斯濃度的變化情況及時調節變頻控制器的輸出信號，實現對通風系統運行狀態的調節，滿足不同工況下的通風安全性的需求。同時在該通風控制系統的出風口處設置有風量傳感器和風壓傳感器，能夠實現對通風狀態的進一步調節，出現通風異常時及時報警并啟動備用風機方案[3]。

該控制系統采用了雙閉環控制的方案，將通風機的風量和風壓作為一個閉環項，將井下瓦斯濃度作為另一個閉環項，這兩個閉環項為分開反饋模式，分別對應兩個控制調節器，兩個控制調節器之間采用了串聯連接的方式，現將監測到的瓦斯濃度作為通風系統風量調節器的輸入信號，然后再用風量調節器的輸出信號作為風量霜反饋調節系統的控制參數，實現兩種反饋調節的優化配合，滿足對通風系統的靈活調節控制。

在雙閉環反饋調節控制系統中，通風風量的閉環作為系統的內環反饋系統，由于快速對井下通風系統的運行情況進行調整，實現在緊急情況下快速提升風機的運行風量，一致井下突發的瓦斯突出事故，增強通風系統的運行可靠性。將瓦斯濃度變化量作為系統的外環調節閉環，提高對井下瓦斯濃度的反應靈敏速度，該雙閉環反饋調節能夠實現在不同條件下對通風系統的穩定性控制需求。該雙閉環反饋控制系統整體結構如圖3 所示[4]，圖中TAG 表示系統設定的井下最大瓦斯濃度，以及系統設定的風機的最大風量，TC 表示井下瓦斯傳感器，FC 表示煤礦井下風機的通風量傳感器，TCS 表示系統實際監測到的瓦斯濃度。

3 瓦斯傳感器結構分析

作為礦井瓦斯檢測的核心，井下瓦斯傳感器的監測精度和可靠性直接決定了煤礦井下綜采作業的安全性和礦井通風系統的運行穩定性。目前常用的瓦斯傳感器主要包括了熱導式傳感器和熱效式傳感器，熱導式傳感器主要是是利用井下正常氣體和瓦斯的導熱級別的不同來對瓦斯進行探測的，結構相對簡單，但在工作時極易受到井下風量和濕度的影響，穩定性差，使用壽命低。熱效式傳感器主要是利用可燃的氣體在化學試劑的作用下進行自燃，通過改變電阻本身的溫度來對井下瓦斯的含量進行判斷，但該類型的傳感器功率消耗大而且傳統的燃燒性氣體容易受到硫元素的影響，在井下惡劣的工作環境中極易受到干擾，出現誤報的概率極大，但該類別的傳感器應用成本極低。為了提升井下瓦斯監測的可靠性和精確性，本文提出了一種新的以二氧化錫為可燃性敏感材料的熱效式瓦斯傳感器，該類型的傳感器主要由含有敏感材料的線圈和檢測電極構成，具有響應速度快、功耗低、穩定性好、使用壽命長的優點，極大的提升了井下瓦斯檢測的精度和經濟性，該瓦斯傳感器的結構如圖4 所示[5]。

圖3 礦井通風系統雙閉環調節結構示意圖

圖4 熱效式瓦斯傳感結構示意圖

4 結論

針對瓦斯突出危害性大、難預防的現狀，本文提出了一種新的鉆孔布管抽采+通風系統優化方案，利用布管抽采的方案將瓦斯進行提前抽采，降低綜采作業過程中的瓦斯涌出量，同時采用微機控制及變頻控制技術，實現了礦井通風系統根據井下瓦斯含量靈活調整通風特性，分析表明：

1）煤礦井下瓦斯的鉆孔布管抽采技術能夠提前對瓦斯集聚區進行抽采，避免了在綜采作業過程中瓦斯的集中涌出，經濟性好、防止瓦斯突出的效果顯著，有效提升了井下綜采作業的安全性。

2）FX-PLC 與變頻控制器相結合的礦井變頻通風控制系統，采用了雙閉環控制的方案，能夠實現對煤礦井下瓦斯含量的快速檢測，同時調整通風系統運行特性，滿足不同工況下的通風安全需求，同時顯著降低了井下通風的能量消耗。

3）以二氧化錫為可燃性敏感材料的熱效式瓦斯傳感器，具有響應速度快、功耗低、穩定性好、使用壽命長的優點，極大的提升了井下瓦斯檢測的精度和經濟性。