礦井瓦斯防治及通風(fēng)控制系統(tǒng)的研究

趙鵬飛

（山西朔州山陰蘭花口前煤業(yè)，山西 朔州 036900）

引言

礦井綜采作業(yè)安全是煤礦安全生產(chǎn)的核心，根據(jù)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)事故的統(tǒng)計(jì)，瓦斯突出事故占據(jù)了整個(gè)安全事故的46%以上，已經(jīng)成為威脅煤礦生產(chǎn)安全的頭號(hào)“殺手”。通過對(duì)井下瓦斯突出事故案例的分析，發(fā)現(xiàn)多數(shù)事故的發(fā)生均是由于對(duì)瓦斯?jié)舛茸兓闆r監(jiān)測(cè)失效，未及時(shí)進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警，導(dǎo)致錯(cuò)過最佳調(diào)控時(shí)機(jī)。因此針對(duì)目前煤礦井下瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈敏度差、預(yù)警率低的現(xiàn)狀，結(jié)合煤礦智能化生產(chǎn)的需求，提出了一種新的礦井瓦斯防治和通風(fēng)系統(tǒng)改善方案，通過建立高靈敏性的瓦斯預(yù)警體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下瓦斯?jié)舛茸兓膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)將該系統(tǒng)和井下通風(fēng)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行集成，預(yù)警系統(tǒng)將瓦斯?jié)舛茸兓闆r傳遞到控制中心，控制中心判斷后發(fā)出調(diào)整指令，控制通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，確保井下瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)處在安全警戒值之下，實(shí)現(xiàn)了井下瓦斯防治的智能化控制。

1 礦井智能通風(fēng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)煤礦井下瓦斯監(jiān)測(cè)、防治及通風(fēng)聯(lián)動(dòng)控制的需求，本文所提出的礦井智能通風(fēng)控制系統(tǒng)主要包括瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)模塊、智能控制模塊、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)控模塊三個(gè)部分，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

由圖1可知，該系統(tǒng)以煤井下瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)模塊所傳遞來的數(shù)據(jù)信號(hào)作為系統(tǒng)的調(diào)節(jié)信號(hào)，通過對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)瓦斯、一氧化碳、粉塵等有害氣體的監(jiān)測(cè)，來判斷區(qū)域內(nèi)的通風(fēng)安全性，當(dāng)危險(xiǎn)氣體含量超標(biāo)時(shí)系統(tǒng)控制風(fēng)機(jī)加速，通過增加空氣流動(dòng)量的方式，減少有害氣體的集聚。在調(diào)整過程中系統(tǒng)持續(xù)對(duì)危險(xiǎn)氣體含量和通風(fēng)情況進(jìn)行監(jiān)控，若達(dá)到最大通風(fēng)狀態(tài)后巷道內(nèi)危險(xiǎn)氣體含量繼續(xù)上升，則系統(tǒng)同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。提醒井下作業(yè)人員及時(shí)撤離，并提醒操作人員采取應(yīng)急措施，避免發(fā)生瓦斯爆炸等事故，提升井下綜采作業(yè)的安全性。

圖1 礦井智能通風(fēng)控制系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，控制核心為智能控制模塊，能夠滿足對(duì)瓦斯監(jiān)測(cè)、風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的收集、分析和控制，風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)控模塊主要是指以變頻傳感器為核心的控制部分，根據(jù)控制模塊發(fā)出的控制指令，靈活調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，滿足井下通風(fēng)安全需求。瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)模塊是該控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過對(duì)井下監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)瓦斯?fàn)顟B(tài)的監(jiān)測(cè)為系統(tǒng)的調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐，確保系統(tǒng)調(diào)整的精確性。

2 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

為了滿足對(duì)井下監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)瓦斯含量監(jiān)測(cè)精確性的需求，所使用的各類傳感器設(shè)備必須具有很高的靈敏性，經(jīng)過對(duì)多種傳感器的實(shí)際應(yīng)用情況分析，最終確定其靈敏性不應(yīng)大于0.01%，運(yùn)行時(shí)的功耗不超過100 mW，而且需要滿足井下防爆的實(shí)際需求[2]。

結(jié)合煤礦井下實(shí)際情況和瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)需求，本文提出的井下瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)裝置整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括了監(jiān)測(cè)分站和交換機(jī)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)分站是設(shè)置在不同區(qū)域的監(jiān)測(cè)單元，主要包括了瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)、一氧化碳?xì)怏w監(jiān)測(cè)、井下通風(fēng)情況、巷道掘進(jìn)深度監(jiān)測(cè)等。監(jiān)測(cè)分站獲取區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)信息后首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，排除掉無(wú)關(guān)信息，然后將區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量狀態(tài)傳輸?shù)浇粨Q機(jī)，經(jīng)過數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換后再傳遞給智能通風(fēng)控制系統(tǒng)，滿足井下數(shù)據(jù)傳遞和監(jiān)測(cè)需求。為了保證數(shù)據(jù)傳遞的效率和安全性，系統(tǒng)采用了光纖通信網(wǎng)絡(luò)，滿足快速、抗干擾性的數(shù)據(jù)傳輸需求[3]。

圖2 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)裝置示意圖

3 系統(tǒng)風(fēng)量測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的瓦斯防治及通風(fēng)控制系統(tǒng)中，對(duì)風(fēng)量和風(fēng)壓的監(jiān)測(cè)主要是在風(fēng)機(jī)前端設(shè)置風(fēng)速和風(fēng)壓傳感器的方式測(cè)量，但該方案測(cè)量方式精確性較差，而且當(dāng)風(fēng)流出現(xiàn)變動(dòng)時(shí)極易產(chǎn)生測(cè)量偏差，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行誤調(diào)節(jié)，影響井下通風(fēng)安全。本文提出了一種新的井下通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量測(cè)量裝置，其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示[4]，圖中D表示風(fēng)機(jī)的通徑。

由圖3可知，該風(fēng)量測(cè)量裝置由取壓管、壓力傳感器和鋼管構(gòu)成，取壓管上分布著迎風(fēng)孔和背風(fēng)孔，迎風(fēng)孔主要用于測(cè)量風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的迎風(fēng)壓力，背風(fēng)孔主要用于測(cè)量風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的背風(fēng)壓力。風(fēng)量測(cè)量裝置和風(fēng)機(jī)上的測(cè)壓環(huán)1、測(cè)壓環(huán)2相連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)測(cè)。當(dāng)由于增加了取壓管，因此能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的紊流進(jìn)行調(diào)整，避免了因紊流導(dǎo)致的風(fēng)量測(cè)量失效，提升了系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整的精確性。

圖3 風(fēng)量測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4 應(yīng)用情況分析

該井下瓦斯防治及通風(fēng)控制系統(tǒng)自投入使用以來，能夠根據(jù)井下瓦斯及其他有害氣體含量的變化，快速進(jìn)行井下報(bào)警和定位，同時(shí)能夠根據(jù)自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，快速增加異常區(qū)域的風(fēng)量，有效避免有害氣體濃度的進(jìn)一步提升。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)，自應(yīng)用以來，該系統(tǒng)能夠?qū)⒕峦咚诡A(yù)警時(shí)間縮短96.4%，將預(yù)警準(zhǔn)確率提升92.7%，將瓦斯突出事故量降低98.2%，顯著提升了煤礦井下的綜采作業(yè)效率和綜采作業(yè)安全，該瓦斯防治及通風(fēng)控制系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 瓦斯防治及通風(fēng)控制系統(tǒng)監(jiān)控界面

5 結(jié)論

1）礦井智能通風(fēng)控制系統(tǒng)主要包括瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)模塊、智能控制模塊、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)控模塊三個(gè)部分；

2）瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)裝置，其靈敏性不應(yīng)大于0.01%，運(yùn)行時(shí)的功耗不超過100 mW，而且需要滿足井下防爆的實(shí)際需求。

3）新的風(fēng)量測(cè)量裝置能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的紊流進(jìn)行調(diào)整，避免了因紊流導(dǎo)致的風(fēng)量測(cè)量失效，提升了系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整的精確性。

4）該系統(tǒng)能夠?qū)⒕峦咚诡A(yù)警時(shí)間縮短96.4%，將預(yù)警準(zhǔn)確率提升92.7%，將瓦斯突出事故量降低98.2%，顯著提升了煤礦井下的綜采作業(yè)效率和綜采作業(yè)安全