高瓦斯掘進面遠距離排抽控制技術研究

孫 凡 陳 騁 馮智鵬 李 偉

（煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122）

煤礦井下無計劃停電停風主要發生在掘進工作面或采用局扇送風的回采工作面，常常導致采掘工作面瓦斯積聚，停電停風后未檢查瓦斯濃度就隨意恢復送風、送電或因排放瓦斯措施落實不到位釀成的煤礦瓦斯爆炸事故屢見不鮮[1]。究其原因，主要是工人習慣性違章作業，出班時順手關停局部通風機或機電設備發生故障以及地面變電站或井下變電所突然停電所致。

目前，煤礦主要采用雙電源、雙風機和切換裝置的方式解決井下通風和瓦斯抽排問題，但由于系統設備多、切換裝置存在功能缺陷、控制開關設備落后、風筒接頭漏風等問題沒有得到解決[2]，局扇無計劃停電、停風造成瓦斯積聚的事故仍屢有發生。因此，研究高瓦斯掘進面遠距離排抽控制技術，在井下無計劃停電停風時，能自動開啟瓦斯抽放管道閥門，不僅能有效消除掘進工作面無計劃停電停風事故，還能對停風區、盲巷積存瓦斯進行自動排放，有效提高礦井瓦斯排放安全性，縮短排放瓦斯所用時間，對搞好礦井“一通三防”工作，實現煤礦安全生產具有重大意義。

1 技術方案概述

掘進面開采前要對煤層瓦斯進行預抽采，井下預抽采時通風管道使用局扇向巷道內送風，通過風流將環境瓦斯帶出；瓦斯抽放管道抽放煤層內涌出的瓦斯，兩套管道系統共同解決掘進面瓦斯超限問題。

原始的瓦斯抽放管道末端使用盲板封閉，經真空泵抽放后形成高負壓管道，抽取預開采煤層內瓦斯。將盲板換成可控制其開閉的電控閥門，正常抽放時處于關閉狀態。當通風局扇出現故障，無法向掘進面送風時，電控閥門迅速打開，通過瓦斯抽放系統將掘進面涌出瓦斯排出，從而保障工作面環境和人員安全。

圖1 控制系統框圖

高瓦斯掘進面遠距離排抽控制系統主要由電控閥門、液壓系統和控制器三部分組成。將電控閥門安裝在抽放管路末端，通風系統正常時，閥門處于關閉狀態；掘進面通風局扇與電控閥門形成閉鎖控制，使用同一路電源供電。

當局扇因上級供電系統故障而停止送風時，液壓系統的電磁閥組同時掉電，蓄能器瞬間釋放壓力控制閥門打開，通過抽放管路排出掘進面環境瓦斯；當局扇因本身機械故障而停止送風時，控制器檢測到局扇停止轉動，則向液壓系統發送開閥指令，控制閥門打開，對掘進面瓦斯進行抽放。

2 電控閥門

根據閥門的應用環境和結構特征，采用蝶閥作為抽采管道上的切換閥門；根據閥門的驅動形式和對關閉速度的要求，設計并實現高速驅動蝶閥的電液聯動系統，使用高速電磁閥和液壓油路系統快速驅動蝶閥，實現切換功能。

2.1 閥體結構設計

電控閥門閥體采用蝶閥結構，主要由閥體、閥桿、蝶板和密封圈組成。蝶閥是一種結構簡單的調節閥，適合用于瓦斯抽放管路開閉控制，只需旋轉90°即可快速啟閉，具有良好的流體控制特性，當蝶閥處于完全開啟位置時，蝶板厚度是介質流經閥體時唯一的阻力，因此通過該閥門所產生的壓降較小。

井下掘進面存在大量粉塵及懸浮顆粒，蝶板關閉時會影響其密封性。為了確保蝶板緊密關閉，在閥體內壁嵌入橡膠密封圈。關閉時密封圈與閥體密封面相互壓緊接觸，開啟時密封圈和閥座之間的整個密封面上相互同時脫開，無宏觀摩擦和擠壓，不產生火花，適合井下瓦斯環境。閥體結構如圖2所示。

圖2 電控閥門閥體結構圖

2.2 液壓系統設計

液壓系統是控制閥門開閉的驅動設備，主要由油箱電機油泵裝置、蓄能控制閥組、濾油管路系統、加熱系統功能、執行油缸等組成。

油箱電機油泵裝置主要用于儲存液壓裝置工作時需要的油液，同時供給系統所需壓力油和接收系統排回的液壓油；濾油管路系統過濾進入工作回路的油液；保證系統油液清潔及各控制閥能正常工作；蓄能控制閥組控制整個系統工作油液的走向，致使系統完成工作；執行油缸按系統要求控制驅動外界負載，實現閥體開閉。液壓原理如圖3所示。

圖3 液壓系統原理圖

蓄能控制閥組主要由集成塊、溢流閥、單向閥、卸壓閥、防爆電磁換向閥、液控單向閥、單向節流閥、防爆快關電磁閥、防爆壓力控制器、壓力表、插裝閥等組成。溢流閥設定系統安全壓力；節單向流閥調節系統開、關閥速度；壓力控制器設定系統工作壓力的上限、下限值；壓力表顯示系統管路內油液壓力。

蓄能控制閥組將蓄能器內的油通過各個閥門及高壓軟管傳送到執行油缸中，油液推動活塞運動從而帶動蝶閥轉動，完成開閥、關閥、停閥和快關閥等動作。

3 控制系統

控制系統是整個排抽系統核心，包括監測監控、顯示、事件記錄等模塊，主要用于采集信號，對數據進行處理；同時，系統具有自檢功能，對于錯誤信號借助LCD顯示屏向設備維護人員警示出錯信息。控制系統主要由PLC，本安電源，輸入、輸出隔離電路，RS485通訊電路，光電轉換器，顯示電路等組成。

3.1 電氣設計

掘進面遠距離排抽控制技術采用PLC智能控制方法，當傳感器檢測到通風局扇故障停止送風后，立即將電信號傳送到PLC控制器，控制器發出指令，液壓系統驅動蝶閥迅速打開，通過瓦斯抽放管路繼續排出掘進面瓦斯。PLC控制器電控原理圖如圖4所示。

圖4 控制系統原理圖

PLC模塊是排抽控制系統的控制核心，輸入信號包括通風局扇故障信號、手動控制信號和蝶閥閥體位置反饋信號；輸出信號控制蝶閥打開和關閉。控制系統還包括PLC擴展模塊，負責采集液壓系統的壓力、溫度傳感器信號，控制液壓系統蓄能器壓力維持在13～16MPa；當溫度低于5度時加熱器開始加熱，直至加熱至25度。

3.2 軟件設計

控制系統上電后進入初始化程序，初始化完畢后采集液壓系統壓力傳感器信號，經過處理后判斷蓄能器油壓是否正常，若壓力過低，則啟動油泵向蓄能器內充油；若正常則繼續判斷蓄能器油溫是否正常，若油溫過低，則啟動加熱器加熱液壓油，使其達到正常油溫，保障液壓系統工作正常。

系統進入在線監測通風局扇狀態程序后，持續檢測通風局扇工作情況，一旦收到故障信號，控制器迅速發出開啟蝶閥控制指令，并繼續監測局扇狀態，直到局扇恢復正常工作后，控制系統自動將蝶閥關閉，恢復井下掘進面通風系統和瓦斯抽放系統正常工作。

圖5 控制系統流程圖

4 現場試驗

高瓦斯掘進面遠距離排抽控制系統設計完成后，在山西潞安煤礦一水平二采區西（南）翼一區段（122區段）進行現場工業試驗。

4.1 工作面參數

該礦井采用壓入式通風，局部通風機安設在下組煤軌道巷新鮮風流中。新風經1#2#副井→集中運輸巷→下組煤軌道下山及局部通風機→下組煤軌道下山與行人斜巷聯絡巷到達掘進工作面，污風經行人斜巷上山→回風鉆孔→下組煤南部風道到達總排。工作面需風量160m3/min，通風距離140m，實行雙風機雙電源進行供風。

掘進工作面采用邊掘采邊抽方法抽取本煤層瓦斯，掘進期間瓦斯涌出量為16.3m3/min，井下抽放管路布置為：由地面抽放泵站（雙排管路）→瓦斯斜井（雙排管路）→回風大巷（雙排管路）→專用瓦斯巷→一采區大巷及111、122采掘順槽。支管路直徑250mm。

4.2 試驗及數據分析

將直徑為DN250的電控閥門安裝到瓦斯抽放支管路末端，并將液壓系統和控制器連接，液壓系統電磁閥組與通風局扇共用一路AC660V電源，系統連接完畢后上電，進入在線監測與控制程序，如圖6所示。

圖6 試驗連接圖

（1）通風供電系統故障，觀察液壓系統電磁閥組是否動作，用示波器測試電控閥門開啟時間；等待20min后，用甲烷傳感器測量掘進面環境瓦斯濃度；（2）局扇故障停風，觀察PLC是否能控制電控閥門開啟，用示波器測試開啟時間；等待20min后，用甲烷傳感器測量掘進面環境瓦斯濃度。每項試驗重復三次，試驗數據如表1所示。

表1 試驗數據

試驗結果表明，通風系統供電故障和局扇自身故障情況下，電控閥門均能在300ms內打開，通過瓦斯抽放支路排出掘進面環境瓦斯，經過20min后，122采區環境甲烷濃度小于1%。

5 結論

本文通過對高瓦斯掘進面遠距離排抽控制技術的研究，提出了一套遠距離排抽掘進面環境瓦斯的新方案，解決了因井下無計劃停電或局扇故障所帶來的瓦斯超限問題。為了實現瓦斯連續排抽，特別設計了由液壓系統驅動的電控閥門，可在無計劃停電時，自動開啟閥門；PLC遠程控制系統能在局扇故障時自動控制電控閥門打開，通過瓦斯抽放支路排抽掘進面環境瓦斯。試驗結果表明，電控閥門動作時間小于300ms，環境瓦斯可控制在1%以下，有效解決了掘進面瓦斯超限問題。

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