煤礦井下通風監測與預警系統的研究

張 杰

（中煤大同能源有限責任公司， 山西 大同 037001）

引言

隨著綜采技術的不斷進步，煤礦綜采作業的深度、巷道長度等不斷的增加，對煤礦井下通風系統的運行安全性和靈敏性的要求也更高。作為煤礦井下安全作業的核心，煤礦井下通風系統的運行穩定性直接決定了煤礦井下綜采作業的安全性，一旦井下空氣中的瓦斯或者粉塵濃度超過警戒值而通風系統又不能及時進行調整，將導致出現井下人員中毒、瓦斯爆炸等事故，給煤礦井下的安全生產帶來嚴重的影響。傳統的通風控制系統只能控制通風機以恒定的轉速運行，無法有效地對通風系統的運行安全進行監測，當故障完全顯現后往往已經無法及時對井下人員進行疏散，造成嚴重的事故[1]。本文提出了一種新的煤礦井下通風監測與預警系統。

1 煤礦井下通風監測與預警系統結構

針對現有通風安全監測系統所存在的監測誤差大、可靠性差的現狀，本文所提出的新的煤礦井下通風安全監測與報警系統主要包括煤礦井下環境監測傳感設備、工業以太網數據傳輸系統以及地面監控中心等，井下環境監測傳感設備主要用于對巷道內的風量、瓦斯濃度、粉塵濃度等進行監控，工業以太網[2]數據傳輸系統則用于確保整個系統數據通信的可靠性和快速性，地面監控中心主要用于顯示各類監測結果并提供報警和決策控制，該系統的整體結構如圖1 所示[3]。

圖1 煤礦井下通風安全監測與預警系統整體結構示意圖

該通風安全監測系統在工作時，首先通過底層的巷道環境監測傳感系統對煤礦井下巷道內空氣的流速、粉塵濃度、瓦斯含量等進行監測，將監測數據和系統設定的各類警戒線數值進行對比，當關鍵參數的控制數據超出警戒標準后系統將把數據傳輸給下位機控制器，控制器通過對粉塵濃度、瓦斯濃度含量變化速率的分析，確定需要調整的通風系統的流速，然后將控制信號轉換為電信號，對變頻器的輸出進行調控，最終實現對煤礦井下通風系統風量的調整，確保各個監控數據維護在安全值以下。在整個過程中系統會將調節參數和監測結果實時顯示在地面監控中心的監測平臺上，便于控制人員的觀測和調整。當監測數據超出報警線且繼續快速上升并判斷通風系統出現異常、無法快速調整時，系統將發出報警信號，提醒井下作業人員及時撤離，同時確定故障原因，將其傳遞給監控人員，確保井下的緊急撤離并快速對通風系統的運行異常進行排查，快速恢復井下正常通風。

2 煤礦井下通風監測系統的閉環控制

為了滿足該通風系統對煤礦井下通風安全的調節需求，在該監測與預警系統中采用了閉環調節控制模式[4]，該閉環調節主要包括了兩個部分，一部分是將地面監控中心控制人員的控制指令傳遞給煤礦井下的下位機控制中心，控制風機的運行狀態。第二部分是將井下環境監測傳感器的監控結果傳輸給下位機控制中心，用于控制變頻器的運行，滿足對風機運行狀態的調整，同時將調控結果再次反饋到下位機控制中心內，實現對井下通風狀態的動態調整和控制，滿足通風安全和經濟性的需求，該煤礦井下通風安全監測系統的閉環控制結構如圖2 所示[5]。

圖2 監控系統閉環控制結構示意圖

3 煤礦井下通風機布置結構

為了適應該煤礦井下通風監測系統，對某礦的井下通風系統的布置結構進行了優化，如圖3 所示。

圖3 煤礦井下通風系統結構示意圖

由圖3 可知，該通風系統主要設置了一組變頻調速系統，該系統和煤礦井下通風安全監測系統相連接，通過接收通風安全監測系統的調整控制信號，來實現對通風機運行狀態的調整。該通風系統中每個位置采用了兩套風機，這兩個風機一用一備，確保通風的安全性。兩組風機均配備了相互獨立的風道，在風道端部設置有通風閘門，用于實現風量調節和風機轉換，在風道出口處設置有壓力傳感器和風量傳感器，用于對通風情況進行監測并反饋給預警監測系統。

4 煤礦井下通風安全監測與預警系統的應用

以某礦通風系統為改造對象，對其應用情況進行了研究。該礦通風安全監測與預警系統的監控界面如圖4 所示。

5 結論

圖4 煤礦井下通風安全監測與預警系統的監控界面

1）該控制系統包含了井下環境監測傳感設備、工業以太網數據傳輸系統以及地面監控中心三個部分，能夠對井下巷道內的風量、瓦斯濃度、粉塵濃度等進行監控，及時調整煤礦井下通風系統風機的運行情況，確保井下的通風安全。

2）該通風安全監測與預警系統采用了雙重閉環調節控制模式，能夠顯著提升煤礦井下通風系統的調節靈活性和控制精確性。

3）該監控系統能夠對井下環境的變化情況進行實時監測，出現異常后能夠第一時間進行調整，確保井下通風安全，將粉塵濃度和瓦斯濃度保持在安全值以下，當出現危險氣體濃度快速上升或者風機出現運行故障后能夠第一時間發出報警信號，具有反應速度快、穩定性高的優點。