礦井瓦斯防治及通風控制系統的研究

趙鵬飛

（山西朔州山陰蘭花口前煤業，山西 朔州 036900）

引言

礦井綜采作業安全是煤礦安全生產的核心，根據對煤礦安全生產事故的統計，瓦斯突出事故占據了整個安全事故的46%以上，已經成為威脅煤礦生產安全的頭號“殺手”。通過對井下瓦斯突出事故案例的分析，發現多數事故的發生均是由于對瓦斯濃度變化情況監測失效，未及時進行預報預警，導致錯過最佳調控時機。因此針對目前煤礦井下瓦斯監測系統靈敏度差、預警率低的現狀，結合煤礦智能化生產的需求，提出了一種新的礦井瓦斯防治和通風系統改善方案，通過建立高靈敏性的瓦斯預警體系，實現對井下瓦斯濃度變化的實時監測，同時將該系統和井下通風智能控制系統進行集成，預警系統將瓦斯濃度變化情況傳遞到控制中心，控制中心判斷后發出調整指令，控制通風系統進行調整，確保井下瓦斯濃度實時處在安全警戒值之下，實現了井下瓦斯防治的智能化控制。

1 礦井智能通風控制系統結構

根據煤礦井下瓦斯監測、防治及通風聯動控制的需求，本文所提出的礦井智能通風控制系統主要包括瓦斯濃度監測模塊、智能控制模塊、風機運行狀態調控模塊三個部分，其整體結構如圖1所示[1]。

由圖1可知，該系統以煤井下瓦斯濃度監測模塊所傳遞來的數據信號作為系統的調節信號，通過對監測區域內瓦斯、一氧化碳、粉塵等有害氣體的監測，來判斷區域內的通風安全性，當危險氣體含量超標時系統控制風機加速，通過增加空氣流動量的方式，減少有害氣體的集聚。在調整過程中系統持續對危險氣體含量和通風情況進行監控，若達到最大通風狀態后巷道內危險氣體含量繼續上升，則系統同時發出報警信號。提醒井下作業人員及時撤離，并提醒操作人員采取應急措施，避免發生瓦斯爆炸等事故，提升井下綜采作業的安全性。

圖1 礦井智能通風控制系統

在該系統中，控制核心為智能控制模塊，能夠滿足對瓦斯監測、風機運行參數的收集、分析和控制，風機運行狀態調控模塊主要是指以變頻傳感器為核心的控制部分，根據控制模塊發出的控制指令，靈活調整風機的運行狀態，滿足井下通風安全需求。瓦斯濃度監測模塊是該控制系統的基礎，通過對井下監測區域內瓦斯狀態的監測為系統的調整提供數據支撐，確保系統調整的精確性。

2 瓦斯濃度監測裝置結構

為了滿足對井下監測區域內瓦斯含量監測精確性的需求，所使用的各類傳感器設備必須具有很高的靈敏性，經過對多種傳感器的實際應用情況分析，最終確定其靈敏性不應大于0.01%，運行時的功耗不超過100 mW，而且需要滿足井下防爆的實際需求[2]。

結合煤礦井下實際情況和瓦斯濃度監測需求，本文提出的井下瓦斯濃度監測裝置整體結構如圖2所示，主要包括了監測分站和交換機系統。監測分站是設置在不同區域的監測單元，主要包括了瓦斯濃度監測、一氧化碳氣體監測、井下通風情況、巷道掘進深度監測等。監測分站獲取區域內的監測信息后首先對數據進行分析，排除掉無關信息，然后將區域內空氣質量狀態傳輸到交換機，經過數據信息轉換后再傳遞給智能通風控制系統，滿足井下數據傳遞和監測需求。為了保證數據傳遞的效率和安全性，系統采用了光纖通信網絡，滿足快速、抗干擾性的數據傳輸需求[3]。

圖2 瓦斯濃度監測裝置示意圖

3 系統風量測量裝置結構

在傳統的瓦斯防治及通風控制系統中，對風量和風壓的監測主要是在風機前端設置風速和風壓傳感器的方式測量，但該方案測量方式精確性較差，而且當風流出現變動時極易產生測量偏差，導致系統對風機運行狀態進行誤調節，影響井下通風安全。本文提出了一種新的井下通風系統風量測量裝置，其整體結構如圖3所示[4]，圖中D表示風機的通徑。

由圖3可知，該風量測量裝置由取壓管、壓力傳感器和鋼管構成，取壓管上分布著迎風孔和背風孔，迎風孔主要用于測量風機運行過程中的迎風壓力，背風孔主要用于測量風機運行過程中的背風壓力。風量測量裝置和風機上的測壓環1、測壓環2相連接，從而實現對風機運行過程中風機運行狀態的全面監測。當由于增加了取壓管，因此能夠對風機運行時的紊流進行調整，避免了因紊流導致的風量測量失效，提升了系統對風機運行狀態調整的精確性。

圖3 風量測量裝置結構簡圖

4 應用情況分析

該井下瓦斯防治及通風控制系統自投入使用以來，能夠根據井下瓦斯及其他有害氣體含量的變化，快速進行井下報警和定位，同時能夠根據自動控制風機運行狀態進行調整，快速增加異常區域的風量，有效避免有害氣體濃度的進一步提升。根據實際監測，自應用以來，該系統能夠將井下瓦斯預警時間縮短96.4%，將預警準確率提升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效率和綜采作業安全，該瓦斯防治及通風控制系統監控界面如圖4所示。

圖4 瓦斯防治及通風控制系統監控界面

5 結論

1）礦井智能通風控制系統主要包括瓦斯濃度監測模塊、智能控制模塊、風機運行狀態調控模塊三個部分；

2）瓦斯濃度監測裝置，其靈敏性不應大于0.01%，運行時的功耗不超過100 mW，而且需要滿足井下防爆的實際需求。

3）新的風量測量裝置能夠對風機運行時的紊流進行調整，避免了因紊流導致的風量測量失效，提升了系統對風機運行狀態調整的精確性。

4）該系統能夠將井下瓦斯預警時間縮短96.4%，將預警準確率提升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效率和綜采作業安全