礦井安全監控與防護系統的控制研究

張 芳

（山西蘭花科技創業股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 晉城 048400）

伯方煤礦位于山西省高平市城區西北約10 km的寺莊鎮。礦井周圍分布河流，礦井地形為低山丘陵。由于礦井一側常年有丹河水通過，對礦壁有一定的影響，礦井的北部區域斷層較多，斷層間隙雖有泥沙等其他物質填充，但是水位上漲或地質結構變化，會導致涌水量增加，威脅礦井的安全。除此之外，影響煤礦安全的因素主要體現在井下作業的地質環境、電氣設備安全、礦井支撐結構等方面。

在煤礦企業中占首要地位的就是安全生產[1]，為了進一步提高煤礦企業安全生產的條件，增強煤礦企業對工作環境中潛在的風險識別的能力和應對突發事故的能力，需要開發應用場景更加廣泛、檢測參數更具多樣性、防護措施更迅速且有效的系統。

1 礦井安全監控系統運用現狀

根據伯方煤礦的自身特點，從影響煤礦安全的角度出發，針對煤礦進行實地考察，發現當前煤礦在監測可燃性氣體、有害氣體等關鍵性安全因素時仍存在缺陷，對火災、水災、礦坑坍塌等安全事故無法很好地預防或在發生事故時采取最佳防護與救援措施。

2 礦井安全監控與防護系統總體方案

為了能夠有效地將礦井的監控與防護形成一套完整的閉環控制，系統主要由三部分構成，即監控部分、控制部分、執行部分，如圖1。監控部分包括大氣溫濕度傳感器、有害氣體濃度監測傳感器、紅外線溫度傳感器、氧氣濃度監測傳感器、礦壁壓力監測模塊、礦坑水位監測模塊、地質運動監測模塊。控制部分由帶有控制電路的單片機組成，其內部含有整個系統的控制策略。執行部分包括通風設備、語音報警器、礦坑支撐組件、地面傳輸機構（升降梯等）。

圖1 礦井安全監控與防護系統總體方案示意圖

生產礦井開采區域以及設備電氣存放區域都有明確的環境溫度要求，當溫度高于或低于限值，都會影響礦區的正常生產[2]。溫度與電氣設備的使用壽命呈反線性變化，溫度越高，使用壽命越低，當溫度超過其承受最高值時，電氣設備將會產生斷路、擊穿等損壞性故障，嚴重時容易引發安全事故。

礦坑中的水害主要分為兩大類：一類是從地面流入礦坑，另一類是礦坑內部特殊的地質條件（地下水或其他儲水結構）導致礦井與其連通而造成水害。當礦井與地質中水量較多且易造成水害的區域相鄰時，礦壁的壓力會隨著開采深度明顯升高，礦壁的溫度也會發生較大的變化。

3 礦井安全監控與防護系統的控制策略

在礦井中使用該系統，系統對礦井開采區域、電氣存放區域、礦壁表面進行溫度、濕度、氧氣濃度、可燃性氣體濃度、有害氣體濃度、礦壁壓力、積水深度等參數進行監測，如監測數據異常或超過限制，系統進行報警或采取相應措施。

（1）伯方煤礦開采區域、電氣存放區域溫度異常

當系統監測到溫度異常后，控制模塊對溫度模塊進行溫度校驗，判斷溫度傳感器工作是否正常。如溫度傳感器工作異常，控制模塊發送信號至報警器，報警器發出警報提示溫度傳感器異常并需要進行更換；如溫度傳感器工作正常，控制模塊對異常的溫度數據進行記錄并與正常的溫度閾值進行對比。如單位時間內溫度持續異常，控制模塊發送信號至報警器，報警提示該區域溫度異常，需要維護人員進行檢查，同時控制模塊通過調節溫控設備，將異常區域溫度穩定在正常水平，并每隔單位時間，控制模塊停止調節溫控設備；如溫度仍異常將繼續進行調控，直至自然狀態下溫度恢復正常值，報警取消，系統重新回到監測狀態。

（2）伯方煤礦內氧氣、可燃性氣體、有害氣體濃度異常

由表1可見,正交試驗反映,以異丙醇為脫水劑,脫水干燥的方式制備復方精油膠囊,最佳工藝條件組合為 A1B3C3D2,即芯壁比1∶2,水合速度為20 500 r/min,水合時間為30 min,水合溫度為50 ℃; 工藝因素對復方精油微膠囊包埋率指標的影響程度按由大到小排列為芯壁比、水合時間、水合溫度、水合速度。根據正交試驗結果優選出的配方,制備復方精油微膠囊3個樣品,平均包埋率為79.67%±0.73%。

當系統監測到礦井內氧氣、可燃性氣體、有害氣體濃度異常后，控制模塊對氣體模塊進行校驗，判斷氣體模塊是否工作正常。如氣體模塊工作異常，控制模塊發送信號至報警器，報警器發出警報提示氣體模塊工作異常，需要維修部件或更換標氣瓶；如氣體模塊工作正常，控制模塊對氣體異常的數據進行記錄并與正常的氣體濃度進行對比。如單位時間內氣體濃度仍持續異常，控制模塊發送信號至報警器，報警提示某氣體濃度異常，同時控制模塊通過調節通風設備，將異常區域氣體濃度穩定在正常水平，并每隔單位時間，控制模塊停止調節通風設備；如氣體濃度仍異常將繼續進行調控，直至經過正確處理，自然狀態下氣體濃度恢復正常值，報警取消，系統重新回到監測狀態。

（3）伯方煤礦礦壁表面壓力異常、礦井內積水深度超限

當系統監測到礦井礦壁表面壓力異常后，控制模塊對壓力模塊進行校驗，判斷壓力模塊是否工作正常。如壓力模塊工作異常，控制模塊發送信號至報警器，報警器發出警報提示壓力模塊工作異常，需要維修部件；如壓力模塊工作正常，控制模塊對礦壁表面壓力異常的數據進行記錄并與正常的壓力值進行對比。如單位時間內壓力持續異常，控制模塊發送信號至報警器，報警提示礦壁壓力異常，立刻停止作業，并提醒專業人員對礦壁進行查看，避免出現嚴重水害。同時控制模塊啟動抽水裝置，預防大量地下水沖破礦壁，涌入礦井。

當系統監測到礦井內積水深度超限后，控制模塊發送信號至報警器，報警器發出警報提示水位深度超過安全警戒，提醒人員停止作業并迅速撤離危險區域，同時控制模塊啟動抽水裝置，將積水排除，當水位回落至安全范圍內，報警取消，系統重新回到監測狀態。

（4）伯方煤礦附近地質運動劇烈或異常

當系統監測到礦井內部或附近地質運動劇烈或產生異常后，控制模塊對地質模塊進行校驗，判斷地質監測模塊是否工作正常。如地質模塊工作異常，控制模塊發送信號至報警器，報警提示地質模塊工作異常，需要維修或更換部件；如地質模塊工作正常，控制模塊對地質運動異常的數據進行記錄并與正常狀態進行對比。如單位時間內地質運動仍持續異常，控制模塊發送信號至報警器，報警提示地質運動異常，提醒人員停止作業，同時控制模塊通過調節礦坑支撐組件，加強礦井的抗震強度，啟動地面傳送機構或升降電梯，將礦井內人員迅速撤離至地上安全區域。

礦井安全監控與防護系統的控制策略如圖2。

圖2 礦井安全監控與防護系統的控制策略

4 預防與控制效果

以可燃性氣體濃度升高預防事故的風險為例，在實驗室環境下，將礦井安全監控與防護系統的控制模塊放置在密閉的容器中，使用氣體濃度監測模塊監測可燃性氣體濃度?？扇夹詺怏w的燃點和混合氣的爆炸范圍見表1[3]。

表1 可燃性氣體的燃點和混合氣的爆炸范圍（大氣壓力：101 325 Pa）

煤礦開采過程中礦井中的有害氣體濃度最高限值見表2。

表2 礦井有害氣體濃度限值

在密閉容器上開一個小孔，并用可開閉的蓋子封上，蓋子可由電機打開。將控制模塊連接電機并同時接入一個小風扇，風扇可將可燃性氣體稀釋并在蓋子打開時將部分氣體吹出容器?？刂颇K中將氣體濃度報警值設置為限值的80%，測試結果如下：

以一氧化碳為例，從濃度0.000 1%開始，按每秒增加0.000 2%，控制模塊工作與非工作（無控制模塊條件下）時一氧化碳的濃度增長趨勢如圖3。

圖3 一氧化碳的濃度增長趨勢

當不使用安全監控與防護系統的控制策略時，一氧化碳濃度的增長與時間呈線性關系，在13 s 時，一氧化碳的濃度已達到礦井有害氣體的限值。當控制模塊工作時，風扇啟動，電機接通，密封容器上的蓋子打開，部分一氧化碳氣體被吹出，氣體濃度下降，13 s 后，一氧化碳的濃度穩定在20%附近。即使一氧化碳濃度在持續增加，也能維持在平穩的狀態，且小于氣體濃度限值。

從上述數據可以看出，使用安全監控與防護系統能夠對煤礦事故進行有效預防并有著良好的控制效果。

5 結 語

煤礦由于特殊的工作環境，影響其安全生產的因素眾多，如地下的有害氣體、可燃性氣體、過多的積水、地質的劇烈變動等，這些因素都容易造成礦井事故，嚴重時導致人員傷亡和財產損失。采用合理且全面的控制方式和控制策略，能夠讓礦井安全監控與防護系統更加有效的幫助煤礦企業預防和應對突發事故，為后續的深入研究提供了一定的理論依據和指導意義。