煤礦監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用與相應(yīng)趨勢研究

楊 洋

（中煤科工能源科技發(fā)展有限公司，天津 100000）

引言

當(dāng)前，煤礦生產(chǎn)安全是煤礦企業(yè)現(xiàn)代化管理的重要方面，對煤礦現(xiàn)場進(jìn)行安全生產(chǎn)監(jiān)控與監(jiān)測，可以有效降低煤礦生產(chǎn)安全事故發(fā)生，保障煤礦工人的生命財(cái)產(chǎn)安全。如今，煤礦生產(chǎn)已由小企業(yè)獨(dú)立統(tǒng)籌轉(zhuǎn)化為大公司系統(tǒng)化全局管理生產(chǎn)。系統(tǒng)化管理提高了煤礦公司的管理水平，也極大地減少了事故的發(fā)生。由于在煤礦開采過程中影響安全的因素很多，例如地質(zhì)條件、煤礦開采情況等，因此，煤礦工程師需要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，綜合分析，明確煤礦災(zāi)害與監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用之間的關(guān)系，采取針對性的預(yù)防措施，治理隱患，提高煤礦開采效率。

1 煤礦災(zāi)害類型及原因分析

1.1 煤礦災(zāi)害類型

當(dāng)前，隨著煤礦開發(fā)進(jìn)一步走深走實(shí)，煤礦開采技術(shù)和設(shè)備工藝也不斷發(fā)展，我國的煤礦機(jī)械化開采水平在全國得以大面積的推廣和應(yīng)用，煤礦災(zāi)害事故越來越少。但是，一些煤礦密閉空間和較復(fù)雜的煤礦聚集場所仍然會存在災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[1]。例如，頂板區(qū)域、煤層淺埋區(qū)和深部開采區(qū)域等。煤礦冒頂問題是煤礦事故發(fā)生的重要原因之一，主要發(fā)生在煤礦隧道的側(cè)部、煤礦出口、煤礦的復(fù)雜構(gòu)造區(qū)和煤礦的頂?shù)装宓任恢?。由于煤的物理性質(zhì)較為松軟，煤礦一旦聚集，極易發(fā)生冒頂，需要用專門的支架進(jìn)行固定。在煤礦的出口區(qū)，由于存放大型挖掘設(shè)備，容易阻礙煤礦的運(yùn)輸。出口區(qū)域需要采取一定的支撐措施，采用相關(guān)支撐設(shè)備來維持煤礦出口穩(wěn)定，在較復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)，煤礦的煤渣常呈碎裂狀，需要對其進(jìn)行穩(wěn)定加固。煤礦在開采過程中，容易遇到一些地質(zhì)方面的問題，有可能會造成大面積冒頂現(xiàn)象。

煤礦在開采過程中，也會引發(fā)災(zāi)害性事故。在煤礦掘進(jìn)過程中，容易誘發(fā)頂部塌陷，如果不及時(shí)支護(hù)，可能會引發(fā)冒頂事故，需要對煤礦的頂部進(jìn)行支撐，可以從頂部或者是煤礦內(nèi)部采取措施。另外，在煤礦洞穴內(nèi)的交叉處容易引發(fā)塌陷事故，需要對其進(jìn)行支撐和加固，提高支護(hù)的強(qiáng)度。對煤礦隧道內(nèi)的頂部要進(jìn)行全局加厚，保護(hù)煤礦構(gòu)造區(qū)的穩(wěn)定性，避免冒頂和頂板塌陷事故發(fā)生。

1.2 原因分析

煤礦災(zāi)害事故發(fā)生的原因主要可以分為兩個(gè)方面，一是自然因素，二是開采措施因素。

1）自然因素。在煤礦開采過程中，煤層與地層的傾角大小會對煤礦內(nèi)部探車和設(shè)備相關(guān)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。如果煤礦傾角過大或者頂板穩(wěn)定性較差，探車極易翻車失穩(wěn)，探車前端容易遇到塌陷事故，需要在鉆探過程中不斷地對煤礦隧道周緣進(jìn)行支護(hù)[2]。圍巖的性質(zhì)也對煤礦內(nèi)部穩(wěn)定性有影響，若圍巖是砂巖或者是厚層的泥巖，則可以有效地保護(hù)煤礦穩(wěn)定性。若煤礦周緣是細(xì)碎的煤焦，則無法起到支護(hù)作用，需要對其進(jìn)行特殊加厚與加固。地質(zhì)構(gòu)造也會對煤礦內(nèi)部的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，如果地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，煤層的巖性產(chǎn)出則以碎屑煤渣為主。在這種情況下，煤礦內(nèi)部開采動作過大，極易發(fā)生各種大規(guī)模的塌陷現(xiàn)象，引發(fā)開采事故。

2）開采措施方面的因素。開采措施因素主要與開采的施工過程和相關(guān)開采工藝有關(guān)，需要合理控制施工工藝參數(shù)，區(qū)分開采技術(shù)的相關(guān)影響因素，具體的影響因素有隧道內(nèi)部的布置方式、煤柱高度、隧道支護(hù)與相關(guān)參數(shù)、尺寸落煤方式以及頂板加固程度等。開采措施因素屬于人為因素，常對開采過程起決定性影響，因此，需要減少隧道內(nèi)的應(yīng)力，控制圍巖的強(qiáng)度和變形，優(yōu)先布置，考慮支護(hù)的措施，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高支護(hù)裝置的強(qiáng)度，確保采掘設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

2 煤礦監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 煤礦檢測監(jiān)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，煤炭利用率越來越高，煤炭占我國的能源比重越來越大，煤礦的監(jiān)測與監(jiān)控技術(shù)取得了重大突破，它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測煤礦井下的實(shí)際情況，提前把第一手?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)告煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，保障煤礦工人安全生產(chǎn)，避免煤礦災(zāi)難事故發(fā)生。但是，當(dāng)前煤礦行業(yè)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，人員來源較為復(fù)雜，管理難度也在不斷加大，也隨之帶來了突發(fā)的安全性問題。過去的安全管理水平，僅適用于小范圍的煤礦開采，而對于大面積的煤礦開采則難以適用。若在煤礦開采過程中遇到煤礦安全問題，也會極大地降低煤礦開采的工作效率。安全層層加碼，會影響煤礦的生產(chǎn)開發(fā)，需要把握好其中的平衡點(diǎn)，而煤礦監(jiān)控系統(tǒng)能夠解決安全與生產(chǎn)之間的矛盾，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，提高生產(chǎn)效率，保障工人的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1）當(dāng)前已經(jīng)制定了煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)方案，隨著我國煤礦開采逐漸走向標(biāo)準(zhǔn)化、制度化和體系化，所有的煤礦必須裝安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，這一系統(tǒng)需要派專人進(jìn)行維護(hù)與完善。煤礦生產(chǎn)技術(shù)人員制定了相關(guān)的煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程和措施方案。這些規(guī)章制度，可以大大提高煤礦的安全監(jiān)測，保障煤礦監(jiān)測系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2）提高煤礦監(jiān)測監(jiān)控傳感元件的靈敏性[3]。傳感元件可以有效發(fā)現(xiàn)煤礦事故，識別煤礦風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)采取措施解決風(fēng)險(xiǎn)事故。相關(guān)技術(shù)人員需要不斷地推動煤礦監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)全方位發(fā)展，加入多種氣體傳感器。

3）加入煤礦監(jiān)測監(jiān)控問題判斷識別功能，由于在煤礦井下環(huán)境惡劣，內(nèi)部氣體不流通，容易誘發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)失靈，有時(shí)候做出的判斷，需要經(jīng)過多種傳感元件識別后，經(jīng)在線系統(tǒng)故障識別軟件進(jìn)行識別，故障識別軟件相當(dāng)于監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的“大腦”，能夠保障監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)自動檢測，需要不斷地優(yōu)化監(jiān)測監(jiān)控與技術(shù)故障識別的穩(wěn)定性與靈敏性，運(yùn)用專家系統(tǒng)，提高監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的識別準(zhǔn)確度。

2.2 未來趨勢發(fā)展

1）建立多維礦井模型，可運(yùn)用于現(xiàn)場煤礦開采。煤礦開采在未來的發(fā)展中，可以加入互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)。采用三維可視化數(shù)值模擬模型，進(jìn)行簡單描繪后，采用3D 打印技術(shù)，將煤礦隧道內(nèi)部的情況完美呈現(xiàn)，有利于礦井工作人員及時(shí)處理實(shí)際問題，將三維隧道模型轉(zhuǎn)化為實(shí)用地圖，可以有效地幫助礦井人員識別前方的地質(zhì)構(gòu)造斷層、暗河等，減小了勘探工作量，避免地下未知的風(fēng)險(xiǎn)影響，保障煤礦勘探工程師的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2）優(yōu)化煤礦的安全監(jiān)控系統(tǒng)，使其更準(zhǔn)確地識別判斷，提高系統(tǒng)的判斷能力和傳輸能力，保障更快地傳輸處理。在未來，煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器將更加靈敏，內(nèi)部的傳輸元件高效運(yùn)行，快速識別礦井下潛在風(fēng)險(xiǎn)，并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳到地面的主機(jī)，且傳輸信號不受距離的影響，也不受煤礦內(nèi)部環(huán)境的影響。另外，主機(jī)獲得的數(shù)據(jù)還可以經(jīng)過高速率再次加工，及時(shí)轉(zhuǎn)化為監(jiān)控預(yù)處理方案，改進(jìn)煤礦監(jiān)測系統(tǒng)工作，提高工作效率。

3）煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)未來將采用更大強(qiáng)度的移動式電源，可保證系統(tǒng)至少一周穩(wěn)定使用。此外，系統(tǒng)還應(yīng)該降低電池功耗，減少電池的重量，可將電池隨身攜帶，保證地下礦井內(nèi)的供電需求，煤礦的安全監(jiān)測系統(tǒng)將更能適應(yīng)復(fù)雜的煤礦勘探現(xiàn)場與一些構(gòu)造比較復(fù)雜的區(qū)域。當(dāng)前的煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)還較難識別一些潛在的碎屑煤巖，尤其是和地下暗河混合在一起的情況，則呈現(xiàn)出較難識別的信號，在未來可以將此信號進(jìn)行識別與區(qū)分，保證煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定響應(yīng)，提高它在復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域的適應(yīng)性，增強(qiáng)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)工作準(zhǔn)確度。

3 煤礦監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用

本實(shí)例以山西某礦井為例。該礦井井田面積為12.351 km2，生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定，年生產(chǎn)規(guī)模為64 萬t。該礦井裝有煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、煤礦安全無線傳感器等先進(jìn)裝置。煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，構(gòu)建了上千兆的多途徑高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，滿足礦井內(nèi)部全方位的信號與網(wǎng)絡(luò)需求，采用加密傳輸?shù)姆绞?，高效傳輸?shù)據(jù)，確保系統(tǒng)全天候安全穩(wěn)定運(yùn)行，全天候監(jiān)測與處置。由于本礦井屬于低瓦斯含量的礦井，但仍然有一定的爆炸危險(xiǎn)性。煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)對該礦井設(shè)備控制、CO 濃度、礦內(nèi)溫度、設(shè)備風(fēng)速以及煙霧識別等動態(tài)監(jiān)測。礦內(nèi)逃生避難室設(shè)有相應(yīng)的傳感器（O2傳感器、CO 傳感器等）。在礦井逃生避難室以外，也設(shè)有移動式的傳感器，如CO 傳感器和CO2傳感器，這些傳感器均保持有效識別，傳感元件處于世界領(lǐng)先水平。該站內(nèi)部設(shè)置監(jiān)測監(jiān)控分點(diǎn)，主要是用來收集監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的相應(yīng)信號。為了確保傳輸?shù)姆€(wěn)定性，井內(nèi)多采用視頻傳輸方式，并且傳輸線纜和傳輸設(shè)備應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的防爆要求，有利于煤礦生產(chǎn)安全，如圖1 所示。

4 結(jié)語

當(dāng)前，中國煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)仍然處于初級發(fā)展階段，未來還有很大的發(fā)展空間和潛力。監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)化設(shè)備應(yīng)用水平，深化安全生產(chǎn)現(xiàn)代化監(jiān)測監(jiān)控的管理思想，加入互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)自動化處理技術(shù)，使監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快，識別準(zhǔn)確率和效率更高。煤礦災(zāi)害的發(fā)生主要有自然因素和開采措施因素，后者也可稱之為人為因素，需要綜合控制這兩類因素，有針對性地優(yōu)化煤礦監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)，主要的優(yōu)化措施有三點(diǎn)：

1）制定煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)方案。

2）提高煤礦監(jiān)測監(jiān)控傳感元件的靈敏性。

3）加入煤礦監(jiān)測監(jiān)控問題判斷識別功能。