煤礦安全監控與防護系統的控制研究

丁招健

（晉能控股煤業集團云崗礦，山西 大同 037000）

云岡礦位于大同市西郊17km處，該礦山主要是以低丘陵為主。由于地形的限制在其一側流過一個河流，因此其對礦壁會產生一定的影響，經過長時間的地質變化形成了較多的斷層，雖然斷層之間的間歇存在一定的泥砂，可是由于水位上漲而導致礦井內部涌水量不斷增加，從而嚴重威脅著礦井的安全。與此同時，下面幾個因素也是影響煤礦安全的因素：第一，地質環境；第二，電氣設備安全；第三，礦井支撐結構等。

安全生產是煤礦生產的首要問題，為了能夠大大優化煤礦生產的安全性，這樣才可以更好地識別潛在風險以及優化突發事故的能力。為此，相關研究人員可以開發應用場景更加廣泛以及監測多樣性的檢測系統。

1 礦井安全監控系統運用現狀

當前，在安全監測技術方面的礦井開采設備以及技術，依舊處于相對落后的階段，并不能對礦井及其周邊的環境進行全面的監測，更有甚者不能有效地識別安全隱患，因此當發生事故時不能及時做出應急措施，往往給企業帶來較大的安全問題。

依據云岡礦所具有的特點，以影響煤礦安全層面進行分析發現，經過對煤礦實地考察發現，煤礦在監測關鍵性安全因素諸如可燃性氣體、有害氣體時存在一定的問題。該監測系統并不能較好地對火災、水災以及坍塌等問題進行預防以及制定行之有效的救援措施[1]。

2 礦井安全監控與防護系統總體方案

為了探索礦井安全監控與防護系統的閉環控制，將該系統設計成為如下三個部分：第一，監控單元；第二，控制單元；第三，執行單元，如圖1所示。其中，監控單元包括如下幾個子單元：第一，大氣溫濕度傳感器子單元；第二，有害氣體濃度監測傳感器子單元；第三，氧氣濃度監測傳感器子單元；第四，紅外線溫度傳感器子單元；第五，礦壁壓力監測子單元；第六，地質運動監測子單元等等。而相應的控制單元主要是由單片機組成。執行單元包括如下幾個部分：第一，通風設備；第二，礦坑支撐組件；第三，語音報警器；第四，地面傳輸機構。

由于在生產礦井井下位置以及設備電氣存放位置都設置有相應的溫度要求。假如所處的溫度不能滿足設定值時，那么往往對礦井的正常生產帶來一定的影響。一般情況下，電氣設備的使用時間與溫度之間呈現反比例關系，由于溫度升高時，往往會引發電氣設備出現短路以及擊穿故障，這樣可能出現安全事故問題。

通常礦井水害一般可以分為如下兩個大類：第一，從地面進入礦坑；第二，由于礦井特殊的地質情況導致礦井與其他通道聯通后所產生的。假如礦井與地質中出現了大量的水時，那么將導致礦壁壓力逐漸增加，同時也會使得礦壁溫度逐漸升高。

3 礦井安全監控與防護系統的控制策略

在使用該系統時，通常需要借助該系統對如下數據進行監測：第一，礦井開采區域數據；第二，電氣存放區域數據；第三，濕度數據；第四，氧氣濃度數據；第五，礦壁表面溫度數據；第六，積水深度；第七，有害氣體濃度數據等等。假如系統發現監測數據異常時，那么系統將會發出報警，并且采取一定的解決方法。

3.1 云崗礦開采區域、電氣存放區域溫度異常

假如該系統發現出現溫度異常的現象，那么控制單元將會對溫度單元進行溫度校驗，這樣可以有效地判斷溫度傳感器是否存在異常。假如判斷溫度傳感器出現異常現象，那么控制單元將會將該數據傳輸給報警裝置，因此報警器將會發出報警。假如溫度正常，那么控制單元將會儲存該數值，以此為依據對異常數據進行比較。假如在單位時間內出現了溫度持續異常的現象，那么控制單元將該異常信號傳輸給報警器。并將該信號傳輸給維護人員進行檢查。假如經過維護后，溫度依舊出現異常的現象，那么系統繼續對溫度進行調控，一直持續到溫度恢復正常位置，那么系統將會自動取消報警，因此系統將會回到監測狀態。

3.2 云崗礦內氧氣、可燃性氣體、有害氣體濃度異常

假如系統監測到礦井內的氣體濃度出現異常時，那么控制單元可以對氣體進行校驗，這樣可以有效地判斷氣體單元是否存在異?，F象。假如氣體單元存在異常，那么控制單元將會發送信號到報警器內。通常報警器發出報警后，即表示氣體單元存在異常情況，為此需要工作人員對零部件進行維護。假如經過維修后，顯示氣體濃度依舊異常，那么需要其對異常信號進行處理，一直調整到氣體濃度到正常值，這時將會取消報警，那么系統將會最終降到監測狀態。

3.3 云崗礦礦壁表面壓力異常、礦井內積水深度超限

假如在對礦井礦壁表面壓力進行監測時發現存在異常信號時，控制單元可以通過壓力單元進行礦壓調整，從而可以有效地控制壓力單元是否存在異常情況。假如壓力單元出現異常時，那么控制單元將會發送信號給報警器，這樣可以提示工作人員礦壓存在問題，需要工作人員對其進行維護。假如監測到壓力值正常，那么將該數值存儲在數據庫中，將該數值與異常壓力值進行比較。假如發現在單位時間內出現持續異常的壓力時，那么控制單元將該信號發送給報警器，這時工作人員應立即停止工作。與此同時，控制單元將會自發地啟動抽水裝置，從而可以有效地防止出現地下水沖破礦壁的現象[2]。

假如系統監測到在井下出現積水超過設定值時，那么控制單元把該信號傳輸給報警器，這時報警器將會發出報警，進而工作人員可以停止作業，并且在最短的時間內遠離危險區域。與此同時，控制單元將會開啟抽水裝置，從而可以將水位控制在合理的范圍內。當水位正常后，報警將會自動取消，系統進而回到監測狀態。

3.4 云崗礦附近地質運動劇烈

假如監測系統發現井下出現劇烈的異常地質運動以及異常時，那么控制單元將會通過模擬地質情況進行校驗，從而判斷地質監測單元是否處于正常的狀態。假如發現異常情況，那么控制單元將報警信號傳輸給報警器，這樣可以提示更換相關元件。假如監測到地質單元處于正常的工作狀態，那么控制單元將會把正常信號與異常信號進行比較。假如系統監測到在單位時間內存在異常的地質運動時，那么控制單元將會報警，并且提醒工作人員停止工作，與此同時控制單元可以借助調整礦坑支撐組件，加強井內抗震能力。此外，還會調用地面升降電梯將井下工作人員運送到井上。圖2表示相應的礦井安全監控與防護系統的控制策略。

4 預防與控制效果

為了能夠驗證系統的有效性，為此以可燃性氣體濃度為例子進行風險預測，當處于實驗時環境狀態下，把該系統設置在密封容器內，對可燃氣體溶度進行監測，表1為可燃氣體的燃點以及混合氣體爆炸情況。

表1 主要可燃性氣體的燃點與混合氣的具體爆炸范圍情況表

表2表示煤礦開采過程中井下有害氣體濃度的最高值。

表2 煤礦有害氣體濃度限值

在密封容器開設一個蓋子并且在蓋子上面設置一個小孔，蓋子的啟閉由電機控制。這時可以將控制單元與電機以及接入風扇，該風扇可以控制可燃氣體的濃度。控制單元中設置氣體濃度報警值為80%，經過檢測發現如下問題：

以CO為例子，起始濃度從0.0001%開始，并且釋放濃度的速度為每秒增加0.0002%，如圖3表示控制狀態與非控制單元下氣體的濃度變化趨勢圖。

假如不采用安全監控以及防護系統時，CO的濃度時間之間呈現線性關系。通過觀察發現在13s位置出現氣體濃度超標現象，這時可以啟動控制單元，風扇啟動，并且由電機電動密封容器蓋子打開，這時可以將部分氣體吹出，氣體濃度隨即下降。在經過13s后，氣體濃度保持在20%的范圍內。這時雖然一氧化碳的濃度不斷增加，可是也可以保持在合理的范圍內。通過上述數據的分析發現，該系統能夠有效地監測煤礦氣體濃度的變化情況[3]。

5 結語

由于煤礦井下工況環境相對復雜，因此往往會產生較多的影響安全問題的因素。比如有害氣體、可燃氣體、積水以及地質運動等。此類情況將會對礦井產生較大影響，因此將會產生較大的人員傷亡。經過試驗發現該系統可以有效地監測煤礦安全問題，并且依據相應得到功能制定出與之匹配的改進措施。因此具有一定的參考價值。