高瓦斯礦井通風系統自動控制技術應用

＊梁亮東

（山西焦煤山煤國際霍爾辛赫煤業有限公司 山西 046000）

井下通風是礦井安全生產的重要輔助系統，負責為井下提供新鮮的氧氣，通過井下風流的流轉攜帶出井下生產產生的有害氣體、多余熱量，確保井下的安全生產環境[1]。在高瓦斯礦井中，隨著采掘工作的進行、采掘深度的增加，井下瓦斯解析量、解析速度逐漸增大，針對井下生產環境變得尤為重要，傳統的人工檢測法利用人工巡檢的方法對井下作業面的氣體環境進行檢測的方法具有嚴重的滯后性特點，檢測過程存在較大的安全隱患[2]。隨著監測技術和PLC技術的發展，結合監測技術和PLC技術形成的自動監控技術，通過選擇合適的監測設備和監測點，實時監測井下氣體環境，根據瓦斯物理特性對井下通風環境進行智能識別，從而控制通風系統采取相應的動作，兩者結合，能實現對井下氣體環境的自動監控，排除作業人員對井下氣體環境監控的不利影響，對高瓦斯礦井的監測控制針對性強，實踐表明，具有一定的使用價值[3]。

1.瓦斯析出規律

（1）礦井瓦斯的賦存形式。礦井瓦斯是原始腐殖質在成煤的過程中形成的一種以甲烷氣體為主的混合氣體，成煤和煤化變質的過程也是礦井瓦斯形成的過程，尤其對原煤品質較好的無煙煤、煙煤進行開采時，采掘活動會產生大量的瓦斯氣體，威脅井下的安全生產環境。煤層形成過程中形成的礦井瓦斯在煤層中存在以下三種賦存方式：游離狀態、附著狀態、吸收狀態。

煤是一種多空隙結構，游離狀態的瓦斯在水土壓力的作用下，游離在煤巖體空隙中，試驗表明，這種游離狀態的瓦斯占礦井瓦斯含量的10%～20%；吸附狀態的瓦斯是瓦斯分子在范德華引力作用下吸附在煤巖體表面，形成一層瓦斯膜結構，這部分吸附狀態的瓦斯在礦井瓦斯中占比80%左右；吸收狀態的瓦斯，是井下瓦斯含量飽和后，在井下高壓作用下，瓦斯作為一種溶劑溶解在煤分子中，這種狀態下的礦井瓦斯含量較少。礦井瓦斯在煤層的賦存狀態是動態的，在外界環境的影響下，瓦斯的游離、吸附、吸收狀態是可以相互轉化的，隨著采掘活動的進行，在不斷揭漏煤巖體的過程中，煤巖體內吸附和吸收狀態的瓦斯逐漸轉變為游離轉臺的瓦斯，直接影響井下生產安全。

（2）礦井瓦斯的解析規律。礦井瓦斯是一種以甲烷為主的混合氣體，具備一般氣體的通用特征，受溫度、壓力等外界環境影響大，環境溫度越高，瓦斯分子越活躍，環境溫度越低，瓦斯分子相對不活躍；在外界壓力作用下，瓦斯氣體具有很強的壓縮性等。在環境壓力影響下，井下煤巖體對礦井瓦斯的吸附量如式（1）、式（2）：

式中：X為煤巖體對瓦斯的吸附量，m3/t；a為系數；b為吸附常數，與煤的性質有關；p為環境壓力，MPa。

式（1）為標準的瓦斯吸附公式，式（2）為簡化后的瓦斯吸附公式，把標準式（1）中分子和分母同除環境壓力p得到簡化后的式（2）。從式（2）中可以發現，在煤巖體物理性質、溫度等不變的條件下，煤巖體對瓦斯的吸附量與環境壓力成正比。式（2）中ab為常數，隨著環境壓力的增大，式（2）中分母（p-1+b）逐漸減小，瓦斯吸附量X逐漸增大。

在礦井生產過程中，隨著采掘活動逐漸揭漏煤巖體，在采掘工作面處形成環境壓力為0的自由面，在自由面處吸附或吸收的瓦斯不斷解析為游離的瓦斯，在煤巖體內部水土壓力和巷道內空氣壓力之間的壓力差作用下，游離的瓦斯不斷的釋放進巷道或工作面中。因此，對高瓦斯礦井，煤巖體內的瓦斯含量是呈梯度分布的，在煤巖體與采掘工作面或地表空氣接觸處，瓦斯吸附量最低，在深入煤巖體的方向上，礦井瓦斯含量逐漸增大。瓦斯是一種易燃易爆氣體，對井下安全生產產生不利影響，當瓦斯聚集到一定濃度后產生燃燒爆炸隱患，嚴重影響礦井安全生產，對瓦斯濃度的控制依賴于礦井的通風系統，通過通風系統內風流的不斷循環，把巷道內集聚的瓦斯不斷的攜帶出井下，降低井下環境中的瓦斯濃度，確保生產安全。

2.自動化監控系統機理

自動化監測控制技術結合了監測技術和單片機技術，通過在井下瓦斯易于解析、集聚的位置布置合理的監測設備和監測點，實時監測井下風險點的瓦斯含量，并將監測數據傳輸給單片機智能識別、自動控制系統，對井下通風系統中的瓦斯含量是否達到危險級別進行判斷，并控制礦井風機、風門等設備執行相應的動作，排除隱患，系統作用過程如圖1。

圖1 瓦斯礦通風系統自動監控機理圖

如圖1所示，在不考慮安監局對煤礦瓦斯信息監測流程的基礎上，礦井瓦斯監測信息的流程如圖1，礦井瓦斯自動監控系統的工作流程如下：首先，根據礦井開采的特點和瓦斯的特性，在合適的位置布置監測點和監測設備，監測設備監測的瓦斯參數在模數轉換器的作用下轉換為可被計算機系統識別的數字信號傳輸給經井下監測分站，然后，通過信息通道傳輸給礦井監測總站，到此為止是自動監控系統的監測模塊。監測模塊把監測到的監測信息傳輸給自動控制模塊，根據礦井瓦斯的物理性質，在控制模塊中預先輸入相應的邏輯判斷語句，對礦井瓦斯含量進行智能判斷，把判斷結果以數字信號的形式輸出，經數模轉換器作用轉變為可被通風機識別的電信號，控制通風機執行相應的動作，并將動作信號反饋給控制模塊。一個循環完成后，監測設備再次對監測點的瓦斯濃度進行監測并上傳，自動監控系統進入下一個監控循環。

3.系統設計

在對高瓦斯礦井通風系統的瓦斯濃度自動監控的過程中，系統設計的關鍵點有兩部分：（1）根據瓦斯析出的特點和瓦斯的物理特性選定合理的監測設備和監測參數，合理布置監測點，對瓦斯析出風險較大的點進行重點監控；（2）根據瓦斯的化學特性，選定合理的判斷標準，并以邏輯判斷語句的形式提前輸入控制器，對監測到的瓦斯濃度是否超限進行智能識別，并輸出相應的動作信號，控制通風系統執行相應的動作。

高瓦斯礦井生產過程中，比較容易產生瓦斯積聚的風險點有回采工作面上隅角，采煤機、掘進機截割部附近，頂板冒落的空洞處和停風的盲巷廢巷、風流小的巷道頂板處等風險較大部位，對這些風險點布置合適的監測設備，實時監測各點的瓦斯濃度。瓦斯的主要成分是甲烷（CH4），甲烷的摩爾質量為16，遠小于空氣的摩爾質量29，甲烷在空氣中受到浮力的作用，聚集在監測點的上部位置，監測設備布置時，在監測點上部合適位置布置監測設備；瓦斯氣體的主要成分是甲烷，對瓦斯氣體監測時，選定甲烷氣體監測器對瓦斯濃度進行監測。自動監測系統設計如表1。

表1 監測系統參數設計

如表1所示，在回采工作面上隅角，采煤機、掘進機截割部位，停風的盲巷廢巷和掘進工作面風流達不到處布置甲烷探測器，探測器按一定間距均勻的布置在巷道或工作面的上部瓦斯易于積聚的點，實時監測回采工作面上隅角，回采工作面截割部位，停風的盲巷廢巷和掘進工作面風流達不到處的瓦斯濃度，并將監測信息傳輸給井下監測分站，地表監測主機對井下監測分站的監測數據進行匯總后，傳輸給PLC控制器。在PLC控制器中對井下通風系統的通風環境進行智能識別和自動判斷，當回采工作面上隅角，回采工作面截割部位，停風的盲巷廢巷和掘進工作面風流達不到處的監測設備監測到該點的瓦斯濃度達到預警值C1時，自動監控系統對該點的安全狀態進行研判，引導現場作業人員和設備停止作業，持續通風降低該監測點的瓦斯濃度，指導該點的瓦斯濃度降低到安全作業范圍后，作業人員或設備繼續進行采掘作業；當回采工作面上隅角，回采工作面截割部位，停風的盲巷廢巷和掘進工作面風流達不到處的瓦斯濃度達到報警值C2時，自動監控系統引導作業人員和設備停止作業，同時啟動超限監測點處的局部風機，增加超限監測點的風量，通過加強通風的方式降低超限監測點處瓦斯濃度；當回采工作面上隅角，回采工作面截割部位，停風的盲巷廢巷和掘進工作面風流達不到處的監測設備監測到該點監測值達到安全限值C3時，自動監控系統控制報警系統發出緊急撤離信號，引導井下作業人員撤出工作面。井下瓦斯自動監控系統是一個開放的系統，在監測模塊中，可以根據井下生產的具體情況，增設監測點，使監測點的布置更加符合現場實際情況。

4.系統應用

利用瓦斯自動監控系統治理某礦1513工作面瓦斯濃度超限問題，1513工作面煤層傾角4°～11°，瓦斯壓力0.73MPa，工作面原始瓦斯含量6.17m3/t，煤層瓦斯放散初速度5.8～7.2m3/min，百米鉆孔瓦斯涌出量0.42m3/min，使用瓦斯自動監控系統對該工作面進行優化。在回采工作面上隅角，回采工作面截割部附近，頂板冒落的空洞處和停風的盲巷廢巷、風流小的巷道頂板處布置SK-600型甲烷檢測儀，監測儀間隔50m布置在監測點的上部；根據甲烷的爆炸極限4.9%～16%，選定自動監控系統的預警值為3%、報警值為4%、安全限值為5%，具體監測參數選擇如表2。

表2 某礦1513工作面瓦斯監測系統參數

如表2所示，當回采工作面上隅角，回采工作面截割部位，停風的盲巷廢巷和掘進工作面風流達不到處的SK-600型甲烷探測器監測到該點的瓦斯濃度達到預警值3%時，自動監控系統對該點的安全狀態進行研判，引導現場作業人員和設備停止作業，持續通風降低該監測點的瓦斯濃度，指導該點的瓦斯濃度降低到安全作業范圍后，作業人員或設備繼續進行采掘作業；當回采工作面上隅角，采煤機、掘進機截割部位，停風的盲巷廢巷和掘進工作面風流達不到處的瓦斯濃度達到報警值4%時，自動監控系統引導作業人員和設備停止作業，同時啟動超限監測點處的局部風機，增加超限監測點的風量，通過加強通風的方式降低超限監測點處瓦斯濃度；當回采工作面上隅角，回采工作面截割部位，停風的盲巷廢巷和掘進工作面風流達不到處的SK-600型甲烷探測器監測到該點監測值達到安全限值5%時，自動監控系統控制報警系統發出緊急撤離信號，引導井下作業人員撤出工作面。

實踐表明，使用瓦斯自動監控系統對該礦1513工作面進行自動化改造后，能實現對回采工作面上隅角，采煤機、掘進機截割部位，停風的盲巷廢巷和掘進工作面風流達不到處等瓦斯易于積聚處的瓦斯濃度的實時監控、智能識別和自動控制，與傳統的人工監測方法相比，排除了人為因素的不利影響，對風險點的控制更加全面，同時避免監測人員暴露在瓦斯超限的危險環境，極大的提高了通風系統的智能化和可靠性，實踐證明具有一定的使用價值。

5.結論

（1）闡述了瓦斯在煤巖體中的賦存狀態，簡化了瓦斯解析通用公式，闡明了瓦斯自動監控系統的工作流程，設計了瓦斯自動監控系統。

（2）利用瓦斯自動監控系統對某礦1513工作面進行優化，極大提高了該工作面的通風系統控制的智能化和可靠性。