煤礦井下瓦斯防治預(yù)警體系的研究

潘宏波

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)錦瑞煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000)

引 言

煤礦井下瓦斯突出是威脅煤礦綜采作業(yè)安全的最重要因素，據(jù)統(tǒng)計(jì)2018年我國(guó)煤礦事故中，因瓦斯含量超標(biāo)導(dǎo)致的事故占據(jù)了總事故的54%以上，給煤礦井下作業(yè)人員的人身安全和綜采作業(yè)效率造成了嚴(yán)重的影響。我國(guó)多數(shù)煤礦現(xiàn)有的井下瓦斯預(yù)警系統(tǒng)只是簡(jiǎn)單的將瓦斯?jié)舛葌鞲衅骱途瘓?bào)器連接，當(dāng)出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)警戒標(biāo)準(zhǔn)時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，一方面通知人員及時(shí)撤離，另一方面提醒通風(fēng)控制人員調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行，加大風(fēng)量，降低瓦斯?jié)舛萚1]。但該系統(tǒng)無(wú)法處理突發(fā)的瓦斯突出事故也無(wú)法準(zhǔn)確判斷瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)的范圍，導(dǎo)致井下綜采作業(yè)頻繁中斷，不僅嚴(yán)重影響了井下綜采作業(yè)效率，而且在反復(fù)調(diào)整的過(guò)程中極易導(dǎo)致出現(xiàn)人員受傷事故。本文提出了一種新型的煤礦井下瓦斯防治預(yù)警體系，其采用工業(yè)以太網(wǎng)為通信干線，將通風(fēng)和預(yù)警體系有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了瓦斯?jié)舛鹊膭?dòng)態(tài)調(diào)整，既滿足井下連續(xù)安全作業(yè)的需求又能確保對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的高效控制，極大的提升了煤礦井下綜采作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性，目前該預(yù)警體系已得到了廣泛的應(yīng)用，取得了較好的效果。

1 煤礦井下瓦斯防治預(yù)警體系

結(jié)合煤礦井下實(shí)際情況，該煤礦井下瓦斯防治預(yù)警體系主要包括了信息層、控制層和監(jiān)控層三個(gè)部分，其整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示[2]。

圖1 煤礦井下瓦斯防治預(yù)警體系結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，該預(yù)警體系的信息層主要是位于地面上的集控中心，集控中心內(nèi)設(shè)置有多個(gè)顯示屏幕和控制終端，能夠?qū)⒚旱V井下各個(gè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，使控制中心人員能夠第一時(shí)間掌握煤礦井下的瓦斯分布情況，同時(shí)能夠通過(guò)控制終端對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行控制，達(dá)到遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)控制的目的。

控制層主要包括了數(shù)據(jù)采集主機(jī)以及其他操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下各個(gè)監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的匯總、分析和存儲(chǔ)，同時(shí)將信息層傳遞過(guò)來(lái)的控制指令進(jìn)行轉(zhuǎn)化，滿足井下數(shù)據(jù)控制的需求，控制層和信息層、設(shè)備層之間的數(shù)據(jù)往來(lái)采了具有高速數(shù)據(jù)傳輸功能的工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，滿足數(shù)據(jù)傳輸安全性和高效性的需求。

設(shè)備層是煤礦井下瓦斯防治預(yù)警體系的基礎(chǔ)，主要包括各類的瓦斯傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)門開(kāi)關(guān)狀態(tài)傳感器等，井下每一個(gè)區(qū)域均設(shè)置一個(gè)監(jiān)控分站，由監(jiān)控分站對(duì)該區(qū)域內(nèi)所有的傳感器設(shè)備的監(jiān)控信息進(jìn)行匯集和分析，對(duì)該區(qū)域內(nèi)的井下空氣狀態(tài)進(jìn)行判斷，同時(shí)該監(jiān)控分站還具有操作平臺(tái)，滿足維修人員在井下的維護(hù)、調(diào)節(jié)和控制需求。

2 井下監(jiān)控分站控制

作為煤礦井下瓦斯防治預(yù)警體系的核心，井下監(jiān)控分站工作時(shí)的可靠性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到該預(yù)警體系的工作穩(wěn)定性，該監(jiān)控分站采用了開(kāi)放式的Win CE嵌入式的操作系統(tǒng)[3]，能夠便捷的實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感器設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)果的查詢、編輯、分析和調(diào)整，具有操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)。該監(jiān)控分站控制系統(tǒng)的一個(gè)突出特點(diǎn)是能夠?qū)⒚旱V井下各傳感器設(shè)備所采集到的瓦斯、風(fēng)量等數(shù)據(jù)信息以DDE的形式傳輸?shù)骄峦咚節(jié)舛茸兓A(yù)測(cè)分析系統(tǒng)，對(duì)井下瓦斯含量變化情況和未來(lái)變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，及時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整，確保區(qū)域內(nèi)瓦斯含量的穩(wěn)定性，該軟件控制邏輯，如圖2所示[4]。

圖2 井下監(jiān)控分析控制邏輯示意圖

3 井下巷道內(nèi)瓦斯傳感器設(shè)置原則

煤礦井下地質(zhì)條件較為復(fù)雜，且巷道內(nèi)的空間狹小，存在著一定的通風(fēng)盲區(qū)，因此為確保對(duì)井下巷道內(nèi)瓦斯含量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，需對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下瓦斯傳感器的設(shè)置進(jìn)行研究，本文以典型的井下兩條巷道回風(fēng)綜采工作面為對(duì)象，該了巷道結(jié)構(gòu)在不同區(qū)域內(nèi)的瓦斯含量分布存在著較大的差異性，在經(jīng)過(guò)多次實(shí)際驗(yàn)證后最終確定的瓦斯傳感器的布置結(jié)構(gòu)，如圖3所示[5]。

圖3 雙巷道結(jié)構(gòu)下的傳感器布置結(jié)構(gòu)示意圖

T0傳感器設(shè)置在巷道的上隅角處，該處位于下風(fēng)口位置，且處于一個(gè)風(fēng)向轉(zhuǎn)折處，相對(duì)瓦斯含量較高，根據(jù)實(shí)際測(cè)定后，設(shè)置該處傳感器的報(bào)警濃度應(yīng)大于1.1%，井下綜采面的設(shè)備斷電臨界值為瓦斯?jié)舛却笥?.6%。T1和T5傳感器分別設(shè)置在巷道1和巷道2對(duì)稱位置，距離回風(fēng)巷約10 m，其中T1處傳感器的報(bào)警濃度應(yīng)大于0.8%，T5處傳感器的報(bào)警濃度應(yīng)大于1.0%，這主要是由于在壓差作用下會(huì)集聚部分從采空區(qū)傳輸過(guò)來(lái)的瓦斯，導(dǎo)致濃度較正常情況下偏高。T2和T6傳感器分別設(shè)置在巷道1和巷道2距離出口約15 m處，其中T2處傳感器的報(bào)警濃度應(yīng)大于0.5%，T6處傳感器的報(bào)警濃度應(yīng)大于0.8%。由于存在著一定的通風(fēng)死角，因此在井下巷道上隅角和綜采面回風(fēng)巷設(shè)置一個(gè)一氧化碳傳感器，將傳感器的報(bào)警濃度值設(shè)置為0.002 1%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)煤礦井下預(yù)警系統(tǒng)既無(wú)法應(yīng)對(duì)突發(fā)的瓦斯突出事故也無(wú)法滿足井下安全作業(yè)的需求，給井下綜采作業(yè)安全帶來(lái)了嚴(yán)重的隱患的現(xiàn)象，提出了一種新的煤礦井下瓦斯防治預(yù)警體系，該預(yù)警系統(tǒng)采用了全新的控制模式將井下瓦斯監(jiān)測(cè)和通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，出現(xiàn)瓦斯含量超標(biāo)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)控制通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)狀態(tài)，增加通風(fēng)功率，增強(qiáng)對(duì)瓦斯的抑制效果，滿足井下通風(fēng)安全的需求，根據(jù)分析表明：

1) 該煤礦井下瓦斯防治預(yù)警體系主要包括了信息層、控制層和監(jiān)控層三個(gè)部分，數(shù)據(jù)傳遞采了具有高速數(shù)據(jù)傳輸功能的工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具有傳輸速度快、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。

2) 監(jiān)控分站采用了開(kāi)放式的Win CE嵌入式的操作系統(tǒng)，能夠便捷的實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感器設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)果的查詢、編輯、分析和調(diào)整，具有操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)。

3) 通過(guò)合理的設(shè)置傳感器設(shè)備，能夠滿足煤礦井下復(fù)雜環(huán)境條件下的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)報(bào)警需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下綜采作業(yè)環(huán)境的精確控制。