煤礦安全監(jiān)控與防護(hù)系統(tǒng)的控制研究

丁招健

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)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(cè)流過一個河流，因此其對礦壁會產(chǎn)生一定的影響，經(jīng)過長時間的地質(zhì)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(dǎo)致礦井內(nèi)部涌水量不斷增加，從而嚴(yán)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(zhì)環(huán)境；第二，電氣設(shè)備安全；第三，礦井支撐結(jié)構(gòu)等。

安全生產(chǎn)是煤礦生產(chǎn)的首要問題，為了能夠大大優(yōu)化煤礦生產(chǎn)的安全性，這樣才可以更好地識別潛在風(fēng)險以及優(yōu)化突發(fā)事故的能力。為此，相關(guān)研究人員可以開發(fā)應(yīng)用場景更加廣泛以及監(jiān)測多樣性的檢測系統(tǒng)。

1 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)運用現(xiàn)狀

當(dāng)前，在安全監(jiān)測技術(shù)方面的礦井開采設(shè)備以及技術(shù)，依舊處于相對落后的階段，并不能對礦井及其周邊的環(huán)境進(jìn)行全面的監(jiān)測，更有甚者不能有效地識別安全隱患，因此當(dāng)發(fā)生事故時不能及時做出應(yīng)急措施，往往給企業(yè)帶來較大的安全問題。

依據(jù)云岡礦所具有的特點，以影響煤礦安全層面進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過對煤礦實地考察發(fā)現(xiàn)，煤礦在監(jiān)測關(guān)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(jiān)測系統(tǒng)并不能較好地對火災(zāi)、水災(zāi)以及坍塌等問題進(jìn)行預(yù)防以及制定行之有效的救援措施[1]。

2 礦井安全監(jiān)控與防護(hù)系統(tǒng)總體方案

為了探索礦井安全監(jiān)控與防護(hù)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，將該系統(tǒng)設(shè)計成為如下三個部分：第一，監(jiān)控單元；第二，控制單元；第三，執(zhí)行單元，如圖1所示。其中，監(jiān)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(jiān)測傳感器子單元；第三，氧氣濃度監(jiān)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(jiān)測子單元；第六，地質(zhì)運動監(jiān)測子單元等等。而相應(yīng)的控制單元主要是由單片機(jī)組成。執(zhí)行單元包括如下幾個部分：第一，通風(fēng)設(shè)備；第二，礦坑支撐組件；第三，語音報警器；第四，地面?zhèn)鬏敊C(jī)構(gòu)。

由于在生產(chǎn)礦井井下位置以及設(shè)備電氣存放位置都設(shè)置有相應(yīng)的溫度要求。假如所處的溫度不能滿足設(shè)定值時，那么往往對礦井的正常生產(chǎn)帶來一定的影響。一般情況下，電氣設(shè)備的使用時間與溫度之間呈現(xiàn)反比例關(guān)系，由于溫度升高時，往往會引發(fā)電氣設(shè)備出現(xiàn)短路以及擊穿故障，這樣可能出現(xiàn)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(jìn)入礦坑；第二，由于礦井特殊的地質(zhì)情況導(dǎo)致礦井與其他通道聯(lián)通后所產(chǎn)生的。假如礦井與地質(zhì)中出現(xiàn)了大量的水時，那么將導(dǎo)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(jiān)控與防護(hù)系統(tǒng)的控制策略

在使用該系統(tǒng)時，通常需要借助該系統(tǒng)對如下數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測：第一，礦井開采區(qū)域數(shù)據(jù)；第二，電氣存放區(qū)域數(shù)據(jù)；第三，濕度數(shù)據(jù)；第四，氧氣濃度數(shù)據(jù)；第五，礦壁表面溫度數(shù)據(jù)；第六，積水深度；第七，有害氣體濃度數(shù)據(jù)等等。假如系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時，那么系統(tǒng)將會發(fā)出報警，并且采取一定的解決方法。

3.1 云崗礦開采區(qū)域、電氣存放區(qū)域溫度異常

假如該系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)溫度異常的現(xiàn)象，那么控制單元將會對溫度單元進(jìn)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(xiàn)異?，F(xiàn)象，那么控制單元將會將該數(shù)據(jù)傳輸給報警裝置，因此報警器將會發(fā)出報警。假如溫度正常，那么控制單元將會儲存該數(shù)值，以此為依據(jù)對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。假如在單位時間內(nèi)出現(xiàn)了溫度持續(xù)異常的現(xiàn)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(hù)人員進(jìn)行檢查。假如經(jīng)過維護(hù)后，溫度依舊出現(xiàn)異常的現(xiàn)象，那么系統(tǒng)繼續(xù)對溫度進(jìn)行調(diào)控，一直持續(xù)到溫度恢復(fù)正常位置，那么系統(tǒng)將會自動取消報警，因此系統(tǒng)將會回到監(jiān)測狀態(tài)。

3.2 云崗礦內(nèi)氧氣、可燃性氣體、有害氣體濃度異常

假如系統(tǒng)監(jiān)測到礦井內(nèi)的氣體濃度出現(xiàn)異常時，那么控制單元可以對氣體進(jìn)行校驗，這樣可以有效地判斷氣體單元是否存在異?，F(xiàn)象。假如氣體單元存在異常，那么控制單元將會發(fā)送信號到報警器內(nèi)。通常報警器發(fā)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(jìn)行維護(hù)。假如經(jīng)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(jìn)行處理，一直調(diào)整到氣體濃度到正常值，這時將會取消報警，那么系統(tǒng)將會最終降到監(jiān)測狀態(tài)。

3.3 云崗礦礦壁表面壓力異常、礦井內(nèi)積水深度超限

假如在對礦井礦壁表面壓力進(jìn)行監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)存在異常信號時，控制單元可以通過壓力單元進(jìn)行礦壓調(diào)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(xiàn)異常時，那么控制單元將會發(fā)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(jìn)行維護(hù)。假如監(jiān)測到壓力值正常，那么將該數(shù)值存儲在數(shù)據(jù)庫中，將該數(shù)值與異常壓力值進(jìn)行比較。假如發(fā)現(xiàn)在單位時間內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)異常的壓力時，那么控制單元將該信號發(fā)送給報警器，這時工作人員應(yīng)立即停止工作。與此同時，控制單元將會自發(fā)地啟動抽水裝置，從而可以有效地防止出現(xiàn)地下水沖破礦壁的現(xiàn)象[2]。

假如系統(tǒng)監(jiān)測到在井下出現(xiàn)積水超過設(shè)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(fā)出報警，進(jìn)而工作人員可以停止作業(yè)，并且在最短的時間內(nèi)遠(yuǎn)離危險區(qū)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(nèi)。當(dāng)水位正常后，報警將會自動取消，系統(tǒng)進(jìn)而回到監(jiān)測狀態(tài)。

3.4 云崗礦附近地質(zhì)運動劇烈

假如監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)井下出現(xiàn)劇烈的異常地質(zhì)運動以及異常時，那么控制單元將會通過模擬地質(zhì)情況進(jìn)行校驗，從而判斷地質(zhì)監(jiān)測單元是否處于正常的狀態(tài)。假如發(fā)現(xiàn)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(guān)元件。假如監(jiān)測到地質(zhì)單元處于正常的工作狀態(tài)，那么控制單元將會把正常信號與異常信號進(jìn)行比較。假如系統(tǒng)監(jiān)測到在單位時間內(nèi)存在異常的地質(zhì)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(diào)整礦坑支撐組件，加強(qiáng)井內(nèi)抗震能力。此外，還會調(diào)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(yīng)的礦井安全監(jiān)控與防護(hù)系統(tǒng)的控制策略。

4 預(yù)防與控制效果

為了能夠驗證系統(tǒng)的有效性，為此以可燃性氣體濃度為例子進(jìn)行風(fēng)險預(yù)測，當(dāng)處于實驗時環(huán)境狀態(tài)下，把該系統(tǒng)設(shè)置在密封容器內(nèi)，對可燃?xì)怏w溶度進(jìn)行監(jiān)測，表1為可燃?xì)怏w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(shè)一個蓋子并且在蓋子上面設(shè)置一個小孔，蓋子的啟閉由電機(jī)控制。這時可以將控制單元與電機(jī)以及接入風(fēng)扇，該風(fēng)扇可以控制可燃?xì)怏w的濃度?？刂茊卧性O(shè)置氣體濃度報警值為80%，經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)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(tài)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(jiān)控以及防護(hù)系統(tǒng)時，CO的濃度時間之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。通過觀察發(fā)現(xiàn)在13s位置出現(xiàn)氣體濃度超標(biāo)現(xiàn)象，這時可以啟動控制單元，風(fēng)扇啟動，并且由電機(jī)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(jīng)過13s后，氣體濃度保持在20%的范圍內(nèi)。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(nèi)。通過上述數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠有效地監(jiān)測煤礦氣體濃度的變化情況[3]。

5 結(jié)語

由于煤礦井下工況環(huán)境相對復(fù)雜，因此往往會產(chǎn)生較多的影響安全問題的因素。比如有害氣體、可燃?xì)怏w、積水以及地質(zhì)運動等。此類情況將會對礦井產(chǎn)生較大影響，因此將會產(chǎn)生較大的人員傷亡。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以有效地監(jiān)測煤礦安全問題，并且依據(jù)相應(yīng)得到功能制定出與之匹配的改進(jìn)措施。因此具有一定的參考價值。