煤矿井下瓦斯治理方案及通风系统的优化

徐 伟

（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

作为国民经济发展和进步的关键性能源资源，人类社会对煤炭的需求量不断的提升，随着综采技术的不断进步，煤炭综采作业的深度、综采作业的复杂性均有了极大的提升。煤炭在开采过程中会产生大量的瓦斯，如果不及时将瓦斯气体排出，一方面会导致井下综采作业人员中毒，另一方面当瓦斯浓度积聚到一定的程度时会产生瓦斯爆炸事故，给煤矿井下的综采作业安全造成巨大的损失。传统的瓦斯治理方案中主要是利用通风系统连续不间断的大量排风将瓦斯含量进行稀释，从而保证综采作业安全，但实际应用过程中该方案存在着耗电量大、经济性差，而且也无法确保瓦斯突然大量涌出时的紧急排风需求，给井下综采作业安全造成了一定的安全隐患，因此本文提出了一种新的钻孔布管抽采+通风系统优化方案，利用布管抽采的方案将瓦斯进行提前抽采，降低综采作业过程中的瓦斯涌出量，同时采用微机控制及变频控制技术，实现了矿井通风系统根据井下瓦斯含量灵活调整通风特性，实际应用表明该组合技术方案能够有效的确保井下综采作业的安全性。

1 钻孔布管抽采技术

煤矿井下瓦斯的钻孔布管抽采技术主要是指在井下高瓦斯含量区域进行预钻孔对瓦斯进行抽采的方案，钻孔时需要根据煤矿井下的实际地质条件旋转性的布置多个抽放钻场，每个抽放钻场内设置4～8 个钻孔，钻场之间的距离不小于100 m，每个钻孔的深度以钻进到高压裂隙带为准，钻孔的直径通常选择为80 mm。钻孔设置完成后需要用管道将抽采区域的瓦斯排出，为了确保抽采过程中的稳定性和安全性，对钻孔布管抽采工艺的封孔工艺要求极高。经过多次研究，本文提出了采用机械封孔的技术方案，该封孔设备的封孔原理如图1 所示[1]。

图1 机械封孔原理示意图

由图1 可知，在该机械封孔方案中，采用了大流量的封孔泵，封孔用的管道可采用厚臂型的PVC 套管，满足在井下恶劣环境中长期工作的可靠性需求，抽采钻孔在封孔时的封孔长度不小于9 m，封孔用的材料可选用高强度水泥料，首先将水泥、碎石、促凝剂、膨胀剂按照一定的比例进行搅匀，然后加入到封孔泵的料仓内，在封孔泵的作用下沿着注浆管道进入到封孔区域，完成封孔作业。该煤矿井下瓦斯治理方案的优点在于提前对瓦斯集聚区进行抽采，避免了在综采作业过程中瓦斯的集中涌出，经济性好、防止瓦斯突出的效果显著，有效提升了井下综采作业的安全性。

2 矿井通风系统的优化

针对多数矿井通风系统采用风机定功率运行模式所存在的调节灵活性差，无法适应井下多变的通风环境要求且通风电量消耗大、成本高的缺陷，结合通风系统的实际需求和发展趋势，本文提出了一种新的FX-PLC 与变频控制器相结合的矿井变频通风控制系统，该控制系统的整体结构如图2 所示[2]。

图2 矿井通风变频控制系统结构示意图

由图2 可知，该变频控制系统主要包括FXPLC 控制中心、变频控制器及CC-LINK 数据总线系统，该系统采用了闭环调节反馈的模式，根据监测到的煤矿井下瓦斯浓度的变化情况及时调节变频控制器的输出信号，实现对通风系统运行状态的调节，满足不同工况下的通风安全性的需求。同时在该通风控制系统的出风口处设置有风量传感器和风压传感器，能够实现对通风状态的进一步调节，出现通风异常时及时报警并启动备用风机方案[3]。

该控制系统采用了双闭环控制的方案，将通风机的风量和风压作为一个闭环项，将井下瓦斯浓度作为另一个闭环项，这两个闭环项为分开反馈模式，分别对应两个控制调节器，两个控制调节器之间采用了串联连接的方式，现将监测到的瓦斯浓度作为通风系统风量调节器的输入信号，然后再用风量调节器的输出信号作为风量霜反馈调节系统的控制参数，实现两种反馈调节的优化配合，满足对通风系统的灵活调节控制。

在双闭环反馈调节控制系统中，通风风量的闭环作为系统的内环反馈系统，由于快速对井下通风系统的运行情况进行调整，实现在紧急情况下快速提升风机的运行风量，一致井下突发的瓦斯突出事故，增强通风系统的运行可靠性。将瓦斯浓度变化量作为系统的外环调节闭环，提高对井下瓦斯浓度的反应灵敏速度，该双闭环反馈调节能够实现在不同条件下对通风系统的稳定性控制需求。该双闭环反馈控制系统整体结构如图3 所示[4]，图中TAG 表示系统设定的井下最大瓦斯浓度，以及系统设定的风机的最大风量，TC 表示井下瓦斯传感器，FC 表示煤矿井下风机的通风量传感器，TCS 表示系统实际监测到的瓦斯浓度。

3 瓦斯传感器结构分析

作为矿井瓦斯检测的核心，井下瓦斯传感器的监测精度和可靠性直接决定了煤矿井下综采作业的安全性和矿井通风系统的运行稳定性。目前常用的瓦斯传感器主要包括了热导式传感器和热效式传感器，热导式传感器主要是是利用井下正常气体和瓦斯的导热级别的不同来对瓦斯进行探测的，结构相对简单，但在工作时极易受到井下风量和湿度的影响，稳定性差，使用寿命低。热效式传感器主要是利用可燃的气体在化学试剂的作用下进行自燃，通过改变电阻本身的温度来对井下瓦斯的含量进行判断，但该类型的传感器功率消耗大而且传统的燃烧性气体容易受到硫元素的影响，在井下恶劣的工作环境中极易受到干扰，出现误报的概率极大，但该类别的传感器应用成本极低。为了提升井下瓦斯监测的可靠性和精确性，本文提出了一种新的以二氧化锡为可燃性敏感材料的热效式瓦斯传感器，该类型的传感器主要由含有敏感材料的线圈和检测电极构成，具有响应速度快、功耗低、稳定性好、使用寿命长的优点，极大的提升了井下瓦斯检测的精度和经济性，该瓦斯传感器的结构如图4 所示[5]。

图3 矿井通风系统双闭环调节结构示意图

图4 热效式瓦斯传感结构示意图

4 结论

针对瓦斯突出危害性大、难预防的现状，本文提出了一种新的钻孔布管抽采+通风系统优化方案，利用布管抽采的方案将瓦斯进行提前抽采，降低综采作业过程中的瓦斯涌出量，同时采用微机控制及变频控制技术，实现了矿井通风系统根据井下瓦斯含量灵活调整通风特性，分析表明：

1）煤矿井下瓦斯的钻孔布管抽采技术能够提前对瓦斯集聚区进行抽采，避免了在综采作业过程中瓦斯的集中涌出，经济性好、防止瓦斯突出的效果显著，有效提升了井下综采作业的安全性。

2）FX-PLC 与变频控制器相结合的矿井变频通风控制系统，采用了双闭环控制的方案，能够实现对煤矿井下瓦斯含量的快速检测，同时调整通风系统运行特性，满足不同工况下的通风安全需求，同时显著降低了井下通风的能量消耗。

3）以二氧化锡为可燃性敏感材料的热效式瓦斯传感器，具有响应速度快、功耗低、稳定性好、使用寿命长的优点，极大的提升了井下瓦斯检测的精度和经济性。