煤矿井下通风监测与预警系统的研究

张 杰

（中煤大同能源有限责任公司， 山西 大同 037001）

引言

随着综采技术的不断进步，煤矿综采作业的深度、巷道长度等不断的增加，对煤矿井下通风系统的运行安全性和灵敏性的要求也更高。作为煤矿井下安全作业的核心，煤矿井下通风系统的运行稳定性直接决定了煤矿井下综采作业的安全性，一旦井下空气中的瓦斯或者粉尘浓度超过警戒值而通风系统又不能及时进行调整，将导致出现井下人员中毒、瓦斯爆炸等事故，给煤矿井下的安全生产带来严重的影响。传统的通风控制系统只能控制通风机以恒定的转速运行，无法有效地对通风系统的运行安全进行监测，当故障完全显现后往往已经无法及时对井下人员进行疏散，造成严重的事故[1]。本文提出了一种新的煤矿井下通风监测与预警系统。

1 煤矿井下通风监测与预警系统结构

针对现有通风安全监测系统所存在的监测误差大、可靠性差的现状，本文所提出的新的煤矿井下通风安全监测与报警系统主要包括煤矿井下环境监测传感设备、工业以太网数据传输系统以及地面监控中心等，井下环境监测传感设备主要用于对巷道内的风量、瓦斯浓度、粉尘浓度等进行监控，工业以太网[2]数据传输系统则用于确保整个系统数据通信的可靠性和快速性，地面监控中心主要用于显示各类监测结果并提供报警和决策控制，该系统的整体结构如图1 所示[3]。

图1 煤矿井下通风安全监测与预警系统整体结构示意图

该通风安全监测系统在工作时，首先通过底层的巷道环境监测传感系统对煤矿井下巷道内空气的流速、粉尘浓度、瓦斯含量等进行监测，将监测数据和系统设定的各类警戒线数值进行对比，当关键参数的控制数据超出警戒标准后系统将把数据传输给下位机控制器，控制器通过对粉尘浓度、瓦斯浓度含量变化速率的分析，确定需要调整的通风系统的流速，然后将控制信号转换为电信号，对变频器的输出进行调控，最终实现对煤矿井下通风系统风量的调整，确保各个监控数据维护在安全值以下。在整个过程中系统会将调节参数和监测结果实时显示在地面监控中心的监测平台上，便于控制人员的观测和调整。当监测数据超出报警线且继续快速上升并判断通风系统出现异常、无法快速调整时，系统将发出报警信号，提醒井下作业人员及时撤离，同时确定故障原因，将其传递给监控人员，确保井下的紧急撤离并快速对通风系统的运行异常进行排查，快速恢复井下正常通风。

2 煤矿井下通风监测系统的闭环控制

为了满足该通风系统对煤矿井下通风安全的调节需求，在该监测与预警系统中采用了闭环调节控制模式[4]，该闭环调节主要包括了两个部分，一部分是将地面监控中心控制人员的控制指令传递给煤矿井下的下位机控制中心，控制风机的运行状态。第二部分是将井下环境监测传感器的监控结果传输给下位机控制中心，用于控制变频器的运行，满足对风机运行状态的调整，同时将调控结果再次反馈到下位机控制中心内，实现对井下通风状态的动态调整和控制，满足通风安全和经济性的需求，该煤矿井下通风安全监测系统的闭环控制结构如图2 所示[5]。

图2 监控系统闭环控制结构示意图

3 煤矿井下通风机布置结构

为了适应该煤矿井下通风监测系统，对某矿的井下通风系统的布置结构进行了优化，如图3 所示。

图3 煤矿井下通风系统结构示意图

由图3 可知，该通风系统主要设置了一组变频调速系统，该系统和煤矿井下通风安全监测系统相连接，通过接收通风安全监测系统的调整控制信号，来实现对通风机运行状态的调整。该通风系统中每个位置采用了两套风机，这两个风机一用一备，确保通风的安全性。两组风机均配备了相互独立的风道，在风道端部设置有通风闸门，用于实现风量调节和风机转换，在风道出口处设置有压力传感器和风量传感器，用于对通风情况进行监测并反馈给预警监测系统。

4 煤矿井下通风安全监测与预警系统的应用

以某矿通风系统为改造对象，对其应用情况进行了研究。该矿通风安全监测与预警系统的监控界面如图4 所示。

5 结论

图4 煤矿井下通风安全监测与预警系统的监控界面

1）该控制系统包含了井下环境监测传感设备、工业以太网数据传输系统以及地面监控中心三个部分，能够对井下巷道内的风量、瓦斯浓度、粉尘浓度等进行监控，及时调整煤矿井下通风系统风机的运行情况，确保井下的通风安全。

2）该通风安全监测与预警系统采用了双重闭环调节控制模式，能够显著提升煤矿井下通风系统的调节灵活性和控制精确性。

3）该监控系统能够对井下环境的变化情况进行实时监测，出现异常后能够第一时间进行调整，确保井下通风安全，将粉尘浓度和瓦斯浓度保持在安全值以下，当出现危险气体浓度快速上升或者风机出现运行故障后能够第一时间发出报警信号，具有反应速度快、稳定性高的优点。