矿井瓦斯防治及通风控制系统的研究

赵鹏飞

（山西朔州山阴兰花口前煤业，山西 朔州 036900）

引言

矿井综采作业安全是煤矿安全生产的核心，根据对煤矿安全生产事故的统计，瓦斯突出事故占据了整个安全事故的46%以上，已经成为威胁煤矿生产安全的头号“杀手”。通过对井下瓦斯突出事故案例的分析，发现多数事故的发生均是由于对瓦斯浓度变化情况监测失效，未及时进行预报预警，导致错过最佳调控时机。因此针对目前煤矿井下瓦斯监测系统灵敏度差、预警率低的现状，结合煤矿智能化生产的需求，提出了一种新的矿井瓦斯防治和通风系统改善方案，通过建立高灵敏性的瓦斯预警体系，实现对井下瓦斯浓度变化的实时监测，同时将该系统和井下通风智能控制系统进行集成，预警系统将瓦斯浓度变化情况传递到控制中心，控制中心判断后发出调整指令，控制通风系统进行调整，确保井下瓦斯浓度实时处在安全警戒值之下，实现了井下瓦斯防治的智能化控制。

1 矿井智能通风控制系统结构

根据煤矿井下瓦斯监测、防治及通风联动控制的需求，本文所提出的矿井智能通风控制系统主要包括瓦斯浓度监测模块、智能控制模块、风机运行状态调控模块三个部分，其整体结构如图1所示[1]。

由图1可知，该系统以煤井下瓦斯浓度监测模块所传递来的数据信号作为系统的调节信号，通过对监测区域内瓦斯、一氧化碳、粉尘等有害气体的监测，来判断区域内的通风安全性，当危险气体含量超标时系统控制风机加速，通过增加空气流动量的方式，减少有害气体的集聚。在调整过程中系统持续对危险气体含量和通风情况进行监控，若达到最大通风状态后巷道内危险气体含量继续上升，则系统同时发出报警信号。提醒井下作业人员及时撤离，并提醒操作人员采取应急措施，避免发生瓦斯爆炸等事故，提升井下综采作业的安全性。

图1 矿井智能通风控制系统

在该系统中，控制核心为智能控制模块，能够满足对瓦斯监测、风机运行参数的收集、分析和控制，风机运行状态调控模块主要是指以变频传感器为核心的控制部分，根据控制模块发出的控制指令，灵活调整风机的运行状态，满足井下通风安全需求。瓦斯浓度监测模块是该控制系统的基础，通过对井下监测区域内瓦斯状态的监测为系统的调整提供数据支撑，确保系统调整的精确性。

2 瓦斯浓度监测装置结构

为了满足对井下监测区域内瓦斯含量监测精确性的需求，所使用的各类传感器设备必须具有很高的灵敏性，经过对多种传感器的实际应用情况分析，最终确定其灵敏性不应大于0.01%，运行时的功耗不超过100 mW，而且需要满足井下防爆的实际需求[2]。

结合煤矿井下实际情况和瓦斯浓度监测需求，本文提出的井下瓦斯浓度监测装置整体结构如图2所示，主要包括了监测分站和交换机系统。监测分站是设置在不同区域的监测单元，主要包括了瓦斯浓度监测、一氧化碳气体监测、井下通风情况、巷道掘进深度监测等。监测分站获取区域内的监测信息后首先对数据进行分析，排除掉无关信息，然后将区域内空气质量状态传输到交换机，经过数据信息转换后再传递给智能通风控制系统，满足井下数据传递和监测需求。为了保证数据传递的效率和安全性，系统采用了光纤通信网络，满足快速、抗干扰性的数据传输需求[3]。

图2 瓦斯浓度监测装置示意图

3 系统风量测量装置结构

在传统的瓦斯防治及通风控制系统中，对风量和风压的监测主要是在风机前端设置风速和风压传感器的方式测量，但该方案测量方式精确性较差，而且当风流出现变动时极易产生测量偏差，导致系统对风机运行状态进行误调节，影响井下通风安全。本文提出了一种新的井下通风系统风量测量装置，其整体结构如图3所示[4]，图中D表示风机的通径。

由图3可知，该风量测量装置由取压管、压力传感器和钢管构成，取压管上分布着迎风孔和背风孔，迎风孔主要用于测量风机运行过程中的迎风压力，背风孔主要用于测量风机运行过程中的背风压力。风量测量装置和风机上的测压环1、测压环2相连接，从而实现对风机运行过程中风机运行状态的全面监测。当由于增加了取压管，因此能够对风机运行时的紊流进行调整，避免了因紊流导致的风量测量失效，提升了系统对风机运行状态调整的精确性。

图3 风量测量装置结构简图

4 应用情况分析

该井下瓦斯防治及通风控制系统自投入使用以来，能够根据井下瓦斯及其他有害气体含量的变化，快速进行井下报警和定位，同时能够根据自动控制风机运行状态进行调整，快速增加异常区域的风量，有效避免有害气体浓度的进一步提升。根据实际监测，自应用以来，该系统能够将井下瓦斯预警时间缩短96.4%，将预警准确率提升92.7%，将瓦斯突出事故量降低98.2%，显著提升了煤矿井下的综采作业效率和综采作业安全，该瓦斯防治及通风控制系统监控界面如图4所示。

图4 瓦斯防治及通风控制系统监控界面

5 结论

1）矿井智能通风控制系统主要包括瓦斯浓度监测模块、智能控制模块、风机运行状态调控模块三个部分；

2）瓦斯浓度监测装置，其灵敏性不应大于0.01%，运行时的功耗不超过100 mW，而且需要满足井下防爆的实际需求。

3）新的风量测量装置能够对风机运行时的紊流进行调整，避免了因紊流导致的风量测量失效，提升了系统对风机运行状态调整的精确性。

4）该系统能够将井下瓦斯预警时间缩短96.4%，将预警准确率提升92.7%，将瓦斯突出事故量降低98.2%，显著提升了煤矿井下的综采作业效率和综采作业安全