煤（岩）与瓦斯突出监测和报警系统研制

郝程楠（1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.天津中煤电子信息工程有限公司，天津 300010）

煤（岩）与瓦斯突出监测和报警系统研制

郝程楠1，2
（1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.天津中煤电子信息工程有限公司，天津 300010）

煤（岩）与瓦斯突出监测和报警系统可以有效监测煤矿井下采煤工作面、掘进工作面进、回风巷道以及采区回风巷、总回风巷的瓦斯和通风参数及煤与瓦斯突出导致的逆风流情况，实现对瓦斯突出事故发生时间、地点的自动判识并及时发出报警信息，采取断电、撤人措施，自动预测瓦斯涌出量和波及范围，以达到提升煤矿安全管理水平，保障矿井及人员的安全，防止引发次生灾害的发生的目的。

煤岩；瓦斯；监测；报警系统

1　煤（岩）与瓦斯突出原因分析

煤(岩)与瓦斯突出是严重威胁煤矿正常生产和人身安全的地质灾害[1]。煤(岩)与瓦斯突出是煤矿井下发生的极其复杂的动力现象。它是由地应力、煤层瓦斯压力、煤的力学特性以及采动影响等多因素综合作用的结果[2-4]。研究表明:尽管煤与瓦斯突出是突发性的,但在突出前均有预兆显现,这些预兆为煤与瓦斯突出的监测和报警提供了途径[5]。

采掘进速度和煤层中的瓦斯含量与工作面瓦斯突出成正比关系。在风量和采掘进速度一定的情况下，煤层中的瓦斯含量是使工作面瓦斯突出的决定因素。当采掘到瓦斯含量高的煤层时，就会产生瓦斯突出现象，这时空气中瓦斯含量会迅速增高。当采掘到含有高瓦斯气团的煤层时，除空气中瓦斯含量会迅速增高外，还会使通风风流逆转，将会产生巨大的安全隐患[6-7]。

2　传感器的安装

为实现煤（岩）与瓦斯突出监测与报警，煤（岩）与瓦斯突出矿井和高瓦斯矿井需在井下设置安装甲烷、风向风速、风压、风筒传感器。甲烷传感器应采用全量程红外或高低浓甲烷传感器。

采煤工作面在图1标志点设置甲烷传感器和双向风速传感器。当甲烷浓度达到报警浓度时，发出声光报警信号；当甲烷浓度达到断电浓度时，自动切断相关区域电源。图2为掘进工作面传感器设置。

图1　采煤工作面传感器设置位

图2　掘进工作面传感器设置

1）采煤工作面（图1中T1）及其上隅角（图1 中T0）、回风巷（图1中T2）、进风巷靠近工作面处（图1中T3）、进风巷靠近分风口处（图1中T4）设置甲烷传感器。回风巷（图1中F2）必须设置风速传感器,进风巷（图1中F1）设置双向风速传感器。

2）掘进工作面（图2中T1）及其回风流中（图2 中T2）设置甲烷传感器。进风巷（图2中F3）设置双向风速传感器。

3）采区进、回风巷，一翼进、回风巷，总进、回风巷设置甲烷传感器和双向风速传感器。

3　煤与瓦斯突出报警系统组成及结构

3.1煤与瓦斯突出报警系统的组成

煤与瓦斯突出报警系统主要有四部分组成:

1）现有的煤矿安全监控系统，加装红外甲烷传感器和双向风速传感器；

2）突出事故报警系统检测计算机；

3）突出事故报警系统软件；

4）短信发布平台。

3.2系统网络结构

利用现在使用的安全监控系统的网络结构。在中心站加装1台工业控制计算机，专门用于瓦斯突出报警系统。瓦斯突出报警系统网络图，见图3。

图3　瓦斯突出报警系统网络图

4　瓦斯突出报警系统主要功能

4.1瓦斯突出报警计算机功能

通过局域网从监控系统中实时获取相关检测点的数据；对采集得到的数据，进行分析、处理并存储；当达到或超过瓦斯突出事故报警限时，发出瓦斯突出报警信息，发生时间、地点的自动判识和及时报警，及时发出断电指令。

4.2掘进工作面瓦斯突出报警与断电控制

掘进工作面的瓦斯突出事件是由井下多功能监控器进行判断，实施报警、断电的。当发生下述情况之一时，可发出瓦斯突出报警并实施就地切断本区域的供电电源。

1）掘进工作面甲烷浓度迅速增高或达到报警值（1.0%CH4）；掘进巷道回风流甲烷浓度迅速增高或达到报警值（1.0%CH4），掘进巷道回风速、或采区回风巷风速不低于正常值。

2）掘进工作面甲烷浓度迅速增高或达到报警值（1.0%CH4）；掘进巷道回风流甲烷浓度迅速增高或达到报警值（1.0%CH4），一翼回风巷或总回风巷甲烷浓度迅速增高或达到报警值（0.7%CH4），一翼回风巷或总回风巷风速不低于正常值。

3）掘进工作面甲烷浓度迅速增高或达到报警值（1.0%CH4）；掘进巷道回风流甲烷浓度迅速增高或达到报警值（1.0%CH4）；掘进工作面进风风向风流逆转、或采区进风巷风流逆转、或一翼进风巷风流逆转。总进风巷风流逆转。

4）掘进工作面甲烷浓度迅速增高或达到报警值（1.0%CH4）；掘进巷道回风流浓度迅速增高或达到报警值（1.0%CH4）；采区进风巷甲烷浓度迅速增高或达到报警值（0.5%CH4）、或一翼进风巷甲烷浓度迅速增高或达到报警值（0.5%CH4）、或总进风巷甲烷浓度迅速增高或达到报警值（0.5%CH4）。

4.3采煤工作面瓦斯突出报警与断电控制

综采工作面的瓦斯突出事件是由井下多功能监控器进行判断，实施报警、断电的。当发生下述情况之一时，可发出瓦斯突出报警并实施就地切断本区域的供电电源。

1）工作面的甲烷浓度迅速增高或达到报警值（1.0%CH4）；工作面回风巷、采区回风巷的甲烷浓度迅速增高或达到报警值（1.0%CH4），回风巷风速传感器监测到的风速不低于正常值。

2）工作面的甲烷浓度迅速增高或达到报警值（1.0%CH4）；工作面回风巷、采区回风巷的甲烷浓度迅速增高或达到报警值（1.0%CH4）；一翼回风巷甲烷浓度迅速增高或达到报警值（0.7%CH4），一翼回风巷风速不低于正常值，或总回风巷的甲烷浓度迅速增高或达到报警值（0.7%CH4），总回风巷的风速不低于正常值。

3）工作面的甲烷浓度迅速增高或达到报警值（1.0%CH4）；工作面上隅角、回风巷、采区回风巷的甲烷浓度迅速增高或达到报警值（1.0%CH4），一翼回风巷、总回风巷甲烷浓度迅速增高或达到报警值（0.7%CH4）。

4）工作面、回风巷、上隅角的甲烷浓度迅速增高或达到报警值（1.0%CH4）；进风巷的甲烷浓度迅速增高或达到报警值（0.5%CH4）；进风巷风向风流逆转；或采区进风巷风向风流逆转、或一翼进风巷风向风流逆转。

5）工作面、回风巷的甲烷浓度迅速增高或达到报警值（1.0%CH4）；进风巷（靠近工作面）、总进风巷的甲烷浓度迅速增高或达到报警值（0.5%CH4）。

4.4瓦斯突出报警系统软件

煤与瓦斯突出报警的监控软件采用组态软件，该软件适用广泛、实用性强，便于编辑。软件人员可根据高瓦斯矿井和瓦斯突出矿井的实际情况，编辑瓦斯突出报警条件、方式及报警内容，瓦斯突出事故及其发生时间、地点的自动判识等内容。主要可以实现以下功能：

1）显示功能。可实现列表显示、分类显示、模拟图显示。

2）瓦斯涌出量的统计功能。瓦斯突出报警系统软件可统计瓦斯涌出量。根据巷道的截面积、风速值及时间，统计从甲烷迅速增高时刻开始，到甲烷恢复正常值为止的瓦斯涌出量。

3）波及范围自动预测功能。a.瓦斯突出事故发生后，当进风处甲烷检测值和风速检测值均为正常时，按顺风流进行预测波及范围；采区回风→一翼回风→总回风。b.瓦斯突出事故发生后，当进风处甲烷检测值和双向风速均为报警时，预测泼及范围除顺风流外还应包括进风处。

4）调用查询功能。可实现相关瓦斯突出检测数据及分析结果的调用查询、曲线调用和瓦斯突出事故报警查询功能。

5）报表统计及打印功能。可生成瓦斯突出事故报警报表并打印输出功能。

5　实际应用

1）案例1。山西阳煤集团温家庄矿设计生产能力100万t/a，计划生产能力200万t/a，按高瓦斯矿设计，2007年投入生产。使用该瓦斯突出报警系统后，在2013年8月23日掘进工作面施工时，发生瓦斯突出现象，掘进工作面甲烷值迅速升高，最高值高达10.5%CH4，持续了4 min时间，回风流甲烷值随后升高，最高值达到3.6%CH4，持续12 min恢复到0.9%CH4以下。统计瓦斯涌出量100 m3。当掘进工作面甲烷值达到0.9%CH4时，系统及时发出了甲烷超限报警信号，并切断该区域的供电电源，同时撤离作业人员。成功的避免了一次因瓦斯突出引发的事故。此次瓦斯突出属于低能量指标突出，进风出甲烷、风速均为正常值，没有造成返风流。按顺风流进行预测波及范围，采取防范措施。

2）案例2。山西晋煤集团长平矿设计生产能力450万t/a，计划生产能力600万t/a。按高瓦斯矿设计，2005年投入生产，使用该系统后，在2014年7 月17日综采工作面出现煤帮垮塌，造成瓦斯突出现象，上隅角甲烷传感器监测值迅速升高，甲烷值高达2.3%CH4，维持2 min。系统及时发出了甲烷超限报警信号并切断该区域的供电电源。因瓦斯突出的能量比较小，回风处的甲烷监测值由原来的0.5%CH4上升到0.9%CH4，未达到报警线。

6　结束语

在当今的技术条件下，还不能对煤（岩）与瓦斯突出进行准确的预测和预报，但

可以通过瓦斯突出报警系统，实时监测煤矿井下采、掘工作面环境中瓦斯浓度和风速风流的变化情况，分析煤（岩）瓦斯是否产生突出，一旦发生瓦斯突出现象，切断煤矿井下瓦斯突出区域范围内的电源，避免或减少瓦斯爆炸事故发生。同时，进行煤与瓦斯突出报警，撤出煤矿井下作业人员，避免或减少人员伤亡。

[1]赵明鹏,王宇林,梁冰,等.煤(岩)与瓦斯突出的地质条件研究——以阜新王营矿为例[J].中国地质灾害与防治学报,1999(1):15-20.

[2]瓦斯喷出和煤(岩)与瓦斯突出[J].能源与节能,2014(12):170.

[3]刘锋.一起瓦斯突出事故案例引起的分析与反思[J].企业技术开发,2015(5):175-176.

[4]吴自立.AE信号参数预测预报煤(岩)与瓦斯突出危险性的进展及展望[J].矿业安全与环保,2005(1):27-29.

[5]杨景波.煤(岩)与瓦斯突出影响因素分析[J].陕西煤炭,2008(3):16-18.

[6]孙继平.煤矿监控新技术与新装备[J].工矿自动化,2015(1):1-5.

[7]毕万全,蒋承林,王智立,等.煤(岩)坚固性系数测定的准确性和稳定性研究[J].煤矿安全,2012(8):41-44.

[8]程绍仁,贾有根,郭恩生,等.晋城地方煤矿高瓦斯矿区煤与瓦斯突出防治的初探[J].矿业安全与环保,2004(6):44-47.

（编辑：樊敏）

Monitoring and Alarming System of Coal（Rock）and Gas Outburst

HAO Chengnan1，2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China 2.Tianjin Coal Electronic In Formation Engineering Co.,ltd.,Tianjin 300010,China)

The monitoring and alarming system of coal(rock)and gas outburst could effectively monitor gas and ventilation parameters in intake airway and return airway of mining face and driving face, return airway of mining area,and main return airway,as well as reverted air flow caused by coal and gas outburst.The system could also realize the automatic identification on the time and place of outburst accidents,sound an alarm,cut off power,adopt measures on personnel evacuation,and automatically predict the gas inrush content and range,in order to improve safety management and protect mine and staff from secondary disasters.

coal rock;gas;monitoring;alarming system

TD712

A

1672-5050（2016）02-0058-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.018

2015-10-29

郝程楠（1984-），男，天津人，在读工程硕士，工程师，从事煤矿安全管理工作。