煤矿井下瓦斯防治预警体系的研究

潘宏波

(山西煤炭运销集团锦瑞煤业有限公司，山西 吕梁 033000)

引 言

煤矿井下瓦斯突出是威胁煤矿综采作业安全的最重要因素，据统计2018年我国煤矿事故中，因瓦斯含量超标导致的事故占据了总事故的54%以上，给煤矿井下作业人员的人身安全和综采作业效率造成了严重的影响。我国多数煤矿现有的井下瓦斯预警系统只是简单的将瓦斯浓度传感器和警报器连接，当出现瓦斯浓度超过警戒标准时发出警报信号，一方面通知人员及时撤离，另一方面提醒通风控制人员调整通风系统的运行，加大风量，降低瓦斯浓度[1]。但该系统无法处理突发的瓦斯突出事故也无法准确判断瓦斯浓度超标的范围，导致井下综采作业频繁中断，不仅严重影响了井下综采作业效率，而且在反复调整的过程中极易导致出现人员受伤事故。本文提出了一种新型的煤矿井下瓦斯防治预警体系，其采用工业以太网为通信干线，将通风和预警体系有机结合，实现了瓦斯浓度的动态调整，既满足井下连续安全作业的需求又能确保对通风系统的高效控制，极大的提升了煤矿井下综采作业的安全性和稳定性，目前该预警体系已得到了广泛的应用，取得了较好的效果。

1 煤矿井下瓦斯防治预警体系

结合煤矿井下实际情况，该煤矿井下瓦斯防治预警体系主要包括了信息层、控制层和监控层三个部分，其整体结构，如图1所示[2]。

图1 煤矿井下瓦斯防治预警体系结构示意图

由图1可知，该预警体系的信息层主要是位于地面上的集控中心，集控中心内设置有多个显示屏幕和控制终端，能够将煤矿井下各个区域的监测结果实时显示出来，使控制中心人员能够第一时间掌握煤矿井下的瓦斯分布情况，同时能够通过控制终端对通风系统的运行情况进行控制，达到远程调节控制的目的。

控制层主要包括了数据采集主机以及其他操作平台，实现对煤矿井下各个监测传感器监测数据的汇总、分析和存储，同时将信息层传递过来的控制指令进行转化，满足井下数据控制的需求，控制层和信息层、设备层之间的数据往来采了具有高速数据传输功能的工业以太网结构，满足数据传输安全性和高效性的需求。

设备层是煤矿井下瓦斯防治预警体系的基础，主要包括各类的瓦斯传感器、风速传感器、风门开关状态传感器等，井下每一个区域均设置一个监控分站，由监控分站对该区域内所有的传感器设备的监控信息进行汇集和分析，对该区域内的井下空气状态进行判断，同时该监控分站还具有操作平台，满足维修人员在井下的维护、调节和控制需求。

2 井下监控分站控制

作为煤矿井下瓦斯防治预警体系的核心，井下监控分站工作时的可靠性和稳定性直接关系到该预警体系的工作稳定性，该监控分站采用了开放式的Win CE嵌入式的操作系统[3]，能够便捷的实现对各传感器设备监测结果的查询、编辑、分析和调整，具有操作简单、经济性好的优点。该监控分站控制系统的一个突出特点是能够将煤矿井下各传感器设备所采集到的瓦斯、风量等数据信息以DDE的形式传输到井下瓦斯浓度变化预测分析系统，对井下瓦斯含量变化情况和未来变化趋势进行预测和分析，及时对风机运行情况进行调整，确保区域内瓦斯含量的稳定性，该软件控制逻辑，如图2所示[4]。

图2 井下监控分析控制逻辑示意图

3 井下巷道内瓦斯传感器设置原则

煤矿井下地质条件较为复杂，且巷道内的空间狭小，存在着一定的通风盲区，因此为确保对井下巷道内瓦斯含量监测的准确性，需对复杂地质条件下瓦斯传感器的设置进行研究，本文以典型的井下两条巷道回风综采工作面为对象，该了巷道结构在不同区域内的瓦斯含量分布存在着较大的差异性，在经过多次实际验证后最终确定的瓦斯传感器的布置结构，如图3所示[5]。

图3 双巷道结构下的传感器布置结构示意图

T0传感器设置在巷道的上隅角处，该处位于下风口位置，且处于一个风向转折处，相对瓦斯含量较高，根据实际测定后，设置该处传感器的报警浓度应大于1.1%，井下综采面的设备断电临界值为瓦斯浓度大于1.6%。T1和T5传感器分别设置在巷道1和巷道2对称位置，距离回风巷约10 m，其中T1处传感器的报警浓度应大于0.8%，T5处传感器的报警浓度应大于1.0%，这主要是由于在压差作用下会集聚部分从采空区传输过来的瓦斯，导致浓度较正常情况下偏高。T2和T6传感器分别设置在巷道1和巷道2距离出口约15 m处，其中T2处传感器的报警浓度应大于0.5%，T6处传感器的报警浓度应大于0.8%。由于存在着一定的通风死角，因此在井下巷道上隅角和综采面回风巷设置一个一氧化碳传感器，将传感器的报警浓度值设置为0.002 1%。

4 结语

本文针对煤矿井下预警系统既无法应对突发的瓦斯突出事故也无法满足井下安全作业的需求，给井下综采作业安全带来了严重的隐患的现象，提出了一种新的煤矿井下瓦斯防治预警体系，该预警系统采用了全新的控制模式将井下瓦斯监测和通风系统联动，出现瓦斯含量超标时系统自动控制通风系统的通风状态，增加通风功率，增强对瓦斯的抑制效果，满足井下通风安全的需求，根据分析表明：

1) 该煤矿井下瓦斯防治预警体系主要包括了信息层、控制层和监控层三个部分，数据传递采了具有高速数据传输功能的工业以太网结构，具有传输速度快、可靠性好的优点。

2) 监控分站采用了开放式的Win CE嵌入式的操作系统，能够便捷的实现对各传感器设备监测结果的查询、编辑、分析和调整，具有操作简单、经济性好的优点。

3) 通过合理的设置传感器设备，能够满足煤矿井下复杂环境条件下的瓦斯浓度监测报警需求，实现对井下综采作业环境的精确控制。