煤矿安全监控与防护系统的控制研究

丁招健

（晋能控股煤业集团云岗矿，山西 大同 037000）

云冈矿位于大同市西郊17km处，该矿山主要是以低丘陵为主。由于地形的限制在其一侧流过一个河流，因此其对矿壁会产生一定的影响，经过长时间的地质变化形成了较多的断层，虽然断层之间的间歇存在一定的泥砂，可是由于水位上涨而导致矿井内部涌水量不断增加，从而严重威胁着矿井的安全。与此同时，下面几个因素也是影响煤矿安全的因素：第一，地质环境；第二，电气设备安全；第三，矿井支撑结构等。

安全生产是煤矿生产的首要问题，为了能够大大优化煤矿生产的安全性，这样才可以更好地识别潜在风险以及优化突发事故的能力。为此，相关研究人员可以开发应用场景更加广泛以及监测多样性的检测系统。

1 矿井安全监控系统运用现状

当前，在安全监测技术方面的矿井开采设备以及技术，依旧处于相对落后的阶段，并不能对矿井及其周边的环境进行全面的监测，更有甚者不能有效地识别安全隐患，因此当发生事故时不能及时做出应急措施，往往给企业带来较大的安全问题。

依据云冈矿所具有的特点，以影响煤矿安全层面进行分析发现，经过对煤矿实地考察发现，煤矿在监测关键性安全因素诸如可燃性气体、有害气体时存在一定的问题。该监测系统并不能较好地对火灾、水灾以及坍塌等问题进行预防以及制定行之有效的救援措施[1]。

2 矿井安全监控与防护系统总体方案

为了探索矿井安全监控与防护系统的闭环控制，将该系统设计成为如下三个部分：第一，监控单元；第二，控制单元；第三，执行单元，如图1所示。其中，监控单元包括如下几个子单元：第一，大气温湿度传感器子单元；第二，有害气体浓度监测传感器子单元；第三，氧气浓度监测传感器子单元；第四，红外线温度传感器子单元；第五，矿壁压力监测子单元；第六，地质运动监测子单元等等。而相应的控制单元主要是由单片机组成。执行单元包括如下几个部分：第一，通风设备；第二，矿坑支撑组件；第三，语音报警器；第四，地面传输机构。

由于在生产矿井井下位置以及设备电气存放位置都设置有相应的温度要求。假如所处的温度不能满足设定值时，那么往往对矿井的正常生产带来一定的影响。一般情况下，电气设备的使用时间与温度之间呈现反比例关系，由于温度升高时，往往会引发电气设备出现短路以及击穿故障，这样可能出现安全事故问题。

通常矿井水害一般可以分为如下两个大类：第一，从地面进入矿坑；第二，由于矿井特殊的地质情况导致矿井与其他通道联通后所产生的。假如矿井与地质中出现了大量的水时，那么将导致矿壁压力逐渐增加，同时也会使得矿壁温度逐渐升高。

3 矿井安全监控与防护系统的控制策略

在使用该系统时，通常需要借助该系统对如下数据进行监测：第一，矿井开采区域数据；第二，电气存放区域数据；第三，湿度数据；第四，氧气浓度数据；第五，矿壁表面温度数据；第六，积水深度；第七，有害气体浓度数据等等。假如系统发现监测数据异常时，那么系统将会发出报警，并且采取一定的解决方法。

3.1 云岗矿开采区域、电气存放区域温度异常

假如该系统发现出现温度异常的现象，那么控制单元将会对温度单元进行温度校验，这样可以有效地判断温度传感器是否存在异常。假如判断温度传感器出现异常现象，那么控制单元将会将该数据传输给报警装置，因此报警器将会发出报警。假如温度正常，那么控制单元将会储存该数值，以此为依据对异常数据进行比较。假如在单位时间内出现了温度持续异常的现象，那么控制单元将该异常信号传输给报警器。并将该信号传输给维护人员进行检查。假如经过维护后，温度依旧出现异常的现象，那么系统继续对温度进行调控，一直持续到温度恢复正常位置，那么系统将会自动取消报警，因此系统将会回到监测状态。

3.2 云岗矿内氧气、可燃性气体、有害气体浓度异常

假如系统监测到矿井内的气体浓度出现异常时，那么控制单元可以对气体进行校验，这样可以有效地判断气体单元是否存在异常现象。假如气体单元存在异常，那么控制单元将会发送信号到报警器内。通常报警器发出报警后，即表示气体单元存在异常情况，为此需要工作人员对零部件进行维护。假如经过维修后，显示气体浓度依旧异常，那么需要其对异常信号进行处理，一直调整到气体浓度到正常值，这时将会取消报警，那么系统将会最终降到监测状态。

3.3 云岗矿矿壁表面压力异常、矿井内积水深度超限

假如在对矿井矿壁表面压力进行监测时发现存在异常信号时，控制单元可以通过压力单元进行矿压调整，从而可以有效地控制压力单元是否存在异常情况。假如压力单元出现异常时，那么控制单元将会发送信号给报警器，这样可以提示工作人员矿压存在问题，需要工作人员对其进行维护。假如监测到压力值正常，那么将该数值存储在数据库中，将该数值与异常压力值进行比较。假如发现在单位时间内出现持续异常的压力时，那么控制单元将该信号发送给报警器，这时工作人员应立即停止工作。与此同时，控制单元将会自发地启动抽水装置，从而可以有效地防止出现地下水冲破矿壁的现象[2]。

假如系统监测到在井下出现积水超过设定值时，那么控制单元把该信号传输给报警器，这时报警器将会发出报警，进而工作人员可以停止作业，并且在最短的时间内远离危险区域。与此同时，控制单元将会开启抽水装置，从而可以将水位控制在合理的范围内。当水位正常后，报警将会自动取消，系统进而回到监测状态。

3.4 云岗矿附近地质运动剧烈

假如监测系统发现井下出现剧烈的异常地质运动以及异常时，那么控制单元将会通过模拟地质情况进行校验，从而判断地质监测单元是否处于正常的状态。假如发现异常情况，那么控制单元将报警信号传输给报警器，这样可以提示更换相关元件。假如监测到地质单元处于正常的工作状态，那么控制单元将会把正常信号与异常信号进行比较。假如系统监测到在单位时间内存在异常的地质运动时，那么控制单元将会报警，并且提醒工作人员停止工作，与此同时控制单元可以借助调整矿坑支撑组件，加强井内抗震能力。此外，还会调用地面升降电梯将井下工作人员运送到井上。图2表示相应的矿井安全监控与防护系统的控制策略。

4 预防与控制效果

为了能够验证系统的有效性，为此以可燃性气体浓度为例子进行风险预测，当处于实验时环境状态下，把该系统设置在密封容器内，对可燃气体溶度进行监测，表1为可燃气体的燃点以及混合气体爆炸情况。

表1 主要可燃性气体的燃点与混合气的具体爆炸范围情况表

表2表示煤矿开采过程中井下有害气体浓度的最高值。

表2 煤矿有害气体浓度限值

在密封容器开设一个盖子并且在盖子上面设置一个小孔，盖子的启闭由电机控制。这时可以将控制单元与电机以及接入风扇，该风扇可以控制可燃气体的浓度。控制单元中设置气体浓度报警值为80%，经过检测发现如下问题：

以CO为例子，起始浓度从0.0001%开始，并且释放浓度的速度为每秒增加0.0002%，如图3表示控制状态与非控制单元下气体的浓度变化趋势图。

假如不采用安全监控以及防护系统时，CO的浓度时间之间呈现线性关系。通过观察发现在13s位置出现气体浓度超标现象，这时可以启动控制单元，风扇启动，并且由电机电动密封容器盖子打开，这时可以将部分气体吹出，气体浓度随即下降。在经过13s后，气体浓度保持在20%的范围内。这时虽然一氧化碳的浓度不断增加，可是也可以保持在合理的范围内。通过上述数据的分析发现，该系统能够有效地监测煤矿气体浓度的变化情况[3]。

5 结语

由于煤矿井下工况环境相对复杂，因此往往会产生较多的影响安全问题的因素。比如有害气体、可燃气体、积水以及地质运动等。此类情况将会对矿井产生较大影响，因此将会产生较大的人员伤亡。经过试验发现该系统可以有效地监测煤矿安全问题，并且依据相应得到功能制定出与之匹配的改进措施。因此具有一定的参考价值。