矿井安全监控与防护系统的控制研究

张 芳

（山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司，山西 晋城 048400）

伯方煤矿位于山西省高平市城区西北约10 km的寺庄镇。矿井周围分布河流，矿井地形为低山丘陵。由于矿井一侧常年有丹河水通过，对矿壁有一定的影响，矿井的北部区域断层较多，断层间隙虽有泥沙等其他物质填充，但是水位上涨或地质结构变化，会导致涌水量增加，威胁矿井的安全。除此之外，影响煤矿安全的因素主要体现在井下作业的地质环境、电气设备安全、矿井支撑结构等方面。

在煤矿企业中占首要地位的就是安全生产[1]，为了进一步提高煤矿企业安全生产的条件，增强煤矿企业对工作环境中潜在的风险识别的能力和应对突发事故的能力，需要开发应用场景更加广泛、检测参数更具多样性、防护措施更迅速且有效的系统。

1 矿井安全监控系统运用现状

根据伯方煤矿的自身特点，从影响煤矿安全的角度出发，针对煤矿进行实地考察，发现当前煤矿在监测可燃性气体、有害气体等关键性安全因素时仍存在缺陷，对火灾、水灾、矿坑坍塌等安全事故无法很好地预防或在发生事故时采取最佳防护与救援措施。

2 矿井安全监控与防护系统总体方案

为了能够有效地将矿井的监控与防护形成一套完整的闭环控制，系统主要由三部分构成，即监控部分、控制部分、执行部分，如图1。监控部分包括大气温湿度传感器、有害气体浓度监测传感器、红外线温度传感器、氧气浓度监测传感器、矿壁压力监测模块、矿坑水位监测模块、地质运动监测模块。控制部分由带有控制电路的单片机组成，其内部含有整个系统的控制策略。执行部分包括通风设备、语音报警器、矿坑支撑组件、地面传输机构（升降梯等）。

图1 矿井安全监控与防护系统总体方案示意图

生产矿井开采区域以及设备电气存放区域都有明确的环境温度要求，当温度高于或低于限值，都会影响矿区的正常生产[2]。温度与电气设备的使用寿命呈反线性变化，温度越高，使用寿命越低，当温度超过其承受最高值时，电气设备将会产生断路、击穿等损坏性故障，严重时容易引发安全事故。

矿坑中的水害主要分为两大类：一类是从地面流入矿坑，另一类是矿坑内部特殊的地质条件（地下水或其他储水结构）导致矿井与其连通而造成水害。当矿井与地质中水量较多且易造成水害的区域相邻时，矿壁的压力会随着开采深度明显升高，矿壁的温度也会发生较大的变化。

3 矿井安全监控与防护系统的控制策略

在矿井中使用该系统，系统对矿井开采区域、电气存放区域、矿壁表面进行温度、湿度、氧气浓度、可燃性气体浓度、有害气体浓度、矿壁压力、积水深度等参数进行监测，如监测数据异常或超过限制，系统进行报警或采取相应措施。

（1）伯方煤矿开采区域、电气存放区域温度异常

当系统监测到温度异常后，控制模块对温度模块进行温度校验，判断温度传感器工作是否正常。如温度传感器工作异常，控制模块发送信号至报警器，报警器发出警报提示温度传感器异常并需要进行更换；如温度传感器工作正常，控制模块对异常的温度数据进行记录并与正常的温度阈值进行对比。如单位时间内温度持续异常，控制模块发送信号至报警器，报警提示该区域温度异常，需要维护人员进行检查，同时控制模块通过调节温控设备，将异常区域温度稳定在正常水平，并每隔单位时间，控制模块停止调节温控设备；如温度仍异常将继续进行调控，直至自然状态下温度恢复正常值，报警取消，系统重新回到监测状态。

（2）伯方煤矿内氧气、可燃性气体、有害气体浓度异常

由表1可见,正交试验反映,以异丙醇为脱水剂,脱水干燥的方式制备复方精油胶囊,最佳工艺条件组合为 A1B3C3D2,即芯壁比1∶2,水合速度为20 500 r/min,水合时间为30 min,水合温度为50 ℃; 工艺因素对复方精油微胶囊包埋率指标的影响程度按由大到小排列为芯壁比、水合时间、水合温度、水合速度。根据正交试验结果优选出的配方,制备复方精油微胶囊3个样品,平均包埋率为79.67%±0.73%。

当系统监测到矿井内氧气、可燃性气体、有害气体浓度异常后，控制模块对气体模块进行校验，判断气体模块是否工作正常。如气体模块工作异常，控制模块发送信号至报警器，报警器发出警报提示气体模块工作异常，需要维修部件或更换标气瓶；如气体模块工作正常，控制模块对气体异常的数据进行记录并与正常的气体浓度进行对比。如单位时间内气体浓度仍持续异常，控制模块发送信号至报警器，报警提示某气体浓度异常，同时控制模块通过调节通风设备，将异常区域气体浓度稳定在正常水平，并每隔单位时间，控制模块停止调节通风设备；如气体浓度仍异常将继续进行调控，直至经过正确处理，自然状态下气体浓度恢复正常值，报警取消，系统重新回到监测状态。

（3）伯方煤矿矿壁表面压力异常、矿井内积水深度超限

当系统监测到矿井矿壁表面压力异常后，控制模块对压力模块进行校验，判断压力模块是否工作正常。如压力模块工作异常，控制模块发送信号至报警器，报警器发出警报提示压力模块工作异常，需要维修部件；如压力模块工作正常，控制模块对矿壁表面压力异常的数据进行记录并与正常的压力值进行对比。如单位时间内压力持续异常，控制模块发送信号至报警器，报警提示矿壁压力异常，立刻停止作业，并提醒专业人员对矿壁进行查看，避免出现严重水害。同时控制模块启动抽水装置，预防大量地下水冲破矿壁，涌入矿井。

当系统监测到矿井内积水深度超限后，控制模块发送信号至报警器，报警器发出警报提示水位深度超过安全警戒，提醒人员停止作业并迅速撤离危险区域，同时控制模块启动抽水装置，将积水排除，当水位回落至安全范围内，报警取消，系统重新回到监测状态。

（4）伯方煤矿附近地质运动剧烈或异常

当系统监测到矿井内部或附近地质运动剧烈或产生异常后，控制模块对地质模块进行校验，判断地质监测模块是否工作正常。如地质模块工作异常，控制模块发送信号至报警器，报警提示地质模块工作异常，需要维修或更换部件；如地质模块工作正常，控制模块对地质运动异常的数据进行记录并与正常状态进行对比。如单位时间内地质运动仍持续异常，控制模块发送信号至报警器，报警提示地质运动异常，提醒人员停止作业，同时控制模块通过调节矿坑支撑组件，加强矿井的抗震强度，启动地面传送机构或升降电梯，将矿井内人员迅速撤离至地上安全区域。

矿井安全监控与防护系统的控制策略如图2。

图2 矿井安全监控与防护系统的控制策略

4 预防与控制效果

以可燃性气体浓度升高预防事故的风险为例，在实验室环境下，将矿井安全监控与防护系统的控制模块放置在密闭的容器中，使用气体浓度监测模块监测可燃性气体浓度。可燃性气体的燃点和混合气的爆炸范围见表1[3]。

表1 可燃性气体的燃点和混合气的爆炸范围（大气压力：101 325 Pa）

煤矿开采过程中矿井中的有害气体浓度最高限值见表2。

表2 矿井有害气体浓度限值

在密闭容器上开一个小孔，并用可开闭的盖子封上，盖子可由电机打开。将控制模块连接电机并同时接入一个小风扇，风扇可将可燃性气体稀释并在盖子打开时将部分气体吹出容器。控制模块中将气体浓度报警值设置为限值的80%，测试结果如下：

以一氧化碳为例，从浓度0.000 1%开始，按每秒增加0.000 2%，控制模块工作与非工作（无控制模块条件下）时一氧化碳的浓度增长趋势如图3。

图3 一氧化碳的浓度增长趋势

当不使用安全监控与防护系统的控制策略时，一氧化碳浓度的增长与时间呈线性关系，在13 s 时，一氧化碳的浓度已达到矿井有害气体的限值。当控制模块工作时，风扇启动，电机接通，密封容器上的盖子打开，部分一氧化碳气体被吹出，气体浓度下降，13 s 后，一氧化碳的浓度稳定在20%附近。即使一氧化碳浓度在持续增加，也能维持在平稳的状态，且小于气体浓度限值。

从上述数据可以看出，使用安全监控与防护系统能够对煤矿事故进行有效预防并有着良好的控制效果。

5 结 语

煤矿由于特殊的工作环境，影响其安全生产的因素众多，如地下的有害气体、可燃性气体、过多的积水、地质的剧烈变动等，这些因素都容易造成矿井事故，严重时导致人员伤亡和财产损失。采用合理且全面的控制方式和控制策略，能够让矿井安全监控与防护系统更加有效的帮助煤矿企业预防和应对突发事故，为后续的深入研究提供了一定的理论依据和指导意义。