综采工作面瓦斯监测与供电控制系统设计应用*

黄晓伟

(霍州煤电集团晋北煤业有限公司，山西 忻州 035100)

0 引 言

我国每年需要开采大量的煤矿资源[1]，煤矿开采过程伴随涌出大量的瓦斯，如果开采过程控制不当就可能引起瓦斯爆炸，进而威胁综采工作面供电系统的安全[2-3]。为应对矿井突发情况，通常需要设计供电控制系统[4-5]。一旦矿井内部出现瓦斯等安全隐患时，就可以对综采工作面的供电系统进行断电处理，避免发生供电系统安全事故[6]。

笔者主要以维护井下设备安全防止瓦斯等安全隐患为目标，结合某综采工作面中远距离供电系统运行情况，对其控制系统进行了设计，通过系统的设计应用，可实现矿井瓦斯浓度实时检测，达到远程控制方式对供电网络进行切断的安全生产目标。

1 综采工作面供电系统设计目标

对矿井综采工作面供电系统设计时，需要充分考虑矿井的实际情况，比如煤层倾角大小、设计使用年限、矿井瓦斯涌出情况等因素。如图1所示为综采工作面远距离供电系统示意图。

图1 综采工作面供电系统示意图

由图可知，为确保矿井供电系统的稳定性，地面35 kV变电所设计了两个回路进行供电。两个供电回路分别经过35/6 kV变压器将电压降低到6 kV，直接为位于矿井地面的提升机、通风机等设备进行供电。更重要的是要为矿井变电所进行供电，变电所将电压降低到660 V和127 V等，再给各个采煤设备和照明设备进行供电。矿井工作环境复杂，为保障综采工作面供电系统的安全，需要设计供电控制系统，当矿井中瓦斯浓度超标时，能及时对供电系统进行断电处理，防止对采煤设备造成不必要的损伤。

2 供电控制系统工作原理及设计方案

图2所示为综采工作面供电控制系统原理示意图。整个供电控制系统可以划分成为三大部分，分别为控制电路、控制装置和信号无线传输网络。控制装置位于综采工作面，作用是对工作面的瓦斯浓度进行检测，并判断是否超过了《煤矿安全规程》中的标准值。控制电路位于采区变电所的断电仪中，如果控制装置检测发现瓦斯浓度超过了安全标准值，则立即通过无线传输网络向控制电路发送断电信号。控制电路接收信号后，基于断电仪对综采工作面的供电系统进行断电处理，保障工作面的安全。

图2 综采工作面供电控制系统原理示意图

供电控制系统中控制装置作用最为关键，负责对矿井内部各个部分的瓦斯浓度进行采集、分析并发出对应的控制信号。需要在控制装置中输入矿井瓦斯浓度安全标准范围，还要内置对应的控制算法对瓦斯浓度检测结果与标准安全范围进行对比，判断矿井是否安全，进而决定是否发出断电控制信号。

3 供电控制系统硬件选型与设计

图3所示为供电控制系统硬件部分框图。整个控制系统主要包括处理器、瓦斯检测模块和Zigbee无线传输模块等。以下对这些硬件设施进行详细介绍。

图3 供电控制系统硬件部分框图

3.1 处理器

供电控制系统的处理器是关键和核心的部分，其性能影响整个控制系统运行的速度和稳定性。结合控制系统的实际工作需要，最终选用ARM7处理器。处理器工作时接收瓦斯浓度传感器检测得到的信号，并基于内置的算法对信号数据分析对比，判断矿井的安全程度。若矿井瓦斯浓度超过了安全标准范围，需要基于Zigbee无线传输模块向控制电路中发出对应的控制信号，对矿井供电网络进行断电处理。ARM7属于32位处理器，具有优异的数据分析与处理能力及丰富的I/O接口，通过这些接口可以实现与其他硬件设施的连接，显著提升了处理器的拓展性能。

3.2 瓦斯检测模块

目前针对瓦斯浓度进行检测的方法有很多种，在充分考虑实际情况基础上，控制系统中选用的是载体催化法，此法具有检测成本低、检测电路简单等诸多优势，图4所示为瓦斯浓度检测原理图。催化元件是这种检测方法中的重要构成部分，催化元件遇到瓦斯，会释放催化剂，对瓦斯进行燃烧，产生的热量会导致电路中的电阻值增加。建立瓦斯浓度与电阻值增加速度之间的关联关系，根据电阻值可判断环境中瓦斯浓度大小。图4中，V0和Vs分别为输出和输入电压，R0和R分别为调零电位器和固定电阻，C和D分别为补偿元件和检测元件。

图4 瓦斯浓度检测原理图

3.3 Zigbee无线传输模块

综采工作面供电控制系统中Zigbee无线传输模块同样是非常重要的构成部分，直接决定了控制信号能否稳定发送和接收。为了确保控制信号能够正确传输，选用P-Link1221-2164型Zigbee模块，该型号模块已经获得FCC的认证，在工业领域都有广泛的应用。Zigbee模块具备有标准化的射频接收和发送模块，能与其他硬件设施进行友好兼容。图5所示为Zigbee无线传输模块的结构框图。

图5 Zigbee无线传输模块的结构框图

4 供电控制系统实践应用

所设计的综采工作面供电控制系统投入到煤矿应用时，首先调试控制信号无线传输。控制装置发出的所有信号均被控制电路接收，接受率为100%，调试结果验证了控制系统无线传输模块运行的可靠性。另外，对控制系统的远程控制功能进行了调试，调试时主要是向瓦斯传感器周围释放浓度为1.5%的瓦斯，结果发现，位于综采工作面的控制装置在接收到危险信号后立即向外发出控制信号，控制电路在接收控制信号后快速做出了对应的响应，将附近的供电电源切断处理。调试结果表明供电控制系统可以快速的对工作面环境做出判断并切断对应区域的供电网络，能够有效保障综采工作面的安全。

调试合格后的综采工作面中远距离供电控制系统正式投入使用，并对其进行了连续六个月时间的监测，发现整个使用过程中控制系统运行稳定，能够准确的对矿井内的瓦斯浓度进行检测并做出响应，在保障矿井供电安全方面发挥了重要的作用。

5 结 语

煤矿开采过程中需要使用大量的机电设备，安全稳定的工作面供电网络是保证煤矿开采正常推进的基础。针对综采工作面供电网络设计控制系统，不仅可以对采煤设备进行保护，同时还可以确保整个矿井的安全。以某综采工作面中远距离供电网络为例，对其控制系统进行了设计研究。控制系统可以对矿井中的瓦斯浓度进行实时检测，并基于检测结果对供电网络进行控制。对设计的供电控制系统进行测试，各项功能均能达到设计要求，取得了很好的应用效果，显著提升了矿井的经济效益和社会安全效益。