高瓦斯矿井通风系统自动控制技术应用

2023-08-06梁亮东

当代化工研究 2023年15期

＊梁亮东

（山西焦煤山煤国际霍尔辛赫煤业有限公司山西 046000）

井下通风是矿井安全生产的重要辅助系统，负责为井下提供新鲜的氧气，通过井下风流的流转携带出井下生产产生的有害气体、多余热量，确保井下的安全生产环境[1]。在高瓦斯矿井中，随着采掘工作的进行、采掘深度的增加，井下瓦斯解析量、解析速度逐渐增大，针对井下生产环境变得尤为重要，传统的人工检测法利用人工巡检的方法对井下作业面的气体环境进行检测的方法具有严重的滞后性特点，检测过程存在较大的安全隐患[2]。随着监测技术和PLC技术的发展，结合监测技术和PLC技术形成的自动监控技术，通过选择合适的监测设备和监测点，实时监测井下气体环境，根据瓦斯物理特性对井下通风环境进行智能识别，从而控制通风系统采取相应的动作，两者结合，能实现对井下气体环境的自动监控，排除作业人员对井下气体环境监控的不利影响，对高瓦斯矿井的监测控制针对性强，实践表明，具有一定的使用价值[3]。

1.瓦斯析出规律

（1）矿井瓦斯的赋存形式。矿井瓦斯是原始腐殖质在成煤的过程中形成的一种以甲烷气体为主的混合气体，成煤和煤化变质的过程也是矿井瓦斯形成的过程，尤其对原煤品质较好的无烟煤、烟煤进行开采时，采掘活动会产生大量的瓦斯气体，威胁井下的安全生产环境。煤层形成过程中形成的矿井瓦斯在煤层中存在以下三种赋存方式：游离状态、附着状态、吸收状态。

煤是一种多空隙结构，游离状态的瓦斯在水土压力的作用下，游离在煤岩体空隙中，试验表明，这种游离状态的瓦斯占矿井瓦斯含量的10%～20%；吸附状态的瓦斯是瓦斯分子在范德华引力作用下吸附在煤岩体表面，形成一层瓦斯膜结构，这部分吸附状态的瓦斯在矿井瓦斯中占比80%左右；吸收状态的瓦斯，是井下瓦斯含量饱和后，在井下高压作用下，瓦斯作为一种溶剂溶解在煤分子中，这种状态下的矿井瓦斯含量较少。矿井瓦斯在煤层的赋存状态是动态的，在外界环境的影响下，瓦斯的游离、吸附、吸收状态是可以相互转化的，随着采掘活动的进行，在不断揭漏煤岩体的过程中，煤岩体内吸附和吸收状态的瓦斯逐渐转变为游离转台的瓦斯，直接影响井下生产安全。

（2）矿井瓦斯的解析规律。矿井瓦斯是一种以甲烷为主的混合气体，具备一般气体的通用特征，受温度、压力等外界环境影响大，环境温度越高，瓦斯分子越活跃，环境温度越低，瓦斯分子相对不活跃；在外界压力作用下，瓦斯气体具有很强的压缩性等。在环境压力影响下，井下煤岩体对矿井瓦斯的吸附量如式（1）、式（2）：

式中：X为煤岩体对瓦斯的吸附量，m3/t；a为系数；b为吸附常数，与煤的性质有关；p为环境压力，MPa。

式（1）为标准的瓦斯吸附公式，式（2）为简化后的瓦斯吸附公式，把标准式（1）中分子和分母同除环境压力p得到简化后的式（2）。从式（2）中可以发现，在煤岩体物理性质、温度等不变的条件下，煤岩体对瓦斯的吸附量与环境压力成正比。式（2）中ab为常数，随着环境压力的增大，式（2）中分母（p-1+b）逐渐减小，瓦斯吸附量X逐渐增大。

在矿井生产过程中，随着采掘活动逐渐揭漏煤岩体，在采掘工作面处形成环境压力为0的自由面，在自由面处吸附或吸收的瓦斯不断解析为游离的瓦斯，在煤岩体内部水土压力和巷道内空气压力之间的压力差作用下，游离的瓦斯不断的释放进巷道或工作面中。因此，对高瓦斯矿井，煤岩体内的瓦斯含量是呈梯度分布的，在煤岩体与采掘工作面或地表空气接触处，瓦斯吸附量最低，在深入煤岩体的方向上，矿井瓦斯含量逐渐增大。瓦斯是一种易燃易爆气体，对井下安全生产产生不利影响，当瓦斯聚集到一定浓度后产生燃烧爆炸隐患，严重影响矿井安全生产，对瓦斯浓度的控制依赖于矿井的通风系统，通过通风系统内风流的不断循环，把巷道内集聚的瓦斯不断的携带出井下，降低井下环境中的瓦斯浓度，确保生产安全。

2.自动化监控系统机理

自动化监测控制技术结合了监测技术和单片机技术，通过在井下瓦斯易于解析、集聚的位置布置合理的监测设备和监测点，实时监测井下风险点的瓦斯含量，并将监测数据传输给单片机智能识别、自动控制系统，对井下通风系统中的瓦斯含量是否达到危险级别进行判断，并控制矿井风机、风门等设备执行相应的动作，排除隐患，系统作用过程如图1。

图1 瓦斯矿通风系统自动监控机理图

如图1所示，在不考虑安监局对煤矿瓦斯信息监测流程的基础上，矿井瓦斯监测信息的流程如图1，矿井瓦斯自动监控系统的工作流程如下：首先，根据矿井开采的特点和瓦斯的特性，在合适的位置布置监测点和监测设备，监测设备监测的瓦斯参数在模数转换器的作用下转换为可被计算机系统识别的数字信号传输给经井下监测分站，然后，通过信息通道传输给矿井监测总站，到此为止是自动监控系统的监测模块。监测模块把监测到的监测信息传输给自动控制模块，根据矿井瓦斯的物理性质，在控制模块中预先输入相应的逻辑判断语句，对矿井瓦斯含量进行智能判断，把判断结果以数字信号的形式输出，经数模转换器作用转变为可被通风机识别的电信号，控制通风机执行相应的动作，并将动作信号反馈给控制模块。一个循环完成后，监测设备再次对监测点的瓦斯浓度进行监测并上传，自动监控系统进入下一个监控循环。

3.系统设计

在对高瓦斯矿井通风系统的瓦斯浓度自动监控的过程中，系统设计的关键点有两部分：（1）根据瓦斯析出的特点和瓦斯的物理特性选定合理的监测设备和监测参数，合理布置监测点，对瓦斯析出风险较大的点进行重点监控；（2）根据瓦斯的化学特性，选定合理的判断标准，并以逻辑判断语句的形式提前输入控制器，对监测到的瓦斯浓度是否超限进行智能识别，并输出相应的动作信号，控制通风系统执行相应的动作。

高瓦斯矿井生产过程中，比较容易产生瓦斯积聚的风险点有回采工作面上隅角，采煤机、掘进机截割部附近，顶板冒落的空洞处和停风的盲巷废巷、风流小的巷道顶板处等风险较大部位，对这些风险点布置合适的监测设备，实时监测各点的瓦斯浓度。瓦斯的主要成分是甲烷（CH4），甲烷的摩尔质量为16，远小于空气的摩尔质量29，甲烷在空气中受到浮力的作用，聚集在监测点的上部位置，监测设备布置时，在监测点上部合适位置布置监测设备；瓦斯气体的主要成分是甲烷，对瓦斯气体监测时，选定甲烷气体监测器对瓦斯浓度进行监测。自动监测系统设计如表1。

表1 监测系统参数设计

如表1所示，在回采工作面上隅角，采煤机、掘进机截割部位，停风的盲巷废巷和掘进工作面风流达不到处布置甲烷探测器，探测器按一定间距均匀的布置在巷道或工作面的上部瓦斯易于积聚的点，实时监测回采工作面上隅角，回采工作面截割部位，停风的盲巷废巷和掘进工作面风流达不到处的瓦斯浓度，并将监测信息传输给井下监测分站，地表监测主机对井下监测分站的监测数据进行汇总后，传输给PLC控制器。在PLC控制器中对井下通风系统的通风环境进行智能识别和自动判断，当回采工作面上隅角，回采工作面截割部位，停风的盲巷废巷和掘进工作面风流达不到处的监测设备监测到该点的瓦斯浓度达到预警值C1时，自动监控系统对该点的安全状态进行研判，引导现场作业人员和设备停止作业，持续通风降低该监测点的瓦斯浓度，指导该点的瓦斯浓度降低到安全作业范围后，作业人员或设备继续进行采掘作业；当回采工作面上隅角，回采工作面截割部位，停风的盲巷废巷和掘进工作面风流达不到处的瓦斯浓度达到报警值C2时，自动监控系统引导作业人员和设备停止作业，同时启动超限监测点处的局部风机，增加超限监测点的风量，通过加强通风的方式降低超限监测点处瓦斯浓度；当回采工作面上隅角，回采工作面截割部位，停风的盲巷废巷和掘进工作面风流达不到处的监测设备监测到该点监测值达到安全限值C3时，自动监控系统控制报警系统发出紧急撤离信号，引导井下作业人员撤出工作面。井下瓦斯自动监控系统是一个开放的系统，在监测模块中，可以根据井下生产的具体情况，增设监测点，使监测点的布置更加符合现场实际情况。

4.系统应用

利用瓦斯自动监控系统治理某矿1513工作面瓦斯浓度超限问题，1513工作面煤层倾角4°～11°，瓦斯压力0.73MPa，工作面原始瓦斯含量6.17m3/t，煤层瓦斯放散初速度5.8～7.2m3/min，百米钻孔瓦斯涌出量0.42m3/min，使用瓦斯自动监控系统对该工作面进行优化。在回采工作面上隅角，回采工作面截割部附近，顶板冒落的空洞处和停风的盲巷废巷、风流小的巷道顶板处布置SK-600型甲烷检测仪，监测仪间隔50m布置在监测点的上部；根据甲烷的爆炸极限4.9%～16%，选定自动监控系统的预警值为3%、报警值为4%、安全限值为5%，具体监测参数选择如表2。

表2 某矿1513工作面瓦斯监测系统参数

如表2所示，当回采工作面上隅角，回采工作面截割部位，停风的盲巷废巷和掘进工作面风流达不到处的SK-600型甲烷探测器监测到该点的瓦斯浓度达到预警值3%时，自动监控系统对该点的安全状态进行研判，引导现场作业人员和设备停止作业，持续通风降低该监测点的瓦斯浓度，指导该点的瓦斯浓度降低到安全作业范围后，作业人员或设备继续进行采掘作业；当回采工作面上隅角，采煤机、掘进机截割部位，停风的盲巷废巷和掘进工作面风流达不到处的瓦斯浓度达到报警值4%时，自动监控系统引导作业人员和设备停止作业，同时启动超限监测点处的局部风机，增加超限监测点的风量，通过加强通风的方式降低超限监测点处瓦斯浓度；当回采工作面上隅角，回采工作面截割部位，停风的盲巷废巷和掘进工作面风流达不到处的SK-600型甲烷探测器监测到该点监测值达到安全限值5%时，自动监控系统控制报警系统发出紧急撤离信号，引导井下作业人员撤出工作面。

实践表明，使用瓦斯自动监控系统对该矿1513工作面进行自动化改造后，能实现对回采工作面上隅角，采煤机、掘进机截割部位，停风的盲巷废巷和掘进工作面风流达不到处等瓦斯易于积聚处的瓦斯浓度的实时监控、智能识别和自动控制，与传统的人工监测方法相比，排除了人为因素的不利影响，对风险点的控制更加全面，同时避免监测人员暴露在瓦斯超限的危险环境，极大的提高了通风系统的智能化和可靠性，实践证明具有一定的使用价值。