徐 偉

（陽煤集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045000）

作為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和進(jìn)步的關(guān)鍵性能源資源，人類社會(huì)對(duì)煤炭的需求量不斷的提升，隨著綜采技術(shù)的不斷進(jìn)步，煤炭綜采作業(yè)的深度、綜采作業(yè)的復(fù)雜性均有了極大的提升。煤炭在開采過程中會(huì)產(chǎn)生大量的瓦斯，如果不及時(shí)將瓦斯氣體排出，一方面會(huì)導(dǎo)致井下綜采作業(yè)人員中毒，另一方面當(dāng)瓦斯?jié)舛确e聚到一定的程度時(shí)會(huì)產(chǎn)生瓦斯爆炸事故，給煤礦井下的綜采作業(yè)安全造成巨大的損失。傳統(tǒng)的瓦斯治理方案中主要是利用通風(fēng)系統(tǒng)連續(xù)不間斷的大量排風(fēng)將瓦斯含量進(jìn)行稀釋，從而保證綜采作業(yè)安全，但實(shí)際應(yīng)用過程中該方案存在著耗電量大、經(jīng)濟(jì)性差，而且也無法確保瓦斯突然大量涌出時(shí)的緊急排風(fēng)需求，給井下綜采作業(yè)安全造成了一定的安全隱患，因此本文提出了一種新的鉆孔布管抽采+通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，利用布管抽采的方案將瓦斯進(jìn)行提前抽采，降低綜采作業(yè)過程中的瓦斯涌出量，同時(shí)采用微機(jī)控制及變頻控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了礦井通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)井下瓦斯含量靈活調(diào)整通風(fēng)特性，實(shí)際應(yīng)用表明該組合技術(shù)方案能夠有效的確保井下綜采作業(yè)的安全性。

1 鉆孔布管抽采技術(shù)

煤礦井下瓦斯的鉆孔布管抽采技術(shù)主要是指在井下高瓦斯含量區(qū)域進(jìn)行預(yù)鉆孔對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采的方案，鉆孔時(shí)需要根據(jù)煤礦井下的實(shí)際地質(zhì)條件旋轉(zhuǎn)性的布置多個(gè)抽放鉆場，每個(gè)抽放鉆場內(nèi)設(shè)置4～8 個(gè)鉆孔，鉆場之間的距離不小于100 m，每個(gè)鉆孔的深度以鉆進(jìn)到高壓裂隙帶為準(zhǔn)，鉆孔的直徑通常選擇為80 mm。鉆孔設(shè)置完成后需要用管道將抽采區(qū)域的瓦斯排出，為了確保抽采過程中的穩(wěn)定性和安全性，對(duì)鉆孔布管抽采工藝的封孔工藝要求極高。經(jīng)過多次研究，本文提出了采用機(jī)械封孔的技術(shù)方案，該封孔設(shè)備的封孔原理如圖1 所示[1]。

圖1 機(jī)械封孔原理示意圖

由圖1 可知，在該機(jī)械封孔方案中，采用了大流量的封孔泵，封孔用的管道可采用厚臂型的PVC 套管，滿足在井下惡劣環(huán)境中長期工作的可靠性需求，抽采鉆孔在封孔時(shí)的封孔長度不小于9 m，封孔用的材料可選用高強(qiáng)度水泥料，首先將水泥、碎石、促凝劑、膨脹劑按照一定的比例進(jìn)行攪勻，然后加入到封孔泵的料倉內(nèi)，在封孔泵的作用下沿著注漿管道進(jìn)入到封孔區(qū)域，完成封孔作業(yè)。該煤礦井下瓦斯治理方案的優(yōu)點(diǎn)在于提前對(duì)瓦斯集聚區(qū)進(jìn)行抽采，避免了在綜采作業(yè)過程中瓦斯的集中涌出，經(jīng)濟(jì)性好、防止瓦斯突出的效果顯著，有效提升了井下綜采作業(yè)的安全性。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化

針對(duì)多數(shù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)采用風(fēng)機(jī)定功率運(yùn)行模式所存在的調(diào)節(jié)靈活性差，無法適應(yīng)井下多變的通風(fēng)環(huán)境要求且通風(fēng)電量消耗大、成本高的缺陷，結(jié)合通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際需求和發(fā)展趨勢，本文提出了一種新的FX-PLC 與變頻控制器相結(jié)合的礦井變頻通風(fēng)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示[2]。

圖2 礦井通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 可知，該變頻控制系統(tǒng)主要包括FXPLC 控制中心、變頻控制器及CC-LINK 數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了閉環(huán)調(diào)節(jié)反饋的模式，根據(jù)監(jiān)測到的煤礦井下瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r及時(shí)調(diào)節(jié)變頻控制器的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)節(jié)，滿足不同工況下的通風(fēng)安全性的需求。同時(shí)在該通風(fēng)控制系統(tǒng)的出風(fēng)口處設(shè)置有風(fēng)量傳感器和風(fēng)壓傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)通風(fēng)狀態(tài)的進(jìn)一步調(diào)節(jié)，出現(xiàn)通風(fēng)異常時(shí)及時(shí)報(bào)警并啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)方案[3]。

該控制系統(tǒng)采用了雙閉環(huán)控制的方案，將通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓作為一個(gè)閉環(huán)項(xiàng)，將井下瓦斯?jié)舛茸鳛榱硪粋€(gè)閉環(huán)項(xiàng)，這兩個(gè)閉環(huán)項(xiàng)為分開反饋模式，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)控制調(diào)節(jié)器，兩個(gè)控制調(diào)節(jié)器之間采用了串聯(lián)連接的方式，現(xiàn)將監(jiān)測到的瓦斯?jié)舛茸鳛橥L(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，然后再用風(fēng)量調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)作為風(fēng)量霜反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩種反饋調(diào)節(jié)的優(yōu)化配合，滿足對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)控制。

在雙閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中，通風(fēng)風(fēng)量的閉環(huán)作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)反饋系統(tǒng)，由于快速對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在緊急情況下快速提升風(fēng)機(jī)的運(yùn)行風(fēng)量，一致井下突發(fā)的瓦斯突出事故，增強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。將瓦斯?jié)舛茸兓孔鳛橄到y(tǒng)的外環(huán)調(diào)節(jié)閉環(huán)，提高對(duì)井下瓦斯?jié)舛鹊姆磻?yīng)靈敏速度，該雙閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)在不同條件下對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制需求。該雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示[4]，圖中TAG 表示系統(tǒng)設(shè)定的井下最大瓦斯?jié)舛龋约跋到y(tǒng)設(shè)定的風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量，TC 表示井下瓦斯傳感器，F(xiàn)C 表示煤礦井下風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量傳感器，TCS 表示系統(tǒng)實(shí)際監(jiān)測到的瓦斯?jié)舛取?/p>

3 瓦斯傳感器結(jié)構(gòu)分析

作為礦井瓦斯檢測的核心，井下瓦斯傳感器的監(jiān)測精度和可靠性直接決定了煤礦井下綜采作業(yè)的安全性和礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。目前常用的瓦斯傳感器主要包括了熱導(dǎo)式傳感器和熱效式傳感器，熱導(dǎo)式傳感器主要是是利用井下正常氣體和瓦斯的導(dǎo)熱級(jí)別的不同來對(duì)瓦斯進(jìn)行探測的，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，但在工作時(shí)極易受到井下風(fēng)量和濕度的影響，穩(wěn)定性差，使用壽命低。熱效式傳感器主要是利用可燃的氣體在化學(xué)試劑的作用下進(jìn)行自燃，通過改變電阻本身的溫度來對(duì)井下瓦斯的含量進(jìn)行判斷，但該類型的傳感器功率消耗大而且傳統(tǒng)的燃燒性氣體容易受到硫元素的影響，在井下惡劣的工作環(huán)境中極易受到干擾，出現(xiàn)誤報(bào)的概率極大，但該類別的傳感器應(yīng)用成本極低。為了提升井下瓦斯監(jiān)測的可靠性和精確性，本文提出了一種新的以二氧化錫為可燃性敏感材料的熱效式瓦斯傳感器，該類型的傳感器主要由含有敏感材料的線圈和檢測電極構(gòu)成，具有響應(yīng)速度快、功耗低、穩(wěn)定性好、使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，極大的提升了井下瓦斯檢測的精度和經(jīng)濟(jì)性，該瓦斯傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4 所示[5]。

圖3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 熱效式瓦斯傳感結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

針對(duì)瓦斯突出危害性大、難預(yù)防的現(xiàn)狀，本文提出了一種新的鉆孔布管抽采+通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，利用布管抽采的方案將瓦斯進(jìn)行提前抽采，降低綜采作業(yè)過程中的瓦斯涌出量，同時(shí)采用微機(jī)控制及變頻控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了礦井通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)井下瓦斯含量靈活調(diào)整通風(fēng)特性，分析表明：

1）煤礦井下瓦斯的鉆孔布管抽采技術(shù)能夠提前對(duì)瓦斯集聚區(qū)進(jìn)行抽采，避免了在綜采作業(yè)過程中瓦斯的集中涌出，經(jīng)濟(jì)性好、防止瓦斯突出的效果顯著，有效提升了井下綜采作業(yè)的安全性。

2）FX-PLC 與變頻控制器相結(jié)合的礦井變頻通風(fēng)控制系統(tǒng)，采用了雙閉環(huán)控制的方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤礦井下瓦斯含量的快速檢測，同時(shí)調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行特性，滿足不同工況下的通風(fēng)安全需求，同時(shí)顯著降低了井下通風(fēng)的能量消耗。

3）以二氧化錫為可燃性敏感材料的熱效式瓦斯傳感器，具有響應(yīng)速度快、功耗低、穩(wěn)定性好、使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，極大的提升了井下瓦斯檢測的精度和經(jīng)濟(jì)性。