郝程楠（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.天津中煤電子信息工程有限公司，天津 300010）

煤（巖）與瓦斯突出監(jiān)測和報(bào)警系統(tǒng)研制

郝程楠1，2
（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.天津中煤電子信息工程有限公司，天津 300010）

煤（巖）與瓦斯突出監(jiān)測和報(bào)警系統(tǒng)可以有效監(jiān)測煤礦井下采煤工作面、掘進(jìn)工作面進(jìn)、回風(fēng)巷道以及采區(qū)回風(fēng)巷、總回風(fēng)巷的瓦斯和通風(fēng)參數(shù)及煤與瓦斯突出導(dǎo)致的逆風(fēng)流情況，實(shí)現(xiàn)對瓦斯突出事故發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)的自動(dòng)判識(shí)并及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，采取斷電、撤人措施，自動(dòng)預(yù)測瓦斯涌出量和波及范圍，以達(dá)到提升煤礦安全管理水平，保障礦井及人員的安全，防止引發(fā)次生災(zāi)害的發(fā)生的目的。

煤巖；瓦斯；監(jiān)測；報(bào)警系統(tǒng)

1　煤（巖）與瓦斯突出原因分析

煤(巖)與瓦斯突出是嚴(yán)重威脅煤礦正常生產(chǎn)和人身安全的地質(zhì)災(zāi)害[1]。煤(巖)與瓦斯突出是煤礦井下發(fā)生的極其復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象。它是由地應(yīng)力、煤層瓦斯壓力、煤的力學(xué)特性以及采動(dòng)影響等多因素綜合作用的結(jié)果[2-4]。研究表明:盡管煤與瓦斯突出是突發(fā)性的,但在突出前均有預(yù)兆顯現(xiàn),這些預(yù)兆為煤與瓦斯突出的監(jiān)測和報(bào)警提供了途徑[5]。

采掘進(jìn)速度和煤層中的瓦斯含量與工作面瓦斯突出成正比關(guān)系。在風(fēng)量和采掘進(jìn)速度一定的情況下，煤層中的瓦斯含量是使工作面瓦斯突出的決定因素。當(dāng)采掘到瓦斯含量高的煤層時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生瓦斯突出現(xiàn)象，這時(shí)空氣中瓦斯含量會(huì)迅速增高。當(dāng)采掘到含有高瓦斯氣團(tuán)的煤層時(shí)，除空氣中瓦斯含量會(huì)迅速增高外，還會(huì)使通風(fēng)風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，將會(huì)產(chǎn)生巨大的安全隱患[6-7]。

2　傳感器的安裝

為實(shí)現(xiàn)煤（巖）與瓦斯突出監(jiān)測與報(bào)警，煤（巖）與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井需在井下設(shè)置安裝甲烷、風(fēng)向風(fēng)速、風(fēng)壓、風(fēng)筒傳感器。甲烷傳感器應(yīng)采用全量程紅外或高低濃甲烷傳感器。

采煤工作面在圖1標(biāo)志點(diǎn)設(shè)置甲烷傳感器和雙向風(fēng)速傳感器。當(dāng)甲烷濃度達(dá)到報(bào)警濃度時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；當(dāng)甲烷濃度達(dá)到斷電濃度時(shí)，自動(dòng)切斷相關(guān)區(qū)域電源。圖2為掘進(jìn)工作面?zhèn)鞲衅髟O(shè)置。

圖1　采煤工作面?zhèn)鞲衅髟O(shè)置位

圖2　掘進(jìn)工作面?zhèn)鞲衅髟O(shè)置

1）采煤工作面（圖1中T1）及其上隅角（圖1 中T0）、回風(fēng)巷（圖1中T2）、進(jìn)風(fēng)巷靠近工作面處（圖1中T3）、進(jìn)風(fēng)巷靠近分風(fēng)口處（圖1中T4）設(shè)置甲烷傳感器。回風(fēng)巷（圖1中F2）必須設(shè)置風(fēng)速傳感器,進(jìn)風(fēng)巷（圖1中F1）設(shè)置雙向風(fēng)速傳感器。

2）掘進(jìn)工作面（圖2中T1）及其回風(fēng)流中（圖2 中T2）設(shè)置甲烷傳感器。進(jìn)風(fēng)巷（圖2中F3）設(shè)置雙向風(fēng)速傳感器。

3）采區(qū)進(jìn)、回風(fēng)巷，一翼進(jìn)、回風(fēng)巷，總進(jìn)、回風(fēng)巷設(shè)置甲烷傳感器和雙向風(fēng)速傳感器。

3　煤與瓦斯突出報(bào)警系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)

3.1煤與瓦斯突出報(bào)警系統(tǒng)的組成

煤與瓦斯突出報(bào)警系統(tǒng)主要有四部分組成:

1）現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，加裝紅外甲烷傳感器和雙向風(fēng)速傳感器；

2）突出事故報(bào)警系統(tǒng)檢測計(jì)算機(jī)；

3）突出事故報(bào)警系統(tǒng)軟件；

4）短信發(fā)布平臺(tái)。

3.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

利用現(xiàn)在使用的安全監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在中心站加裝1臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，專門用于瓦斯突出報(bào)警系統(tǒng)。瓦斯突出報(bào)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖，見圖3。

圖3　瓦斯突出報(bào)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

4　瓦斯突出報(bào)警系統(tǒng)主要功能

4.1瓦斯突出報(bào)警計(jì)算機(jī)功能

通過局域網(wǎng)從監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)獲取相關(guān)檢測點(diǎn)的數(shù)據(jù)；對采集得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、處理并存儲(chǔ)；當(dāng)達(dá)到或超過瓦斯突出事故報(bào)警限時(shí)，發(fā)出瓦斯突出報(bào)警信息，發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)的自動(dòng)判識(shí)和及時(shí)報(bào)警，及時(shí)發(fā)出斷電指令。

4.2掘進(jìn)工作面瓦斯突出報(bào)警與斷電控制

掘進(jìn)工作面的瓦斯突出事件是由井下多功能監(jiān)控器進(jìn)行判斷，實(shí)施報(bào)警、斷電的。當(dāng)發(fā)生下述情況之一時(shí)，可發(fā)出瓦斯突出報(bào)警并實(shí)施就地切斷本區(qū)域的供電電源。

1）掘進(jìn)工作面甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（1.0%CH4）；掘進(jìn)巷道回風(fēng)流甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（1.0%CH4），掘進(jìn)巷道回風(fēng)速、或采區(qū)回風(fēng)巷風(fēng)速不低于正常值。

2）掘進(jìn)工作面甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（1.0%CH4）；掘進(jìn)巷道回風(fēng)流甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（1.0%CH4），一翼回風(fēng)巷或總回風(fēng)巷甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（0.7%CH4），一翼回風(fēng)巷或總回風(fēng)巷風(fēng)速不低于正常值。

3）掘進(jìn)工作面甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（1.0%CH4）；掘進(jìn)巷道回風(fēng)流甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（1.0%CH4）；掘進(jìn)工作面進(jìn)風(fēng)風(fēng)向風(fēng)流逆轉(zhuǎn)、或采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流逆轉(zhuǎn)、或一翼進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流逆轉(zhuǎn)?？傔M(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流逆轉(zhuǎn)。

4）掘進(jìn)工作面甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（1.0%CH4）；掘進(jìn)巷道回風(fēng)流濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（1.0%CH4）；采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（0.5%CH4）、或一翼進(jìn)風(fēng)巷甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（0.5%CH4）、或總進(jìn)風(fēng)巷甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（0.5%CH4）。

4.3采煤工作面瓦斯突出報(bào)警與斷電控制

綜采工作面的瓦斯突出事件是由井下多功能監(jiān)控器進(jìn)行判斷，實(shí)施報(bào)警、斷電的。當(dāng)發(fā)生下述情況之一時(shí)，可發(fā)出瓦斯突出報(bào)警并實(shí)施就地切斷本區(qū)域的供電電源。

1）工作面的甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（1.0%CH4）；工作面回風(fēng)巷、采區(qū)回風(fēng)巷的甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（1.0%CH4），回風(fēng)巷風(fēng)速傳感器監(jiān)測到的風(fēng)速不低于正常值。

2）工作面的甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（1.0%CH4）；工作面回風(fēng)巷、采區(qū)回風(fēng)巷的甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（1.0%CH4）；一翼回風(fēng)巷甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（0.7%CH4），一翼回風(fēng)巷風(fēng)速不低于正常值，或總回風(fēng)巷的甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（0.7%CH4），總回風(fēng)巷的風(fēng)速不低于正常值。

3）工作面的甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（1.0%CH4）；工作面上隅角、回風(fēng)巷、采區(qū)回風(fēng)巷的甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（1.0%CH4），一翼回風(fēng)巷、總回風(fēng)巷甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（0.7%CH4）。

4）工作面、回風(fēng)巷、上隅角的甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（1.0%CH4）；進(jìn)風(fēng)巷的甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（0.5%CH4）；進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)向風(fēng)流逆轉(zhuǎn)；或采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)向風(fēng)流逆轉(zhuǎn)、或一翼進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)向風(fēng)流逆轉(zhuǎn)。

5）工作面、回風(fēng)巷的甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（1.0%CH4）；進(jìn)風(fēng)巷（靠近工作面）、總進(jìn)風(fēng)巷的甲烷濃度迅速增高或達(dá)到報(bào)警值（0.5%CH4）。

4.4瓦斯突出報(bào)警系統(tǒng)軟件

煤與瓦斯突出報(bào)警的監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件，該軟件適用廣泛、實(shí)用性強(qiáng)，便于編輯。軟件人員可根據(jù)高瓦斯礦井和瓦斯突出礦井的實(shí)際情況，編輯瓦斯突出報(bào)警條件、方式及報(bào)警內(nèi)容，瓦斯突出事故及其發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)的自動(dòng)判識(shí)等內(nèi)容。主要可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）顯示功能?？蓪?shí)現(xiàn)列表顯示、分類顯示、模擬圖顯示。

2）瓦斯涌出量的統(tǒng)計(jì)功能。瓦斯突出報(bào)警系統(tǒng)軟件可統(tǒng)計(jì)瓦斯涌出量。根據(jù)巷道的截面積、風(fēng)速值及時(shí)間，統(tǒng)計(jì)從甲烷迅速增高時(shí)刻開始，到甲烷恢復(fù)正常值為止的瓦斯涌出量。

3）波及范圍自動(dòng)預(yù)測功能。a.瓦斯突出事故發(fā)生后，當(dāng)進(jìn)風(fēng)處甲烷檢測值和風(fēng)速檢測值均為正常時(shí)，按順風(fēng)流進(jìn)行預(yù)測波及范圍；采區(qū)回風(fēng)→一翼回風(fēng)→總回風(fēng)。b.瓦斯突出事故發(fā)生后，當(dāng)進(jìn)風(fēng)處甲烷檢測值和雙向風(fēng)速均為報(bào)警時(shí)，預(yù)測潑及范圍除順風(fēng)流外還應(yīng)包括進(jìn)風(fēng)處。

4）調(diào)用查詢功能?？蓪?shí)現(xiàn)相關(guān)瓦斯突出檢測數(shù)據(jù)及分析結(jié)果的調(diào)用查詢、曲線調(diào)用和瓦斯突出事故報(bào)警查詢功能。

5）報(bào)表統(tǒng)計(jì)及打印功能?？缮赏咚雇怀鍪鹿蕡?bào)警報(bào)表并打印輸出功能。

5　實(shí)際應(yīng)用

1）案例1。山西陽煤集團(tuán)溫家莊礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力100萬t/a，計(jì)劃生產(chǎn)能力200萬t/a，按高瓦斯礦設(shè)計(jì)，2007年投入生產(chǎn)。使用該瓦斯突出報(bào)警系統(tǒng)后，在2013年8月23日掘進(jìn)工作面施工時(shí)，發(fā)生瓦斯突出現(xiàn)象，掘進(jìn)工作面甲烷值迅速升高，最高值高達(dá)10.5%CH4，持續(xù)了4 min時(shí)間，回風(fēng)流甲烷值隨后升高，最高值達(dá)到3.6%CH4，持續(xù)12 min恢復(fù)到0.9%CH4以下。統(tǒng)計(jì)瓦斯涌出量100 m3。當(dāng)掘進(jìn)工作面甲烷值達(dá)到0.9%CH4時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出了甲烷超限報(bào)警信號(hào)，并切斷該區(qū)域的供電電源，同時(shí)撤離作業(yè)人員。成功的避免了一次因瓦斯突出引發(fā)的事故。此次瓦斯突出屬于低能量指標(biāo)突出，進(jìn)風(fēng)出甲烷、風(fēng)速均為正常值，沒有造成返風(fēng)流。按順風(fēng)流進(jìn)行預(yù)測波及范圍，采取防范措施。

2）案例2。山西晉煤集團(tuán)長平礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力450萬t/a，計(jì)劃生產(chǎn)能力600萬t/a。按高瓦斯礦設(shè)計(jì)，2005年投入生產(chǎn)，使用該系統(tǒng)后，在2014年7 月17日綜采工作面出現(xiàn)煤幫垮塌，造成瓦斯突出現(xiàn)象，上隅角甲烷傳感器監(jiān)測值迅速升高，甲烷值高達(dá)2.3%CH4，維持2 min。系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出了甲烷超限報(bào)警信號(hào)并切斷該區(qū)域的供電電源。因瓦斯突出的能量比較小，回風(fēng)處的甲烷監(jiān)測值由原來的0.5%CH4上升到0.9%CH4，未達(dá)到報(bào)警線。

6　結(jié)束語

在當(dāng)今的技術(shù)條件下，還不能對煤（巖）與瓦斯突出進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測和預(yù)報(bào)，但

可以通過瓦斯突出報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測煤礦井下采、掘工作面環(huán)境中瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)速風(fēng)流的變化情況，分析煤（巖）瓦斯是否產(chǎn)生突出，一旦發(fā)生瓦斯突出現(xiàn)象，切斷煤礦井下瓦斯突出區(qū)域范圍內(nèi)的電源，避免或減少瓦斯爆炸事故發(fā)生。同時(shí)，進(jìn)行煤與瓦斯突出報(bào)警，撤出煤礦井下作業(yè)人員，避免或減少人員傷亡。

[1]趙明鵬,王宇林,梁冰,等.煤(巖)與瓦斯突出的地質(zhì)條件研究——以阜新王營礦為例[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),1999(1):15-20.

[2]瓦斯噴出和煤(巖)與瓦斯突出[J].能源與節(jié)能,2014(12):170.

[3]劉鋒.一起瓦斯突出事故案例引起的分析與反思[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2015(5):175-176.

[4]吳自立.AE信號(hào)參數(shù)預(yù)測預(yù)報(bào)煤(巖)與瓦斯突出危險(xiǎn)性的進(jìn)展及展望[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2005(1):27-29.

[5]楊景波.煤(巖)與瓦斯突出影響因素分析[J].陜西煤炭,2008(3):16-18.

[6]孫繼平.煤礦監(jiān)控新技術(shù)與新裝備[J].工礦自動(dòng)化,2015(1):1-5.

[7]畢萬全,蔣承林,王智立,等.煤(巖)堅(jiān)固性系數(shù)測定的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性研究[J].煤礦安全,2012(8):41-44.

[8]程紹仁,賈有根,郭恩生,等.晉城地方煤礦高瓦斯礦區(qū)煤與瓦斯突出防治的初探[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2004(6):44-47.

（編輯：樊敏）

Monitoring and Alarming System of Coal（Rock）and Gas Outburst

HAO Chengnan1，2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China 2.Tianjin Coal Electronic In Formation Engineering Co.,ltd.,Tianjin 300010,China)

The monitoring and alarming system of coal(rock)and gas outburst could effectively monitor gas and ventilation parameters in intake airway and return airway of mining face and driving face, return airway of mining area,and main return airway,as well as reverted air flow caused by coal and gas outburst.The system could also realize the automatic identification on the time and place of outburst accidents,sound an alarm,cut off power,adopt measures on personnel evacuation,and automatically predict the gas inrush content and range,in order to improve safety management and protect mine and staff from secondary disasters.

coal rock;gas;monitoring;alarming system

TD712

A

1672-5050（2016）02-0058-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.018

2015-10-29

郝程楠（1984-），男，天津人，在讀工程碩士，工程師，從事煤礦安全管理工作。