孫 凡 陳 騁 馮智鵬 李 偉

（煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122）

煤礦井下無計(jì)劃停電停風(fēng)主要發(fā)生在掘進(jìn)工作面或采用局扇送風(fēng)的回采工作面，常常導(dǎo)致采掘工作面瓦斯積聚，停電停風(fēng)后未檢查瓦斯?jié)舛染碗S意恢復(fù)送風(fēng)、送電或因排放瓦斯措施落實(shí)不到位釀成的煤礦瓦斯爆炸事故屢見不鮮[1]。究其原因，主要是工人習(xí)慣性違章作業(yè)，出班時(shí)順手關(guān)停局部通風(fēng)機(jī)或機(jī)電設(shè)備發(fā)生故障以及地面變電站或井下變電所突然停電所致。

目前，煤礦主要采用雙電源、雙風(fēng)機(jī)和切換裝置的方式解決井下通風(fēng)和瓦斯抽排問題，但由于系統(tǒng)設(shè)備多、切換裝置存在功能缺陷、控制開關(guān)設(shè)備落后、風(fēng)筒接頭漏風(fēng)等問題沒有得到解決[2]，局扇無計(jì)劃停電、停風(fēng)造成瓦斯積聚的事故仍屢有發(fā)生。因此，研究高瓦斯掘進(jìn)面遠(yuǎn)距離排抽控制技術(shù)，在井下無計(jì)劃停電停風(fēng)時(shí)，能自動開啟瓦斯抽放管道閥門，不僅能有效消除掘進(jìn)工作面無計(jì)劃停電停風(fēng)事故，還能對停風(fēng)區(qū)、盲巷積存瓦斯進(jìn)行自動排放，有效提高礦井瓦斯排放安全性，縮短排放瓦斯所用時(shí)間，對搞好礦井“一通三防”工作，實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)具有重大意義。

1 技術(shù)方案概述

掘進(jìn)面開采前要對煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽采，井下預(yù)抽采時(shí)通風(fēng)管道使用局扇向巷道內(nèi)送風(fēng)，通過風(fēng)流將環(huán)境瓦斯帶出；瓦斯抽放管道抽放煤層內(nèi)涌出的瓦斯，兩套管道系統(tǒng)共同解決掘進(jìn)面瓦斯超限問題。

原始的瓦斯抽放管道末端使用盲板封閉，經(jīng)真空泵抽放后形成高負(fù)壓管道，抽取預(yù)開采煤層內(nèi)瓦斯。將盲板換成可控制其開閉的電控閥門，正常抽放時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)通風(fēng)局扇出現(xiàn)故障，無法向掘進(jìn)面送風(fēng)時(shí)，電控閥門迅速打開，通過瓦斯抽放系統(tǒng)將掘進(jìn)面涌出瓦斯排出，從而保障工作面環(huán)境和人員安全。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

高瓦斯掘進(jìn)面遠(yuǎn)距離排抽控制系統(tǒng)主要由電控閥門、液壓系統(tǒng)和控制器三部分組成。將電控閥門安裝在抽放管路末端，通風(fēng)系統(tǒng)正常時(shí)，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；掘進(jìn)面通風(fēng)局扇與電控閥門形成閉鎖控制，使用同一路電源供電。

當(dāng)局扇因上級供電系統(tǒng)故障而停止送風(fēng)時(shí)，液壓系統(tǒng)的電磁閥組同時(shí)掉電，蓄能器瞬間釋放壓力控制閥門打開，通過抽放管路排出掘進(jìn)面環(huán)境瓦斯；當(dāng)局扇因本身機(jī)械故障而停止送風(fēng)時(shí)，控制器檢測到局扇停止轉(zhuǎn)動，則向液壓系統(tǒng)發(fā)送開閥指令，控制閥門打開，對掘進(jìn)面瓦斯進(jìn)行抽放。

2 電控閥門

根據(jù)閥門的應(yīng)用環(huán)境和結(jié)構(gòu)特征，采用蝶閥作為抽采管道上的切換閥門；根據(jù)閥門的驅(qū)動形式和對關(guān)閉速度的要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高速驅(qū)動蝶閥的電液聯(lián)動系統(tǒng)，使用高速電磁閥和液壓油路系統(tǒng)快速驅(qū)動蝶閥，實(shí)現(xiàn)切換功能。

2.1 閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電控閥門閥體采用蝶閥結(jié)構(gòu)，主要由閥體、閥桿、蝶板和密封圈組成。蝶閥是一種結(jié)構(gòu)簡單的調(diào)節(jié)閥，適合用于瓦斯抽放管路開閉控制，只需旋轉(zhuǎn)90°即可快速啟閉，具有良好的流體控制特性，當(dāng)?shù)y處于完全開啟位置時(shí)，蝶板厚度是介質(zhì)流經(jīng)閥體時(shí)唯一的阻力，因此通過該閥門所產(chǎn)生的壓降較小。

井下掘進(jìn)面存在大量粉塵及懸浮顆粒，蝶板關(guān)閉時(shí)會影響其密封性。為了確保蝶板緊密關(guān)閉，在閥體內(nèi)壁嵌入橡膠密封圈。關(guān)閉時(shí)密封圈與閥體密封面相互壓緊接觸，開啟時(shí)密封圈和閥座之間的整個(gè)密封面上相互同時(shí)脫開，無宏觀摩擦和擠壓，不產(chǎn)生火花，適合井下瓦斯環(huán)境。閥體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電控閥門閥體結(jié)構(gòu)圖

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)是控制閥門開閉的驅(qū)動設(shè)備，主要由油箱電機(jī)油泵裝置、蓄能控制閥組、濾油管路系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)功能、執(zhí)行油缸等組成。

油箱電機(jī)油泵裝置主要用于儲存液壓裝置工作時(shí)需要的油液，同時(shí)供給系統(tǒng)所需壓力油和接收系統(tǒng)排回的液壓油；濾油管路系統(tǒng)過濾進(jìn)入工作回路的油液；保證系統(tǒng)油液清潔及各控制閥能正常工作；蓄能控制閥組控制整個(gè)系統(tǒng)工作油液的走向，致使系統(tǒng)完成工作；執(zhí)行油缸按系統(tǒng)要求控制驅(qū)動外界負(fù)載，實(shí)現(xiàn)閥體開閉。液壓原理如圖3所示。

圖3 液壓系統(tǒng)原理圖

蓄能控制閥組主要由集成塊、溢流閥、單向閥、卸壓閥、防爆電磁換向閥、液控單向閥、單向節(jié)流閥、防爆快關(guān)電磁閥、防爆壓力控制器、壓力表、插裝閥等組成。溢流閥設(shè)定系統(tǒng)安全壓力；節(jié)單向流閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)開、關(guān)閥速度；壓力控制器設(shè)定系統(tǒng)工作壓力的上限、下限值；壓力表顯示系統(tǒng)管路內(nèi)油液壓力。

蓄能控制閥組將蓄能器內(nèi)的油通過各個(gè)閥門及高壓軟管傳送到執(zhí)行油缸中，油液推動活塞運(yùn)動從而帶動蝶閥轉(zhuǎn)動，完成開閥、關(guān)閥、停閥和快關(guān)閥等動作。

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個(gè)排抽系統(tǒng)核心，包括監(jiān)測監(jiān)控、顯示、事件記錄等模塊，主要用于采集信號，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；同時(shí)，系統(tǒng)具有自檢功能，對于錯(cuò)誤信號借助LCD顯示屏向設(shè)備維護(hù)人員警示出錯(cuò)信息?？刂葡到y(tǒng)主要由PLC，本安電源，輸入、輸出隔離電路，RS485通訊電路，光電轉(zhuǎn)換器，顯示電路等組成。

3.1 電氣設(shè)計(jì)

掘進(jìn)面遠(yuǎn)距離排抽控制技術(shù)采用PLC智能控制方法，當(dāng)傳感器檢測到通風(fēng)局扇故障停止送風(fēng)后，立即將電信號傳送到PLC控制器，控制器發(fā)出指令，液壓系統(tǒng)驅(qū)動蝶閥迅速打開，通過瓦斯抽放管路繼續(xù)排出掘進(jìn)面瓦斯。PLC控制器電控原理圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)原理圖

PLC模塊是排抽控制系統(tǒng)的控制核心，輸入信號包括通風(fēng)局扇故障信號、手動控制信號和蝶閥閥體位置反饋信號；輸出信號控制蝶閥打開和關(guān)閉。控制系統(tǒng)還包括PLC擴(kuò)展模塊，負(fù)責(zé)采集液壓系統(tǒng)的壓力、溫度傳感器信號，控制液壓系統(tǒng)蓄能器壓力維持在13～16MPa；當(dāng)溫度低于5度時(shí)加熱器開始加熱，直至加熱至25度。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)上電后進(jìn)入初始化程序，初始化完畢后采集液壓系統(tǒng)壓力傳感器信號，經(jīng)過處理后判斷蓄能器油壓是否正常，若壓力過低，則啟動油泵向蓄能器內(nèi)充油；若正常則繼續(xù)判斷蓄能器油溫是否正常，若油溫過低，則啟動加熱器加熱液壓油，使其達(dá)到正常油溫，保障液壓系統(tǒng)工作正常。

系統(tǒng)進(jìn)入在線監(jiān)測通風(fēng)局扇狀態(tài)程序后，持續(xù)檢測通風(fēng)局扇工作情況，一旦收到故障信號，控制器迅速發(fā)出開啟蝶閥控制指令，并繼續(xù)監(jiān)測局扇狀態(tài)，直到局扇恢復(fù)正常工作后，控制系統(tǒng)自動將蝶閥關(guān)閉，恢復(fù)井下掘進(jìn)面通風(fēng)系統(tǒng)和瓦斯抽放系統(tǒng)正常工作。

圖5 控制系統(tǒng)流程圖

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

高瓦斯掘進(jìn)面遠(yuǎn)距離排抽控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在山西潞安煤礦一水平二采區(qū)西（南）翼一區(qū)段（122區(qū)段）進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)。

4.1 工作面參數(shù)

該礦井采用壓入式通風(fēng)，局部通風(fēng)機(jī)安設(shè)在下組煤軌道巷新鮮風(fēng)流中。新風(fēng)經(jīng)1#2#副井→集中運(yùn)輸巷→下組煤軌道下山及局部通風(fēng)機(jī)→下組煤軌道下山與行人斜巷聯(lián)絡(luò)巷到達(dá)掘進(jìn)工作面，污風(fēng)經(jīng)行人斜巷上山→回風(fēng)鉆孔→下組煤南部風(fēng)道到達(dá)總排。工作面需風(fēng)量160m3/min，通風(fēng)距離140m，實(shí)行雙風(fēng)機(jī)雙電源進(jìn)行供風(fēng)。

掘進(jìn)工作面采用邊掘采邊抽方法抽取本煤層瓦斯，掘進(jìn)期間瓦斯涌出量為16.3m3/min，井下抽放管路布置為：由地面抽放泵站（雙排管路）→瓦斯斜井（雙排管路）→回風(fēng)大巷（雙排管路）→專用瓦斯巷→一采區(qū)大巷及111、122采掘順槽。支管路直徑250mm。

4.2 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

將直徑為DN250的電控閥門安裝到瓦斯抽放支管路末端，并將液壓系統(tǒng)和控制器連接，液壓系統(tǒng)電磁閥組與通風(fēng)局扇共用一路AC660V電源，系統(tǒng)連接完畢后上電，進(jìn)入在線監(jiān)測與控制程序，如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)連接圖

（1）通風(fēng)供電系統(tǒng)故障，觀察液壓系統(tǒng)電磁閥組是否動作，用示波器測試電控閥門開啟時(shí)間；等待20min后，用甲烷傳感器測量掘進(jìn)面環(huán)境瓦斯?jié)舛?；?）局扇故障停風(fēng)，觀察PLC是否能控制電控閥門開啟，用示波器測試開啟時(shí)間；等待20min后，用甲烷傳感器測量掘進(jìn)面環(huán)境瓦斯?jié)舛?。每?xiàng)試驗(yàn)重復(fù)三次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明，通風(fēng)系統(tǒng)供電故障和局扇自身故障情況下，電控閥門均能在300ms內(nèi)打開，通過瓦斯抽放支路排出掘進(jìn)面環(huán)境瓦斯，經(jīng)過20min后，122采區(qū)環(huán)境甲烷濃度小于1%。

5 結(jié)論

本文通過對高瓦斯掘進(jìn)面遠(yuǎn)距離排抽控制技術(shù)的研究，提出了一套遠(yuǎn)距離排抽掘進(jìn)面環(huán)境瓦斯的新方案，解決了因井下無計(jì)劃停電或局扇故障所帶來的瓦斯超限問題。為了實(shí)現(xiàn)瓦斯連續(xù)排抽，特別設(shè)計(jì)了由液壓系統(tǒng)驅(qū)動的電控閥門，可在無計(jì)劃停電時(shí)，自動開啟閥門；PLC遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能在局扇故障時(shí)自動控制電控閥門打開，通過瓦斯抽放支路排抽掘進(jìn)面環(huán)境瓦斯。試驗(yàn)結(jié)果表明，電控閥門動作時(shí)間小于300ms，環(huán)境瓦斯可控制在1%以下，有效解決了掘進(jìn)面瓦斯超限問題。

［1］李榮水.礦井無計(jì)劃停電停風(fēng)原因及預(yù)防處理措施[J].江西煤炭科技,2007(1):20-22.

［2］李永學(xué),宋建成.掘進(jìn)工作面局扇集成控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].煤礦機(jī)電,2004(5):39-44.

［3］張振華.掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].河北煤炭,2009(5):25-27.

［4］昝宏洋.基于DSP的雙局扇互鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安:西安科技大學(xué),2009.

［5］劉生玉.礦用監(jiān)測設(shè)備雙電源自動切換裝置的研制[J].煤炭技術(shù),2009,28(1):33-35.

［6］張林斌.煤礦井下通風(fēng)瓦斯防治技術(shù)[J].能源與節(jié)能,2014(8):64-65.