張 芳

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 晉城 048400）

伯方煤礦位于山西省高平市城區(qū)西北約10 km的寺莊鎮(zhèn)。礦井周圍分布河流，礦井地形為低山丘陵。由于礦井一側(cè)常年有丹河水通過，對礦壁有一定的影響，礦井的北部區(qū)域斷層較多，斷層間隙雖有泥沙等其他物質(zhì)填充，但是水位上漲或地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，會導(dǎo)致涌水量增加，威脅礦井的安全。除此之外，影響煤礦安全的因素主要體現(xiàn)在井下作業(yè)的地質(zhì)環(huán)境、電氣設(shè)備安全、礦井支撐結(jié)構(gòu)等方面。

在煤礦企業(yè)中占首要地位的就是安全生產(chǎn)[1]，為了進一步提高煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的條件，增強煤礦企業(yè)對工作環(huán)境中潛在的風(fēng)險識別的能力和應(yīng)對突發(fā)事故的能力，需要開發(fā)應(yīng)用場景更加廣泛、檢測參數(shù)更具多樣性、防護措施更迅速且有效的系統(tǒng)。

1 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)運用現(xiàn)狀

根據(jù)伯方煤礦的自身特點，從影響煤礦安全的角度出發(fā)，針對煤礦進行實地考察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前煤礦在監(jiān)測可燃性氣體、有害氣體等關(guān)鍵性安全因素時仍存在缺陷，對火災(zāi)、水災(zāi)、礦坑坍塌等安全事故無法很好地預(yù)防或在發(fā)生事故時采取最佳防護與救援措施。

2 礦井安全監(jiān)控與防護系統(tǒng)總體方案

為了能夠有效地將礦井的監(jiān)控與防護形成一套完整的閉環(huán)控制，系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，即監(jiān)控部分、控制部分、執(zhí)行部分，如圖1。監(jiān)控部分包括大氣溫濕度傳感器、有害氣體濃度監(jiān)測傳感器、紅外線溫度傳感器、氧氣濃度監(jiān)測傳感器、礦壁壓力監(jiān)測模塊、礦坑水位監(jiān)測模塊、地質(zhì)運動監(jiān)測模塊?？刂撇糠钟蓭в锌刂齐娐返膯纹瑱C組成，其內(nèi)部含有整個系統(tǒng)的控制策略。執(zhí)行部分包括通風(fēng)設(shè)備、語音報警器、礦坑支撐組件、地面?zhèn)鬏敊C構(gòu)（升降梯等）。

圖1 礦井安全監(jiān)控與防護系統(tǒng)總體方案示意圖

生產(chǎn)礦井開采區(qū)域以及設(shè)備電氣存放區(qū)域都有明確的環(huán)境溫度要求，當(dāng)溫度高于或低于限值，都會影響礦區(qū)的正常生產(chǎn)[2]。溫度與電氣設(shè)備的使用壽命呈反線性變化，溫度越高，使用壽命越低，當(dāng)溫度超過其承受最高值時，電氣設(shè)備將會產(chǎn)生斷路、擊穿等損壞性故障，嚴(yán)重時容易引發(fā)安全事故。

礦坑中的水害主要分為兩大類：一類是從地面流入礦坑，另一類是礦坑內(nèi)部特殊的地質(zhì)條件（地下水或其他儲水結(jié)構(gòu)）導(dǎo)致礦井與其連通而造成水害。當(dāng)?shù)V井與地質(zhì)中水量較多且易造成水害的區(qū)域相鄰時，礦壁的壓力會隨著開采深度明顯升高，礦壁的溫度也會發(fā)生較大的變化。

3 礦井安全監(jiān)控與防護系統(tǒng)的控制策略

在礦井中使用該系統(tǒng)，系統(tǒng)對礦井開采區(qū)域、電氣存放區(qū)域、礦壁表面進行溫度、濕度、氧氣濃度、可燃性氣體濃度、有害氣體濃度、礦壁壓力、積水深度等參數(shù)進行監(jiān)測，如監(jiān)測數(shù)據(jù)異常或超過限制，系統(tǒng)進行報警或采取相應(yīng)措施。

（1）伯方煤礦開采區(qū)域、電氣存放區(qū)域溫度異常

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到溫度異常后，控制模塊對溫度模塊進行溫度校驗，判斷溫度傳感器工作是否正常。如溫度傳感器工作異常，控制模塊發(fā)送信號至報警器，報警器發(fā)出警報提示溫度傳感器異常并需要進行更換；如溫度傳感器工作正常，控制模塊對異常的溫度數(shù)據(jù)進行記錄并與正常的溫度閾值進行對比。如單位時間內(nèi)溫度持續(xù)異常，控制模塊發(fā)送信號至報警器，報警提示該區(qū)域溫度異常，需要維護人員進行檢查，同時控制模塊通過調(diào)節(jié)溫控設(shè)備，將異常區(qū)域溫度穩(wěn)定在正常水平，并每隔單位時間，控制模塊停止調(diào)節(jié)溫控設(shè)備；如溫度仍異常將繼續(xù)進行調(diào)控，直至自然狀態(tài)下溫度恢復(fù)正常值，報警取消，系統(tǒng)重新回到監(jiān)測狀態(tài)。

（2）伯方煤礦內(nèi)氧氣、可燃性氣體、有害氣體濃度異常

由表1可見,正交試驗反映,以異丙醇為脫水劑,脫水干燥的方式制備復(fù)方精油膠囊,最佳工藝條件組合為 A1B3C3D2,即芯壁比1∶2,水合速度為20 500 r/min,水合時間為30 min,水合溫度為50 ℃; 工藝因素對復(fù)方精油微膠囊包埋率指標(biāo)的影響程度按由大到小排列為芯壁比、水合時間、水合溫度、水合速度。根據(jù)正交試驗結(jié)果優(yōu)選出的配方,制備復(fù)方精油微膠囊3個樣品,平均包埋率為79.67%±0.73%。

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到礦井內(nèi)氧氣、可燃性氣體、有害氣體濃度異常后，控制模塊對氣體模塊進行校驗，判斷氣體模塊是否工作正常。如氣體模塊工作異常，控制模塊發(fā)送信號至報警器，報警器發(fā)出警報提示氣體模塊工作異常，需要維修部件或更換標(biāo)氣瓶；如氣體模塊工作正常，控制模塊對氣體異常的數(shù)據(jù)進行記錄并與正常的氣體濃度進行對比。如單位時間內(nèi)氣體濃度仍持續(xù)異常，控制模塊發(fā)送信號至報警器，報警提示某氣體濃度異常，同時控制模塊通過調(diào)節(jié)通風(fēng)設(shè)備，將異常區(qū)域氣體濃度穩(wěn)定在正常水平，并每隔單位時間，控制模塊停止調(diào)節(jié)通風(fēng)設(shè)備；如氣體濃度仍異常將繼續(xù)進行調(diào)控，直至經(jīng)過正確處理，自然狀態(tài)下氣體濃度恢復(fù)正常值，報警取消，系統(tǒng)重新回到監(jiān)測狀態(tài)。

（3）伯方煤礦礦壁表面壓力異常、礦井內(nèi)積水深度超限

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到礦井礦壁表面壓力異常后，控制模塊對壓力模塊進行校驗，判斷壓力模塊是否工作正常。如壓力模塊工作異常，控制模塊發(fā)送信號至報警器，報警器發(fā)出警報提示壓力模塊工作異常，需要維修部件；如壓力模塊工作正常，控制模塊對礦壁表面壓力異常的數(shù)據(jù)進行記錄并與正常的壓力值進行對比。如單位時間內(nèi)壓力持續(xù)異常，控制模塊發(fā)送信號至報警器，報警提示礦壁壓力異常，立刻停止作業(yè)，并提醒專業(yè)人員對礦壁進行查看，避免出現(xiàn)嚴(yán)重水害。同時控制模塊啟動抽水裝置，預(yù)防大量地下水沖破礦壁，涌入礦井。

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到礦井內(nèi)積水深度超限后，控制模塊發(fā)送信號至報警器，報警器發(fā)出警報提示水位深度超過安全警戒，提醒人員停止作業(yè)并迅速撤離危險區(qū)域，同時控制模塊啟動抽水裝置，將積水排除，當(dāng)水位回落至安全范圍內(nèi)，報警取消，系統(tǒng)重新回到監(jiān)測狀態(tài)。

（4）伯方煤礦附近地質(zhì)運動劇烈或異常

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到礦井內(nèi)部或附近地質(zhì)運動劇烈或產(chǎn)生異常后，控制模塊對地質(zhì)模塊進行校驗，判斷地質(zhì)監(jiān)測模塊是否工作正常。如地質(zhì)模塊工作異常，控制模塊發(fā)送信號至報警器，報警提示地質(zhì)模塊工作異常，需要維修或更換部件；如地質(zhì)模塊工作正常，控制模塊對地質(zhì)運動異常的數(shù)據(jù)進行記錄并與正常狀態(tài)進行對比。如單位時間內(nèi)地質(zhì)運動仍持續(xù)異常，控制模塊發(fā)送信號至報警器，報警提示地質(zhì)運動異常，提醒人員停止作業(yè)，同時控制模塊通過調(diào)節(jié)礦坑支撐組件，加強礦井的抗震強度，啟動地面?zhèn)魉蜋C構(gòu)或升降電梯，將礦井內(nèi)人員迅速撤離至地上安全區(qū)域。

礦井安全監(jiān)控與防護系統(tǒng)的控制策略如圖2。

圖2 礦井安全監(jiān)控與防護系統(tǒng)的控制策略

4 預(yù)防與控制效果

以可燃性氣體濃度升高預(yù)防事故的風(fēng)險為例，在實驗室環(huán)境下，將礦井安全監(jiān)控與防護系統(tǒng)的控制模塊放置在密閉的容器中，使用氣體濃度監(jiān)測模塊監(jiān)測可燃性氣體濃度?？扇夹詺怏w的燃點和混合氣的爆炸范圍見表1[3]。

表1 可燃性氣體的燃點和混合氣的爆炸范圍（大氣壓力：101 325 Pa）

煤礦開采過程中礦井中的有害氣體濃度最高限值見表2。

表2 礦井有害氣體濃度限值

在密閉容器上開一個小孔，并用可開閉的蓋子封上，蓋子可由電機打開。將控制模塊連接電機并同時接入一個小風(fēng)扇，風(fēng)扇可將可燃性氣體稀釋并在蓋子打開時將部分氣體吹出容器。控制模塊中將氣體濃度報警值設(shè)置為限值的80%，測試結(jié)果如下：

以一氧化碳為例，從濃度0.000 1%開始，按每秒增加0.000 2%，控制模塊工作與非工作（無控制模塊條件下）時一氧化碳的濃度增長趨勢如圖3。

圖3 一氧化碳的濃度增長趨勢

當(dāng)不使用安全監(jiān)控與防護系統(tǒng)的控制策略時，一氧化碳濃度的增長與時間呈線性關(guān)系，在13 s 時，一氧化碳的濃度已達(dá)到礦井有害氣體的限值。當(dāng)控制模塊工作時，風(fēng)扇啟動，電機接通，密封容器上的蓋子打開，部分一氧化碳?xì)怏w被吹出，氣體濃度下降，13 s 后，一氧化碳的濃度穩(wěn)定在20%附近。即使一氧化碳濃度在持續(xù)增加，也能維持在平穩(wěn)的狀態(tài)，且小于氣體濃度限值。

從上述數(shù)據(jù)可以看出，使用安全監(jiān)控與防護系統(tǒng)能夠?qū)γ旱V事故進行有效預(yù)防并有著良好的控制效果。

5 結(jié) 語

煤礦由于特殊的工作環(huán)境，影響其安全生產(chǎn)的因素眾多，如地下的有害氣體、可燃性氣體、過多的積水、地質(zhì)的劇烈變動等，這些因素都容易造成礦井事故，嚴(yán)重時導(dǎo)致人員傷亡和財產(chǎn)損失。采用合理且全面的控制方式和控制策略，能夠讓礦井安全監(jiān)控與防護系統(tǒng)更加有效的幫助煤礦企業(yè)預(yù)防和應(yīng)對突發(fā)事故，為后續(xù)的深入研究提供了一定的理論依據(jù)和指導(dǎo)意義。