CN114753878B - 一种煤矿矿井瓦斯超限检测通风装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种煤矿矿井瓦斯超限检测通风装置，包括矿井掘进巷道、监测主机、通风管道、通风机、瓦斯浓度传感器、氧气浓度传感器、氮气浓度传感器、用电器故障检测设备、制氧设备和制氮设备。本发明通过对煤矿中矿井掘进巷道内各个区域瓦斯浓度实现全方位的监控，并通过监测主机对掘进巷道内导致瓦斯超限的各项环境气体数值进行综合评定，打破了传统甲烷、一氧化碳和氧气信息孤岛的现象；通过在压入风机端加入制氧和制氮设备，便于通过监测主机控制风机进风端直接对矿井掘进巷道内各个区域瓦斯浓度的降低，氮气的加入由于其惰性，还一定程度上抑制氧气和甲烷的氧化反应产生一氧化碳的反应过程。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全生产监测领域，具体来说，涉及一种煤矿矿井瓦斯超限检测通风装置。
背景技术
瓦斯是煤矿井下采掘过程中从煤和围岩中涌出的有害气体的总称，通常情况下甲烷CH4占瓦斯90%以上。瓦斯爆炸是矿井空气中的瓦斯和氧气进行剧烈化学反应、形成高温(1850-2650℃)、 高压(爆炸前空气压力的10倍)、同时产生CO等大量有毒有害气体并以极高速度沿井巷从爆炸源冲出产生动力的现象。
煤矿瓦斯通过通风装置进行排放操作时，在矿井掘进巷道内设置甲烷传感器，通过甲烷传感器，以实时监测瓦斯浓度，但由于工作环境复杂，潮湿、矿尘大、电磁干扰等因素，极易导致甲烷传感器自身出现故障(内部电子元器件发生损坏)。同时瓦斯爆炸事故不仅仅只限于甲烷一种气体含量的超限导致的，而是多种气体的融合变化导致的爆炸风险产生。
现有技术中的缺陷在于，现有矿井掘进巷道内只对单一的甲烷气体是否超限进行检测，虽然有的通风装置会对瓦斯爆炸中其他相关气体的超限检测，但并没有对与瓦斯爆炸有关的气体进行综合性的判断，并缺乏抑制瓦斯爆炸或超限的现象产生的作用设备。
发明内容
针对现有现有通风装置缺乏对与瓦斯爆炸有关的气体进行综合性的判断，并且缺乏抑制瓦斯爆炸或超限的作用设备的问题，本发明提供了一种煤矿矿井瓦斯超限检测通风装置。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种煤矿矿井瓦斯超限检测通风装置，包括矿井掘进巷道、监测主机、通风管道、通风机、瓦斯浓度传感器、氧气浓度传感器、氮气浓度传感器、用电器故障检测设备、制氧设备和制氮设备；
矿井掘进巷道包括进风口、回风巷和瓦斯混合区，通风管道包括压入管道和抽出管道，沿进风口到瓦斯混合区安装有压入管道，沿回风巷至瓦斯混合区设有抽出管道；
通风机包括压入风机和抽出风机，压入风机安装在进风口的压入管道端口，抽出风机安装在回风巷的抽出管道端口；
瓦斯浓度传感器包括第一传感器组、第二传感器组和第三传感器组，第一传感器组、第二传感器组和第三传感器组分别安装在矿井掘进巷道的进出口、瓦斯混合区和中部巷道处；
瓦斯浓度传感器设置的位置处均设有氧气浓度传感器和氮气浓度传感器；
监测主机通过电路与瓦斯浓度传感器、氧气浓度传感器、氮气浓度传感器和用电器故障检测设备连接，瓦斯浓度传感器检测到的掘进巷道内不同位置处的与瓦斯爆炸相关的气体浓度数值转化为电信号传输至监测主机，同样的氧气浓度传感器和氮气浓度传感器将掘进巷道内不同位置处的氧气浓度和氮气浓度含量转化为电信号传输至监测主机，用电器故障检测设备用于对掘进巷道内的用电器是否产生故障进行检测，若产生故障，通过电路发送故障信号给监测主机；
制氧设备和制氮设备通过管路与压入风机进风端连接，并通过控制电路与监测主机连接，监测主机通过控制电路控制制氧设备和制氮设备提供氧气和氮气的量。
进一步地，每个瓦斯浓度传感器由甲烷浓度传感器和一氧化碳浓度传感器组成；瓦斯浓度传感器集成在一个安装板上，该安装板固定在可移动设备平台上。
进一步地，监测主机包括主机本体、读数显示屏、示警灯、运作灯、无线传输模块、计算判断模块、多种传感器数值传输接口、用电器故障检测连接接口、通风机风量控制接口、制氧设备输出量控制接口和制氮设备输出量控制接口；
主机本体表面安装有示警灯、运作灯和读数显示屏，主机本体内置有无线传输模块和计算判断模块，主机本体侧面或者表面上设有多个数据接收和传输接口；
无线传输模块用于将所有接口接收和传输数据上传至用户监控端；
计算判断模块用于监控传感器数值是否超限和用电器是否故障，同时用于计算单位时间内通风机压入和抽出空气量所需功率大小，还用于计算制氧设备和制氮设备应排入压入风机端压入管道的氧气和氮气量。
进一步地，计算判断模块搭载了瓦斯浓度是否超限算法、通风风量控制算法和氮氧调节瓦斯浓度算法。
进一步地，瓦斯浓度是否超限算法，包括判断如下三个条件：
a、甲烷测量数值Nj超过预设甲烷浓度数值；Nj > Nj预设，
b、一氧化碳测量数值Nc超过预设一氧化碳浓度数值；Nc> Nc预设，
c、甲烷浓度数值Nj 、一氧化碳浓度数值Nc和氧气浓度数值Ny之和在空气中的占比大于预设值；(Nj + Nc + Ny)/1 > Nw预设；
若上述三个条件均满足，则判定瓦斯浓度超限。判断甲烷测量数值Nj是否超过预设甲烷浓度数值，同时判断一氧化碳测量数值Nc是否超过预设一氧化碳浓度数值，再综合计算甲烷浓度数值Nj 、一氧化碳浓度数值Nc和氧气浓度数值Ny之和在空气中的占比是否大于预设值，若都大于预设值，即为瓦斯超限。
进一步地，瓦斯浓度是否超限包括两种状态范围上限值，一种为煤层施工挖掘阶段，其甲烷气体范围值为15%-25%；另一种为正常通风阶段，即煤层施工3分钟后甲烷气体浓度趋于平衡0-15%。
进一步地，通风风量控制算法，通过流体力学原理，其风量Q、风压H、轴功率P与转速n的关系为：
根据通风机轴功率P与风量Q的转化关系，控制通风机的输出风量大小，配合对矿井掘进巷道瓦斯浓度的快速调节。
进一步地，氮氧调节瓦斯浓度算法步骤包括：
S1、判断瓦斯浓度是否超限；
S2、当检测到瓦斯浓度超限时，压入风机联通制氧设备和制氮设备；
S3、通过电磁阀控制制氧设备和制氮设备每秒钟氧气和氮气的供给量；
S4、氧气和氮气通过压入管道进入瓦斯混合区，对其整个矿井掘进巷道的瓦斯浓度进行降低；
S5、增大抽出风机的轴功率P，使其快速抽出超限的瓦斯气体和空气。
进一步地，用电器故障检测设备为电流电压检测表，在用电器电路输入和输出端连接电流电压检测表，当检测到电流或电压出现异常时，即认为用电器故障，并将故障信息发生至监测主机。
本发明相比现有技术，具有如下有益效果：
通过对煤矿中矿井掘进巷道内各个区域瓦斯浓度实现全方位的监控，并通过监测主机对掘进巷道内导致瓦斯超限的各项环境气体数值进行综合评定，打破了传统甲烷、一氧化碳和氧气信息孤岛的现象；通过在压入风机端加入制氧和制氮设备，便于通过监测主机控制风机进风端直接对矿井掘进巷道内各个区域瓦斯浓度的降低，氮气的加入由于其惰性，还一定程度上抑制氧气和甲烷的氧化反应产生一氧化碳的反应过程。
附图说明
图1为本发明一种煤矿矿井瓦斯超限检测通风装置的布置结构图；
图2为本发明一种煤矿矿井瓦斯超限检测通风装置的监测主机结构示意图；
图3为本发明一种煤矿矿井瓦斯超限检测通风装置的结构框图；
图4为本发明计算判断模块搭载氮氧调节瓦斯浓度算法的流程图。
图中标记说明：1-矿井掘进巷道，2-监测主机，21-主机本体，22-读数显示屏，23-示警灯，24-运作灯，31-压入管道，32-抽出管道，4-瓦斯浓度传感器，41-第一传感器组，42-第二传感器组，43-第三传感器组，5-氧气浓度传感器，6-氮气浓度传感器，7-用电器故障检测设备，8-制氧设备，9-制氮设备，10-进风口，11-回风巷，12-瓦斯混合区，13中部巷道处，14-压入风机，15-抽出风机，16-无线传输模块，17-计算判断模块。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
如图1所示，一种煤矿矿井瓦斯超限检测通风装置，包括矿井掘进巷道1、监测主机2、通风管道、通风机、瓦斯浓度传感器4、氧气浓度传感器5、氮气浓度传感器6、用电器故障检测设备7、制氧设备8和制氮设备9。
矿井掘进巷道1包括进风口10、回风巷11和瓦斯混合区12，通风管道包括压入管道31和抽出管道32，沿进风口10到瓦斯混合区12安装有压入管道31，沿回风巷11至瓦斯混合区12设有抽出管道32；通风机包括压入风机14和抽出风机15，压入风机14安装在进风口10的压入管道31端口，抽出风机15安装在回风巷11的抽出管道32端口；现有局部通风机的工作方式有多种，本实施例主要采用长抽长压式，兼具了压入式通风和抽出式通风的所有优点，同时增强了掘进工作面的通风能力，提高通风的效率，使整个掘进巷道更为清洁，粉尘浓度大幅低，提高了工作面的环境清洁度。
瓦斯浓度传感器4包括第一传感器组41、第二传感器组42和第三传感器组43，第一传感器组41、第二传感器组42和第三传感器组43分别安装在矿井掘进巷道1的进出口、瓦斯混合区12和中部巷道处13；多个传感器组配合监测整个矿井掘进巷道1的瓦斯超限气体。在附图1中第一传感器组41、第二传感器组42和第三传感器组43分别表示为C1、C2和C3。
瓦斯浓度传感器4设置的位置处均设有氧气浓度传感器5和氮气浓度传感器6；在对瓦斯相关气体浓度监测的同时，还需要对其综合判断瓦斯是否有可能超限的预判，需要氧气的浓度的监测，同时还需要对氮气浓度的监测，方便后续监测主机2控制制氮设备9产生的氮气对矿井掘进巷道1瓦斯浓度进行降低时，监控氮气的浓度是否上升，反映氮气设备是否正常运行。
监测主机2通过电路与瓦斯浓度传感器4、氧气浓度传感器5、氮气浓度传感器6和用电器故障检测设备7连接，瓦斯浓度传感器4检测到的掘进巷道内不同位置处的与瓦斯爆炸相关的气体浓度数值转化为电信号传输至监测主机2，同样的氧气浓度传感器5和氮气浓度传感器6将掘进巷道内不同位置处的氧气浓度和氮气浓度含量转化为电信号传输至监测主机2，用电器故障检测设备7用于对掘进巷道内的用电器是否产生故障，若产生故障，通过电路发送故障信号给监测主机2。
制氧设备8和制氮设备9通过管路与压入风机14进风端连接，并通过控制电路与监测主机2连接，监测主机2通过控制电路控制制氧设备8和制氮设备9提供氧气和氮气的量。
每个瓦斯浓度传感器4由甲烷浓度传感器和一氧化碳浓度传感器组成；瓦斯浓度传感器4集成在一个安装板上，该安装板固定在可移动设备平台上。可移动设备平台携带瓦斯浓度传感器4对矿井掘进巷道1内不同区域进行多方位和多位置点处的监测，防止部分区域抽出管道32泄露或者其它原因导致个别点位瓦斯浓度超限，有爆炸的风险产生。
如图2和3所示监测主机2包括主机本体21、读数显示屏22、示警灯23、运作灯24、无线传输模块16、计算判断模块17、多种传感器数值传输接口、用电器故障检测连接接口、通风机风量控制接口、制氧设备8输出量控制接口和制氮设备9输出量控制接口。
主机本体21表面安装有示警灯23、运作灯24和读数显示屏22，主机本体21内置有无线传输模块16和计算判断模块17，主机本体21侧面或者表面上设有多个数据接收和传输接口；示警灯23可以通过多种颜色的变化体现对不同瓦斯相关气体超限的预警，还可以对用电器故障时产生预警作用，运作灯24起到显示监测主机2是否正常运作的作用。
无线传输模块16用于将所有接口接收和传输数据上传至用户监控端；通过无线传输模块16的网络传输形式将监测主机2实时采集的各种信息传输至监控端的用户侧，便于远程直接监控矿井掘进巷道1内瓦斯浓度是否超限。
计算判断模块17用于监控传感器数值是否超限和用电器是否故障，同时用于计算单位时间内通风机压入和抽出空气量所需功率大小，还用于计算制氧设备8和制氮设备9应排入压入风机端压入管道31的氧气和氮气量。计算判断模块根据不同信号进行识别处理，通过在模块中写入程序代码以及算法，确保在监测主机2端实现瓦斯浓度的监测和管理。
计算判断模块17搭载了瓦斯浓度是否超限算法、通风风量控制算法和氮氧调节瓦斯浓度算法。针对不同的算法，实现对矿井掘进巷道1内瓦斯浓度监控、通风量的控制和氮气、氧气浓度的注入多少进行有效监控。
瓦斯浓度是否超限算法，包括判断如下三个条件：a、甲烷测量数值Nj超过预设甲烷浓度数值；Nj > Nj预设，b、一氧化碳测量数值Nc超过预设一氧化碳浓度数值；Nc> Nc预设，c、甲烷浓度数值Nj 、一氧化碳浓度数值Nc和氧气浓度数值Ny之和在空气中的占比大于预设值；(Nj + Nc + Ny)/1 > Nw预设；若上述三个条件均满足，则判定瓦斯浓度超限。判断甲烷测量数值Nj是否超过预设甲烷浓度数值，同时判断一氧化碳测量数值Nc是否超过预设一氧化碳浓度数值，再综合计算甲烷浓度数值Nj 、一氧化碳浓度数值Nc和氧气浓度数值Ny之和在空气中的占比是否大于预设值，若都大于预设值，即为瓦斯超限。
瓦斯浓度是否超限包括两种状态范围上限值，一种为煤层施工挖掘阶段，其甲烷气体范围值为15%-25%；另一种为正常通风阶段，即煤层施工3分钟后甲烷气体浓度趋于平衡0-15%。相应的两种状态下一氧化碳的浓度超限范围也随之变化，按照氧气与甲烷反应生成一氧化碳化学式配比计算，1份甲烷在氧气充足情况下，生成1份一氧化碳，故一氧化碳两种状态下气体体积占比范围值与甲烷范围值相同。
通风风量控制算法，通过流体力学原理，其风量Q、风压H、轴功率P与转速n的关系为：
根据通风机轴功率P与风量Q的转化关系，控制通风机的输出风量大小，配合对矿井掘进巷道1瓦斯浓度的快速调节。
通风机的驱动电机——三相异步电动机的调速方式有：调压调速、电磁调速、变极调速和变频调速等。由电机学和传动学原理我们知道，变频调速在精度高、稳定性好的基础上调速范围更大。
异步电动机的同步转速与电网频率的关系为：
异步电动机转速：
其中，n为异步电动机的转速（r/min）；n0为异步电动机的转速（r/min）；f0为电源频率（Hz）；p为异步电动机的极对数；s为转差率。
如图4所示，氮氧调节瓦斯浓度算法步骤包括：S1、判断瓦斯浓度是否超限；S2、当检测到瓦斯浓度超限时，压入风机联通制氧设备8和制氮设备9；S3、通过电磁阀控制制氧设备8和制氮设备9每秒钟氧气和氮气的供给量；S4、氧气和氮气通过压入管道31进入瓦斯混合区12，对其整个矿井掘进巷道1的瓦斯浓度进行降低；S5、增大抽出风机的轴功率P，使其快速抽出超限的瓦斯气体和空气。氮气的加入抑制了瓦斯超限一级燃烧或后续爆炸的可能性产生，同时注入氧气和氮气的作用起到加速高浓度的瓦斯空气向抽出管道32游走，进一步降低瓦斯爆炸现象的产生风险。
用电器故障检测设备7为电流电压检测表，在用电器电路输入和输出端连接电流电压检测表，当检测到电流或电压出现异常时，即认为用电器故障，并将故障信息发送至监测主机2。用电器故障容易引起电路短路，电器起火的风险或者出现电弧的现象，容易催化一定瓦斯浓度的空气产生瓦斯爆炸或者自燃现象产生。
以上对本申请提供的一种煤矿矿井瓦斯超限检测通风装置进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本申请的结构及其设计方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种煤矿矿井瓦斯超限检测通风装置，其特征在于，包括矿井掘进巷道(1)、监测主机(2)、通风管道、通风机、瓦斯浓度传感器(4)、氧气浓度传感器(5)、氮气浓度传感器(6)、用电器故障检测设备(7)、制氧设备(8)和制氮设备(9)；
矿井掘进巷道(1)包括进风口(10)、回风巷(11)和瓦斯混合区(12)，通风管道包括压入管道(31)和抽出管道(32)，沿进风口(10)到瓦斯混合区(12)安装有压入管道(31)，沿回风巷(11)至瓦斯混合区(12)设有抽出管道(32)；
通风机包括压入风机(14)和抽出风机(15)，压入风机(14)安装在进风口(10)的压入管道(31)端口，抽出风机(15)安装在回风巷(11)的抽出管道(32)端口；
瓦斯浓度传感器(4)包括第一传感器组(41)、第二传感器组(42)和第三传感器组(43)，第一传感器组(41)、第二传感器组(42)和第三传感器组(43)分别安装在矿井掘进巷道(1)的进出口、瓦斯混合区(12)和中部巷道处(13)；
瓦斯浓度传感器(4)设置的位置处均设有氧气浓度传感器(5)和氮气浓度传感器(6)；
监测主机(2)通过电路与瓦斯浓度传感器(4)、氧气浓度传感器(5)、氮气浓度传感器(6)和用电器故障检测设备(7)连接，瓦斯浓度传感器(4)检测到的掘进巷道内不同位置处的与瓦斯爆炸相关的气体浓度数值转化为电信号传输至监测主机(2)，同样的氧气浓度传感器(5)和氮气浓度传感器(6)将掘进巷道内不同位置处的氧气浓度和氮气浓度含量转化为电信号传输至监测主机(2)，用电器故障检测设备(7)用于对掘进巷道内的用电器是否产生故障，若产生故障，通过电路发送故障信号给监测主机(2)；
制氧设备(8)和制氮设备(9)通过管路与压入风机(14)进风端连接，并通过控制电路与监测主机(2)连接，监测主机(2)通过控制电路控制制氧设备(8)和制氮设备(9)提供氧气和氮气的量；
每个瓦斯浓度传感器(4)由甲烷浓度传感器和一氧化碳浓度传感器组成；瓦斯浓度传感器(4)集成在一个安装板上，该安装板固定在可移动设备平台上；
监测主机(2)包括主机本体(21)、读数显示屏(22)、示警灯(23)、运作灯(24)、无线传输模块(16)、计算判断模块(17)、多种传感器数值传输接口、用电器故障检测连接接口、通风机风量控制接口、制氧设备(8)输出量控制接口和制氮设备(9)输出量控制接口；
主机本体(21)表面安装有示警灯(23)、运作灯(24)和读数显示屏(22)，主机本体(21)内置有无线传输模块(16)和计算判断模块(17)，主机本体(21)侧面或者表面上设有多个数据接收和传输接口；
无线传输模块(16)用于将所有接口接收和传输数据上传至用户监控端；
计算判断模块(17)用于监控传感器数值是否超限和用电器是否故障，同时用于计算单位时间内通风机压入和抽出空气量所需功率大小，还用于计算制氧设备(8)和制氮设备(9)应排入压入风机(14)端压入管道(31)的氧气和氮气量。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿矿井瓦斯超限检测通风装置，其特征在于，计算判断模块(17)搭载了瓦斯浓度是否超限算法、通风风量控制算法和氮氧调节瓦斯浓度算法。
3.根据权利要求2所述的一种煤矿矿井瓦斯超限检测通风装置，其特征在于，瓦斯浓度是否超限算法，包括判断如下三个条件：
a、甲烷测量数值Nj超过预设甲烷浓度数值；
b、一氧化碳测量数值Nc超过预设一氧化碳浓度数值；
c、甲烷浓度数值Nj 、一氧化碳浓度数值Nc和氧气浓度数值Ny之和在空气中的占比大于预设值；
若上述三个条件均满足，则判定瓦斯浓度超限。
4.根据权利要求3所述的一种煤矿矿井瓦斯超限检测通风装置，其特征在于，瓦斯浓度是否超限包括两种状态范围上限值，一种为煤层施工挖掘阶段，其甲烷气体范围值为15%-25%；另一种为正常通风阶段，即煤层施工3分钟后甲烷气体浓度趋于平衡0-15%。
5.根据权利要求4所述的一种煤矿矿井瓦斯超限检测通风装置，其特征在于，通风风量控制算法，通过流体力学原理，其风量Q、风压H、轴功率P与转速n的关系为：
根据通风机轴功率P与风量Q的转化关系，控制通风机的输出风量大小，配合对矿井掘进巷道(1)瓦斯浓度的快速调节。
6.根据权利要求5所述的一种煤矿矿井瓦斯超限检测通风装置，其特征在于，氮氧调节瓦斯浓度算法步骤包括：
S1、判断瓦斯浓度是否超限；
S2、当检测到瓦斯浓度超限时，压入风机(14)联通制氧设备(8)和制氮设备(9)；
S3、通过电磁阀控制制氧设备(8)和制氮设备(9)每秒钟氧气和氮气的供给量；
S4、氧气和氮气通过压入管道(31)进入瓦斯混合区(12)，对其整个矿井掘进巷道(1)的瓦斯浓度进行降低；
S5、增大抽出风机(15)的轴功率P，使其快速抽出超限的瓦斯气体和空气。
7.根据权利要求2或5或6所述的一种煤矿矿井瓦斯超限检测通风装置，其特征在于，用电器故障检测设备(7)为电流电压检测表，在用电器电路输入和输出端连接电流电压检测表，当检测到电流或电压出现异常时，即认为用电器故障，并将故障信息发生至监测主机(2)。
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