井下制氮机远程控制在超深矿井中的运用研讨

井下制氮机远程控制在超深矿井中的运用研讨

于文海 杨珎伶 殷哲琪 鲁金龙

大同科工安全仪器有限公司 037000

摘要：不断延伸的矿井开采水平，使地温持续升高，大大缩短煤层自燃发火期，使回采工作面防灭火面临日益严峻的形势。预防煤层自然发火的有效措施就是针对采空区，实施注氮操作，只有这样，才能全力保障工作面安全开采。基于此，本文依次论述制氮机内涵、远程控制工作原理、氮气防灭火作用、改造制氮机意义、改造制氮机方法等，希望给有关机构提供参考与借鉴。

关键词：井下制氮机；远程控制；超深矿井

引言：近年来，不断扩大对制氮机的需求量，制氮市场竞争异常激烈，制氮技术已趋于成熟。通常情况下，各厂矿会将多套制氮设备配备出来，因此，针对制氮机的控制，有必要将新技术要求提出来，基于井上集中控制之上，提出井下远程集中控制，接下来本文对其进行详细研究和探讨。

2. 制氮机概述

制氮机作为一种仪器设备，其原料是空气，借助物理方法分离其中氮和氧，最终获取氮气。以分类方法的不同为根据，可以将工业中制氮机分为三个类别，具体是深冷空分制氮、分子筛空分制氮、膜空分制氮。以分子筛空分制氮机为例子，它将吸附剂确定为碳分子筛，通过对变压吸附原理的充分利用，借助碳分子筛有选择的吸附氮和氧，使其分离，从而促进氮气产生^[1]。

3. 远程控制工作原理

第一层是通讯层，借助单机实施集中控制操作，将屏蔽双绞线应用于现场，使通讯协议得以实现，连接全部主机控制器与空气压缩机控制器，借助制氮主机控制器操控。

第二层是中层通讯，连接冷干机启停控制信号与制氮机PLC控制器，借助制氮主机控制器进行控制。

第三层是上层通讯，它可以传输制氮机采集的所有数据信息，使其到达制氮机人机显示界面，使控制中心可以远程控制井下制氮设备。目前应用西门子以太网通讯模块，传送各个参数，使其到达煤矿上位机。

制氮机应用HIM人机界面，包括设计设备运行状态画面、操作画面、显示画面。使HIM人机界面最终可以对各设备运行参数进行监控，实现远程控制目标^[2]。

4. 在煤矿防火灭火中氮气发挥的作用与价值

事实上，注氮气防灭火是将一定流量氮气注入到采空区氧化带内或火区内，使其中氧含量不断下降，直至降到10%或3%以下，进而使抑制瓦斯爆炸和防火、灭火目的得以实现，其作用和价值包括：

2. 漏风作用的减少

导致自然发火的重要原因之一就是采空区漏风。采空区通常处于封闭或半封闭状态，从理论角度看，在其空间内注入一定量氮气，可以使混合气体总量增加，进而使封闭区内外压力差减少，最终使封闭区由外部向内部的漏风作用得以减少。若有裂缝存在巷道中密闭墙上，并且当负压存在密闭区内时，空气就可以绕过密闭墙或者经过墙缝隙到达密闭区。想要避免密闭漏风，可以将一定流量氮气连续不断注入到密闭前后墙之间空间内，促进正压形成于此空间内，防止密闭区域内进入新鲜空气^[3]。

（二）瓦斯爆炸危险的消除

如果有火灾发生于煤矿采空区，造成的最严重后果就是混合气体发生爆炸。结合混合气体爆炸三角形可知，若混合气体中含氧量在12%以下，其发生爆炸概率就会降低。然而，混合气体爆炸界限的决定因素除了氧气在空气中所占百分比之外，还包括混合气体中温度和气压。增高温度和气压之后，就会扩大这个界限，相反就会缩小。若加热混合气体，使其达到300℃，这时仅仅需要浓度为9%的氧含量就存在爆炸可能。因此，根据国内研究可知，想要防止任何爆炸的发生，就要将氧气临界含量控制在5%以下。将氧气含量控制在10%以下，会大大降低混合气体发生爆炸概率。将此理论作为根据，将氮气注入到火区，降低氧气含量，与此同时，保持氧气含量在10%以下，就可以使爆炸概率大幅度降低。

（三）降低温度作用

如果采空区存在内因火灾，其温度必然会比外界温度更大。借助氮气开展灭火工作时，不管应用液氮或者氮气，氮气温度都比火区气体温度更低，并且注入火区后的氮气在较大范围内流动，可以显著降低采空区温度^[4]。

（四）燃烧强度下降

对于外因火灾或者内因火灾而言，一旦发生火灾，将一定流量氮气注入火区内，可以迅速降低火区内氧气含量，使其从21%下降到10%以下，在次期间大火就会慢慢自行熄灭。

（五）避免煤自燃及其发热

煤炭自燃需要具备三大要素，分别是煤具有自燃倾向性；拥有供养条件；容易积聚热量。对于煤矿生产工作面而言，煤氧化产生的热量并不能被采空区氧化带内漏入风量带走，这就会逐渐升高煤炭温度，此时煤处于自燃发热中。一旦温度到达煤的燃气温度之上，就会加快氧化集聚，使大量热量产生，从而升高煤炭温度，如果到达煤炭着火温度。就会使大火燃烧起来，也就是自燃。根据煤氧复合学说可知，将一定流量的氮气注入到工作面采空区氧化带内，可以使该带内氧气含量不断降低，破坏煤炭自燃条件，降低氧气含量，使其下降至煤炭自燃临界值以下，从而使防止煤炭自燃目标得以实现。

5. 改造制氮机远程控制

考虑到工作面防灭火需求，需要24小时运行制氮机，每班必须配备两名工作人员，针对制氮机实施开关、维护、切换操作。放假检修期间，还要调派专门人员看护。研究分析制氮机构造之后可知，必须为制氮机的正常稳定运行提供保证，在此基础之上，对制氮机的自动化和远程控制进行改造。完成改造工作之后，可以在地面集控中心远程控制制氮机。借助科技力量，创造有利条件，使矿井无人则安的目标得以实现，并且更加精准的控制制氮机，一方面使劳动力资源得以节省，促进工作效率的提高，另一方面大大减轻工作人员劳动强度。改进方法主要表现在以下方面：

2. 将测分站的复电、断电接点接入启动制氮机开关回路中，控制制氮机，使制氮机电机的开、停机得以实现。

3. 改变制氮器控制阀，使其成为电动控制阀，借助监测分站的远程控制控制电动控制阀，使制氮机的加载、卸载工作顺利完成。

4. 通过对监测分站远程断电、复电功能的充分利用，可以在地面集控中心控制监测分站，进而使远程自动化控制井下制氮机得以实现。

采取上述措施之后，可以实时监测制氮机运行状况，为制氮机的安全稳定运行提供支持和保障，并且也可以实时控制氮机，使人为因素导致的时间延误大大减少；以工作需求为根据，科学合理对制氮机的开机、停机进行安排，为工作面生产期间稳定注入氮气提供保证；使制氮机房岗位无人值守目的得以实现，将良好条件创造出来，有利于创建矿井无人则安局面；制氮机应用自动化远程控制后， 每天每台制氮机可以节约六名维护人员，促进工作效率的提高，有利于矿井机械自动化目标的实现，为矿井安全生产提供保障。

结束语：总而言之，在超深矿井中运用井下制氮机远程控制至关重要，除了能提高工作效率和质量，防止产生不必要的人为失误之外，还能为工作人员安全性提供保障，促进煤矿事业的持续快速发展。

参考文献：

[1]杨宏民,冯朝阳,陈立伟. 煤层注氮模拟实验中的置换-驱替效应及其转化机制分析[J]. 煤炭学报,2016,41(9):2246-2250.

[2]乐立华. 膜分离制注氮设备在压裂助排工艺中的推广应用[J]. 江汉石油职工大学学报,2019,32(5):49-51.

[3]谭建平,林波,刘溯奇,等. 基于组合导航的超深矿井提升容器状态监测系统[J]. 中国惯性技术学报,2016,24(2):185-189.

[4]杨莺,叶学龙,叶超. 超深矿井提升机制动盘热性能分析与优化[J]. 工程设计学报,2019,26(1):47-55.