煤礦井下掘進工作面瓦斯監測和控制技術

田志軒

平煤股份三礦公司，河南 平頂山 467000

1 傳統監測與控制技術的缺陷

傳統瓦斯監測系統多為單坑道監測的分散結構，其通訊線路多采用載波、 電話線、調制解調器、設備總線的結構模型來傳送數據和控制信號。這種數據結構不僅擴展性差，維護費用高，而且存在很高的穩定性隱患。針對上述問題，現代瓦斯監控系統正在向無線網絡監測技術和多傳感器數據融合技術發展。

2 現代新型監測系統的優勢與技術改進

2.1 新型瓦斯傳感器

目前國內外用于監測低濃度瓦斯的傳感器多為熱催化元件，由于其屬于化學敏感元件，在長時間的工作下會產生零漂和靈敏度的變化，影響監測數據的準確性。新型傳感器的優點主要在于將催化元件與補償元件封裝在一起，補償元件可以對長時間工作的催化元件產生的參數進行修正，減小輸出零點的漂移。如果兩種元件的一致性好，就會得到滿意的補償效果，增加傳感器的穩定性。這種一致性的選取稱為配對。現在一般采取的配對方法為靜態參數比較法，利用此種方法進行篩選配對，雖然工藝簡單，但動態穩定性差。開發中的動態配對法，參考了近代數學的聚類分析方法，利用向量間的歐式距離，選擇相似性好的元件動態參數，進行動態參數匹配，取得了較理想的實驗結果。

除此之外，傳統的惠斯頓電橋檢測法也需要進一步改進。因為該方法的原理是利用催化元件的催化劑促使甲烷在其表面燃燒放熱，使電阻升溫，阻值變大，引發一個異常的電壓信號來檢測甲烷的濃度變化。這樣一來，過高的溫度會降低傳感器的表面活性。新型傳感器采用定壓檢測法，利用反饋回路穩定電壓、減小電流，使傳感器的溫度下降，更加有利于保護傳感器中化學敏感元件的穩定性。

圖1 定壓反饋電路

最后，新型傳感器通過試驗所得的數據，計算了信號強度隨使用時間的衰減規律，利用信號處理技術，可以自動調節化學敏感元件因長時間工作而產生的敏感性衰減，保證傳感器在有效工作時間內的準確輸出。

2.2 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡是由大量被部署在被監測區域的傳感器結點所組成的，通過無線通訊的方式進行數據傳遞以實現監測目的的多跳的自組織、自適應的網絡監測系統。

圖2 網絡結構圖

該網絡由多個分布在被測區域的傳感器節點，分布在邊界的sink節點，以及用戶終端構成 。其中，傳感器負責數據采集、信號處理和與無線通訊，通過網絡自組織和多跳路由將數據發送到sink節點，sink節點再將數據發送給用戶終端以實現數據的匯總與統一處理。

傳感器節點由多個模塊組成，除用于瓦斯濃度檢測的傳感器、電源等部分外，還添加了微控制器模塊和通信模塊。其中微控制器模塊起核心作用，負責信號的輸入、輸出和數/模轉換。通信模塊采用的是射頻收發裝置，其中2.4GHz無線網絡與868MHz無線網絡相比較，在井下的工作環境下，前者能夠更好的保證信號傳遞的穩定性。(這在Kennedy和Foster在2005年的文章“Low power Wireless Mesh Networks in Underground Mining” 中給與了很好的解釋。)

Sink節點是傳感器網絡邊界的節點，處于普通傳感器與用戶終端之間，通過串行方式連接用戶計算機，將接收的普通傳感器節點的監測數據，傳送給用戶終端，通過軟件的處理，能夠在用戶界面實時顯示監測的結果。

無線傳感器網絡監測技術的優點在于實時性與靈活性，具有很高的擴展空間和經濟價值。工作人員只要在井下布置好節點傳感器，就可以實時監測施工現場的瓦斯濃度以及其他相關信息。為災害預警提供寶貴的數據與時間。但這種基于固定傳感器的無線網絡也存在著一定的局限，就是無法實時監測掘進面的瓦斯濃度情況，工作進度與傳感器安放存在時間延遲,給災害預警留下了進一步改進的空間。

2.3 無線移動瓦斯監測設備與掘進面瓦斯濃度監測技術

為了對掘進平面進行實時監測，單純的無線網絡已無法滿足要求，必須使檢測設備能夠隨掘進面的移動而移動。在將所有移動便攜式瓦斯監測設備聯網，以實現數據的整合與統一處理的同時，還要解決移動設備的精確定位問題。這樣做的好處不僅在于擴大了瓦斯監測的范圍，同時可以排除許多人為因素的干擾，具有更強的實時監測性，最大限度的延長了災害預警時間。

為了實現井下環境中的無線、移動監測，首先要解決的問題是不間斷信號覆蓋與精確定位。為了解決這些問題，可以在被監測區域設立一定數量的通訊監測分站。分站內配備無線收發器，便于接收和傳遞信號。每臺收發器外接漏泄電纜，沿坑道鋪設（電纜的有效信號發送長度為300m）發送不間斷信號。若一個分站配備8臺收發器，可以使連續信號覆蓋5km長度的巷道。這就解決了信號的大面積，連續覆蓋問題。

與此同時，為了使移動檢測設備能夠精確定位，還要在基站內安裝一定數量的定位裝置，定位器會連續不斷的發送所處位置信息的無線信號，無線瓦斯檢測設備可以在收到位置信號后，將檢測的數據連同自己的定位信息一起發送給通訊監測分站，做到精確定位。

無線監測設備在同無線網絡聯網后，不僅可以傳送監測數據，也可以通過搭載一定的硬件設備來傳送文字信息和影像信息。在遇到突發情況的時候可以與地面監控人員聯系，方面監控人員了解現場情況，并進行相應的補救措施。在條件允許的情況下，不僅掘進面的施工設備、人員可以配備無線移動監測設備，在井下的所有勞動者都應該配備至少能夠起定位作用的移動設備，這樣做可以大大提高勞動者的安全工作系數，同時也可以在災害發生后盡快地展開救援。

這項技術的開發階段已經完成，在2009年已經開始了小范圍內的試用，效果顯著。由于其在災害預防、事故救援等方面的優異表現，相信其大規模的使用指日可待。

2.4 多傳感器數據融合技術

相比于傳統的傳感器數據處理技術，多傳感器數據融合技術可以更好的利用傳感器資源。 通過對多傳感器的觀測數據的合理支配和使用，將各種傳感器在空間或時間上的冗余信息或互補信息依據某種準則進行組合和篩選，產生對被監測對象的一致性描述，其目的是排除單一傳感器監測過程中的各種人為或非人為的干擾因素對數據準確性的影響。同時也可以利用多傳感器的信息組合獲得更多的有用信息。

多傳感器數據融合技術包含多個步驟，首先要進行信號的采集，并對信號進行預處理。這一過程的實現有多種途徑。由于所采集信號的不同，使用的傳感器也會有所不同，有的傳感器輸出的信號是數字信號，有的則是模擬信號，預處理的目的就是將這些不同類型的信號進行數、模轉換，統一變成計算機I/O接口能夠識別的數字信號。同時，處理模塊還要排除背景噪聲和冗余信息的干擾。完成以上工作后才將所處理的數據傳送給用戶端進行最后的數據融合。數據融合首先要對多路信號進行初步融合，進一步剔除背景噪音與冗余信息，然后將融合結果送入預測融合。在該過程中使用了基于專家系統的數據融合方法，以實現對礦井內瓦斯濃度的實時監測和預測控制。專家系統知識庫的設計很大程度上借用了長期從事井下工作的從業人員的經驗、和處理突發事故的方法，可以使專家系統模仿人類專家做出系統決策，在一定的范圍內給出合理的解決方案。

這種方法的優點，首先在于數據的處理更加合理，可以更好的避免干擾因素的影響，使監測的結果更加準確，試驗結果也令人相當滿意。其次是專家系統的設計在一定程度上滿足了處理突發事件的需要，提高了災害預防和控制管理的效率。

3 結論

礦井監測是煤礦安全生產的重要保證，也是勞動者人身安全的第一道防線，世界各國對此都投入了大量的財力、物力和人力來進行研究和改進。我國現有的監測技術雖然為安全生產做出了巨大貢獻，但還有進一步提高和發展的空間。

掘進面監控技術整合了傳感器技術，無線網絡技術，無線監測設備技術和數據融合技術等各個行業的領先技術和產品。在監測手段和監測設備上都向前邁進了一大步。通過小范圍的試用和嘗試，其監測的準確性與實時性也是非常令人滿意的。雖然這一技術還沒有得到大范圍的推廣，但無論是從經濟角度還是從保護從業勞動者安全的角度，該技術都大有用武之地。希望在不遠的將來，這一先進的技術能夠為我國煤炭行業的安全生產提供更大幫助。

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