煤礦井下掘進(jìn)工作面瓦斯監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)

田志軒

平煤股份三礦公司，河南 平頂山 467000

1 傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)的缺陷

傳統(tǒng)瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多為單坑道監(jiān)測(cè)的分散結(jié)構(gòu)，其通訊線路多采用載波、 電話線、調(diào)制解調(diào)器、設(shè)備總線的結(jié)構(gòu)模型來傳送數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不僅擴(kuò)展性差，維護(hù)費(fèi)用高，而且存在很高的穩(wěn)定性隱患。針對(duì)上述問題，現(xiàn)代瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)正在向無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)技術(shù)和多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)發(fā)展。

2 現(xiàn)代新型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與技術(shù)改進(jìn)

2.1 新型瓦斯傳感器

目前國內(nèi)外用于監(jiān)測(cè)低濃度瓦斯的傳感器多為熱催化元件，由于其屬于化學(xué)敏感元件，在長時(shí)間的工作下會(huì)產(chǎn)生零漂和靈敏度的變化，影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。新型傳感器的優(yōu)點(diǎn)主要在于將催化元件與補(bǔ)償元件封裝在一起，補(bǔ)償元件可以對(duì)長時(shí)間工作的催化元件產(chǎn)生的參數(shù)進(jìn)行修正，減小輸出零點(diǎn)的漂移。如果兩種元件的一致性好，就會(huì)得到滿意的補(bǔ)償效果，增加傳感器的穩(wěn)定性。這種一致性的選取稱為配對(duì)。現(xiàn)在一般采取的配對(duì)方法為靜態(tài)參數(shù)比較法，利用此種方法進(jìn)行篩選配對(duì)，雖然工藝簡(jiǎn)單，但動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性差。開發(fā)中的動(dòng)態(tài)配對(duì)法，參考了近代數(shù)學(xué)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(dòng)態(tài)參數(shù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)匹配，取得了較理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

除此之外，傳統(tǒng)的惠斯頓電橋檢測(cè)法也需要進(jìn)一步改進(jìn)。因?yàn)樵摲椒ǖ脑硎抢么呋拇呋瘎┐偈辜淄樵谄浔砻嫒紵艧幔闺娮枭郎兀柚底兇螅l(fā)一個(gè)異常的電壓信號(hào)來檢測(cè)甲烷的濃度變化。這樣一來，過高的溫度會(huì)降低傳感器的表面活性。新型傳感器采用定壓檢測(cè)法，利用反饋回路穩(wěn)定電壓、減小電流，使傳感器的溫度下降，更加有利于保護(hù)傳感器中化學(xué)敏感元件的穩(wěn)定性。

圖1 定壓反饋電路

最后，新型傳感器通過試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，計(jì)算了信號(hào)強(qiáng)度隨使用時(shí)間的衰減規(guī)律，利用信號(hào)處理技術(shù)，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)化學(xué)敏感元件因長時(shí)間工作而產(chǎn)生的敏感性衰減，保證傳感器在有效工作時(shí)間內(nèi)的準(zhǔn)確輸出。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量被部署在被監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器結(jié)點(diǎn)所組成的，通過無線通訊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)目的的多跳的自組織、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

該網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)分布在被測(cè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)，分布在邊界的sink節(jié)點(diǎn)，以及用戶終端構(gòu)成 。其中，傳感器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和與無線通訊，通過網(wǎng)絡(luò)自組織和多跳路由將數(shù)據(jù)發(fā)送到sink節(jié)點(diǎn)，sink節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶終端以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總與統(tǒng)一處理。

傳感器節(jié)點(diǎn)由多個(gè)模塊組成，除用于瓦斯?jié)舛葯z測(cè)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(fù)責(zé)信號(hào)的輸入、輸出和數(shù)/模轉(zhuǎn)換。通信模塊采用的是射頻收發(fā)裝置，其中2.4GHz無線網(wǎng)絡(luò)與868MHz無線網(wǎng)絡(luò)相比較，在井下的工作環(huán)境下，前者能夠更好的保證信號(hào)傳遞的穩(wěn)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(jié)點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)邊界的節(jié)點(diǎn)，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(jì)算機(jī)，將接收的普通傳感器節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，傳送給用戶終端，通過軟件的處理，能夠在用戶界面實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)的結(jié)果。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)時(shí)性與靈活性，具有很高的擴(kuò)展空間和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。工作人員只要在井下布置好節(jié)點(diǎn)傳感器，就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯?jié)舛纫约捌渌嚓P(guān)信息。為災(zāi)害預(yù)警提供寶貴的數(shù)據(jù)與時(shí)間。但這種基于固定傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)也存在著一定的局限，就是無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)面的瓦斯?jié)舛惹闆r，工作進(jìn)度與傳感器安放存在時(shí)間延遲,給災(zāi)害預(yù)警留下了進(jìn)一步改進(jìn)的空間。

2.3 無線移動(dòng)瓦斯監(jiān)測(cè)設(shè)備與掘進(jìn)面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)技術(shù)

為了對(duì)掘進(jìn)平面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，單純的無線網(wǎng)絡(luò)已無法滿足要求，必須使檢測(cè)設(shè)備能夠隨掘進(jìn)面的移動(dòng)而移動(dòng)。在將所有移動(dòng)便攜式瓦斯監(jiān)測(cè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合與統(tǒng)一處理的同時(shí)，還要解決移動(dòng)設(shè)備的精確定位問題。這樣做的好處不僅在于擴(kuò)大了瓦斯監(jiān)測(cè)的范圍，同時(shí)可以排除許多人為因素的干擾，具有更強(qiáng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性，最大限度的延長了災(zāi)害預(yù)警時(shí)間。

為了實(shí)現(xiàn)井下環(huán)境中的無線、移動(dòng)監(jiān)測(cè)，首先要解決的問題是不間斷信號(hào)覆蓋與精確定位。為了解決這些問題，可以在被監(jiān)測(cè)區(qū)域設(shè)立一定數(shù)量的通訊監(jiān)測(cè)分站。分站內(nèi)配備無線收發(fā)器，便于接收和傳遞信號(hào)。每臺(tái)收發(fā)器外接漏泄電纜，沿坑道鋪設(shè)（電纜的有效信號(hào)發(fā)送長度為300m）發(fā)送不間斷信號(hào)。若一個(gè)分站配備8臺(tái)收發(fā)器，可以使連續(xù)信號(hào)覆蓋5km長度的巷道。這就解決了信號(hào)的大面積，連續(xù)覆蓋問題。

與此同時(shí)，為了使移動(dòng)檢測(cè)設(shè)備能夠精確定位，還要在基站內(nèi)安裝一定數(shù)量的定位裝置，定位器會(huì)連續(xù)不斷的發(fā)送所處位置信息的無線信號(hào)，無線瓦斯檢測(cè)設(shè)備可以在收到位置信號(hào)后，將檢測(cè)的數(shù)據(jù)連同自己的定位信息一起發(fā)送給通訊監(jiān)測(cè)分站，做到精確定位。

無線監(jiān)測(cè)設(shè)備在同無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)后，不僅可以傳送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，也可以通過搭載一定的硬件設(shè)備來傳送文字信息和影像信息。在遇到突發(fā)情況的時(shí)候可以與地面監(jiān)控人員聯(lián)系，方面監(jiān)控人員了解現(xiàn)場(chǎng)情況，并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)救措施。在條件允許的情況下，不僅掘進(jìn)面的施工設(shè)備、人員可以配備無線移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，在井下的所有勞動(dòng)者都應(yīng)該配備至少能夠起定位作用的移動(dòng)設(shè)備，這樣做可以大大提高勞動(dòng)者的安全工作系數(shù)，同時(shí)也可以在災(zāi)害發(fā)生后盡快地展開救援。

這項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)階段已經(jīng)完成，在2009年已經(jīng)開始了小范圍內(nèi)的試用，效果顯著。由于其在災(zāi)害預(yù)防、事故救援等方面的優(yōu)異表現(xiàn)，相信其大規(guī)模的使用指日可待。

2.4 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)

相比于傳統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)處理技術(shù)，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以更好的利用傳感器資源。 通過對(duì)多傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)的合理支配和使用，將各種傳感器在空間或時(shí)間上的冗余信息或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合和篩選，產(chǎn)生對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的一致性描述，其目的是排除單一傳感器監(jiān)測(cè)過程中的各種人為或非人為的干擾因素對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響。同時(shí)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(shù)據(jù)融合技術(shù)包含多個(gè)步驟，首先要進(jìn)行信號(hào)的采集，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。這一過程的實(shí)現(xiàn)有多種途徑。由于所采集信號(hào)的不同，使用的傳感器也會(huì)有所不同，有的傳感器輸出的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，有的則是模擬信號(hào)，預(yù)處理的目的就是將這些不同類型的信號(hào)進(jìn)行數(shù)、模轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一變成計(jì)算機(jī)I/O接口能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。同時(shí)，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(shù)據(jù)傳送給用戶端進(jìn)行最后的數(shù)據(jù)融合。數(shù)據(jù)融合首先要對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行初步融合，進(jìn)一步剔除背景噪音與冗余信息，然后將融合結(jié)果送入預(yù)測(cè)融合。在該過程中使用了基于專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)控制。專家系統(tǒng)知識(shí)庫的設(shè)計(jì)很大程度上借用了長期從事井下工作的從業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)、和處理突發(fā)事故的方法，可以使專家系統(tǒng)模仿人類專家做出系統(tǒng)決策，在一定的范圍內(nèi)給出合理的解決方案。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)，首先在于數(shù)據(jù)的處理更加合理，可以更好的避免干擾因素的影響，使監(jiān)測(cè)的結(jié)果更加準(zhǔn)確，試驗(yàn)結(jié)果也令人相當(dāng)滿意。其次是專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在一定程度上滿足了處理突發(fā)事件的需要，提高了災(zāi)害預(yù)防和控制管理的效率。

3 結(jié)論

礦井監(jiān)測(cè)是煤礦安全生產(chǎn)的重要保證，也是勞動(dòng)者人身安全的第一道防線，世界各國對(duì)此都投入了大量的財(cái)力、物力和人力來進(jìn)行研究和改進(jìn)。我國現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)技術(shù)雖然為安全生產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)，但還有進(jìn)一步提高和發(fā)展的空間。

掘進(jìn)面監(jiān)控技術(shù)整合了傳感器技術(shù)，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無線監(jiān)測(cè)設(shè)備技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)等各個(gè)行業(yè)的領(lǐng)先技術(shù)和產(chǎn)品。在監(jiān)測(cè)手段和監(jiān)測(cè)設(shè)備上都向前邁進(jìn)了一大步。通過小范圍的試用和嘗試，其監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性也是非常令人滿意的。雖然這一技術(shù)還沒有得到大范圍的推廣，但無論是從經(jīng)濟(jì)角度還是從保護(hù)從業(yè)勞動(dòng)者安全的角度，該技術(shù)都大有用武之地。希望在不遠(yuǎn)的將來，這一先進(jìn)的技術(shù)能夠?yàn)槲覈禾啃袠I(yè)的安全生產(chǎn)提供更大幫助。

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