煤礦安全監控系統升級改造方案設計與應用

陳興明 岳 鵬 邢 冬

（兗州煤業股份有限公司濟寧三號煤礦，山東 濟寧 272069）

2016年12月30日，《國家煤礦安監局關于印發〈煤礦安全監控系統升級改造技術方案〉的通知》（煤安監函〔2016〕5號文）指出，目前煤礦安全監控系統應用中存在的主要問題是傳感器性能、供電不穩定，傳輸線路易受干擾，系統技術水平有差異，相關標準不完善等[1]。主要通過新技術、新裝備的應用，提高安全監控系統技術性能和安全可靠性，適應煤礦安全生產的需要，促進安全監測監控多元融合和信息共享，提高礦井安全預測預警水平，實現安全監測監控信息的深度分析和綜合利用。

1 濟寧三號煤礦原有監控系統的不足

濟寧三號煤礦原KJ95N煤礦安全監控系統已累計運行多年，系統總體運行穩定，能夠滿足煤礦的安全生產需要，但與《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》的要求相比尚存在如下不足：

（1）部分傳感器防護等級未達到IP65要求。

（2）系統具有預警、報警功能，但未達到升級改造方案所要求的多級要求。

（3）系統多網、多系統融合程度低，未實現井下多系統設備共纜通信，即井下設備級數據融合。

（4）部分性能指標不滿足升級改造要求。

2 升級改造方案設計

在充分調研的基礎上，結合礦井實際，依據《國家煤礦安監局關于印發〈煤礦安全監控系統升級改造技術方案〉的通知》（煤安監函〔2016〕5號文）、《山東煤礦安全監控系統升級改造技術方案實施標準》（魯煤監技裝〔2017〕70號文）等系列文件要求，在原有KJ95N煤礦安全監控系統基礎上設計升級改造方案，全面升級改造為KJ95X型安全監控系統。通過組建安全監控系統環網、更換監控分站、電源和部分傳感器等，對支持總線的傳感器進行程序更新，系統軟件進行全新升級，使系統具有更高的安全性、可靠性。

2.1 主干傳輸網絡升級改造設計

升級后的系統傳輸采用典型工業環網+現場總線傳輸架構，采用目前煤礦應用比較成熟的RS485總線。該總線抗干擾能力強，網絡拓撲符合煤礦現場應用，系統工作原理采用多主結構、事件主動上傳、傳輸壓縮算法機制，縮短系統的巡檢周期和異地斷電時間，實現窄帶優先傳輸和斷線續傳。濟寧三號煤礦利用礦井原有光纜，在井下各變電所安裝環網接入器，組建一套百兆環網，來滿足新安全監測系統使用，減少費用投入。

2.2 現場分站、電源升級改造設計

監控分站是監控系統中的重要組成部分，無論在功能上還是安裝位置上，在系統中都起到了承上啟下的作用。它主要完成數據采集及預處理、邏輯控制輸出和與上下級設備通訊的功能。為了滿足新一代監控系統的要求，滿足相關行業標準、國家文件的要求，本次改造需更換全新分站和電源，確保監控分站數字化傳輸、斷點續傳等功能，保證電源信息在線監測、電池供電不小于4h。

2.3 傳感器升級改造設計

將傳感器（模擬量）更換為數字傳感器。風門狀態傳感器直接在分站中接入開關量接口，無需更換。安裝部分GJG100J礦用激光甲烷傳感器、多參數傳感器滿足國家對推廣應用先進傳感技術及裝備的要求。對近兩年供應的KGA5礦用一氧化碳傳感器、KGJ16B低濃度甲烷傳感器固件程序進行升級，滿足數字化改造要求。

2.4 多系統融合與聯動

系統升級后實現安全監控、人員位置監測、應急廣播、工業視頻等系統的地面信息融合，并將各業務系統數據通過圖形顯示實現系統“一礦一圖”信息展示，即在一張圖上實現不同業務系統的綜合顯示，從而方便煤礦用戶更直觀、便捷的了解井下情況，并實現井下聯動報警、應急救援與指揮等。

2.5 升級方案實施

系統升級改造實施過程，本著經濟、穩定、分步實施最終實現平滑過渡的原則，分步進行系統升級改造，采用新舊兩套系統并行運行的方式進行升級改造，確保新舊系統的無縫交割。先組建百兆監測環網，再進行示范采區升級試點，再次對其他地點進行升級，其次進行系統多系統地面融合與聯動，最后進行測試、驗收，不同的實施階段，逐一在規定時間內完成升級。

3 系統運行效果

（1）巡檢周期明顯縮短。礦井使用專用光纜，組建獨立環網，分采區接入監控分站，傳感器數據發生變化后立即上傳，單位時間內傳感器數據采集更密集，更便于進行數據分析與快速斷電。

（2）系統更加穩定可靠。示范采掘工作面使用低功耗激光甲烷傳感器數據監測實現毫秒級變化采集，傳感器周期穩定性更長；高溫高濕等復雜環境下，誤報警頻次大幅降低。

（3）實現多級報警。根據礦井煤層發火情況，按照瓦斯濃度大小、瓦斯超限持續時間設置甲烷傳感器報警值等，設置不同的報警級別如圖1，實施分級響應；系統具有邏輯報警功能。

圖1 分級報警配置

（4）傳感器實現智能化、數字化。低功耗數字傳感器實現遠距離傳輸，多臺傳感器電源供電、信號傳輸共用一根電纜，大幅減少井下布線數量，減少系統維護量。傳感器、電源等設備即插即用、智能識別，傳感器地址重復檢測及傳感器與分站接通報警，簡化了設備安裝調試過程。

（5）實現系統診斷、斷點續傳功能。傳感器、電源、分站遠程信息診斷功能，幫助維護人員快速判斷故障原因，縮短排查、解決問題時間。系統斷點續傳功能的應用，提高了停電、檢修等分站網絡不通情況下數據連續性。

（6）異地斷電時間大幅縮短。異地斷電采用分布式控制方法，無需系統主備機參與實現可靠異地斷電，大幅縮短斷電控制時間。以53下16膠順異地斷電為例，2018年7月28日風機切換異地斷電時間為1秒536毫秒，遠遠小于異地斷電時間不超過40秒要求。

4 經濟與社會效益

4.1 經濟效益

（1）新系統采用的環網結構及具備的自診斷功能，減少了故障 處理時間和維護人員，提高了工作效率；采用的激光甲烷傳感器，降低了標校維護工作量。

（2）數字信號傳輸減少了線纜的重復敷設，降低了礦井生產成本。數字化傳感器的使用，減少了甲烷誤報警次數和斷電次數，降低了停電事故影響時間，提高了生產效率。

4.2 社會效益

（1）新技術和新裝備的使用，使安全監測系統數據更加真實可 靠，促進了礦井安全技術裝備水平的提升，為礦井安全生產提供了科學有效的數據。

（2）多系統融合、報警聯動功能，實現了數據的綜合分析和利 用，為應急救援提供了參考依據，進一步提高了礦井的災害預防能力及應急救援水平。

5 結 語

本文介紹了煤礦安全監控系統升級改造方案設計，隨著升級方案的現場實施，證明了方案的正確性。系統測試運行穩定，達到了升級改造的技術性能指標，實現了多系統融合與聯動的目的，保證了礦井作業人員的安全。