南屯煤礦安全監控系統升級與應用

董祥武 呂 飛 劉 賓

（山東兗州煤業股份有限公司南屯煤礦，山東 鄒城 273515）

1 礦井概況

兗州煤業股份有限公司南屯煤礦位于山東省鄒城市西部，北宿、太平、城關和中心店境內。礦井設計生產能力為240萬t/a，2013年礦井核定生產能力為300萬t/a。

目前在用安全監控系統為天地（常州）自動化股份有限公司生產的KJ95N煤礦安全監控系統，監控分站48臺，監測監控測點420個。系統累計運行12年，系統總體使用穩定，能夠滿足煤礦的安全需要，但與《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）的要求相比尚存在如下不足：

（1）傳感器能夠適用于采掘工作面應用場所，防護等級達不到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分級報警要求；

（3）系統可接入瓦斯抽放、礦井壓力監測、采空區監測等系統，但多網、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）無存儲加密功能；

（5）部分性能指標不滿足要求：異地斷電時間為2倍巡檢周期，在煤與瓦斯突出等極端情況下不能快速斷電，無法滿足煤礦安全生產要求；備用電源能維持斷電后正常供電時間2h，不滿足4h的指標要求；模擬量傳輸處理誤差不超過1%，不滿足不超過0.5%的指標要求。

2 安全監控系統升級原則

KJ95X煤礦安全監控系統本著架構簡單、穩定可靠、低成本、低維護為出發點，以高水準、高質量、高性能價格比為目標，根據國家升級改造要求、煤礦實際使用需求和未來發展趨勢進行設計。

2.1 整體性原則

安全監控系統升級改造是一個系統性的工程，上至井上的系統主機，下至井下的傳感器、執行器，各個設備在系統內相互配合、協調工作，從而完成系統的功能及指標。同時需要考慮整個礦井的安全類監測系統在地面、井下的數據融合，即升級改造要有全局意識，要遵循整體性原則。

2.2 先進性原則

系統構成采用簡單、成熟，具有國內外先進水平，并符合國際發展趨勢的技術、軟件產品和設備，并且系統應遵守國內、國際上的規范、標準，以保證系統具有較長的生命力和擴展能力。

2.3 針對性原則

此次監控系統升級改造的內容較多，在滿足國家升級改造方案及相關標準要求的前提下，不同的系統提出了高于國家標準的性能指標，完成了多于國家標準的功能。高指標、多功能，是針對自身不同的需求而設計的。煤礦現場的升級改造需要針對自身的需求，有選擇性的升級附加功能及指標。

2.4 有效性原則

監控系統升級改造是為了提高安全監測監控新技術、新裝備在煤礦現場的應用范圍，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，所以升級改造后的監控系統要確保有效，提高其在煤礦安全生產過程中的作用，確保監測準確、控制可靠。在保證系統有效性的同時，保證升級改造投資的有效性。

2.5 易操作性原則

針對煤礦工作人員的技術特點，提供先進且易于維護的人機界面功能，提供信息共享與交流、信息資源查詢與檢索等快速工具。

3 安全監控系統升級方案

圖1 安全監控系統示意圖

系統傳輸采用典型工業環網+現場總線傳輸架構（如圖1），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。開發無線信號轉換器，接收人員定位信號，無線傳輸后自動接入系統，以實現多系統井下的鏈路融合。在部分采掘工作面、回風流及總回風處安裝激光甲烷傳感器，滿足煤礦對新設備應用的要求，傳感器防護等級提高到IP65，提高傳感器工作穩定性與可靠性。

煤礦安全監控系統改造方案需更換關鍵設備如分站、電源，從而實現系統數字化傳輸。根據礦上實際情況安裝數字式傳感器，實現多系統融合。

4 安全監控系統的升級實施與應用

根據系統的特點和工作量安排，本著經濟、穩定、總體規劃、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，結合礦井的自身條件和特點，采用新舊兩套系統并行運行的方式進行升級改造。對不同的區域，逐一在規定時間內完成升級。

第一步：為了不影響現有安全監測系統的運行，在地面監控室利用新工控機搭建一套新安全監控系統，兩套系統并行運行，同時開發新系統上傳軟件，將數據上傳至集團公司。

第二步：逐步形成井下監控環網（南屯煤礦安全監控系統現無井下環網），要在地面機房加裝MT8000數據接口交換機，該設備內置MOXA EDS-408A交換機可與井下交換機組成一套百兆環網來滿足監控系統對網絡的要求，同時配置2臺KJJ14A（內置）智能網關模塊，方便地面西風井、副井絞車房、壓風機開停房3臺分站接入。在三采東部變電所、井下變流機房、七采西部變電所、十一采區變電所、九采三分區變電所、九采變電所、中央風井、白馬河風井加裝8臺交換機，并調試專用環網和智能網關。

第三步：分階段、分主次、分重點進行分站與電源的更換升級，把現有分站中的傳感器接入到新分站中，對不能滿足數字化的傳感器進行更換或升級。根據升級計劃安排分階段接入新系統。試運行5d并由廠家人員組織相關培訓。由廠家人員協助監測值班人員進行24h值班，直至值班人員能獨立正確使用新監控系統。

第四步：根據施工計劃把壓風機開停房、副井絞車房、白馬河井、中央風井、-350m下井口、七采輔助下山上頭、十一采變電所、九采三分區變電所、七采西部變電所、一采二號變電所等12個無瓦斯傳感器且不參與斷電的分站逐個對現有傳感器、分站進行更換或升級，接入到新系統中，實現新老系統的平滑過渡，再次檢驗系統穩定性。由廠家組織集中培訓，確保操作人數能夠熟練使用。

第五步：三采區作為南屯煤礦安全監控示范點，首先在三采區形成百兆環網，在三采東部變電所安裝環網交換機，接入3304工作面、三采東區東部探巷、一采二號變電所、七采分區皮帶等監控分站，并接入新系統中。

三采區監控系統運行穩定后逐步把九采回風、九采東翼皮帶機頭、回風石門、中央變電所、西三部機頭、七采分區皮帶、混合井變電所、九采變電所、一采強力皮帶機頭、七采北部一號探巷、地面洗煤廠、-432二部皮帶中、7311煤集1、9306綜采面、9306綜采面1、9309切眼、一三采東部回風、九采二分區探巷等有瓦斯傳感器或參與斷電的分站進行更換或升級，接入到新系統中。并在9306工作面、3304工作面2個采煤工作面和三采東部東區探巷、九采二分區探巷、9309運順、9309工作面轉載皮帶巷等4個掘進工作面加裝激光甲烷傳感器和部分多參數傳感器來滿足國家及省局的相關要求。

第六步：匯總使用過程中存在的問題和建議，由廠家人員進行相應處理。試運行90d后無問題，根據現場情況申請驗收。驗收合格后正式投入使用。

5 結束語

煤礦安全監控系統全面升級，所有傳輸為數字化，大大提高了監控系統抗干擾能力，數據傳輸的準確性大大增強。南屯煤礦在安全監控系統升級改造方案設計基礎上，結合礦井實際，優化設計方案，確保了安全監控系統穩定高效運行，為煤礦安全生產起到一定的作用。