井下融合技術在煤礦安全監控系統升級改造中的應用

王 森 邊宗森

（淄博王莊煤礦有限公司，山東 淄博 255400）

1 公司簡介

淄博王莊煤礦有限公司,原名淄博市王莊煤礦，位于淄博市臨淄區人民路898號，隸屬于淄博市臨淄區經信局，為臨淄區屬國有獨資企業，上級企業為淄博九合礦業有限公司。該礦于1984年建礦，設計生產能力21萬t/a。2015年經機械化提能改造，于當年8月份經山東省煤炭局批準，生產能力調整為35萬t/a。2011年由山東省發展改革委員會以《關于淄博市王莊煤礦煤炭產業升級改造項目的核準意見》（魯發改能交〔2011〕1078號）文件核準45萬t/a產業升級項目。礦井為低瓦斯礦井，水文地質條件中等，立井提升，主井配備箕斗擔負提煤，副井配備寬、窄罐籠擔負提人、提物?，F礦井已進入試運轉階段。

2 安全監控系統改造概況

（1）2016年12月29日，國家煤礦安全監察局印發《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》后，該礦即著手考察準備進行安全監控系統的升級改造。2017年8月8日，山東煤礦安全監察局下發了《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），明確提出“多系統的融合可以采用地面方式，也可以采用井下方式。新建礦井必須采用井下融合方式”。

（2）2017年8月15日，該礦與重慶菲莫科技有限公司簽訂《淄博市王莊煤礦45萬t/a產業升級項目安全監控系統、人員定位系統、應急廣播系統購置及安裝合同》，2017年10月4日重慶菲莫科技有限公司到礦開始安裝，12月10日完成設備安裝并進行系統調試。

（3）重慶菲莫科技有限公司的KJ912X安全監控系統提供基于“一線式”系統架構和全數字智能傳感器等現場終端的系統解決方案。采用“一網一站一線一標準”的系統架構和全數字式傳感器。這種新架構使得系統傳輸和處理的數據量大，效率高，實時性強，系統的可靠性高，抗干擾能力強，結構簡潔，維護方便，全系統投入成本更低，安全管控更加有效。

① “一網”，指萬兆/千兆光纖以太環網，支持相交環、相切環及環中環，傳輸和處理數據量大，效率高，實時性強，可靠性高；

② “一站”，指多媒體交換機（綜合分站），多媒體交換機的應用，使得系統使用的設備數量大大降低，取消了傳統系統中的各種各樣的分站；

③ “一線”，指高效實時的工業現場總線，多主并發主動上報方式，效率高，實時性強，并具有容錯及故障節點自隔離功能，可靠性更高；

④ “一標準”，指統一的標準化礦山系統協議，是實現“數字化礦山”、“智慧礦山”的前提，對于整個產業的發展將具有十分重要的意義。

其系統架構圖如圖1所示。

該技術最終可以通過一根普通礦用通訊電纜，快速低成本實現監測監控、人員定位管理、廣播對講系統、有線/無線系統互聯和多種自動化系統應用。

（4）該礦KJ912X安全監控系統設備現安裝位置為1003和4005兩個采煤工作面、4007軌道順槽等5個掘進工作面及井下中央大泵房、一采區變電所、一采區避難硐室等機電硐室，共安裝交換機8臺、甲烷傳感器44臺、溫度傳感器24臺、風筒風量開關傳感器5臺、設備開停傳感器18臺、主要通風機開停4臺、斷電控制器19臺、語音風門開關狀態傳感器26套、煙霧傳感器7臺、風速傳感器3臺、負壓傳感器2臺、液位傳感器2臺、濕度傳感器2臺、氧氣傳感器10臺、一氧化碳傳感器17臺、二氧化碳傳感器6臺、粉塵傳感器11臺、電源22臺、人員定位讀卡器47臺、應急廣播20個、降雨量觀測器1套。

圖1 系統架構圖

KJ912X安全監控系統采用底層融合方式進行系統聯動，當甲烷傳感器超限報警時，應急廣播立即聯動播送超限信息，人員定位讀卡器和識別卡發出聲光報警。現在該礦安全監控系統與應急廣播系統、人員位置監測系統的聯動運行基本正常。

3 KJ912X礦山監控定位廣播信息系統創新性

3.1 全數字化系統

基于數字化系統，它的可靠性更高，全數字化系統是編碼傳輸，本身就有容錯的機制，抗干擾能力更強。

3.2 新型分布式總線結構

采用了新型的體系結構，利用多媒體交換機和數字式總線傳感器以及多功能的物聯網控制器，不但高效地實現了全礦的監測監控和通訊聯絡，并且系統傳輸和處理的數據量更大，速度更快，可擴展性更強，系統的可靠性更高，抗干擾能力更強，系統維護更簡單方便，“新型分布式總線”的應用，系統擴展時無需重新布線。

3.3 KJ912X井下融合的應用

基于工業以太網、現場總線和數字式現場設備的技術，快速低成本實現監測監控、人員定位管理、有線/無線系統互聯和多種自動化系統應用，并實現了多個系統的現場層級數據融合。

3.4 “無主站異地交叉控制”技術

傳統礦山系統要實現異地交叉控制時（比如異地交叉斷電），必須經過主站中轉，在特殊情況下無法保證控制有效性，本系統利用工業現場總線各節點之間可自由通信的特點，實現了無主站異地交叉控制，更加安全、可靠、實時。

3.5 “多媒體調度指揮”技術

綜合利用新一代系統的多媒體技術，融合有線無線通訊、環境測控數據、人員定位管理數據、視頻數據等信息，可以方便地實現礦山多媒體調度指揮系統，真正實現對井下所有人員實時調度、監管，安全管控更加可靠。

3.6 首創“標準通訊協議”在礦山的全系統應用

針對國內礦山測控系統、通訊系統和自動化系統無標準通訊協議，各廠家各子系統間相互封閉、獨立等問題，本系統基于國際標準modbus協議，實現了全系統的標準開放通訊，實現了modbus協議在多主并發總線上的應用，在系統基礎層面實現信息的融合、互聯互通。

3.7 “電源管理”技術

首次在隔爆兼本安型電源箱中增加了備用電源管理技術，可讓備用電源按控制邏輯充電放電，一改過去不停電就不放電的弊端。該技術大大延長了備用電源的壽命，同時將備用電源的工作參數上傳至地面，使電源受控，增加了系統的穩定性。

3.8 “高頻采樣”技術

數字式智能傳感器的高頻采樣功能，在數據臨界點可實施快速高分采樣，保證了數據樣本的有效性，不但有利于事后還原現場，而且為將來的大數據應用打下良好基礎。

3.9 “傳感器自動識別”技術

傳感器自動上傳類型量程，即使因地面中心站軟件配置錯誤也不會導致信號誤報，并人性化提示與井下所接傳感器類型不一致。有效控制因操作不當導致誤報問題，提高系統穩定性。

3.10 “傳感器自診斷”技術

豐富的自診斷故障代碼，如：信號中斷、地址沖突、未標校、元件斷線、設備未定義等，均提供對應的診斷代碼，有效解決系統維護故障分析的難點，起到故障定位、系統提示的作用，有效減少人力及物力。

4 安全監控系統改造后實施效益

4.1 系統投入少

KJ912X礦山監控定位廣播信息系統無分站設計，減少線纜投入、交換機投入、分站投入，建設成本降低。

4.2 維護量小

（1）設備使用數量少，系統結構簡單，可靠性高，易管理；

（2）新型總線結構，沒有“蜘蛛網”的煩惱，使用線纜少；

（3）全數字化設備的穩定性高，抗干擾能力強，設備自檢、故障自動報警，調校自動提醒；

（4）通過設備混掛的方式，人員可快速地查找故障所在位置，并進行維修。

4.3 管控更加可靠

KJ912X礦山監控定位廣播信息系統將原有的監測監控系統、人員定位系統以及應急廣播通信系統進行底層數據融合，減少了部門間的磨合，減少人力的投入，安全管控更加可靠。

4.4 減人增效

綜合利用系統的可視化和自動化，可實現真正的“無人值守”功能，大大減少井下作業人數。

高效的數據采集和傳輸，可將各生產環節的數據、視頻同步傳送，更加有利于對各個生產環節情況進行實時掌握、管理和控制。

人員定位系統和安全監控系統、通訊系統聯動，緊急情況下可以高效組織人員撤離。