東懷煤礦安全監控系統升級改造及應用

曹志華 黃 瀟 孫國鋒

（吉利百礦集團有限公司東懷煤礦，廣西 百色533000）

1 東懷煤礦安全監控系統簡介

東懷煤礦位于廣西百色，是廣西第一大生產礦井，分一、二兩個水平開采，年生產能力150 萬噸。目前東懷煤礦全礦絕對瓦斯涌出量為12.61m3/min，相對涌出量3.81m3/t，采煤工作面最大瓦斯涌出量為3.87m3/min，掘進工作面最大瓦斯涌出量為0.24m3/min，為低瓦斯礦井。東懷煤礦從2006 年就使用江蘇三恒科技股份有限公司的KJ70 煤礦安全監控系統，2009 年升級為KJ70N，2015 年再次升級為KJ770，由地面中心站、干線擴展器、備用電源箱、區域控制器、各種傳感器、監控器等設備組成。目前共安設監控分站40 個，瓦斯傳感器120 臺，負壓傳感器7 臺，風速傳感器22 臺，開停傳感器25 臺，CO 傳感器54 臺，溫度傳感器30 臺，煙霧傳感器20 臺。監控系統運行穩定，數據可靠。

2 東懷煤礦安全監控系統升級的背景

2.1 實施安全監控系統升級的必要性

（1）根據《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）和《國家安全監管總局 國家煤礦安監局關于進一步加強煤礦重大災害防治有效防范重特大事故的通知》（安監總煤裝〔2016〕10 號）的精神，煤礦必須推廣應用安全監測監控新技術新裝備，提高安全監控系統技術性能和安全可靠性，促進安全監測監控多元融合和信息共享，提高煤礦安全預測預警水平，實現安全監測監控信息的深度分析和綜合利用。（2）根據近來全國范圍內發生的一系列瓦斯爆炸事故，事故礦井多為低瓦斯礦井，因此對于低瓦斯礦井的瓦斯防治工作尤為重要。并且，隨著采掘深度的增加，瓦斯含量呈增加趨勢，積極應對瓦斯防控，特別是對低瓦斯礦井瓦斯監測監控及防治措施管理十分必要，必須加大投入及升級改造的力度，有效杜絕瓦斯爆炸事故的發生，確保安全生產。

2.2 現用安全監控系統存在的主要問題

（1）數據傳輸采用樹狀網絡結構，巡檢速度慢；數據傳輸采用主從通信結構，數據傳輸率低。系統巡檢速度慢，井下測點數據傳輸到地面需要30 秒至1 分鐘，這樣的傳輸效率受傳輸方式的影響很大。（2）數據共享方面不能實現多網融合，與其他系統無法實現聯動控制，安全監控系統數據交換不夠迅速，實時性方面有待提升。（3）數據傳輸數采用傳統電纜模式傳送，可靠性不高，井下電纜電線眾多，信號傳輸易受到電磁干擾的影響，使監控數據偶有出現誤差造成誤報警斷電的現象，特別是瓦斯傳感器、CO 傳感器等誤傳對生產管理造成不便。（4）供電電源續航能力差，僅2 小時左右，可靠性低。

3 KJ70X 系統升級改造方案及實施

3.1 改造方案

根據東懷煤礦目前所用的KJ770 系統應用實際情況，考慮到經濟性和實用性，決定采用“新系統搭建→示范采區試推→全礦井推行→新舊系統并行→撤除舊系統”的方式循序開展升級改造工作。經對比，決定繼續采用江蘇三恒科技股份有限公司的KJ70X 系統，該系統以工業以太環網＋現場總線作為系統的信息傳輸平臺，利用工業以太網平臺的快速通道實現多主并發通訊技術，能使系統在設備抗干擾、實時性、可靠性、穩定性、擴展性、數字化、數據分析應用、數據融合、新技術應用等方面技術水平進一步提升，達到安全生產和相關規定要求。

首先，升級改造地面中心站。在原有設備基礎上進行升級，提升監控主、備機熱備功能，升級軟件為KJ70X，完善分級報警、斷電等控制功能、多網和多系統融合、自診斷和自評估功能、數據分析等功能。

其次，對監控環網進行改造。增加中心站核心交換機、地面和井下環網交換機，分別在井下一水平井布有3 個千兆節點，二水平2 個千兆節點。形成一體式冗余環網方式，組建獨立、穩定的傳輸網絡。

最后，對井下傳感器、供電電源、分站等設備的升級。實現傳輸信號達到全數字化，提升抗電磁干擾能力、IP65 防護等級、自診斷自評估功能。

3.2 實現傳感器數字化，增強抗電磁干擾能力

在工作面回風巷、專用回風巷及總回風巷使用更為先進的激光、紅外全量程傳感器，增強傳感器的靈敏性及反應速度，數據準確且穩定性高，便于管理維護；傳感器和分站防護等級均達到IP65 要求，運行穩定，質量可靠，根據傳感器和分站的性能適當升級模塊或程序實現監控數據數字化的傳輸及接收，實現了所有模擬量傳感器數字化傳輸（RS485），有效增強抗電磁干擾能力。

3.3 完善報警、斷電等控制功能

（1）設置甲烷及一氧化碳傳感器根據瓦斯濃度大小、超限持續時間、瓦斯超限范圍等分為四級報警，實施分級響應。（2）利用KJ70X 安全監控系統的組合報警功能，根據巷道布置及瓦斯涌出等實際生產情況，實施邏輯報警。（3）測試并完成系統本地、異地斷電情況。斷電設置與饋電狀態相關聯，發生斷電動作相應饋電狀態無變化時會有饋電異常顯示。（4）在地面中心站配置區域，本區域內的任意甲烷傳感器報警都可以斷區域內的所有開關。

3.4 完善多網多系統融合、應急聯動

建立多網融合平臺，融入礦井安全監控視頻系統，應急廣播系統及人員定位系統。以甲烷超限為試驗，測試系統根據事故地點及人員定位系統進行分析并通過應急廣播向相關區域發送指令的情況。

3.5 增加自診斷、自評估功能

（1）完善傳感器、控制器的設置及定義。實現傳感器、控制器的設置以及定義診斷和評估，當檢測到傳感器報警、斷電、復電門限設置不滿足相關標準及規定時能發出報警信息提示。（2）具備模擬量傳感器維護、定期未標校提醒。按要求設置甲烷、一氧化碳傳感器標校提醒功能，軟件上并有報警信息提示。（3）具備模擬量傳感器、控制器、電源箱等設備及通信網絡的工作狀態。系統能夠實現井下各監測點的所有類型的傳感器以及分站、電源箱的狀態檢測和故障信息上傳功能。（4）具備中心站軟件自診斷功能，包括雙機熱備、數據庫存儲、軟件模塊通信。系統數據庫密碼不正常、數據庫連接失敗、軟件模塊異常關閉以及工作異常時系統能發出異常信息提示。

3.6 增強數據應用分析功能

（1）實現傳感器標校期間的數據分析功能和異常數據分析功能。（2）系統根據瓦斯涌出量測試數據預測預警功能（火災按照一氧化碳傳感器及溫度傳感器進行配置；瓦斯涌出按照瓦斯濃度和風速及巷道橫截面積進行配置）；通過大數據對比分析，預測瓦斯涌出及CO 含量變化情況規律。（3）系統軟件具備系統融合以及數據分析顯示查詢功能。測試監控系統、語音廣播、人員定位的融合數據在聯動平臺上進行顯示情況。

3.7 增強加密存儲功能

系統監測數據及斷電信息已采用RSA 加密算法進行存儲，防止數據被篡改。非法篡改后，系統自帶篡改顯示。采用RSA 加密法，仍可以還原被修改數據。

4 KJ70X 系統升級改造后應用效果

4.1 達到國家煤監局相關標準

升級改造后，各項功能均達到《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）的要求，滿足安全生產的需要。

4.2 系統運行高速、穩定

新、舊系統并行及完全使用新系統前后效果對比顯示，新系統運行更為穩定，傳感器及信號傳輸網絡運行平穩，系統巡檢周期小于10s，異地斷電時間小于5s，分站到傳感器之間的傳輸距離最遠可達6km，雙機熱備自動切換功能，熱備切換試驗10秒內自動切換，供電電源延長供電時間1 倍，達到4h。系統信號準確，抗干擾能力強，沒有誤報警斷電等情況。

4.3 架構簡化、設備可靠性高，有效降低維護勞動強度

KJ70X 系統有效簡化信號傳輸結構，設備使用數量下降為原來的60%左右，數字化傳輸減少了電纜的使用；配套的高性能傳感器、分站等設施功能強大、防護等級高，質量可靠，大大減輕了監控維護人員的勞動強度。

4.4 系統自動化、智能化水平明顯提升

KJ70X 系統實現的數據多網融合，應急情況下多系統聯動，自評估、自診斷功能，大數據應用分析及加密功能大大增強了安全監控系統的自動化和智能化技術水平，快速準確的數據分析處理及系統聯動有效縮短了應急情況下發送指令的時間，為事故預測預警及災害搶險救援提供了重要保證。