煤礦安全監控系統智能化現狀及發展對策

文/張軍勝 李長營

安全監控系統代替傳統工作中人工監管的方式，大大提高了煤礦生產安全風險的可控性。隨著現代科技的發展以及煤礦安全生產需求的提高，安全監控系統智能化、創新化發展勢在必行。經過安全監控系統應用實踐總結，發現當前系統還存在一定的缺陷，智能化水平有待提升。為不斷提高我國煤礦安全生產水平，融入更多高新技術，需要對其現狀及未來發展對策進行分析。

1 煤礦安全監控系統智能化發展

1.1 物聯網技術的引入

1.1.1 系統框架設計

基于物聯網的智能化安全監控系統框架分為采集層、傳輸層、持久層和應用層四部分。

（1）采集層負責對礦下環境、設備的實時狀態信息進行采集。結合礦用無線傳感器，實現對異常信號位置的自動化識別。采集層中融入自我調節、自我校正技術，可有效保證傳感器在井下運行的可靠性，同時還可對自身故障、異常展開自動診斷。

（2）傳輸層包括有線傳輸和無線傳輸。有線傳輸依靠以太網，主要用于地上數據信息的傳遞和通信。無線網則服務于礦下，通過ZigBee 技術，實現礦下信息的精準傳遞。

（3）持久層引入云計算技術，可對采集到的各類煤礦信息進行整理、分類和分析，實現數據資源的合理化利用。持久層通過邏輯判斷，將不同數據準確劃分到相應的模塊，以實現整個系統中各個模塊之間的聯動反應，提高業務部署時效性，同時節約安全監控系統的運行成本。

（4）應用層主要負責大數據分析、信息檢測、協調控制、遠程監控、專家分析、安全預警等。如圖1所示，為基于物聯網的煤礦安全智能監控系統框架。

1.1.2 系統軟件設計

基于物聯網的智能化安全監控系統軟件主要包括Web Access、視頻監控軟件和SQL Server 數據庫。依托以上軟件，可實現安全監控系統對煤礦生產的全過程監管，并進行風險預警、報表輸出、在線監控等。無線傳感器采集礦下作業信息，在監控中心對數據進行篩選、整理和分析，評估生產環境安全性，并實現數據的傳輸、共享和安全存儲。將高清攝像與視頻監控軟件相結合，對采集到的視頻信息進行編碼、壓縮和傳輸。視頻信號被傳輸至監控中心后，結合安全監控需求對其進行處理、提取和分析，并結根據分析結果做出安全管理決策。

1.1.3 系統功能創新

（1）監控界面優化。考慮到安全管理人員在使用智能化安全監管系統時的便捷性，監控界面利用組態軟件，呈現由傳感器傳輸回的礦下監控畫面，并清晰顯示各項監測參數的實時數據。界面中涵蓋報表輸出、曲線生成、預警信息查詢等功能按鍵，為人機交互提供便利。

（2）數據庫優化。為使智能化安全監控系統不斷適應煤礦生產安全管理需求，將系統原本的數據庫升級為SQL Server 數據庫。該數據庫可通過ODBC 接口，實現與原數據庫的高速數據傳輸，將多個數據庫聯合使用。

（3）實時動態監控。通過視頻嵌入技術，在礦下安裝多臺云攝像設備，全面采集礦下動態畫面，并通過無線網絡將信號傳輸至地面。

（4）瓦斯泄漏報警。在煤礦生產過程中，瓦斯泄漏、瓦斯爆炸是引發安全事故的主要原因。在智能化安全監控系統中提前設置礦下瓦斯安全警示值，當無線傳感器檢測到的瓦斯濃度達到這一警示值后，系統自動進行報警，并對井下環境的安全系數進行評估，迅速做出處理反饋，提示井下人員進行檢查或選擇疏散。

（5）遠程控制功能。遠程控制功能能夠在智能化安全監控中心，直接對平臺接收到的數據進行遠程分析和處理。對比實時環境數據及系統中存儲的歷史數據，判斷是否存在安全異常，進而準確下達安全指令，確保井下作業安全。

1.2 礦用無線傳感器的引入

礦用無線傳感器存在多種類型，以采集礦井內甲烷、二氧化碳、一氧化碳、水位、溫度、濕度、風壓、巷道壓力的實時數據，將采集到的信息安全、迅速傳輸回地面監控中心，通過對礦下各類環境參數變動趨勢的分析及異常參數的挖掘，評價煤礦生產安全系數，并對安全風險進行監控。煤礦智能化安全監控系統中引入的礦用無線傳感器，主要對瓦斯、溫度、風速等參數數值進行檢測，可適應多種礦下運行環境，且通過無線網絡進行數據傳輸，使得以往數據傳輸緩慢的問題得到極大改善，幾乎可實現對礦下情況的時時在線監控。

1.2.1 網絡選型

煤礦安全監控系統智能化建設礦下網絡選用物聯網，地上部分則依托因特網。為使無線傳感器采集數據傳輸達到足夠的安全性和高效性，建議使用ZigBee 物聯網技術，該技術的穩定性極高，可適應多種復雜、惡劣的運行條件，且其可擴展空間大、布施簡便、應用成本較低，因此非常適合將其引入到煤礦生產的安全控制工作當中。而地上監控中心的環境條件要明顯優于礦下，因特網已經可充分滿足其對網絡傳輸、通信的要求。地面數據傳輸以有線方式進行，數據通過以太網被發送至具備存儲功能的任務管理器，準備開展數據分析、檢測等工作。

圖1：基于物聯網的煤礦安全智能監控系統框架

1.2.2 硬件設計

以ZigBee 技術為依托的礦用無線傳感器網絡硬件系統包括任務管理器、網關、數據匯集模塊和采集終端四個部分。其中，采集終端涵蓋負責檢測各類環境安全信號的無線傳感器，可對井下數據進行實時采集和傳輸。終端傳感器的布置分為移動監測和固定監測兩部分，移動監測由井下作業人員隨身攜帶，用于采集其活動范圍內的環境信號；固定監測則被分別布置在井下各個監測點位置。選用CC2530 片上系統，該系統在運行溫度要求、外觀尺寸、兼容性、FLASH 大小等方面均得到明顯的優化。CC2530 與單片機相結合，可編程閃存達到256B，并提供21 個GPIO 接口，形成完整的井下網絡系統。數據匯集模塊能夠進行數據的匯總和轉發，其通信模式為有線與無線相結合的方式，作為整個系統中的連接、協調環節。

2 煤礦安全監控系統智能化發展案例

2.1 案例背景簡介

潞安郭莊煤礦核定生產能力為180 萬t/a，礦井類型為高瓦斯礦，礦下采取抽出方式進行通風。該煤礦原用安全監控系統型號為KJ73N，配合專門的安全監管部門負責礦下生產安全監管。原安全監控系統網絡傳輸形式為環網，終端傳感裝置與監控分站采用單頻傳輸。信息傳遞過程極易受到復雜礦下作業環境的影響，曾出現多次因數據失真而導致的誤報問題。此外，傳感器的功能相對單一，有效傳輸距離有限，且無法實現數據暫存，礦下安全監控數據易丟失。

2.2 煤礦安全監控系統智能化改進方案

潞安郭莊煤礦響應國家安全生產號召，歷時6 個多月于2018年3月完成了對原本的安全監控系統進行智能化改造。考慮到不同安全監測參數的特點，傳感器選型方面將激光傳感器、多參數傳感器、自診斷傳感器等設備交叉使用，以保證數據獲取的靈敏度。并在礦下安全高清視頻監控系統，配合ZigBee 物聯網技術，實時獲取礦下高清動態畫面。

升級改造后的KJ73X 安全監控系統，使用了傳輸數字化，提高抗電磁干擾能力，提升傳感器的防護等級，完善報警、斷電等控制功能，支持多網、多系統融合等13 個方面。系統升級改造增強了煤礦安全監控系統的準確性、靈敏性、可靠性、穩定性和易維護性，確保了安全監控系統運行穩定可靠。

3 結論

現代信息技術的涌現給煤礦安全監控系統智能化建設帶來更多優秀的方案，促使安全監控系統功能不斷完善，礦下安全風險預防及控制能力顯著提升。隨著煤礦行業的進一步發展，其安全監控系統將面臨更多挑戰。行業應全面樹立智能化安全管理意識，重視高新技術的引入，以打造符合煤礦安全生產要求的智能化安全監控系統，促使煤礦生產行業可持續發展。