煤礦安全監控系統的發展簡述*

李雄偉，廉志華，張 婧

(1.神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西 神木 719315；2.西安科技大學 計算機科學與技術學院，陜西 西安 710054)

0 引言

煤礦行業是災害類型最多、危險源最多、安全隱患最嚴重的生產領域之一，煤礦安全是全國安全生產工作的重中之重，依靠科技進步，提高煤礦安全技術裝備水平，減少和預防煤礦重特大災害事故的發生是安全生產工作的長期要務。而煤礦日常安全管理和災害防治技術管理中，安全監控系統是不可或缺的核心環節之一[1-3]。2016年12月29日，國家煤礦安監局印發了《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》，提出數字化傳輸、抗電磁干擾、多系統融合、聯動等“十三條”具體技術指標，要求到2018年底大型礦井、煤與瓦斯突出礦井在用安全監控系統完成升級改造工作。《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》為現有系統的發展指明了方向，即要在監控系統的準確性、先進性、可靠性、穩定性和智能性等方面實現全面提升[4-7]。

1 煤礦安全監控系統現狀

1.1 發展歷程

我國自上世紀80年代開始引進煤礦安全監控系統，再自行研發，經歷了推廣、強制、規范使用、強化管理等過程[8]。近些年，隨著煤礦安全監控系統的普及應用，基本實現了對礦井瓦斯、一氧化碳等各種災害氣體濃度的在線監測和對井下局部通風機、移變等機電設備的瓦斯電(風電)閉鎖控制。2016年底，國家煤監局在全國范圍內推進煤礦安全監控系統升級改造，基于工業太環網、數字總線雙重冗余結構的新一代全數字式煤礦安全監控系統集多主通訊、智能傳感、電磁兼容等多項關鍵技術于一體，滿足監控系統數字化、智能化以及網絡化的升級改造要求，也是未來監控系統的發展趨勢。新系統的應用可有效提高全國煤礦的防災抗災能力，為煤礦的安全生產提供保障。

1.2 需進一步解決的問題

系統實時性、可靠性差：現有監控系統大多數還采用主、從輪詢的通訊方式，巡檢周期長，數據傳輸速率低，井下發生短暫報警往往由于較長巡檢周期的緣故而不能有效記錄。井下設備之間無法實現互聯互控、區域危險快速斷電控制。

系統抗電磁干擾水平較低：煤礦井下空間狹小，機電設備集中，電磁環境惡劣，監控系統設備經常受到強烈電磁干擾，大部分現有監控系統還不具備成熟的井下抗電磁干擾技術，相關國家標準很難被執行。因此經常產生數據混亂、誤報警、通訊中斷等現象，嚴重時，可能會導致系統癱瘓。

數字化程度低、兼容性差：系統終端設備數字化程度不高，尤其是傳感器采用基于頻率信號或電流信號的模擬傳輸技術，易受電磁干擾，“上大數”“誤動作”頻發。系統不具備開放性，異構系統無法接入，監控數據不能與人員管理、供電監測等系統數據相融合，容易形成“信息孤島”。

系統智能化水平低、缺少新技術、新產品、新功能：現有主流監控系統只具備簡單的監測、閉鎖功能，傳感器功能單一，不具備類型自識別、故障自診斷等智能功能。井下的監測監控技術普遍停留在上世紀90年代的水平，比如甲烷傳感器多采用催化燃燒式，穩定周期短、頻繁標校、監測數據不準確。

2 數字式監控系統特征及未來發展方向

2.1 多環冗余、對等通信網絡結構

數字式監控系統結構：在監控系統主干環網已實現環路冗余的基礎上，增加分站及支線網絡的冗余功能，構建多環冗余的網絡結構，提高系統的可靠性。圖1是一個典型的具備多環冗余功能的煤礦安全監控系統。

系統功能：系統總線層的雙重冗余結構，多鏈路數據傳輸服務器兩端接入兩條總線，兩個端口同時監聽總線信號，傳輸服務器可根據數據傳輸情況，自動進行主備端口切換，從而實現總線冗余，分站之間亦可實現多主并發、互聯互控功能，井下異地斷電無需上位機參與，斷電時間縮短至5 s內。總線上所有設備采用多主并發、對等通訊的數據傳輸機制，可使每個終端節點遇突發事件時，均可主動向地面監控主機發送數據，保證井下每個傳感器的狀態變化可在2～3 s內傳至地面，系統巡檢時間縮短至10 s，進一步提升系統的實時性和可靠性。

2.2 具備較強抗電磁干擾能力

抗電磁干擾的要求：《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》中明確要求，升級改造后的監控系統整體抗電磁干擾水平應至少滿足，①地面設備3級靜電抗擾度試驗，評價等級為A；②2級電磁輻射抗擾度試驗，評價等級為A；③2級脈沖群抗擾度試驗，評價等級為A；④交流電源端口3級、直流電源與信號端口2級浪涌(沖擊)抗擾度試驗，評價等級為B[9-11]。

優勢分析：新一代煤礦安全監控系統終端設備，通過改進電路板的布線、布局和結構設計，消除電路板本身設計的抗干擾缺陷。使用定制的濾波器或濾波電路、浪涌防護電路等電磁干擾保護模塊，同時系統采用綜合平衡設計，調和干擾防護電氣參數與設備本安性能之間的矛盾，在保障本安的同時，適度降低電源保護電路的敏感度，實現電磁干擾保護的元器件電參數限制在設備的本安要求范圍內，做到安全地防護。不難發現，具備電磁干擾保護模塊的分站、傳感器等監控設備，在使用過程中，受雷電、靜電、變頻器設備等因素影響所造成的設備故障率明顯降低。

圖1 數字式監控系統結構圖

2.3 數字化傳輸、多系統融合聯動

數字化傳輸：監控設備數字化傳輸是新一代煤礦安全監控系統的最基本特征，監控數據采用數字總線進行傳輸可以從源頭上解決以往傳感器采用頻率信號傳輸易受干擾的問題，有效避免“上大數”、誤報警的問題[12]。目前，國內各監控系統生產廠家所采用的主流數字總線主要有RS485、CAN、LonWorks、Profibus等。這些數字總線，在通訊速率、誤碼率、抗干擾性、拓撲結構上均有較好的表現。

多系統融合聯動：基于監控設備的數字化傳輸，新一代監控系統可以在井下與其他的系統之間實現數據互通，融合聯動。監控系統升級改造要求必須融合的系統有環境監測、人員定位、應急廣播、供電監控系統(融合的方式不局限于地面或井下)。在瓦斯超限、斷電等需要立即撤人的緊急情況下，監控系統可自動與應急廣播、人員定位等系統進行應急聯動，利用工作面的應急廣播設施播報撤離指令及緊急應對方案，同時利用人員定位識別卡等設備通知到處于危險區域的所有人員，提醒相關區域人員按照緊急應對方案進行相應的撤離，極大限度地保障煤礦職工的生命安全。

2.4 新技術、新產品、新功能

新技術、新功能：基于數字總線方式通訊的傳感器不僅可以實現分站與傳感器之間的雙向數據傳輸，而且傳感器還可依據事先定義好的總線協議，向分站傳輸除監測值之外的更多監控信息，如傳感器類型、運行狀態、設備唯一性等信息，這就為傳感器、斷電執行器等監控終端的智能化奠定了基礎。終端設備可通過硬件故障自檢電路實現傳感器敏感元件故障、存儲器故障、通信故障等硬件故障的識別和定位。同時，在設備程序設計上，還可通過對監測值的大數據分析，依據異常數據的頻次、偏離程度等信息，運用小波分析、神經網絡以及各種智能算法搭建故障診斷分類方案，在線快速辨識監控設備的故障類型，并反饋至地面監控中心，有效地提高了系統的智能化程度。

全量程激光甲烷傳感器：全量程激光甲烷傳感器的檢測原理如圖2所示，傳感器從結構上可分為激光器、氣室、探測器、數據處理電路等，基于甲烷氣體對特定波長的強吸收特性，采用可調諧光源+諧波吸收的方法對環境中的甲烷氣體的濃度進行檢測。全量程激光甲烷傳感器具有測量精度高、穩定周期長、氣體交叉敏感性低等特點，能夠解決現有催化和紅外等原理的甲烷傳感器存在的氣體選擇性差、易中毒和高濕度誤報等問題。目前，國內激光甲烷傳感器的穩定周期普遍可以達到90 d以上，較現有普遍使用的催化燃燒式甲烷傳感器穩定周期(15 d)有較大幅度的提升。《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》中推薦使用在“突出礦井的采煤工作面進、回風巷，煤巷、半煤巖巷和有瓦斯涌出的巖巷掘進工作面回風流中，采區回風巷，總回風巷”等重要瓦斯監測地點[13]。

圖2 全量程激光甲烷傳感器的檢測原理

2.5 未來的發展方向

無線傳輸技術：煤礦安全監控系統雖然已經實現了全數字化傳輸，但目前只是局限在有線傳輸領域。井下尤其是工作面仍然存在大量傳輸線纜鋪設與維護的工作量，現有無線傳輸技術在井下應用尚不成熟。未來，基于可靠無線傳輸的各種無線傳感器將會是煤礦安全監控系統實用化發展的主要方向。

預測預警技術：當前煤礦監控系統僅僅具備報警、斷電功能，雖然有些安全監控系統已經具備簡單的火災、瓦斯突出等預測、預警功能，但在實際應用過程中準確率并不高，缺乏高效可靠的預測模型，不能滿足安全生產要求。因此，對火災、瓦斯突出等煤礦災害的預測、預警技術的研究將是煤礦安全監控系統未來發展的方向之一。

系統兼容性：新一代煤礦安全監控系統設備之間采用數字總線傳輸數據，各個生產廠家之間的傳感器互不兼容，無法實現各個生產企業傳感器之間的優勢互補，造成了一定的資源浪費。未來，應進一步制定行業標準，統一信號制式，實現不同系統設備間兼容性的問題。

3 結論

(1)從系統實時性、可靠性差，系統抗電磁干擾水平較低，數字化程度低、兼容性差，系統智能化水平低等4個方面對我國煤礦安全監控系統現狀進行了概述。

(2)對我國新一代數字式煤礦安全監控系統特征進行了描述，主要特征有多環冗余、對等通信網絡結構，具備較強抗電磁干擾能力，數字化傳輸、多系統融合聯動，新技術、新產品、新功能推廣應用。

(3)我國煤礦安全監測監控系統未來的發展方向主要有無線傳輸技術、更加符合實際的預測預警技術以及更強大的系統兼容性技術的應用。