煤礦安全監(jiān)控技術(shù)與監(jiān)控系統(tǒng)的分析

李志龍

（大同煤礦集團公司挖金灣煤業(yè)有限責任公司，山西大同 037001）

0 引言

礦井實時監(jiān)控技術(shù)與集成系統(tǒng)，對一些影響礦山安全的災難數(shù)據(jù)（瓦斯、煤塵量、火災次數(shù)等）進行實時跟蹤監(jiān)測，將收集的數(shù)據(jù)通過專用傳送線路及收集設(shè)施顯示在監(jiān)控中心的顯示屏上，監(jiān)控員只需對該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運用科學有效的方法進行詳細分析，就可提前預知災害發(fā)生的概率，進而為礦井安全作業(yè)及正常生產(chǎn)給與一定的指導意見。隨著現(xiàn)代煤礦開采事業(yè)的不斷發(fā)展及進步，設(shè)備的機械化、智能化在其中發(fā)揮了越來越重要的作用，在此發(fā)展環(huán)境下人們對礦井安全性提出了更高的要求，相關(guān)部門要求具備工作能力的礦井必須安裝此安全監(jiān)控系統(tǒng)，以確保礦井工作安全順利地進行。眾所周知，大部分的礦井環(huán)境都具有一定復雜性及特殊性，礦井內(nèi)存在一些對安裝監(jiān)控不利的因素，如易發(fā)生爆炸的瓦斯氣體及灰塵、空間過于狹小等，這對監(jiān)控系統(tǒng)提出了更為苛刻的要求，例如監(jiān)控設(shè)備要具有防爆能力、相關(guān)線路耐腐蝕、不被其他信號干擾等，在礦井的工作范圍及視覺死角合理安裝該系統(tǒng)，能夠極大提升礦井工作安全性，并且能夠及時處理所發(fā)生的問題。

1 礦井安全監(jiān)控技術(shù)與系統(tǒng)職能

此類安全系統(tǒng)的主要職能是進行安全監(jiān)控，這個職能可以詳細劃分為3個部分，即生產(chǎn)、供電及運輸安全，以下將對這3個部分進行詳細說明[1]。

1.1 生產(chǎn)安全

礦井能夠安全有效地進行日常運營的關(guān)鍵因素是礦井的生產(chǎn)安全，一個礦井的生產(chǎn)能力是決定礦井盈利大小的關(guān)鍵因素，而確保礦井安全是保證生產(chǎn)任務的首要前提，保障生產(chǎn)安全的措施主要包括：在礦井上方安裝位置測量儀用來測量其變形情況；在礦井通道中安裝瓦斯檢測設(shè)備；實時檢測瓦斯的濃度，在生產(chǎn)工作區(qū)域的主要位置，安裝視頻設(shè)備用來掌握具體生產(chǎn)情況；通過視頻內(nèi)容排查可能影響安全性的危險源等。

1.2 運輸安全

在礦井提升工作中所用到的鋼絲繩及在運輸中用到的皮帶達到一定的疲勞程度及使用年限后需要對其維護，嚴重時需要更換，那么如何準確地把握更換的時機，成為了礦井管理人員及操作員所重點掌握的問題。如果過早進行更換，會造成資源浪費，加大了生產(chǎn)成本；如果更換時間太晚，則會對生產(chǎn)安全性造成威脅。在這些設(shè)備上面安裝實時監(jiān)測設(shè)備，收集相關(guān)使用數(shù)據(jù)，進而確定何時進行更換，這樣就可以既節(jié)省生產(chǎn)成本又確保生產(chǎn)安全。目前工廠可利用弱磁檢測技術(shù)對傳送帶及鋼絲繩的疲勞情況進行實時檢測及預報[2]。

1.3 供電安全

在當今生產(chǎn)中，機械化、自動化開采的方式是礦井生產(chǎn)工作的主要方式，在此過程中電力系統(tǒng)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，由于生產(chǎn)的特殊性導致礦井用電存在一定危險性、環(huán)境復雜性等特點，生產(chǎn)過程中存在許多安全隱患，并且所使用的電氣設(shè)備也要具備防爆功能，以及做好防爆措施。對供電系統(tǒng)的安全性進行實時檢測及跟蹤，對礦井工作的安全生產(chǎn)具有至關(guān)重要的作用，以便做到早發(fā)現(xiàn)、早處理，將危險事故扼殺在搖籃中。

2 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)

礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)是先進的軟件技術(shù)在礦井生產(chǎn)安全中的運用及發(fā)展，圖1所示為典型的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)圖，展現(xiàn)了一個完善的網(wǎng)絡(luò)信息處理流程，以下將從3個方面進行詳細說明，包括數(shù)據(jù)的采集、人員的定位及安全監(jiān)控系統(tǒng)[3]。

圖1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)

在安全監(jiān)測系統(tǒng)中需要收集的數(shù)據(jù)主要包括瓦斯含量、頂?shù)装寮巴ǖ纼蓚?cè)位移量，供電系統(tǒng)功率大小等。以上數(shù)據(jù)由相關(guān)傳感器采集后，經(jīng)專用線路傳送到信息檢測分站；監(jiān)測分站將收集來的信息數(shù)據(jù)輸送到網(wǎng)絡(luò)接口，環(huán)網(wǎng)設(shè)備對接口收集的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換后送到系統(tǒng)終端，由終端系統(tǒng)對收集的數(shù)據(jù)進行處理分析；最后做出相應的預判反饋給監(jiān)測分站，從而形成了一個封閉環(huán)[4]。

2.2 人員定位系統(tǒng)

礦井人員定位系統(tǒng)主要由無線信號設(shè)備、井下站點、網(wǎng)絡(luò)接口及定位系統(tǒng)終端等組成，礦井下的每個人都有其唯一的頻道參數(shù)，無線信號設(shè)備將其發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口，環(huán)網(wǎng)設(shè)備轉(zhuǎn)碼后的頻道參數(shù)傳送到其終端系統(tǒng)，然后再定位終端進行人員管理操作。

2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)視控制系統(tǒng)主要分為地面和井下2 個部分監(jiān)測系統(tǒng)。地面監(jiān)控系統(tǒng)主要用來對地面工作的安全性及生產(chǎn)情況進行實時監(jiān)測，環(huán)境及其他因素相對簡單；相反井下的環(huán)境較為復雜，不易進行監(jiān)控工作。其監(jiān)控系統(tǒng)的組成部分包括防爆攝像頭、網(wǎng)絡(luò)接入端口、環(huán)網(wǎng)設(shè)備及監(jiān)視設(shè)備終端等部分構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)接入端口將攝像機采集到的數(shù)據(jù)信息輸送到環(huán)網(wǎng)設(shè)備，并在此種設(shè)備上進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最終將圖像在顯示屏上顯示出來，主要為了起到對突發(fā)事件的預判與預警的作用[5]。

3 礦井安全監(jiān)測技術(shù)

3.1 紅外傳感監(jiān)測瓦斯技術(shù)

通過對紅外光譜原理的了解得知在瓦斯的檢測中可用到紅外技術(shù)，該技術(shù)運用參比測量校正技術(shù)，通過對波長及光源進行調(diào)節(jié)，具有以下優(yōu)勢和特點：主要集中在測量范圍及區(qū)域廣，范圍涉及0.00%～10.00%；監(jiān)測精度較高，誤差低于0.06%；同時在監(jiān)測過程更節(jié)約時間，一般時間達到25 s時就可以得到監(jiān)測數(shù)據(jù)；并且此種監(jiān)測方式更加方便，抗干擾能力極強，若本項技術(shù)與監(jiān)控系統(tǒng)完美結(jié)合起來，可實現(xiàn)自動報警、自動切斷電源的功能，使礦井生產(chǎn)更加有序、更安全地進行[6]。

3.2 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，使數(shù)據(jù)傳輸及處理變得更加便捷，與此同時數(shù)據(jù)的傳輸速度及網(wǎng)絡(luò)可靠性較原來有了很大的提升，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心是以太網(wǎng)技術(shù)，詳情如圖2 所示。在礦井的安全檢測系統(tǒng)中該技術(shù)主要應用于系統(tǒng)的傳輸層，以太網(wǎng)具有很多的優(yōu)點，其中就包括能夠快速準確的傳遞數(shù)據(jù)信息，并且傳輸速度已經(jīng)達到了10 G，且該技術(shù)可靠性高，應用在礦井生產(chǎn)中不會造成誤報、漏報的情況。

圖2 以太網(wǎng)示意圖

4 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)主要作用

相關(guān)的國家部門發(fā)布了重要文件，要求礦井生產(chǎn)中必須建立安全監(jiān)控系統(tǒng)。眾多的案例已經(jīng)足以表明，在礦井的生產(chǎn)中建立安全監(jiān)控系統(tǒng)對礦井生產(chǎn)的安全性具有非常重要的意義，具體如下。

（1）礦山壓力監(jiān)測及預防。通過采集巷道周圍巖石的位移量、應變及頂板離層量等數(shù)據(jù)，對工作表面施壓及沖擊土地壓力等礦井災害進行提前預判和警示。

（2）瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測及報警。通過監(jiān)測巷道及工作地面一定時間瓦斯冒出量及總的冒出量等數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)對可能發(fā)生的事件進行預判及報警，同時對礦井中瓦斯密集的區(qū)域加強監(jiān)測，以便及早采取措施進行相關(guān)處理，避免發(fā)生因瓦斯密度過大而發(fā)生爆炸的問題。

（3）粉塵、煤塵濃度監(jiān)測。在礦井下工作極易產(chǎn)生粉塵等懸浮物，而工作區(qū)域及通道空間狹小，在通風不順暢的情況下極易造成粉塵聚集。粉塵等懸浮物不僅對煤礦工人的身體健康造成威脅，而且當其達到一定量時極易發(fā)生爆炸，因此對礦井內(nèi)的粉塵等懸浮物的濃度進行實時監(jiān)測并及時預警，不僅保障了工人的生命安全也確保了礦井工作的安全性。

（4）火災監(jiān)控。監(jiān)控環(huán)境溫度、晝夜溫差、煙霧含量等，通過控制礦井風門，進而調(diào)節(jié)分口壓力來實現(xiàn)火災的控制。

（5）水害防治。通過監(jiān)測巷道周圍巖石的相關(guān)出水量及水壓大小，來預測突水災害，進而實現(xiàn)水害的防范與預警[7]。

5 問題及發(fā)展趨勢

5.1 存在的問題

近年來，雖然礦井安全監(jiān)控技術(shù)及系統(tǒng)在各大礦區(qū)得到了廣泛應用，并對指導礦井安全高效生產(chǎn)起到了重要作用，但目前我國礦井安全監(jiān)控技術(shù)及系統(tǒng)尚有許多問題需要解決。

（1）智能傳感器性能差。傳感器是礦井安全檢測系統(tǒng)的主要構(gòu)件，起著至關(guān)重要的作用，對整個檢測系統(tǒng)起著牽一發(fā)而動全身的影響。國內(nèi)的傳感器普遍具有壽命較短、精確性較差、抗干擾能力弱等缺點。

（2）通信協(xié)議不規(guī)范。鑒于傳感器及安全監(jiān)測程序的生產(chǎn)廠家比較多，并且針對這類產(chǎn)品及使用軟件的設(shè)計，沒有形成統(tǒng)一的通信協(xié)議，造成了不同廠家所生產(chǎn)的產(chǎn)品彼此之間不兼容，因此嚴重阻礙了礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的推廣及發(fā)展。

（3）系統(tǒng)智能化尚待提高。人工智能的快速發(fā)展推動了各行各業(yè)得到了飛速的發(fā)展，而在礦井中應用的人工智能產(chǎn)品只是處于初級階段，在采集數(shù)據(jù)、處理及預判中均不具備高級人工智能的處理程序，因此需要在其過程中加入一些新的算法和程序，以改善其安全監(jiān)測系統(tǒng)。

（4）礦井工人的綜合素質(zhì)及文化水平較低。雖然有關(guān)高校向國內(nèi)的各大礦區(qū)培養(yǎng)及輸送了不少的煤礦類的高校畢業(yè)生，但就整體的礦井工人而言實際的操作工人的綜合素質(zhì)及文化水平較低，不具備一些智能化產(chǎn)品的理論知識，上手能力較弱，在傳感器安裝位置等問題時有發(fā)生。因此想要礦井產(chǎn)業(yè)更好地發(fā)展，必須有效提高實際操作工的整體水平和素質(zhì)[8]。

5.2 發(fā)展方向

隨著信息化技術(shù)及工業(yè)電子科技的飛速發(fā)展，在礦井產(chǎn)業(yè)中發(fā)現(xiàn)了越來越多的高科技技術(shù)及設(shè)備，并且均與監(jiān)控技術(shù)有很好地結(jié)合。如發(fā)展系統(tǒng)基于開放式互聯(lián)模型的主站一分站集散式結(jié)構(gòu)；開發(fā)專家診斷、專家決策系統(tǒng)軟件；提高分站、傳感器、斷電儀、電源等單元性能，通過相關(guān)的技術(shù)和措施，加強其監(jiān)控技術(shù)及系統(tǒng)的可靠性，以提高礦井生產(chǎn)的安全系數(shù)。

6 結(jié)束語

礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)是六大安全避險系統(tǒng)之一，對礦井安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。本文以監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)的組成和原理為出發(fā)點，探討了其結(jié)構(gòu)組成、信息數(shù)據(jù)傳送方式、技術(shù)原理，并在這個基礎(chǔ)上提出了目前存在的問題及將來的發(fā)展趨勢，并從互聯(lián)網(wǎng)、設(shè)備、操作人員等方面著手，進而全方位的提升監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性及準確度。