煤礦安全監控技術與監控系統的分析

李志龍

（大同煤礦集團公司挖金灣煤業有限責任公司，山西大同 037001）

0 引言

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

1 礦井安全監控技術與系統職能

此類安全系統的主要職能是進行安全監控，這個職能可以詳細劃分為3個部分，即生產、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 生產安全

礦井能夠安全有效地進行日常運營的關鍵因素是礦井的生產安全，一個礦井的生產能力是決定礦井盈利大小的關鍵因素，而確保礦井安全是保證生產任務的首要前提，保障生產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備；實時檢測瓦斯的濃度，在生產工作區域的主要位置，安裝視頻設備用來掌握具體生產情況；通過視頻內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，加大了生產成本；如果更換時間太晚，則會對生產安全性造成威脅。在這些設備上面安裝實時監測設備，收集相關使用數據，進而確定何時進行更換，這樣就可以既節省生產成本又確保生產安全。目前工廠可利用弱磁檢測技術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

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

2 礦井安全監控系統

礦井安全監測系統是先進的軟件技術在礦井生產安全中的運用及發展，圖1所示為典型的礦井安全監控系統圖，展現了一個完善的網絡信息處理流程，以下將從3個方面進行詳細說明，包括數據的采集、人員的定位及安全監控系統[3]。

圖1 煤礦安全監控系統圖

2.1 數據采集監測系統

在安全監測系統中需要收集的數據主要包括瓦斯含量、頂底板及通道兩側位移量，供電系統功率大小等。以上數據由相關傳感器采集后，經專用線路傳送到信息檢測分站；監測分站將收集來的信息數據輸送到網絡接口，環網設備對接口收集的數據進行轉換后送到系統終端，由終端系統對收集的數據進行處理分析；最后做出相應的預判反饋給監測分站，從而形成了一個封閉環[4]。

2.2 人員定位系統

礦井人員定位系統主要由無線信號設備、井下站點、網絡接口及定位系統終端等組成，礦井下的每個人都有其唯一的頻道參數，無線信號設備將其發送給網絡數據接口，環網設備轉碼后的頻道參數傳送到其終端系統，然后再定位終端進行人員管理操作。

2.3 視頻監控系統

視頻監視控制系統主要分為地面和井下2 個部分監測系統。地面監控系統主要用來對地面工作的安全性及生產情況進行實時監測，環境及其他因素相對簡單；相反井下的環境較為復雜，不易進行監控工作。其監控系統的組成部分包括防爆攝像頭、網絡接入端口、環網設備及監視設備終端等部分構成，網絡接入端口將攝像機采集到的數據信息輸送到環網設備，并在此種設備上進行數據轉換，最終將圖像在顯示屏上顯示出來，主要為了起到對突發事件的預判與預警的作用[5]。

3 礦井安全監測技術

3.1 紅外傳感監測瓦斯技術

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，該技術運用參比測量校正技術，通過對波長及光源進行調節，具有以下優勢和特點：主要集中在測量范圍及區域廣，范圍涉及0.00%～10.00%；監測精度較高，誤差低于0.06%；同時在監測過程更節約時間，一般時間達到25 s時就可以得到監測數據；并且此種監測方式更加方便，抗干擾能力極強，若本項技術與監控系統完美結合起來，可實現自動報警、自動切斷電源的功能，使礦井生產更加有序、更安全地進行[6]。

3.2 互聯網技術

隨著信息技術的快速發展，使數據傳輸及處理變得更加便捷，與此同時數據的傳輸速度及網絡可靠性較原來有了很大的提升，互聯網技術的核心是以太網技術，詳情如圖2 所示。在礦井的安全檢測系統中該技術主要應用于系統的傳輸層，以太網具有很多的優點，其中就包括能夠快速準確的傳遞數據信息，并且傳輸速度已經達到了10 G，且該技術可靠性高，應用在礦井生產中不會造成誤報、漏報的情況。

圖2 以太網示意圖

4 礦井安全監控系統主要作用

相關的國家部門發布了重要文件，要求礦井生產中必須建立安全監控系統。眾多的案例已經足以表明，在礦井的生產中建立安全監控系統對礦井生產的安全性具有非常重要的意義，具體如下。

（1）礦山壓力監測及預防。通過采集巷道周圍巖石的位移量、應變及頂板離層量等數據，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）瓦斯濃度監測及報警。通過監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據，進而實現對可能發生的事件進行預判及報警，同時對礦井中瓦斯密集的區域加強監測，以便及早采取措施進行相關處理，避免發生因瓦斯密度過大而發生爆炸的問題。

（3）粉塵、煤塵濃度監測。在礦井下工作極易產生粉塵等懸浮物，而工作區域及通道空間狹小，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生爆炸，因此對礦井內的粉塵等懸浮物的濃度進行實時監測并及時預警，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）火災監控。監控環境溫度、晝夜溫差、煙霧含量等，通過控制礦井風門，進而調節分口壓力來實現火災的控制。

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

5 問題及發展趨勢

5.1 存在的問題

近年來，雖然礦井安全監控技術及系統在各大礦區得到了廣泛應用，并對指導礦井安全高效生產起到了重要作用，但目前我國礦井安全監控技術及系統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的主要構件，起著至關重要的作用，對整個檢測系統起著牽一發而動全身的影響。國內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）通信協議不規范。鑒于傳感器及安全監測程序的生產廠家比較多，并且針對這類產品及使用軟件的設計，沒有形成統一的通信協議，造成了不同廠家所生產的產品彼此之間不兼容，因此嚴重阻礙了礦井安全生產監測系統的推廣及發展。

（3）系統智能化尚待提高。人工智能的快速發展推動了各行各業得到了飛速的發展，而在礦井中應用的人工智能產品只是處于初級階段，在采集數據、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，以改善其安全監測系統。

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

5.2 發展方向

隨著信息化技術及工業電子科技的飛速發展，在礦井產業中發現了越來越多的高科技技術及設備，并且均與監控技術有很好地結合。如發展系統基于開放式互聯模型的主站一分站集散式結構；開發專家診斷、專家決策系統軟件；提高分站、傳感器、斷電儀、電源等單元性能，通過相關的技術和措施，加強其監控技術及系統的可靠性，以提高礦井生產的安全系數。

6 結束語

礦井安全監控系統是六大安全避險系統之一，對礦井安全生產起著至關重要的作用。本文以監控技術系統的組成和原理為出發點，探討了其結構組成、信息數據傳送方式、技術原理，并在這個基礎上提出了目前存在的問題及將來的發展趨勢，并從互聯網、設備、操作人員等方面著手，進而全方位的提升監控系統的可靠性及準確度。