礦井中瓦斯濃度監控系統的設計研究

王 飛

（霍州煤電集團辛置煤礦， 山西 霍州 031412）

引言

隨著對煤礦資源的大量開采，保障井下作業的安全性，便成為了政府及企業重點關注的方向，而實時對井下瓦斯濃度進行監測成為整個礦井安全化生產的關鍵點之一。當井下瓦斯濃度過大時，若無法及時檢測，極易發生瓦斯爆炸[1]。而當前雖在井下建立了瓦斯濃度監控系統，卻無法滿足煤礦開采規模的逐步擴大需求，所監控范圍也相對較小，加上井下環境的惡性性、復雜性、電磁干擾性相對較大，導致監控系統所檢測的瓦斯濃度信號較差，系統總體處理能力也嚴重偏弱，對于復雜信號，更是無法準確識別，高瓦斯濃度的漏報、誤報異常，將給礦井的安全生產構成嚴重影響[2]。為此，煤礦企業應建立一套完整的瓦斯濃度監控系統。

1 瓦斯監控系統總體設計

整套瓦斯濃度監控系統包括設備層、交換層和信息層，其中，設備層選用了KG970 型瓦斯濃度傳感器、KGF15 型風速傳感器、GW50 型溫度傳感器等部件，是整個監控系統的底層部分，主要通過分布的各類傳感器，對井下瓦斯濃度、溫度等進行檢測，并將采集的模擬量、開關量等信號進行前期處理后，發送至交換層中的監控分站進行分析處理[3-4]。而交換層則主要設計了監控分站、光端機、交換機、服務器、光纖等部件，負責接收設備層輸入的檢測信號進行數據的運算、處理及判斷，保證其他各部件的持續供電等功能。是整個監控系統的核心層。信息層是監控系統的頂層部分，設計了計算機服務器、路由器、監控中心等部分，與交換層之間采用了RS485 進行數據傳輸，可將分析處理后的瓦斯濃度數據通過局域網或互聯網方式，在計算機顯示界面中進行實時的顯示及分析，當瓦斯濃度超過安全預警值時，監控中心將會發出安全報警提示，且在顯示界面中將當前的瓦斯濃度值及危險區域進行報警顯示，同時，自動切斷井下供電電網。在整個監控系統中，設備層交換層主要安裝在井下復雜環境，在運行過程中最易出現線路破損、線路老化、數據信號的電磁干擾等問題，部件的故障率相對較高，維修及安全防護壓力相對較大。整個監控系統的總體框架圖如圖1 所示。

2 監控系統關鍵分系統設計

2.1 甲烷傳感器選型設計

甲烷傳感器是整個監控系統的核心部件，主要負責通過自身內部的檢測算法，對井下的瓦斯濃度進行檢測，所采集數據經過A/D 信號轉換后，傳輸至交換層監測分站進行分析處理，再傳輸至監控終端上，形成礦井中實時的瓦斯濃度變化數據及曲線[5]。為此，選用了市場上成熟的KG970 型煤礦專用甲烷傳感器，其工作電壓為6～24 V，對甲烷的檢測精度在0～3%范圍內，有效傳輸距離達到了2.5 km，瓦斯濃度檢測時間為200 Hz 以上，具有較好的防爆隔爆功能，穩定性相對較強，其實物圖如圖2 所示。

圖1 瓦斯濃度監控系統總體框架圖

圖2 KG970 型煤礦專用甲烷傳感器

2.2 監控分站設計

該監控系統中，監控分站實現這接收設備層檢測信息，并對信息進行分析處理，是整個監控系統的信號處理中心。在該分站設計中，采用了12 路開關量和模擬量信號輸入，2 路累計量信號及數字量信號輸入[6]。而分站中的電源箱則選用了KDF 型隔爆防爆電源箱，AC220 V 工作電壓平臺和多路的500 mA及350 mA 電流信號輸出，可滿足在不少于2 h 的正常工作時間，且能保證3 km 范圍內的持續供電。另外，該電源箱中通過轉換后輸出了DC24 V 和DC12 V 的直流電壓，可為設備層的各類傳感器提供合理的工作電壓平臺。井下監控分站的實物圖如圖3 所示。

2.3 系統及信號加載點設計

在整套監控系統中，工控主機選用了Windows7系統，運行內存達到了4 GB，物理內存為500 GB，能較好地保證監控系統具有更快的運行及響應速度。同時，在信號傳輸方面，采用了RS485 通信接口，傳輸速率為2 400 bit/s，可實現主機及監控分站之間的雙向實時通訊，顯示屏分辨率達到了1 920×1 080，所有監控及故障信息可通過此顯示屏進行實時顯示。另外，該監控系統中的信號加載采用了DG1000型的信號發送器，所發出信號為正弦的6 mA 電流信號，加載在瓦斯濃度傳感器的電橋輸出端，并對井下瓦斯濃度傳感器自身的運行情況進行實時檢測，實現上機位對整套監控系統的智能化控制。

圖3 井下監控分鐘實物圖

3 應用效果評價

在完成該瓦斯濃度監控系統基礎上，將其在某煤礦進行了現場應用測試，測試周期為6 個月，主要是將該監控系統中的各類傳感器安裝于礦井中，而監控中心則安裝于監控室。在測試過程中，該監控系統運行良好，對井下瓦斯濃度的數據檢測迅速，能準確的將數值通過顯示界面進行顯示，并能將瓦斯濃度的數據變化情況繪制為動態變化曲線；同時，特意檢測了井下瓦斯濃度超高報警情況，此時該監控系統能在顯示界面中及時發出相應的聲光報警提示，并將井下瓦斯濃度過高的分布區域進行了顯示提示，達到了井下瓦斯濃度實時監控及報警的目的。該監控系統的應用，不僅提高了井下作業效率，也保證了井下瓦斯濃度控制在安全范圍內，有效避免了井下出現瓦斯濃度漏報、誤報的異常情況發生，實現了井下自動化監控管理水平。