煤礦井下安全監控系統的應用研究

劉 肸

（山西蘭花科技創業股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

引言

隨著煤礦資源的大量開采，要求所開采區域具有更高的安全性，這也是當前企業實施煤礦智能化開采的重要任務。因此，國家煤礦安監局關于印發《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》的通知煤安監函〔2016〕5號，要求煤礦開采區域需要進行安全監控系統的設計并不斷進行升級改造[1]。當前，由于井下環境的惡劣性，大部分區域的煤礦井下監控系統在運行時經常出現線路短路、漏電、信號傳輸不及時、信號監測范圍較窄等問題，這給實施井下的全面監控及控制造成了較大困難。不斷開展井下監控系統的升級設計，已成為當前實現礦井智能化建設的首要任務。

1 現有安全監控系統存在的問題

通過對現有井下安全監控系統的統計和分析，得知井下安全監控系統存在較多問題，主要包括如下幾點：

1）監控系統整體的信號傳輸能力及效率相對較低，基本上還采用了傳統的頻率型傳輸方式，在傳輸過程中存在信號易受外界干擾、自身電磁屏蔽性能較弱等問題，無法獲取實時及準確的井下狀態參數[2]；

2）由于井下環境的惡劣性，導致監控系統中的較多零件及設備出現了性能不穩定、性能較弱等問題，使用時也出現了設備失靈現象，導致所監控的相關信息存在較大的差異性及不準確性；

3）隨著井下開采設備及區域的不斷擴大，前期設計的監控系統數據處理中心存在運行速度較慢、信息處理量較低等問題，整套系統的運行及計算能力已無法滿足大數據監控下的計算需求[3]；

4）所匹配的監控系統中采集單元模塊相對較少，精度相對較低，采集單元無自診能力，整體的系統布局及全面檢測能力不足，已無法滿足當前多數據、多狀態的井下監控需求；

為此，有必要結合當前監控系統存在的問題，采用更加先進的自動化控制技術，對其進行升級設計，以提高整個井下作業的安全性。

2 井下安全監控系統總體設計

2.1 監控系統總體框架

結合現有的井下安全監控系統現狀，開展了井下安全監控系統的升級設計研究。所設計的井下安全監控系統包括了采集終端、電力監控、人員定位、廣播系統、區域控制器、WIFI通訊模塊、環網交換機、多系統融合平臺、PC控制機等部分，其中，采集終端包括了一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲烷、溫度、壓力等傳感器，主要負責對井下相關參數進行數據的實時采集，所采集數據通過RS485總線和CAN總線方式將其傳輸至區域控制器中進行信號的分析、運算及處理，經過環網交換機的信號轉換后，將處理后的信號傳輸至PC終端訪問機中進行數據顯示[4]。同時，利用光纖通訊方式，將采集數據通過服務器和無線WIFI模塊傳輸至相應操作人員的手機中，保證操作人員能對井下狀態進行實時監控，針對發現的故障問題，及時進行相應的應急操作。另外，系統中的系列化智能監控分站，主要負責對所監測的傳感器數據采集、數據預處理、分類顯示、報警、斷電控制與地面監控中心站的數據通訊、所接傳感器的集中供電等。升級后的井下安全監控系統總體框架圖如下頁圖1所示。

圖1 煤礦井下安全監控系統總體框架圖

2.2 監控系統關鍵指標參數

結合所設計的井下安全監控系統，確定了整套監控系統的關鍵性能參數，具體如下：

1）傳輸距離：分站至環網交換機的距離不小于5 km。

2）傳輸電纜：模擬量傳感器電纜4芯（可接兩個傳感器），開關量傳感器電纜4芯。

3）系統誤碼率小于10%～8%；模擬量傳輸處理誤差不超過0.5%。

4）本地控制執行時間小于2 s；系統巡檢周期小于20 s。

5）分站電源箱輸入輸出電壓交流輸入電壓為90～900 V AC。

6）本安直流電源輸出參數：25V/470mA、19V/800 mA、13.5 V/1.2 A。

7）傳感器信號制式：模擬量為RS485；開關量為RS485或電流信號。

8）斷電容量：36 V/5 A、660 V/0.3 A。

3 監控系統關鍵部分設計

3.1 多系統數據融合展示設計

多系統融合的目的是要將安全監控平臺相關子系統的數據集成融合到安全監控平臺中，實現實時數據的融合展示、分析和利用。多系統融合展示采用開源二維GIS技術，具有編輯、分層、移動、縮放、測量、實時曲線展示等功能，支持WEB瀏覽，多系統數據融合展示界面如圖2所示。主要具有以下幾點功能[5]：

圖2 多系統數據融合展示界面

1）可以進行CAD圖紙導入操作，以礦井巷道圖作為背景，實時顯示各監測點位置、值和狀態，并具有放大、縮小、移動功能；

2）瓦斯監控、廣播監測在點擊后顯示監測點詳細信息，并有實時曲線監視功能；

3）人員定位讀卡器監測點顯示實時狀態，并顯示當前位置的總人數，點擊后顯示當前位置人員的實時信息列表；

4）電網監測點在點擊后，顯示當前設備下各參數的實時值及狀態，以及監測點的定義信息；

5）具有按系統統計設備數據、異常設備數量的功能。

3.2 一氧化碳傳感器選型設計

井下作業時會產生大量的一氧化碳氣體，濃度一旦超過相應閥值，則極可能使井下出現嚴重的安全隱患。為此，選用了市場上成熟的GTH1000型礦用一氧化碳傳感器。該傳感器是一種專門用以監測煤礦作業現場內一氧化碳氣體濃度的固定式本質安全型檢測儀表。儀器采用特殊的防塵、防水等措施，可有效克服現場目標氣體各種參數變化帶來的影響，實現0～1 000×10-6范圍內一氧化碳氣體的準確測量并就地顯示，防護等級：IP67，設備響應時間不大于35 s，同時將一氧化碳濃度值轉換成標準電信號傳輸給配接設備[6]。本傳感器還具有聲光報警、故障自檢等功能，其實物圖如圖3所示。

圖3 一氧化碳傳感器實物圖

3.3 煙霧傳感器選型

井下開采過程中，若出現了火災而未及時發現，將給井下造成嚴重的安全隱患。因此，可通過煙霧報警器對井下煙霧進行檢查，以掌握井下是否發生火災情況。為此，選用了GQQ5型煙霧傳感器，該傳感器主要用于監測煤礦井下因機械摩擦、煤層燃燒等原因引起的火災事故，工作電壓為9～25V DC，輸出信號為RS485總線型，聲光報警。傳感器自帶聲光報警功能，可與各種生產安全監控系統配套使用。煙霧傳感器實物圖詳見下頁圖4。

圖4 煙霧傳感器實物圖

3.4 本安型溫度監測儀的選型

由于井下通風效果相對較差，加上人員長期在井下作業，溫度過高，將會對井下作業安全造成嚴重影響，也會對人員的生命健康構成威脅。為此，選用了YHW200礦用本安型溫度監測儀通過接入PT100鉑電阻測量溫度，其工作電壓為9.0～25.0V DC，工作電流≤300 mA，路數為16路，測量范圍為-40～200℃，最大傳輸距離為2 km，具有RS485通信功能，可在煤礦井下存在瓦斯或煤塵爆炸危險的場所工作，也可應用于地面非爆炸性危險場所。本安型溫度監測儀實物圖如圖5所示。

圖5 本安型溫度監測儀實物圖

4 監控系統的現場應用測試

為進一步驗證所設計的監控系統的整體性能，將其在煤礦現場中進行了為期6個月的應用測試。測試過程中，主要對井下的各類參數進行實時監控，并測試系統的整體性能。通過測試可知，該監控系統整體運行良好，能實時對井下一氧化碳、甲烷、二氧化碳、溫度等各類參數進行數據采集及監控，并能快速地將各類井下參數通過顯示界面進行實時顯示，當井下某一參數超過相應閥值時，該監控系統能及時發出不同等級的聲光報警提示，整個過程無需人員在井下進行操作。對于出現的各類問題和故障位置，人員將會有針對性地對故障進行維護排除，以保證井下作業的安全性。該系統應用后，井下的故障率降低了40%左右，企業也因故障率降低及人員人數減少而減少了大量的費用支出，整體控制功能達到了預期效果。這對保障井下作業安全性具有重要作用。