煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的應用研究

劉 肸

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)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(qū)域具有更高的安全性，這也是當前企業(yè)實施煤礦智能化開采的重要任務。因此，國家煤礦安監(jiān)局關于印發(fā)《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術方案》的通知煤安監(jiān)函〔2016〕5號，要求煤礦開采區(qū)域需要進行安全監(jiān)控系統(tǒng)的設計并不斷進行升級改造[1]。當前，由于井下環(huán)境的惡劣性，大部分區(qū)域的煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)在運行時經(jīng)常出現(xiàn)線路短路、漏電、信號傳輸不及時、信號監(jiān)測范圍較窄等問題，這給實施井下的全面監(jiān)控及控制造成了較大困難。不斷開展井下監(jiān)控系統(tǒng)的升級設計，已成為當前實現(xiàn)礦井智能化建設的首要任務。

1 現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題

通過對現(xiàn)有井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)計和分析，得知井下安全監(jiān)控系統(tǒng)存在較多問題，主要包括如下幾點：

1）監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)參數(shù)[2]；

2）由于井下環(huán)境的惡劣性，導致監(jiān)控系統(tǒng)中的較多零件及設備出現(xiàn)了性能不穩(wěn)定、性能較弱等問題，使用時也出現(xiàn)了設備失靈現(xiàn)象，導致所監(jiān)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(qū)域的不斷擴大，前期設計的監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(tǒng)的運行及計算能力已無法滿足大數(shù)據(jù)監(jiān)控下的計算需求[3]；

4）所匹配的監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)布局及全面檢測能力不足，已無法滿足當前多數(shù)據(jù)、多狀態(tài)的井下監(jiān)控需求；

為此，有必要結(jié)合當前監(jiān)控系統(tǒng)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(yè)的安全性。

2 井下安全監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)總體框架

結(jié)合現(xiàn)有的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀，開展了井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級設計研究。所設計的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)包括了采集終端、電力監(jiān)控、人員定位、廣播系統(tǒng)、區(qū)域控制器、WIFI通訊模塊、環(huán)網(wǎng)交換機、多系統(tǒng)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(shù)進行數(shù)據(jù)的實時采集，所采集數(shù)據(jù)通過RS485總線和CAN總線方式將其傳輸至區(qū)域控制器中進行信號的分析、運算及處理，經(jīng)過環(huán)網(wǎng)交換機的信號轉(zhuǎn)換后，將處理后的信號傳輸至PC終端訪問機中進行數(shù)據(jù)顯示[4]。同時，利用光纖通訊方式，將采集數(shù)據(jù)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(tài)進行實時監(jiān)控，針對發(fā)現(xiàn)的故障問題，及時進行相應的應急操作。另外，系統(tǒng)中的系列化智能監(jiān)控分站，主要負責對所監(jiān)測的傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、分類顯示、報警、斷電控制與地面監(jiān)控中心站的數(shù)據(jù)通訊、所接傳感器的集中供電等。升級后的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖如下頁圖1所示。

圖1 煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)關鍵指標參數(shù)

結(jié)合所設計的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)，確定了整套監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵性能參數(shù)，具體如下：

1）傳輸距離：分站至環(huán)網(wǎng)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(tǒng)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(zhí)行時間小于2 s；系統(tǒng)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(shù)：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(jiān)控系統(tǒng)關鍵部分設計

3.1 多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合展示設計

多系統(tǒng)融合的目的是要將安全監(jiān)控平臺相關子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成融合到安全監(jiān)控平臺中，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的融合展示、分析和利用。多系統(tǒng)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(tǒng)數(shù)據(jù)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(tǒng)數(shù)據(jù)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(jiān)測點位置、值和狀態(tài)，并具有放大、縮小、移動功能；

2）瓦斯監(jiān)控、廣播監(jiān)測在點擊后顯示監(jiān)測點詳細信息，并有實時曲線監(jiān)視功能；

3）人員定位讀卡器監(jiān)測點顯示實時狀態(tài)，并顯示當前位置的總?cè)藬?shù)，點擊后顯示當前位置人員的實時信息列表；

4）電網(wǎng)監(jiān)測點在點擊后，顯示當前設備下各參數(shù)的實時值及狀態(tài)，以及監(jiān)測點的定義信息；

5）具有按系統(tǒng)統(tǒng)計設備數(shù)據(jù)、異常設備數(shù)量的功能。

3.2 一氧化碳傳感器選型設計

井下作業(yè)時會產(chǎn)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(xiàn)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(jiān)測煤礦作業(yè)現(xiàn)場內(nèi)一氧化碳氣體濃度的固定式本質(zhì)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(xiàn)場目標氣體各種參數(shù)變化帶來的影響，實現(xiàn)0～1 000×10-6范圍內(nèi)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(zhuǎn)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(xiàn)了火災而未及時發(fā)現(xiàn)，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(fā)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(jiān)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(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)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(yè)，溫度過高，將會對井下作業(yè)安全造成嚴重影響，也會對人員的生命健康構(gòu)成威脅。為此，選用了YHW200礦用本安型溫度監(jiān)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(shù)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(jiān)測儀實物圖如圖5所示。

圖5 本安型溫度監(jiān)測儀實物圖

4 監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場應用測試

為進一步驗證所設計的監(jiān)控系統(tǒng)的整體性能，將其在煤礦現(xiàn)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(shù)進行實時監(jiān)控，并測試系統(tǒng)的整體性能。通過測試可知，該監(jiān)控系統(tǒng)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(shù)進行數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控，并能快速地將各類井下參數(shù)通過顯示界面進行實時顯示，當井下某一參數(shù)超過相應閥值時，該監(jiān)控系統(tǒng)能及時發(fā)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(xiàn)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(yè)的安全性。該系統(tǒng)應用后，井下的故障率降低了40%左右，企業(yè)也因故障率降低及人員人數(shù)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(yè)安全性具有重要作用。