煤礦安全監控系統的升級改造

楊 帥

（山西高平科興米山煤業有限公司，山西高平 048400）

0 引言

煤炭作為我國重要的能源，其需求量隨現代化建設速度的加快越來越大，煤炭行業也發展迅速[1]。近年來，國內煤礦開采作業過程中瓦斯、火災等事故時有發生，已成為煤礦行業的關注焦點，對礦井內瓦斯、設備等致災因子實時監測系統的可靠性提出了更高的要求[2－3]。傳統煤礦安全監控系統設計標準較為落后，不能夠達到多系統融合的目的，所用傳感器的抗干擾能力不足、數據檢測波動大、易損易壞，現已不足以滿足當前煤礦安全生產的要求[4－6]。隨著現代計算機技術的發展，為礦井安全監控系統的升級改造提高了先進的技術支持，因此，本文結合礦井安全監控系統應用現狀及存在的問題，參照新安全監控系統標準要求，開展安全監控系統的改造設計。

1 安全監控系統現狀

礦井當前在用的安全監控系統是型號為KJ90NB的綜合監控系統，地面監控室配置2套監控主機、中控屏以及相關信息處理設備，礦井內部配置光纖交換裝置、監控分站、各種檢測傳感器。安全監控系統能夠完成工作面內瓦斯、風速、煙霧、一氧化碳濃度、負壓、饋電等監控工作，滿足舊標準的相關要求。

由于安全監控系統工作環境較為復雜，重型機械設備繁多，各類傳感器使用過程中極易因電磁場的干擾出現誤報警情況；單一的通信接口和協議，使得安全監控系統的融合程度較差，數據共享困難，數據利用不充分；新標準重點強調礦井的應急管理，因現有的安全監控系統是根據舊標準設計的，其設計要求較低，技術性能與應急反應能力較差；傳感器工作原理落后，不僅是傳感器誤報警的重要因素，也會增加傳感器的維護工作量，尤其是傳感器的標定，嚴重制約了煤礦安全監控管理水平的提高。

2 安全監控系統總體方案

針對現有安全監控系統存在的不足之處，對其進行升級改造工作，新安全監控系統主要包括井下智能感知網絡系統、數據傳輸網絡系統和地面煤礦安全監控系統等。

井下智能感知網絡系統組成結構如圖1所示，由智能傳感器、智能監控分站和環網交換機構成，全部按照IP65防護等級和4級增強抗電磁干擾等級進行選型設計，以提高智能感知網絡系統的工作可靠性。

圖1 智能感知網絡系統組成結構

傳輸網絡系統主要包括光纖環網交換機、環網交換機及通信線纜輔件等組成，具體結構組成如圖2所示。該系統主要負責將井下智能感知網絡系統采集得到的檢測數據及時傳輸至地面安全監控系統的工控機內，工作人員根據中控屏顯示的數據參數，及時制定自動控制指令，之后傳輸至井下控制分站，實現井下安全的實時監控與遠程控制。

圖2 傳輸網絡系統結構

3 安全監控系統設計

3.1 硬件設計

（1）數據庫服務器

新型安全監控系統中最關鍵的設備當屬數據庫服務器，其內部配置的高低直接關系著監控系統數據處理的速度和效率，決定安全監控應急處置的時效性和可靠性。該處數據庫服務器的設置采用了雙機熱備份方式，其最突出的優勢就是一旦數據庫服務器主機設備出現故障，備用主機將會自動啟動接管主機接收的數據，進行數據的存儲和處理，避免安全監控數據的中斷和丟失，甚至導致整個礦井作業停滯，影響煤礦企業的煤炭產量和效率。

（2）多應用服務器

新型安全監控系統中的多應用服務器主要涉及應急聯動、視頻接入、多業務分析等，其設計選型的依據主要是考慮抗干擾能力、抗震動能力、惡劣環境適應性、工作的可靠性等因素，采用性能最穩定、抗病毒干擾能力更強的操作系統，將其進行加固處理之后運用于新型安全監控系統，完成應急業務聯動、視頻接入、Web訪問等功能，其中多應用服務器均按照IP65防護等級和4級增強抗電磁干擾等級進行選型設計，確保監控數據的安全和穩定。

（3）全面提升后備電源供電能力

按照新標準《煤礦安全規程》的要求，為了提高礦井安全監控系統的穩定和數據的及時處理存儲，需要延長監控系統備用電源的供電能力。此處要求系統的備用電源能夠滿足不小于4 h的連續供電，預防煤礦開采作業過程中出現突然斷電問題，導致檢測得到的數據不能及時存儲而丟失。延長備用電源供電時間也能夠保證整個系統在斷電情況下繼續進行礦井內部環境的監控，避免煤礦再次開采時井下環境情況未知的情況，降低產生安全事故產生的可能。

隨著“互聯網+”時代的到來，新媒體為人們提供了一個自由傳播信息的公共平臺，人們在這個平臺上不僅能快速獲取自己所需的信息，還能進一步實現信息的傳遞與共享，加大信息的流動性。此外，數字信息在各種媒體間的自由傳播，無形間形成了一個由互聯網、移動設備、電視等多種形式構成的網絡傳播環境，成功打破了傳統媒體在信息封閉與信息壟斷方面的束縛，讓公眾可以自由搜索或分享自己所需的資源信息，對提高我國高校教學質量具有一定的推動作用。

（4）監控主機設置

監控主機是完成礦井內安全監控系統檢測數據監視的重要設備，工作人員通過操作監控主機能夠得到礦井內部實時狀態，并且可以根據實時數據分析確定下一步的控制計劃，因此將監控主機設置在煤礦的監控中心。需要時監控主機能夠配置多種基于C/S或B/S的安全業務監管軟件，具有很好的兼容性，實現礦井內部安全因素的全方位監控。

3.2 軟件設計

新型煤礦安全監控系統軟件設計主要依據煤礦生產作業實際需求完成，為了提高系統的通用性，預留了多個數據接口，采用了通用協議進行數據傳輸，具有很好的兼容性。同時系統中建立了科學合理的監控分析與判斷準則模型，能夠完成礦井內部引起瓦斯、火災等事故因素的實時監控、數據分析和超標報警等功能。通過對原有安全監控系統的升級改造，補充完善了以下功能。

（1）智能診斷分析

新安全監控系統不僅能夠實現煤礦井下各個監測位置的數據采集，而且增加了智能診斷分析功能，系統能夠智能判斷井下觀測點數據之間的相關性，根據各監測數據點之間的實測數據及其關聯性大小，完成井下設備運行、通風狀況、致災因子之間的異常診斷，確定數據異?？赡墚a生的原因及位置，提高礦井作業過程中異常問題的及時處理，保證生產作業的安全。

（2）構建安全監控系統綜合業務平臺

新型安全監控系統建立了一套綜合業務平臺，能夠實現多維度直觀監視礦井內部作業環境中的關鍵參數和控制指標數據，達到了礦井內部作業監控數據的全面性，彌補了單因素監測出現了數據不確定的不足，通過綜合監測數據完成礦井內部安全監控與遠程控制，提升了煤礦企業的安全管理和問題處置能力。

新型安全監控系統借助先進的物聯網技術，對煤礦開采設備建立電子檔案，實現對其全壽命周期內的安全監控，并且能夠根據設備的電子檔案及其實際運行情況，指導煤炭企業制定適宜的設備管理規程和相關制度，做到采煤設備的高效管理，保證設備運行的安全可靠。

（4）自診斷系統

新型安全監控系統設置了自校驗、自評價體系，當礦井內部監測數據出現異常時，系統自動進行數據的分析處理，確定數據異常產生的可能原因，結合系統完善的報警斷電機制，發出數據異常報警信號，包括瓦斯涌出報警、火災報警等，自動做出斷電處理，保證礦井工作面的安全。

3.3 安全監控多系統融合與聯動設計

安全監控多系統融合與聯動作為新型安全監控系統最為突出的特點，既滿足了我國《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》的要求，又是對于傳統安全監控系統單一化數據采集處理模式的更新，順應了現代化煤礦安全作業模式的需要。該系統融合了礦井工作人員定位系統、通信聯絡系統、應急廣播系統，并且相互之間聯動控制，具體的相應流程如圖3所示，很好地實現了安全監控的全方位管理與控制，確保整個煤礦安全管理工作的全面落實。

圖3 安全監控多系統融合與聯動響應流程

4 系統應用效果評價

為了驗證安全監控系統的改進效果，將其應用于某礦井安全監控工作當中，在安全監控連續運行的3個月內，給出了甲烷傳感器改進前后的數字信號實測值，可以看出改進之前數據存在明顯的波動，并且出現了異常變化值，可能原因是傳感器存在信號干擾或者出現了外界擾動，但是改進之后的系統采集得到的數據穩定性很好，未出現較大的波動峰值，成功解決了傳感器誤報警的問題。同時新系統使用過程中能夠很好地完成煤與瓦斯突出報警、自動診斷評估，多系統融合應急聯動等功能，改進效果顯著。

圖4 甲烷傳感器改進前后的數字信號實測值

5 結束語

本文針對礦井安全監控系統應用現狀及存在的問題，參照安全監控系統新標準要求，開展了新型礦井安全監控系統的改造升級工作。在現有安全監控系統基礎上新增了智能感知網絡系統、數據傳輸網絡系統和地面煤礦安全監控系統等，完成了總體方案的設計，實現了多系統融合監控的目的。之后開展了安全監控系統硬件和軟件的設計工作，應用結果表明，新型安全監控系統提高了傳感器采集數據的穩定性，提高了安全監控系統的抗干擾能力，達到了多系統協同監控的目的，取得了很好的改進效果。