煤礦安全監控系統技術現狀及智能化發展趨勢

劉媛媛

(煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013)

目前我國煤礦均已配備了煤礦安全監控系統，在防范和減少煤礦重特大事故方面發揮了重要的監控、預警作用，是煤礦安全生產的重要保障[1-5]。隨著信息化、智能化技術的不斷發展，國家煤礦安全監察局于2016年12月印發了《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》，要求提高煤礦安全監控系統準確性、可靠性、穩定性和易維護性等[6]。2019年8月12日，國家應急管理部發布了AQ 6201—2019《煤礦安全監控系統通用技術要求》，明確了煤礦安全監控系統技術指標和功能要求，指明了系統智能化發展的方向。

為了更好地分析煤礦安全監測監控技術的發展方向，把握未來智能化礦山時代監測監控技術領域的熱點，筆者擬總結分析“十三五”期間煤礦安全監控系統升級改造的成果和存在的問題[7-10]，并提出煤礦安全監控系統智能化發展的要求和發展趨勢，旨在為煤礦安全監控系統智能化研究提供參考。

1 煤礦安全監控系統升級改造后技術現狀

傳統的煤礦安全監控系統在可靠性、穩定性，以及系統功能、性能及通信接口標準等方面都存在較大的技術缺陷[11-12]。全國大多數礦井在“十三五”期間根據升級改造內容要求，對系統進行了建設與升級，并達到了驗收標準。

1.1 傳感層技術現狀

針對傳感器存在的誤報、瞬間大值、漏報、失效等相關穩定性與可靠性的問題，傳感器防護等級提升到IP65及以上，解決了井下淋水環境下傳感器核心元件、測量電路等部件受水汽影響產生瞬態高值、失效等問題；隨著礦井信息化建設不斷提升導致井下變頻設備、大功率設備日益增多，造成井下電磁環境惡劣，傳感器及傳輸線路在強電磁干擾下，易出現數據混亂、通信中斷、設備無法工作等現象，將傳感器輸出接口升級為標準的RS485/CAN總線數字接口，結合CRC加密校驗技術解決了信號傳輸線路干擾問題；在傳感器輸入端通過采用TVS管端口防護、電氣隔離、濾波、Y電容隔離接地、屏蔽等技術，使傳感器通過了2級電磁輻射抗擾度試驗、3級脈沖群抗擾度試驗、3級浪涌抗擾度試驗等，傳感器抗電磁干擾能力大幅提升，保證了其在井下工作的穩定性和可靠性。

通過標準數字化通訊接口，傳感器實現了分級報警功能、自診斷功能及故障信息上傳功能，其中甲烷傳感器實現了分級報警，根據瓦斯濃度大小、瓦斯超限持續時間、瓦斯超限范圍等，設置實現了不同的報警級別(4級報警、8級報警等)。傳感器通過升級硬件電路，實現了電纜末端電壓監測、元件故障檢測、模擬信號采樣噪聲異常檢測等功能；具有線性自校正的激光甲烷傳感器、自校零的風速傳感器及低功耗無線甲烷傳感器已被廣泛應用。

激光甲烷傳感器采用國際先進的可調諧二極管激光吸收光譜技術(TDLAS)，實現甲烷濃度的全量程、高精度測量，測量誤差不超過±4%；采用線性校正算法實現激光甲烷傳感器的濃度校正，保障其長期工作的穩定性[13]。

雙向風速傳感器基于差壓測量原理，利用皮托管取壓裝置，實現正、反向0.0～15.0 m/s和誤差 ±0.2 m/s 的風速測量，實現了正向、反向風速的統一測量；采用實時零點智能校準技術，以降低溫度、濕度等因素影響，提高了正、反向0.4 m/s以下風速測量的精度和可靠性。

無線甲烷傳感器采用低功耗MEMS元件，實現了甲烷全量程檢測；采用內置天線，具有ZigBee無線自組網功能；有線/無線配置靈活，通過無線信號轉換器將數據接入分站；內置8.5 A·h電池，保障甲烷監測連續工作時間大于15 d和溫度、一氧化碳監測連續工作時間大于 30 d。

1.2 傳輸層技術現狀

總線型分站基于ARM平臺處理開發，由模擬量采集升級為多路總線采集：包括了標準的RS485/CAN總線、以太網電口及光口輸出，同時具有數據分析處理、報警及快速控制等功能。

目前，煤礦安全監控系統主流廠家研制的總線型分站，包含7路總線功能，其中4路采集數字化傳感器數據(1路為主通信，1路采集電源及抽放數據，1路備用)、1路以太網電口、2路以太網光口；保留開關量電平接入功能及總線接入功能；交叉斷電可在分站間實現，無需通過中心站；SD卡存儲設計，按事件記錄分站運行情況，具有就地數據分析能力，實現瓦斯突出報警。

無線信號轉換器，可直接接入到現場總線傳感器的線纜上，實現井下有線和無線傳輸網絡的有機融合，安裝配置靈活。

區域協同控制器采用嵌入式高速處理系統，本安設計，實現井下有線、無線的集中采集、轉換處理。根據用戶設置，對監測的人員、設備運轉、環境參數進行融合和智能化預判，并對異常事件進行快速處理，達到控制前移、井下融合的目的。同時，該設備具有多種數據接口，兼具交換機功能。

系列交換機支持環型和冗余耦合、環網相切、星型等多種復雜網絡拓撲結構。網絡重組時間不大于20 ms，環網速率支持10 000 、1 000 、100 Mbit/s多型光口選擇。KJJ18(B)交換機有6個千兆光口、4個百兆光口、10個百兆電口和8路本安RS485總線。

大容量寬范圍隔爆兼本安防爆電源無工頻變壓器，能在交流電輸入電壓85～900 V下正常工作，無須切換抽頭，自動適應電壓等級變化，可實時、遠程了解電源箱運行狀況，能精確顯示備用電池續航時間；電源后備電池續航時間達4 h，電源箱重量下降30%以上。帶載低功耗傳感器，最大遠程本安供電距離可達6 km，滿足了在超長工作面應用的需求。

1.3 應用層技術現狀

傳統的煤礦安全監控系統在軟件功能上主要有實時數據監測、模擬量日報查詢和有計劃的控制設備等。監控系統升級改造后，地面中心站在功能和作用上也取得了較大改進。

1)完善了報警、斷電控制功能。基于瓦斯濃度、瓦斯濃度變化幅度、瓦斯超限持續時間、影響范圍等，制訂不同的邏輯報警斷電機制，實現了分級分區報警和區域斷電。

2)實現了多網、多系統融合。井下融合涉及硬件數量改造多、成本高，升級后的煤礦安全監控系統主要采用地面融合方式進行，即在不改變原有各自系統運行方式的前提下，構建融合層，通過數據庫技術和WebAPI等技術實現監控系統、人員定位系統、應急廣播等系統數據的共享交互和命令下發執行。同時，使用GIS技術實現多系統數據的統一展現。

3)實現了系統自診斷、自評估等數據分析功能。基于AQ 6201—2019《煤礦安全監控系統通用技術要求》和《煤礦安全規程》等法律法規及標準規范，從監控系統安裝、配置、使用、維護等方面建立了一套自診斷、自評估體系準則，運用GIS空間位置分析技術、數據關聯分析等對監控系統的安裝情況、配置合規性、控饋一致性進行動態自診斷，確保“運行可靠、監控有效”。

4)實現了應急聯動功能。在實現多系統與GIS有機融合的基礎上，監控系統中心站實現了當瓦斯超限、斷電等需緊急撤人的情況下，自動與應急廣播、無線通信、人員定位、視頻監測等系統進行應急聯動。

2 煤礦安全監控系統智能化發展要求

AQ 6201—2019《煤礦安全監控系統通用技術要求》對煤礦安全監控系統智能化水平提出了更高的要求，相關內容包括[14]：

1)傳感器智能化并實現全覆蓋。現有的傳感器采樣監測基于離散點模式，對關鍵區域監測未能實現全覆蓋。要求傳感器實現工作狀態自診斷，促進各類傳感器的正確安裝、設置、維護，防止違規行為。

2)多系統融合方式。要求多系統的融合可以采用地面方式，也可以采用井下方式，鼓勵新安裝的安全監控系統采用井下融合方式。

3)增加自診斷、自評估功能。要能實現煤礦安全監控系統定期的自診斷、自評估，能夠預先發現系統在安裝使用中存在的問題。自診斷內容至少應包括模擬量傳感器維護、定期未調校提醒。

3 煤礦安全監控系統智能化發展趨勢

智能化礦山建設對安全監控系統的感知、傳輸、數據分析等提出了新需求，總體上可以從新型傳感技術、新型供電傳輸采集技術、系統數據應用分析 3個方面的發展進行探索。

3.1 新型傳感技術及智能化發展

1)分布式多點激光甲烷檢測技術

針對煤礦工作面瓦斯監測點布置數量少，瓦斯涌出采樣數據不全面的問題，分布式多點激光甲烷檢測技術，采用可調諧激光吸收光譜技術、光路空分復用技術，在激光器輸出光路中引入自校準氣室，實現了對多通道精確校正，解決了激光甲烷傳感器長期工作不穩定的問題，大大降低了每個測量點的造價成本。中煤科工集團重慶研究院有限公司研制的分布式多點激光甲烷監測裝置如圖1所示，可實現 8路氣室同步測量(可擴展為16路)，φ(CH4)測量范圍0～100%，響應時間15 s，誤差不超過±3%；實現了工作面區域瓦斯涌出同步實時監測，獲得區域瓦斯動態分布圖，能顯著提高瓦斯突出預警監測能力。

2)高分辨率激光痕量檢測技術

針對采空區自然發火束管監測系統測量不準確的問題[15-17]，擬采用基于波長調制和諧波解調的高分辨率激光痕量測量技術，研發CO、 C2H4、 C2H2本質安全型在線監測傳感器，實現采空區發火特征氣體的“就地采樣、就地處理、就地測量”，大幅縮短采空區火災感知及防控響應時間。同時，該技術還可用于環境CO檢測，解決傳統電化學應用中存在的交叉干擾、穩定性差等問題。

3)超聲波時差法斷面風速監測技術

總而言之,顯微手術對腦膠質瘤患者的臨床治療效果突出,患者接受治療的時候,手術需要對患者的毛細血管網和穿支動脈進行保護[4],防止患者的術后生活質量受到影響。綜上所述,顯微手術對腦膠質瘤的治療效果突出,應該積極的推廣使用。

由于巷道通風的不均勻性，目前“以點代面”的風速測量監測方式易導致風量計算誤差較大，且存在下限測量盲區(<0.3 m/s)，難以滿足智能通風系統建設的需求。基于超聲波時差法可實現巷道全斷面風速測量，利用多線測量與巷道斷面擬合積分，精確計算通風風量，可為智能調風提供穩定、精確的監測數據。巷道全斷面風速測量探頭分布如圖2所示。

圖2 巷道全斷面風速測量探頭分布圖

4)傳感器智能化技術

采用低功耗、高性能MCU，通過數字化技術對傳感器身份(包括型號、軟硬件版本、生產日期、出廠編號等)、工作狀態等進行信息監測(包括多維監測信息、調校操作信息、供電狀態信息、故障診斷信息等)，實現傳感設備的全生命周期管理、預知維護等。通過增加動態感知芯片，實現傳感器安裝位置變化、人為移動、跌落等多維信息的遠程監測。

正確安裝設置傳感器是保障安全監控數據有效和合規的重要判據。鑒于煤礦井下受限空間特性，傳統基站定位信號覆蓋范圍有限且基站位置易變動，基于地磁匹配+慣性導航可有效解決設備在受限空間內無盲區位置定位，而且不依賴特定定位系統。基于該技術的傳感器可實現遠程安裝位置及位置變動情況的實時在線監測，為評估監控設備安裝是否到位、管理是否規范等提供基礎數據。

3.2 新型供電傳輸采集技術發展

1)分布式供電及共纜透傳技術

監控系統現有監測設備主要通過通信電纜與分站設備連接，存在布線復雜、空間受限、靈活性差等問題，不能實現大范圍分布式監測與控制，存在較大的感知盲區。

通過對低頻調制輸出、負載動態匹配、電能拾取裝置小型化和本安化等關鍵技術進行研究，礦井分布式非接觸供電系統突破傳統集中供電系統點對點供電可靠性差、遠端供電能力弱、線路復雜差等技術瓶頸，可實現煤礦井下本安供電系統由集中式向分布式、點對點方式向線對點方式升級換代。非接觸供電系統結合電力載波傳輸技術，可實現電能信號、載波信號的共纜傳輸，電力載波最大傳輸速率 10 Mbit/s，最大通訊距離2 km。關鍵區域的傳感器、無線基站等可通過電能拾取裝置實現供電，并通過透明傳輸網關實現有線信號、無線信號的匯集傳輸，通過電力載波裝置的電口將匯集數據發送到區域協同控制器。

區域協同控制器可實現數據采集、解析、就地交互及協同控制等核心功能；透明傳輸網關融合ZigBee、6LoWPAN、WiFi、RS485、CAN等多種制式信號，可實現智能路由、融合傳輸，完成聯調工作；無線基站及節點具備ZigBee、6LoWPAN、WiFi無線自組網及路由管理功能。

2)一體化采集平臺

構建一體化采集平臺，實現井下系統大融合。數據是各類分析與智能應用的基石，現有的數據融合方式主要是在各系統之上構建融合層，由廠家提供數據接口進行有限數據的交互，該方式中間環節多，延時長，數據重復存儲，亟需構建一體化采集平臺，規范并公開底層設備協議，直接從設備端獲取數據。

3.3 系統數據應用分析趨勢

1)監測數據深度挖掘與分析利用

現有的監控系統軟件亟需通過大數據分析技術建立數學模型，從不同維度揭示瓦斯涌出等各種異常在監測數據上的表征規律，實現監控系統的主要作用由事后處置向事前預警轉變[18]。

根據分布式多點激光甲烷監測裝置同步測量的瓦斯濃度、風速和溫度3類傳感器的歷史數據，建立描述瓦斯涌出量在一定時間和空間內變化發展的動態模型，反映瓦斯涌出量的變化規律，從而預測工作面瓦斯涌出量，進一步推測未來瓦斯涌出變化趨勢[19]。

針對礦井外因火災，通過對O2、CO、CO2、溫度及煙霧等傳感器數據進行分析，建立實現區域范圍的火災預報模型；針對煤自燃火災，利用高分辨率激光痕量檢測裝置監測的煤自燃特征氣體數據，建立煤自燃預警模型[20]。

2)實現與生產系統的協同管控

現階段的煤礦安全監控系統未能實現與生產系統的協同，各種無計劃斷電停產導致生產不連續，安全與生產的制約矛盾仍然存在，亟需利用預警技術對瓦斯超限等進行精準預測，通過超前協同智能控制減少或避免瓦斯超限，實現安全可控條件下的連續生產，切實發揮安全措施服務生產的作用。

4 結論

1)根據煤礦安全監控系統升級改造的要求， 監控系統升級改造大幅提高了系統的抗干擾、準確傳輸、多系統融合和自診斷等能力。

2)結合煤礦實際發展需求和最新的《煤礦安全監控系統通用技術要求》，指明了系統智能化發展方向為：傳感器智能化并實現全覆蓋，支持多網、多系統融合，增加自診斷、自評估功能，加強數據應用分析。

3)重點介紹了煤礦安全監控系統智能化發展的技術趨勢，通過新型傳感技術、傳感器智能化技術、分布式供電及共纜透傳技術、一體化采集平臺、監測數據深度挖掘與分析利用、生產協同管控等技術研究，引領監控系統的智能化發展。