井下安全監控系統的設計與應用

汪圣良

摘要：目前，煤礦都會配備安全監控系統，以確保礦井安全。在分析煤礦對安全監控系統具體需求的基礎上，對其總體方案進行了設計，安全監控系統主要可以劃分為井下環網、主機房和集中調度中心3大部分。系統具備豐富的功能模塊，其中最核心和關鍵的功能模塊主要包括數據采集模塊、控制模塊、報警模塊和顯示模塊。詳細闡述了系統的組態化功能和網絡拓補結構設計情況。將設計的安全監控系統應用到井下實踐中，效果良好，能夠很好地監測井下各項狀態數據信息，為保障井下安全奠定了堅實基礎。

關鍵詞：煤礦井下;安全監控;系統設計;瓦斯濃度

中圖分類號：TD76 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0253—03

0引言

當前，我國社會經濟發展對煤炭資源的依賴程度居高不下，每年都需要開采大量的煤炭資源，以順應社會發展需求，促進了煤炭行業的快速發展，采煤效率不斷提升。此外，國家也越來越重視煤炭開采過程中的安全問題。在此背景下，煤礦井下安全監控系統所發揮的作用日益凸顯。崔麗玲研究設計了煤礦空氣壓縮機監控系統，通過變頻器和控制器的使用，使壓縮機運行可靠性和效率顯著提升;王曉艷研究了主變電所無人值守監控系統在煤礦中的實踐應用情況，通過技術改造，顯著提升了煤礦生產的安全性和供電的可靠性?？梢钥闯?，安全監控系統是當前煤礦企業關注的熱點問題。目前已有的關于監控系統的研究主要集中在礦井各個獨立的系統，并沒有做到統籌兼顧，缺乏全面性。

本文在充分考慮礦井實際情況的基礎上，兼顧多方面因素，研究設計了安全監控系統，可以實時檢測井下的狀態，使井下各項參數均保持在安全范圍以內。如果井下部分狀態參數超過了安全范圍，系統會在第一時間發現并發出警報，工作人員可以及時排除安全隱患，從而提升礦井的安全程度。該研究對于更好地掌握礦井運行狀態，提升礦井運行的可靠性和安全性具有重要的實踐意義。

1煤礦安全監控系統需求分析

隨著國家對煤礦安全重視程度的不斷提升，井下安全監控系統已經成為煤礦的標準配置之一。結合煤礦實際情況，監控系統的主要作用是實現對井下各種環境狀態參數以及采煤設備運行參數的實時監測。系統可以運用專業傳感器感知井下各類參數，并通過工業網絡傳輸至地面監控中心，自動研判井下安全狀態，從而降低井下安全人員的工作量和負擔。位于地面監控中心的安全人員能夠實時掌握井下各項狀態數據，一旦發現存在安全隱患，就可以及時采取措施對隱患進行排除。

2安全監控系統總體方案設計

2.1總體結構

圖1所示為井下安全監控系統總體方案。從圖中可以看出，監控系統總體上可以劃分成為3大部分，分別為井下環網、主機房和集中調度中心。其中井下環網的作用是基于各類專業傳感器對井下的環境狀態參數以及主要采煤設備運行狀態參數進行監測;集中調度中心的作用就是接收井下環網采集得到的狀態數據信息，并基于設定的算法程序對數據進行處理分析，進而研判井下安全狀態，并將相關結果通過打印機進行展示。一旦分析發現井下存在安全隱患，系統就會通過語音播報器發出警報。集中調度中心處理后的數據信息需要傳輸至主機房中，存儲在服務器中。后續可以根據實際需要從服務器中調取相關的數據信息進行進一步處理。

2.2主要功能設計

圖2所示為井下安全監控系統的主要功能框。從圖中可以看出，系統整體上包含10個功能模塊，其中最為核心和關鍵的模塊主要是數據采集模塊、控制模塊、報警模塊以及顯示模塊等。以下對幾種關鍵的功能模塊進行簡要介紹。

（1）數據采集模塊

對井下各項狀態數據信息進行采集是實現礦井安全監控的基礎和前提。該模塊主要由控制器和傳感器構成，通過控制器對傳感器進行控制，實現狀態數據信息的采集?？梢詫ο率?類數據進行采集：一是甲烷濃度、煙霧濃度、一氧化碳濃度、溫度、風速和風壓等;二是礦井供電系統運行狀態、通風機啟停狀態、風筒和風門等的運行狀態;三是礦井瓦斯抽放量的實時監測數據。

（2）控制模塊

當安全系統檢測發現礦井存在安全隱患時，需要通過控制模塊做出必要的安全保護動作。比如當礦井瓦斯濃度超過安全限度時，控制模塊需要通過下達指令對井下設備進行斷電處理，特殊情況下也可以直接由地面監控中心通過手動方式切斷井下設備供電。可對瓦斯泵的啟動與停機進行自動控制，當發現井下瓦斯濃度相對較低時，則可以停止運行瓦斯泵以節省電能。相反的，當瓦斯濃度較高時，則需要控制瓦斯泵啟動，以降低井下瓦斯濃度大小，確保礦井安全。

（3）報警模塊

安全監控系統通過對采集得到的狀態數據信息進行分析和處理后，發現井下某些數據信息超過了安全范圍時，基于報警模塊可以利用擴音器向外發出警報，以提示工作人員及時進行處理，避免小隱患引發大的安全事故。

（4）顯示模塊

該模塊主要是對采集得到的數據信息通過顯示器進行實時顯示，可以顯示的內容主要包括時間、地點、名稱等。操作人員可以選擇某項數據進行連續觀測，進而繪制該項數據隨時間的演變曲線。

3系統組態化功能及網絡拓撲結構設計

3.1系統組態化功能

組態化功能是指系統用戶按照自身實際使用需要，對系統的部分界面和功能進行設置，并且將設置好的基本情況進行保存。在后續使用過程中，操作人員就可以根據保存的界面和功能對數據信息進行瀏覽或者查閱。該功能可以滿足用戶的個性化需求，使系統更加適合操作人員的使用習慣。圖3所示為安全監控系統組態化功能設計。從圖中可以看出，安全監控系統的管理員可以基于組態化功能設計，實現對元素屬性和編輯環境的修改，同時還可以根據自身使用習慣，對圖片組件、打開和保存方式、預覽功能等進行自定義。

3.2系統網絡拓撲結構

進行安全監控系統在設計過程中應該充分利用礦井現有的網絡資源，以降低系統建設的成本投入，同時還需要遵循一些基本的原則，比如易用性原則、拓展性原則、先進性原則等。在充分分析安全監控系統功能的基礎上，可以將網絡系統劃分為兩個層面，分別為集團層面和煤礦層面，整個網絡呈現出分布式框架結構，兩個層面之間通過先進的網絡技術進行連接。集團內部不同礦井之間可以通過高速網絡系統實現數據信息的相互傳輸與共享。本文設計的系統主干網絡采用的是光纖，完全能夠保障數據傳輸的速度及其可靠性和穩定性。圖4所示為安全監控系統網絡拓撲結構。從圖中可以看出，設計的網絡拓撲結構中最底層主要由兩大部分構成，分別為工業網絡以及井下監測系統。其中井下監測系統的核心就是各類專業傳感器，傳感器采集得到的數據信息通過工業網絡傳輸至地面監控中心。由于礦井環境相對比較復雜，為了確保數據傳輸過程的可靠性和穩定性，井下基于單向數據傳輸技術實現數據信號的傳輸。監控網絡涉及到局域網和工業網絡，兩種網絡之間通過FTP技術和DDE技術實現連接。

4實踐應用效果分析

將本文設計的安全監控系統應用到煤礦工程實踐中，取得了良好的應用效果。該系統可以對礦井中關鍵部位的通風情況進行連續監測，基于礦井內不同位置的通風狀態實時監測結果，對礦井通風量和風速進行實時調整，提升了通風系統調節的實時性和準確性，實現了對礦井內瓦斯濃度的實時監測，基于不同位置瓦斯濃度的演變情況，可以分析判斷礦井內部不同區域瓦斯濃度的涌出規律，系統可提前預測潛在的瓦斯風險，并采取措施進行處理。對溫度和一氧化碳濃度的連續監測，系統可以研判礦井內潛在的自然發火位置，因為當一氧化碳濃度和環境溫度達到一定程度時，就有出現自然發火的風險，這樣井下人員就可及時采取措施進行處理，將潛在的井下火災扼殺在萌芽階段。對通風機系統運行狀態的實時監控，能夠保證通風系統的可靠和穩定運行，當通風機系統出現故障問題時能夠在第一時間發現并處理，避免通風機系統出現突發故障威脅礦井安全?；谝陨戏治隹梢钥闯觯瑢踩O控系統利用到煤礦實踐中，能夠及時發現礦井存在的潛在安全風險，并立即發出警報以提示工作人員及時進行處理。在安全監控系統的作用下能夠避免小隱患引發大的煤礦安全事故，在保障礦井安全方面發揮著非常重要的作用。

5結束語

在國家日益重視煤礦安全的大背景下，井下安全監控系統已然成為各礦井企業的標準配置之一，在保障礦井安全方面發揮著不可或缺的作用。本文在分析煤礦實際需求的基礎上，研究設計了安全監控系統。該系統總體上可以劃分成為3大部分，分別為井下環網、主機房和集中調度中心，各部分發揮著不同的作用。系統采用的是模塊化設計，具有豐富的功能，其中最主要的模塊包括數據采集模塊、控制模塊、報警模塊和顯示模塊;詳細介紹了安全監控系統組態化功能以及網絡拓撲結構設計情況;將設計的安全監控系統應用到煤礦工程實踐中，能夠對井下各項狀態數據參數進行實時連續監控，為礦井在第一時間發現問題并處理問題奠定了堅實的基礎。