煤礦井下掘進(jìn)工作面瓦斯監(jiān)測和控制技術(shù)

田志軒

平煤股份三礦公司，河南 平頂山 467000

1 傳統(tǒng)監(jiān)測與控制技術(shù)的缺陷

傳統(tǒng)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)多為單坑道監(jiān)測的分散結(jié)構(gòu)，其通訊線路多采用載波、 電話線、調(diào)制解調(diào)器、設(shè)備總線的結(jié)構(gòu)模型來傳送數(shù)據(jù)和控制信號。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不僅擴(kuò)展性差，維護(hù)費用高，而且存在很高的穩(wěn)定性隱患。針對上述問題，現(xiàn)代瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)正在向無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)和多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)發(fā)展。

2 現(xiàn)代新型監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢與技術(shù)改進(jìn)

2.1 新型瓦斯傳感器

目前國內(nèi)外用于監(jiān)測低濃度瓦斯的傳感器多為熱催化元件，由于其屬于化學(xué)敏感元件，在長時間的工作下會產(chǎn)生零漂和靈敏度的變化，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。新型傳感器的優(yōu)點主要在于將催化元件與補(bǔ)償元件封裝在一起，補(bǔ)償元件可以對長時間工作的催化元件產(chǎn)生的參數(shù)進(jìn)行修正，減小輸出零點的漂移。如果兩種元件的一致性好，就會得到滿意的補(bǔ)償效果，增加傳感器的穩(wěn)定性。這種一致性的選取稱為配對?，F(xiàn)在一般采取的配對方法為靜態(tài)參數(shù)比較法，利用此種方法進(jìn)行篩選配對，雖然工藝簡單，但動態(tài)穩(wěn)定性差。開發(fā)中的動態(tài)配對法，參考了近代數(shù)學(xué)的聚類分析方法，利用向量間的歐式距離，選擇相似性好的元件動態(tài)參數(shù)，進(jìn)行動態(tài)參數(shù)匹配，取得了較理想的實驗結(jié)果。

除此之外，傳統(tǒng)的惠斯頓電橋檢測法也需要進(jìn)一步改進(jìn)。因為該方法的原理是利用催化元件的催化劑促使甲烷在其表面燃燒放熱，使電阻升溫，阻值變大，引發(fā)一個異常的電壓信號來檢測甲烷的濃度變化。這樣一來，過高的溫度會降低傳感器的表面活性。新型傳感器采用定壓檢測法，利用反饋回路穩(wěn)定電壓、減小電流，使傳感器的溫度下降，更加有利于保護(hù)傳感器中化學(xué)敏感元件的穩(wěn)定性。

圖1 定壓反饋電路

最后，新型傳感器通過試驗所得的數(shù)據(jù)，計算了信號強(qiáng)度隨使用時間的衰減規(guī)律，利用信號處理技術(shù)，可以自動調(diào)節(jié)化學(xué)敏感元件因長時間工作而產(chǎn)生的敏感性衰減，保證傳感器在有效工作時間內(nèi)的準(zhǔn)確輸出。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量被部署在被監(jiān)測區(qū)域的傳感器結(jié)點所組成的，通過無線通訊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞以實現(xiàn)監(jiān)測目的的多跳的自組織、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

該網(wǎng)絡(luò)由多個分布在被測區(qū)域的傳感器節(jié)點，分布在邊界的sink節(jié)點，以及用戶終端構(gòu)成 。其中，傳感器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、信號處理和與無線通訊，通過網(wǎng)絡(luò)自組織和多跳路由將數(shù)據(jù)發(fā)送到sink節(jié)點，sink節(jié)點再將數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶終端以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總與統(tǒng)一處理。

傳感器節(jié)點由多個模塊組成，除用于瓦斯?jié)舛葯z測的傳感器、電源等部分外，還添加了微控制器模塊和通信模塊。其中微控制器模塊起核心作用，負(fù)責(zé)信號的輸入、輸出和數(shù)/模轉(zhuǎn)換。通信模塊采用的是射頻收發(fā)裝置，其中2.4GHz無線網(wǎng)絡(luò)與868MHz無線網(wǎng)絡(luò)相比較，在井下的工作環(huán)境下，前者能夠更好的保證信號傳遞的穩(wěn)定性。(這在Kennedy和Foster在2005年的文章“Low power Wireless Mesh Networks in Underground Mining” 中給與了很好的解釋。)

Sink節(jié)點是傳感器網(wǎng)絡(luò)邊界的節(jié)點，處于普通傳感器與用戶終端之間，通過串行方式連接用戶計算機(jī)，將接收的普通傳感器節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，傳送給用戶終端，通過軟件的處理，能夠在用戶界面實時顯示監(jiān)測的結(jié)果。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)點在于實時性與靈活性，具有很高的擴(kuò)展空間和經(jīng)濟(jì)價值。工作人員只要在井下布置好節(jié)點傳感器，就可以實時監(jiān)測施工現(xiàn)場的瓦斯?jié)舛纫约捌渌嚓P(guān)信息。為災(zāi)害預(yù)警提供寶貴的數(shù)據(jù)與時間。但這種基于固定傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)也存在著一定的局限，就是無法實時監(jiān)測掘進(jìn)面的瓦斯?jié)舛惹闆r，工作進(jìn)度與傳感器安放存在時間延遲,給災(zāi)害預(yù)警留下了進(jìn)一步改進(jìn)的空間。

2.3 無線移動瓦斯監(jiān)測設(shè)備與掘進(jìn)面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測技術(shù)

為了對掘進(jìn)平面進(jìn)行實時監(jiān)測，單純的無線網(wǎng)絡(luò)已無法滿足要求，必須使檢測設(shè)備能夠隨掘進(jìn)面的移動而移動。在將所有移動便攜式瓦斯監(jiān)測設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合與統(tǒng)一處理的同時，還要解決移動設(shè)備的精確定位問題。這樣做的好處不僅在于擴(kuò)大了瓦斯監(jiān)測的范圍，同時可以排除許多人為因素的干擾，具有更強(qiáng)的實時監(jiān)測性，最大限度的延長了災(zāi)害預(yù)警時間。

為了實現(xiàn)井下環(huán)境中的無線、移動監(jiān)測，首先要解決的問題是不間斷信號覆蓋與精確定位。為了解決這些問題，可以在被監(jiān)測區(qū)域設(shè)立一定數(shù)量的通訊監(jiān)測分站。分站內(nèi)配備無線收發(fā)器，便于接收和傳遞信號。每臺收發(fā)器外接漏泄電纜，沿坑道鋪設(shè)（電纜的有效信號發(fā)送長度為300m）發(fā)送不間斷信號。若一個分站配備8臺收發(fā)器，可以使連續(xù)信號覆蓋5km長度的巷道。這就解決了信號的大面積，連續(xù)覆蓋問題。

與此同時，為了使移動檢測設(shè)備能夠精確定位，還要在基站內(nèi)安裝一定數(shù)量的定位裝置，定位器會連續(xù)不斷的發(fā)送所處位置信息的無線信號，無線瓦斯檢測設(shè)備可以在收到位置信號后，將檢測的數(shù)據(jù)連同自己的定位信息一起發(fā)送給通訊監(jiān)測分站，做到精確定位。

無線監(jiān)測設(shè)備在同無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)后，不僅可以傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)，也可以通過搭載一定的硬件設(shè)備來傳送文字信息和影像信息。在遇到突發(fā)情況的時候可以與地面監(jiān)控人員聯(lián)系，方面監(jiān)控人員了解現(xiàn)場情況，并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)救措施。在條件允許的情況下，不僅掘進(jìn)面的施工設(shè)備、人員可以配備無線移動監(jiān)測設(shè)備，在井下的所有勞動者都應(yīng)該配備至少能夠起定位作用的移動設(shè)備，這樣做可以大大提高勞動者的安全工作系數(shù)，同時也可以在災(zāi)害發(fā)生后盡快地展開救援。

這項技術(shù)的開發(fā)階段已經(jīng)完成，在2009年已經(jīng)開始了小范圍內(nèi)的試用，效果顯著。由于其在災(zāi)害預(yù)防、事故救援等方面的優(yōu)異表現(xiàn)，相信其大規(guī)模的使用指日可待。

2.4 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)

相比于傳統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)處理技術(shù)，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以更好的利用傳感器資源。 通過對多傳感器的觀測數(shù)據(jù)的合理支配和使用，將各種傳感器在空間或時間上的冗余信息或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合和篩選，產(chǎn)生對被監(jiān)測對象的一致性描述，其目的是排除單一傳感器監(jiān)測過程中的各種人為或非人為的干擾因素對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響。同時也可以利用多傳感器的信息組合獲得更多的有用信息。

多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)包含多個步驟，首先要進(jìn)行信號的采集，并對信號進(jìn)行預(yù)處理。這一過程的實現(xiàn)有多種途徑。由于所采集信號的不同，使用的傳感器也會有所不同，有的傳感器輸出的信號是數(shù)字信號，有的則是模擬信號，預(yù)處理的目的就是將這些不同類型的信號進(jìn)行數(shù)、模轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一變成計算機(jī)I/O接口能夠識別的數(shù)字信號。同時，處理模塊還要排除背景噪聲和冗余信息的干擾。完成以上工作后才將所處理的數(shù)據(jù)傳送給用戶端進(jìn)行最后的數(shù)據(jù)融合。數(shù)據(jù)融合首先要對多路信號進(jìn)行初步融合，進(jìn)一步剔除背景噪音與冗余信息，然后將融合結(jié)果送入預(yù)測融合。在該過程中使用了基于專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合方法，以實現(xiàn)對礦井內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊膶崟r監(jiān)測和預(yù)測控制。專家系統(tǒng)知識庫的設(shè)計很大程度上借用了長期從事井下工作的從業(yè)人員的經(jīng)驗、和處理突發(fā)事故的方法，可以使專家系統(tǒng)模仿人類專家做出系統(tǒng)決策，在一定的范圍內(nèi)給出合理的解決方案。

這種方法的優(yōu)點，首先在于數(shù)據(jù)的處理更加合理，可以更好的避免干擾因素的影響，使監(jiān)測的結(jié)果更加準(zhǔn)確，試驗結(jié)果也令人相當(dāng)滿意。其次是專家系統(tǒng)的設(shè)計在一定程度上滿足了處理突發(fā)事件的需要，提高了災(zāi)害預(yù)防和控制管理的效率。

3 結(jié)論

礦井監(jiān)測是煤礦安全生產(chǎn)的重要保證，也是勞動者人身安全的第一道防線，世界各國對此都投入了大量的財力、物力和人力來進(jìn)行研究和改進(jìn)。我國現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)雖然為安全生產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)，但還有進(jìn)一步提高和發(fā)展的空間。

掘進(jìn)面監(jiān)控技術(shù)整合了傳感器技術(shù)，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無線監(jiān)測設(shè)備技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)等各個行業(yè)的領(lǐng)先技術(shù)和產(chǎn)品。在監(jiān)測手段和監(jiān)測設(shè)備上都向前邁進(jìn)了一大步。通過小范圍的試用和嘗試，其監(jiān)測的準(zhǔn)確性與實時性也是非常令人滿意的。雖然這一技術(shù)還沒有得到大范圍的推廣，但無論是從經(jīng)濟(jì)角度還是從保護(hù)從業(yè)勞動者安全的角度，該技術(shù)都大有用武之地。希望在不遠(yuǎn)的將來，這一先進(jìn)的技術(shù)能夠為我國煤炭行業(yè)的安全生產(chǎn)提供更大幫助。

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