煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

姚永輝

煤礦安全一直我國(guó)安全生產(chǎn)工作的重中之重，隨著科技的增強(qiáng)，新裝備、新工藝為煤礦提供了大量裝備。2010年，《國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》要求，各地煤礦在3年內(nèi)完成“監(jiān)測(cè)監(jiān)控、人員定位、緊急避險(xiǎn)、供水施救、壓風(fēng)自救和通信聯(lián)絡(luò)”緊急避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”的安裝，并納入重點(diǎn)監(jiān)察范疇。以上措施的執(zhí)行，使得我國(guó)煤礦的安全生產(chǎn)形勢(shì)逐年好轉(zhuǎn)，事故起數(shù)、死亡人數(shù)、百萬(wàn)噸死亡率均大幅下降。但由于我國(guó)煤礦基數(shù)大、地域分散、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)水平參差不齊等，安全水平與世界其他主要產(chǎn)煤國(guó)相比仍有一定差距。

“六大系統(tǒng)”中的安全監(jiān)控系統(tǒng)，是指?jìng)鞲衅骷夹g(shù)、信息傳輸技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電氣防爆技術(shù)和控制技術(shù)，在煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，可以對(duì)礦井瓦斯、一氧化碳、溫度等環(huán)境參數(shù)，以及對(duì)礦井生產(chǎn)、運(yùn)輸、提升、排水等環(huán)節(jié)的機(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，用計(jì)算機(jī)分析處理、取得數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警、斷電和閉鎖，防止事故的發(fā)生或擴(kuò)大，為各級(jí)生產(chǎn)指揮部門提供現(xiàn)場(chǎng)資料，便于提前采取防范措施。

研發(fā)現(xiàn)狀

隨著電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)已有60余家生產(chǎn)企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)，研發(fā)了多個(gè)型號(hào)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品，并基本上由早期的單計(jì)算機(jī)監(jiān)控，發(fā)展成了網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控，安全監(jiān)控技術(shù)有了長(zhǎng)足發(fā)展，系統(tǒng)得到了推廣應(yīng)用。但其技術(shù)瓶頸也日益顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性不高?，F(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)主要采用主從式通信結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸速率低和冗余差，極易發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸中斷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)備間互聯(lián)互控、危險(xiǎn)區(qū)域快速控制；監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備數(shù)字化程度不高，尤其是傳感器采用模擬傳輸技術(shù)，不能實(shí)現(xiàn)傳感器工作狀態(tài)識(shí)別及故障判斷，造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性差。

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)抗電磁干擾能力差。井下電磁環(huán)境惡劣，抗電磁干擾技術(shù)還不成熟，對(duì)井下干擾源種類、等級(jí)及耦合途徑研究不夠充分，井下抗電磁干擾相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不易執(zhí)行，導(dǎo)致監(jiān)控設(shè)備抗電磁干擾能力差，極易使數(shù)據(jù)混亂，經(jīng)常產(chǎn)生“冒大數(shù)”、誤報(bào)警、誤斷電現(xiàn)象，甚至造成系統(tǒng)癱瘓。

災(zāi)害預(yù)警手段不完善。現(xiàn)有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了瓦斯超限報(bào)警斷電，部分實(shí)現(xiàn)了瓦斯災(zāi)害的預(yù)警處置，但對(duì)其他災(zāi)害還缺乏預(yù)警手段，應(yīng)充分利用監(jiān)控信息資源，完善礦井災(zāi)害的超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

鑒于以上情況，在“十一五”期間，煤炭科學(xué)研究總院對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性及抗干擾技術(shù)進(jìn)行了研究，并列入國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目，形成了新一代的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)及系列產(chǎn)品，該項(xiàng)目也被國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)管總局列為第一批安全科技“四個(gè)一批”項(xiàng)目之一。

研究過(guò)程

該項(xiàng)目通過(guò)研究工業(yè)以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)、開放式總線傳輸，以及多環(huán)冗余、系統(tǒng)通信故障自診斷、電磁兼容（EMC）、井下電網(wǎng)故障在線診斷、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中終端設(shè)備對(duì)等通信及互控等技術(shù)，研發(fā)了具備通信網(wǎng)絡(luò)冗余、對(duì)等通信、通信故障隔離、滿足電磁兼容等要求的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)典型應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖如圖1、圖2所示。同時(shí)還配套研制出煤礦井下電網(wǎng)故障監(jiān)測(cè)、故障識(shí)別、故障控制設(shè)備。通過(guò)項(xiàng)目研究，形成了4項(xiàng)技術(shù)。

設(shè)備狀態(tài)自識(shí)別技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備（傳感器）采用控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN總線通信），通過(guò)利用沖突檢測(cè)方法，結(jié)合自識(shí)別軟件協(xié)議及軟件防沖突技術(shù)，避免了通信鏈路的數(shù)據(jù)堵塞、沖突、鏈路掛機(jī)等故障，解決了傳感器互換產(chǎn)生的偽數(shù)據(jù)等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了傳感器狀態(tài)自識(shí)別、數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳、故障自診斷等功能。其數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性，比目前傳統(tǒng)的200-1000HZ模擬信號(hào)傳輸有了很大提高。

抗電磁干擾技術(shù)

通過(guò)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)易受干擾的場(chǎng)所進(jìn)行研究，項(xiàng)目組發(fā)現(xiàn)煤礦井下脈沖群干擾強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)500V等級(jí)以上、煤礦井下浪涌干擾強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)1400V等級(jí)以上時(shí)，煤礦井下靜電干擾源與電磁輻射干擾源強(qiáng)度較小。根據(jù)干擾源的耦合特性，項(xiàng)目組對(duì)煤礦監(jiān)控設(shè)備電源及信號(hào)端口，進(jìn)行了兩級(jí)抗干擾保護(hù)設(shè)計(jì)。目前，該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到礦用本安分站、低壓電網(wǎng)監(jiān)測(cè)分站、高低濃度甲烷傳感器等9種傳感器，以及礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源中。

對(duì)等通信技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備（分站）采用總線通信技術(shù)及對(duì)等通信協(xié)議，解決了煤礦井下分站布點(diǎn)非線性的結(jié)構(gòu)，有效地避免了由于通信鏈路復(fù)雜、阻抗不匹配，造成的通信狀態(tài)不穩(wěn)定的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了分站間對(duì)等通信功能，提高了分站間互聯(lián)互控的響應(yīng)時(shí)間，異地控制時(shí)間縮短到5s以內(nèi)，提高了系統(tǒng)的可靠性及異地控制響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。

低壓電網(wǎng)故障監(jiān)測(cè)技術(shù)

礦井低壓電網(wǎng)監(jiān)測(cè)分站，采用附加低頻信號(hào)的檢測(cè)方法，通過(guò)建立切合礦井實(shí)際的電纜絕緣檢測(cè)數(shù)學(xué)模型和仿真模型，實(shí)現(xiàn)了井下低壓電網(wǎng)漏電故障監(jiān)測(cè)及故障區(qū)域判斷。

成果轉(zhuǎn)化及應(yīng)用情況

煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)揮了治理隱患防范事故的作用，保障了煤礦的安全生產(chǎn)；相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的制定和強(qiáng)制執(zhí)行，規(guī)范了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品；采用適合煤礦井下惡劣環(huán)境的礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，構(gòu)建了井下信息傳輸基礎(chǔ)平臺(tái)，能接入各種子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煤礦安全生產(chǎn)快速聯(lián)動(dòng)及災(zāi)害預(yù)警；研發(fā)的新型傳感器技術(shù)、抗電磁干擾技術(shù)，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性；研發(fā)的重大災(zāi)害聯(lián)動(dòng)預(yù)警技術(shù)，利用監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的分析融合，為科學(xué)處置事故災(zāi)害提供了決策依據(jù)。

科學(xué)研究的關(guān)鍵，在于成果轉(zhuǎn)化。針對(duì)項(xiàng)目目標(biāo)及現(xiàn)場(chǎng)急需解決的問(wèn)題，通過(guò)近3年的攻關(guān)，煤炭科學(xué)研究總院完成了14種配套產(chǎn)品的開發(fā)，形成了新一代高可靠安全監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)了國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的性能測(cè)試，取得了安全標(biāo)志證書。研發(fā)的產(chǎn)品包括：礦用隔爆兼本質(zhì)安全型數(shù)據(jù)交換裝置、礦用本安型信號(hào)轉(zhuǎn)換器、礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源、高低濃度甲烷傳感器、煤礦用一氧化碳傳感器、礦用隔爆兼本安型斷電控制監(jiān)視器、煤礦用風(fēng)門開閉狀態(tài)傳感器、煤礦用溫度傳感器、煤礦用負(fù)壓傳感器、礦用水位傳感器等。

項(xiàng)目完成后，煤炭科學(xué)研究總院在山西天地王坡煤業(yè)有限公司，進(jìn)行了應(yīng)用示范。2010年12月，由煤炭科學(xué)研究總院和山西天地王坡煤業(yè)有限公司共同規(guī)劃示范礦井的建設(shè)工作，2011年9月完成地面中心站的建設(shè)，同時(shí)完成井下線纜的敷設(shè)。2012年1月，在王坡煤礦井下3215掘進(jìn)面，3208、3201綜采工作面，以及井下變電所等地，安裝了100余臺(tái)各類傳感器等設(shè)備。項(xiàng)目組在井下，還先后進(jìn)行了系統(tǒng)性能穩(wěn)定性、快速異地?cái)嚯?、多環(huán)冗余、傳感器狀態(tài)自識(shí)別等試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期要求，與檢驗(yàn)單位的檢驗(yàn)結(jié)果一致。截止到2014年1月，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行，狀態(tài)良好，沒(méi)有出現(xiàn)通信中斷、傳感器數(shù)值“冒大數(shù)”等現(xiàn)象。

此后，該系統(tǒng)還在內(nèi)蒙古李家塔煤礦、湖煤集團(tuán)塘沖煤礦、江西天河煤礦、山東滕州泉上煤礦等多個(gè)煤礦得到了應(yīng)用，效果良好。

技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)。由瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)觸發(fā)聯(lián)動(dòng)事件，當(dāng)預(yù)測(cè)到有危險(xiǎn)時(shí)，可通過(guò)異常聯(lián)動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間的聯(lián)動(dòng)控制。

重大災(zāi)害預(yù)警技術(shù)?，F(xiàn)有系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯超限報(bào)警斷電，部分實(shí)現(xiàn)了瓦斯災(zāi)害的預(yù)警處置，但對(duì)于其他災(zāi)害還缺乏預(yù)警手段，下一步還應(yīng)充分利用監(jiān)控信息資源，完善礦井災(zāi)害的超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

新型傳感器技術(shù)。推廣數(shù)字式傳感器，提高抗干擾性；推廣紅外甲烷、激光甲烷傳感器、光纖式傳感器，提高傳感器穩(wěn)定性；研發(fā)光敏傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)饋電狀態(tài)檢測(cè)，并將斷電控制及饋電狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)斷電的可靠控制；集成化多功能智能傳感器；傳感器與多學(xué)科交叉融合，推動(dòng)無(wú)線礦用傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)范圍最大化，接入井下無(wú)線寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)通信鏈路雙冗余，提高監(jiān)控系統(tǒng)可靠性；研發(fā)傳感器低功耗與本質(zhì)安全長(zhǎng)距離技術(shù)。

編輯 楊 璇