關于煤礦瓦斯爆炸事故監(jiān)控預警系統(tǒng)的分析與研究

龐 宏

(潞安化工集團公司 科技研發(fā)中心，山西 長治 046204)

煤礦瓦斯事故監(jiān)控預警系統(tǒng)應用甲烷傳感器對井下的瓦斯含量進行實時檢測，在收集到相關數據后將其輸入到控制系統(tǒng)中，如數據異常將對井下工作人員發(fā)出警報，并詳細給出撤退路線。在當前的煤礦安全生產中，安全監(jiān)控系統(tǒng)已能準確對礦井有害氣體進行監(jiān)測，對相關設備的運行狀態(tài)進行控制；井下人員作業(yè)系統(tǒng)也能實現(xiàn)對井下工作人員的工作面地點和人員數量進行實時監(jiān)測。但兩個系統(tǒng)要聯(lián)動起來就比較困難，而我們提出的煤礦瓦斯事故監(jiān)控預警系統(tǒng)通過對瓦斯傳感器監(jiān)測的實時數據進行分析，通過井下人員佩戴的識別卡對危險區(qū)域的工作人員發(fā)出指令。通過該系統(tǒng)可以在最短的時間里最大限度地保障勞動人民的生命財產安全。

1 煤礦瓦斯爆炸事故的監(jiān)控預警系統(tǒng)功能

1) 實時采集井下瓦斯數據并進行分析，對異常區(qū)域發(fā)出警報。其一為自主預警系統(tǒng)，當設備發(fā)現(xiàn)瓦斯含量超限時，傳感器自身會發(fā)出聲光報警，提示作業(yè)人員采取相關措施；其二當瓦斯含量達到斷電的設定值時，數據傳入到控制系統(tǒng)中，由控制系統(tǒng)對相關區(qū)域的電氣設備實施斷電功能[1]。

2) 與礦井的排風系統(tǒng)進行聯(lián)動，及時對巷道內集聚的瓦斯進行有效排除。在當前的煤礦生產中，已經建設了排風系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運行狀態(tài)將直接決定對瓦斯的排除效率。在智能化系統(tǒng)快速發(fā)展的今天，將瓦斯事故監(jiān)控預警系統(tǒng)與排風系統(tǒng)進行有效銜接能夠實現(xiàn)對排風系統(tǒng)運行狀態(tài)的自主控制，解決了人工操作模式中存在的操作失誤和效率較低的問題。

3) 對超限區(qū)域的工作人員發(fā)出撤離信號。當監(jiān)測到的瓦斯含量達到設定的危險預警值時會應用無線信號系統(tǒng)向工作人員發(fā)送撤離指令，及時準確地給井下人員提供撤離路線，最大限度地保障礦工的生命財產安全。

2 煤礦瓦斯爆炸事故的監(jiān)控預警系統(tǒng)整體構建思路

煤礦瓦斯事故預警系統(tǒng)主要建設思路為構建應用層、感知層和傳輸層，結構見圖1：

圖1 預警系統(tǒng)的三個層級示意

2.1 應用層

從應用層的設備和功能可以看出，該部分內容為整個預警系統(tǒng)的核心組成部分，所以在系統(tǒng)的建設中，將應用計算機設備對井下瓦斯檢測系統(tǒng)獲取的數據進行分析與研究，所以該部分的設計內容包括以下方面：

1) 硬件設備設計。硬件設備包括通信線纜、端口、計算機設備等內容，在應用層的設計中，各類數據傳輸線纜需要與計算機進行有效連接，從而讓計算機系統(tǒng)能夠有效獲取相關數據。

2) 軟件系統(tǒng)設計。軟件系統(tǒng)發(fā)揮的主要作用為對井下的瓦斯含量數據與設定值進行比較，所以在相關軟件的設置中，編程過程要對瓦斯含量的標準值進行設定，通過對數據進行橫向對比確定井下環(huán)境的安全程度。

2.2 傳輸層

傳輸層為對數據和信號進行傳輸的層級，傳輸層在運行過程中將發(fā)揮兩個作用，其一將井下瓦斯含量數據傳輸到應用層中，其二將應用層發(fā)出的信號傳遞到井下工作人員的終端設備和排風系統(tǒng)的控制體系中。在前者的運行過程中，可以通過傳感器將瓦斯含量數據轉變?yōu)殡娦盘?，應用通信線纜將產生的數據信號傳遞到計算機系統(tǒng)中。對于后者，計算機系統(tǒng)產生的信號會應用另一線路傳遞到相關設備中。尤其是對于通風系統(tǒng)的控制線路來說，計算機產生的控制信號強度不能直接對設備進行控制，所以在具體的設計中，需要對該信號進行放大，以達到應有的控制效果[2]。

2.3 感知層

感知層最重要的作用為對井下數據進行收集，并將其轉變?yōu)殡娦盘杺魉偷接嬎銠C控制中樞中。感知層的器件包括標簽讀寫器、傳感器和攝像頭。標簽讀寫器通常用于定位系統(tǒng)中，通過這些設備的應用能夠確定井下不同區(qū)域空氣中的瓦斯?jié)舛?，并在計算機系統(tǒng)的運行中向相關區(qū)域工作人員發(fā)出警報信息。至于傳感器與攝像頭，這兩者共同的作用下能夠探究井下工作人員的撤離情況，并讓地面工作人員了解井下的生產情況。在感知層的總體設計中，需要對這三種設備進行合理配置，實現(xiàn)對井下工作環(huán)境的全面把控。

3 煤礦瓦斯爆炸事故的監(jiān)控預警系統(tǒng)構建方案

3.1 人員管理系統(tǒng)設計

傳感器是整個預警系統(tǒng)中的重要組成部分，傳感器的作用為實時監(jiān)測井下不同區(qū)域的瓦斯含量。隨著井下工作深度的推進，傳感器系統(tǒng)也需要進行全面鋪排，以達到采集數據準確和無死角的目的。通常情況下，在井下工作人員的工作區(qū)域更容易產生瓦斯超標現(xiàn)象，所以在該區(qū)域的進風、回風、上隅角等重點區(qū)域布置瓦斯傳感器，同時為了能夠讓地面工作人員了解傳感器的運行位置，還需要應用RFID芯片對傳感器的位置進行定位，這種芯片需要安裝在傳感器附近，并在安裝完成后應用手持設備對芯片進行掃描，將芯片的位置信息傳入數據庫，最終在數據庫中建成傳感器的分布網絡，當某一傳感器發(fā)出瓦斯含量警報時，可以通過對芯片信息的收集準確對報警傳感器的位置進行定位，結合工作人員佩戴的人員識別卡，系統(tǒng)能夠對相關區(qū)域的工作人員發(fā)出告警信息，并發(fā)出撤退指令。

3.2 傳感器設置

在煤礦安全管理中，最重要的就是對井下作業(yè)人員進行全面有效的管理。人員管理系統(tǒng)作為瓦斯事故監(jiān)控預警系統(tǒng)的子系統(tǒng)，可以通過設置電子標識了解井下作業(yè)人員的數量，在相關區(qū)域設置識別設備，同時為每名工作人員佩戴的標識卡設立編碼。在人員管理數據庫中將所有編碼與工作人員的信息建立對應關系，在預警系統(tǒng)的運行中，能夠讓地面控制人員及時準確地了解井下人員的信息。而且要建立井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為瓦斯事故監(jiān)控預警系統(tǒng)的另外一個子系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的攝像頭要覆蓋整個作業(yè)區(qū)域，通過對視頻影像的觀察與分析，能夠了解不同區(qū)域的工作人員分配情況，從而讓地面調度員及時調度相關人員到達指定地點并完成任務。

3.3 通信系統(tǒng)設計

在通信系統(tǒng)的設計中，采用的方案為架設一套專用的局域網，局域網的初始端為系統(tǒng)中最前端的傳感器，為了提高信號的抗干擾性，可以應用光纖線纜進行信息傳遞，將井下的實時信號傳遞到計算機控制系統(tǒng)中，并由計算機對傳感器獲取的信號進行對比和分析。通信系統(tǒng)分為井下的有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)兩種。有線通信用于井上下語音通話，大巷信號傳輸等；在一些特殊的工作區(qū)域可以應用無線通信設備，根據信號的強弱，來確定無線信號設備的數量，最大程度地提高信號的傳播效果。

3.4 控制系統(tǒng)設計

在瓦斯事故監(jiān)控預警系統(tǒng)中，能夠實現(xiàn)對一些電氣設備的控制，主要為井下通風系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中設置瓦斯含量的安全值，對井下的實時瓦斯含量數據與標準值進行比較，當發(fā)現(xiàn)瓦斯含量超出標準時，系統(tǒng)發(fā)出排氣設備的運行信號，以改善井下的空氣環(huán)境。在該系統(tǒng)的設計中，可以應用PID系統(tǒng)進行控制，該系統(tǒng)能夠發(fā)揮對作用信號的放大效果，同時也擁有較高的抗干擾性，能夠滿足井下復雜多變的環(huán)境[3]。

為了能夠對整個系統(tǒng)進行持續(xù)完善，需要建設數據庫系統(tǒng)，數據中涵蓋的信息包括不同時間段內井下不同區(qū)域的瓦斯含量，該項數據能夠為技術人員了解當前井下瓦斯控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，同時能夠記錄井下工作人員數量和工作人員的基本信息。數據庫系統(tǒng)建設還需要考慮數據庫信息的安全性，如架構ACCESS數據庫有很高的易操作性，并且有很高的安全保障能力。

4 結 語

綜上所述，煤礦瓦斯事故監(jiān)控預警系統(tǒng)需要將整個系統(tǒng)分為應用層、感知層和傳輸層，在具體的設計中，內容包括控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、人員管理系統(tǒng)和瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，同時應用相關技術對傳感器和人員的位置進行準確定位，從而確定各個區(qū)域的瓦斯含量和工作人員分布情況，當遇到瓦斯超限或瓦斯事故中提前預警，為井下作業(yè)人員提供安全保障，也為礦井災害預防提供重要支撐。