煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)技術現(xiàn)狀及智能化發(fā)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(jiān)控系統(tǒng)，在防范和減少煤礦重特大事故方面發(fā)揮了重要的監(jiān)控、預警作用，是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障[1-5]。隨著信息化、智能化技術的不斷發(fā)展，國家煤礦安全監(jiān)察局于2016年12月印發(fā)了《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術方案》，要求提高煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)準確性、可靠性、穩(wěn)定性和易維護性等[6]。2019年8月12日，國家應急管理部發(fā)布了AQ 6201—2019《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術要求》，明確了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)技術指標和功能要求，指明了系統(tǒng)智能化發(fā)展的方向。

為了更好地分析煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術的發(fā)展方向，把握未來智能化礦山時代監(jiān)測監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)升級改造的成果和存在的問題[7-10]，并提出煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)智能化發(fā)展的要求和發(fā)展趨勢，旨在為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)智能化研究提供參考。

1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造后技術現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)在可靠性、穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)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(shù)礦井在“十三五”期間根據(jù)升級改造內容要求，對系統(tǒng)進行了建設與升級，并達到了驗收標準。

1.1 傳感層技術現(xiàn)狀

針對傳感器存在的誤報、瞬間大值、漏報、失效等相關穩(wěn)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(huán)境下傳感器核心元件、測量電路等部件受水汽影響產(chǎn)生瞬態(tài)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(huán)境惡劣，傳感器及傳輸線路在強電磁干擾下，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)混亂、通信中斷、設備無法工作等現(xiàn)象，將傳感器輸出接口升級為標準的RS485/CAN總線數(shù)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(wěn)定性和可靠性。

通過標準數(shù)字化通訊接口，傳感器實現(xiàn)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(xiàn)了分級報警，根據(jù)瓦斯?jié)舛却笮?、瓦斯超限持續(xù)時間、瓦斯超限范圍等，設置實現(xiàn)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(xiàn)了電纜末端電壓監(jiān)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(xiàn)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(xiàn)激光甲烷傳感器的濃度校正，保障其長期工作的穩(wěn)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(xiàn)正、反向0.0～15.0 m/s和誤差 ±0.2 m/s 的風速測量，實現(xiàn)了正向、反向風速的統(tǒng)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(xiàn)了甲烷全量程檢測；采用內置天線，具有ZigBee無線自組網(wǎng)功能；有線/無線配置靈活，通過無線信號轉換器將數(shù)據(jù)接入分站；內置8.5 A·h電池，保障甲烷監(jiān)測連續(xù)工作時間大于15 d和溫度、一氧化碳監(jiān)測連續(xù)工作時間大于 30 d。

1.2 傳輸層技術現(xiàn)狀

總線型分站基于ARM平臺處理開發(fā)，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(wǎng)電口及光口輸出，同時具有數(shù)據(jù)分析處理、報警及快速控制等功能。

目前，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)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(shù)字化傳感器數(shù)據(jù)(1路為主通信，1路采集電源及抽放數(shù)據(jù)，1路備用)、1路以太網(wǎng)電口、2路以太網(wǎng)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(xiàn)，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(shù)據(jù)分析能力，實現(xiàn)瓦斯突出報警。

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

區(qū)域協(xié)同控制器采用嵌入式高速處理系統(tǒng)，本安設計，實現(xiàn)井下有線、無線的集中采集、轉換處理。根據(jù)用戶設置，對監(jiān)測的人員、設備運轉、環(huán)境參數(shù)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(shù)據(jù)接口，兼具交換機功能。

系列交換機支持環(huán)型和冗余耦合、環(huán)網(wǎng)相切、星型等多種復雜網(wǎng)絡拓撲結構。網(wǎng)絡重組時間不大于20 ms，環(huán)網(wǎng)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(xù)航時間；電源后備電池續(xù)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(xiàn)狀

傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)在軟件功能上主要有實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、模擬量日報查詢和有計劃的控制設備等。監(jiān)控系統(tǒng)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?；谕咚?jié)舛?、瓦斯?jié)舛茸兓取⑼咚钩蕹掷m(xù)時間、影響范圍等，制訂不同的邏輯報警斷電機制，實現(xiàn)了分級分區(qū)報警和區(qū)域斷電。

2)實現(xiàn)了多網(wǎng)、多系統(tǒng)融合。井下融合涉及硬件數(shù)量改造多、成本高，升級后的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要采用地面融合方式進行，即在不改變原有各自系統(tǒng)運行方式的前提下，構建融合層，通過數(shù)據(jù)庫技術和WebAPI等技術實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、應急廣播等系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享交互和命令下發(fā)執(zhí)行。同時，使用GIS技術實現(xiàn)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一展現(xiàn)。

3)實現(xiàn)了系統(tǒng)自診斷、自評估等數(shù)據(jù)分析功能?；贏Q 6201—2019《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術要求》和《煤礦安全規(guī)程》等法律法規(guī)及標準規(guī)范，從監(jiān)控系統(tǒng)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(shù)據(jù)關聯(lián)分析等對監(jiān)控系統(tǒng)的安裝情況、配置合規(guī)性、控饋一致性進行動態(tài)自診斷，確?！斑\行可靠、監(jiān)控有效”。

4)實現(xiàn)了應急聯(lián)動功能。在實現(xiàn)多系統(tǒng)與GIS有機融合的基礎上，監(jiān)控系統(tǒng)中心站實現(xiàn)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(jiān)測等系統(tǒng)進行應急聯(lián)動。

2 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)智能化發(fā)展要求

AQ 6201—2019《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術要求》對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)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(xiàn)全覆蓋?，F(xiàn)有的傳感器采樣監(jiān)測基于離散點模式，對關鍵區(qū)域監(jiān)測未能實現(xiàn)全覆蓋。要求傳感器實現(xiàn)工作狀態(tài)自診斷，促進各類傳感器的正確安裝、設置、維護，防止違規(guī)行為。

2)多系統(tǒng)融合方式。要求多系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)采用井下融合方式。

3)增加自診斷、自評估功能。要能實現(xiàn)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)定期的自診斷、自評估，能夠預先發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)智能化發(fā)展趨勢

智能化礦山建設對安全監(jiān)控系統(tǒng)的感知、傳輸、數(shù)據(jù)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(tǒng)數(shù)據(jù)應用分析 3個方面的發(fā)展進行探索。

3.1 新型傳感技術及智能化發(fā)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(jiān)測點布置數(shù)量少，瓦斯涌出采樣數(shù)據(jù)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(xiàn)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(wěn)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(jiān)測裝置如圖1所示，可實現(xiàn) 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(xiàn)了工作面區(qū)域瓦斯涌出同步實時監(jiān)測，獲得區(qū)域瓦斯動態(tài)分布圖，能顯著提高瓦斯突出預警監(jiān)測能力。

2)高分辨率激光痕量檢測技術

針對采空區(qū)自然發(fā)火束管監(jiān)測系統(tǒng)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(fā)CO、 C2H4、 C2H2本質安全型在線監(jiān)測傳感器，實現(xiàn)采空區(qū)發(fā)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(qū)火災感知及防控響應時間。同時，該技術還可用于環(huán)境CO檢測，解決傳統(tǒng)電化學應用中存在的交叉干擾、穩(wěn)定性差等問題。

3)超聲波時差法斷面風速監(jiān)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(wǎng)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(jiān)測方式易導致風量計算誤差較大，且存在下限測量盲區(qū)(<0.3 m/s)，難以滿足智能通風系統(tǒng)建設的需求?；诔暡〞r差法可實現(xiàn)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(wěn)定、精確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。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(shù)字化技術對傳感器身份(包括型號、軟硬件版本、生產(chǎn)日期、出廠編號等)、工作狀態(tài)等進行信息監(jiān)測(包括多維監(jiān)測信息、調校操作信息、供電狀態(tài)信息、故障診斷信息等)，實現(xiàn)傳感設備的全生命周期管理、預知維護等。通過增加動態(tài)感知芯片，實現(xiàn)傳感器安裝位置變化、人為移動、跌落等多維信息的遠程監(jiān)測。

正確安裝設置傳感器是保障安全監(jiān)控數(shù)據(jù)有效和合規(guī)的重要判據(jù)。鑒于煤礦井下受限空間特性，傳統(tǒng)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(qū)位置定位，而且不依賴特定定位系統(tǒng)。基于該技術的傳感器可實現(xiàn)遠程安裝位置及位置變動情況的實時在線監(jiān)測，為評估監(jiān)控設備安裝是否到位、管理是否規(guī)范等提供基礎數(shù)據(jù)。

3.2 新型供電傳輸采集技術發(fā)展

1)分布式供電及共纜透傳技術

監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)有監(jiān)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(xiàn)大范圍分布式監(jiān)測與控制，存在較大的感知盲區(qū)。

通過對低頻調制輸出、負載動態(tài)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(tǒng)突破傳統(tǒng)集中供電系統(tǒng)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(xiàn)煤礦井下本安供電系統(tǒng)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(tǒng)結合電力載波傳輸技術，可實現(xiàn)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(qū)域的傳感器、無線基站等可通過電能拾取裝置實現(xiàn)供電，并通過透明傳輸網(wǎng)關實現(xiàn)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(shù)據(jù)發(fā)送到區(qū)域協(xié)同控制器。

區(qū)域協(xié)同控制器可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、解析、就地交互及協(xié)同控制等核心功能；透明傳輸網(wǎng)關融合ZigBee、6LoWPAN、WiFi、RS485、CAN等多種制式信號，可實現(xiàn)智能路由、融合傳輸，完成聯(lián)調工作；無線基站及節(jié)點具備ZigBee、6LoWPAN、WiFi無線自組網(wǎng)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(xiàn)井下系統(tǒng)大融合。數(shù)據(jù)是各類分析與智能應用的基石，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)融合方式主要是在各系統(tǒng)之上構建融合層，由廠家提供數(shù)據(jù)接口進行有限數(shù)據(jù)的交互，該方式中間環(huán)節(jié)多，延時長，數(shù)據(jù)重復存儲，亟需構建一體化采集平臺，規(guī)范并公開底層設備協(xié)議，直接從設備端獲取數(shù)據(jù)。

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)應用分析趨勢

1)監(jiān)測數(shù)據(jù)深度挖掘與分析利用

現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)軟件亟需通過大數(shù)據(jù)分析技術建立數(shù)學模型，從不同維度揭示瓦斯涌出等各種異常在監(jiān)測數(shù)據(jù)上的表征規(guī)律，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用由事后處置向事前預警轉變[18]。

根據(jù)分布式多點激光甲烷監(jiān)測裝置同步測量的瓦斯?jié)舛?、風速和溫度3類傳感器的歷史數(shù)據(jù)，建立描述瓦斯涌出量在一定時間和空間內變化發(fā)展的動態(tài)模型，反映瓦斯涌出量的變化規(guī)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(shù)據(jù)進行分析，建立實現(xiàn)區(qū)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(jiān)測的煤自燃特征氣體數(shù)據(jù)，建立煤自燃預警模型[20]。

2)實現(xiàn)與生產(chǎn)系統(tǒng)的協(xié)同管控

現(xiàn)階段的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)未能實現(xiàn)與生產(chǎn)系統(tǒng)的協(xié)同，各種無計劃斷電停產(chǎn)導致生產(chǎn)不連續(xù)，安全與生產(chǎn)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(xié)同智能控制減少或避免瓦斯超限，實現(xiàn)安全可控條件下的連續(xù)生產(chǎn)，切實發(fā)揮安全措施服務生產(chǎn)的作用。

4 結論

1)根據(jù)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造的要求， 監(jiān)控系統(tǒng)升級改造大幅提高了系統(tǒng)的抗干擾、準確傳輸、多系統(tǒng)融合和自診斷等能力。

2)結合煤礦實際發(fā)展需求和最新的《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術要求》，指明了系統(tǒng)智能化發(fā)展方向為：傳感器智能化并實現(xiàn)全覆蓋，支持多網(wǎng)、多系統(tǒng)融合，增加自診斷、自評估功能，加強數(shù)據(jù)應用分析。

3)重點介紹了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)智能化發(fā)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(jiān)測數(shù)據(jù)深度挖掘與分析利用、生產(chǎn)協(xié)同管控等技術研究，引領監(jiān)控系統(tǒng)的智能化發(fā)展。