同忻煤礦工作面的安全監(jiān)控系統(tǒng)改造設(shè)計

高 龍

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)信息化中心，山西 大同 037003)

0 引 言

煤礦行業(yè)安全生產(chǎn)事故的發(fā)生率逐年增多。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是促進(jìn)煤礦安全綜合管理六大系統(tǒng)建設(shè)，快速健康發(fā)展的首要條件[1]。加強(qiáng)煤礦井下瓦斯安全管理，有效遏制重特大瓦斯事故的發(fā)生，預(yù)防瓦斯爆炸危險，及時準(zhǔn)確地反映井下各監(jiān)測點的環(huán)境參數(shù)及主要設(shè)備運行狀況，實現(xiàn)對危害的早期預(yù)測和預(yù)報是重要的考核目標(biāo)和任務(wù)。尤其是一旦發(fā)現(xiàn)有瓦斯超限要立刻發(fā)出聲光報警，進(jìn)行風(fēng)、電、瓦斯閉鎖，要確保礦井正常生產(chǎn)、人身安全以及設(shè)備的正常運行，滿足綜合調(diào)度對環(huán)境安全、采掘設(shè)備、供電系統(tǒng)等有關(guān)信息實時、全面、準(zhǔn)確、可靠的管理要求，因此有效發(fā)揮煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)高效、安全生產(chǎn)等方面的作用意義重大。當(dāng)前安全監(jiān)控系統(tǒng)傳感器采用頻率量模擬信號傳輸，頻率信號在傳輸過程中容易受到井下大型機(jī)電設(shè)備、變頻器等設(shè)備的電磁干擾而產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤傳和誤報警等問題，對井下作業(yè)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

根據(jù)國家煤礦安監(jiān)局關(guān)于印發(fā)“煤安監(jiān)函[2016]5 號”通知的要求，對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行全面升級改進(jìn)勢在必行。以同忻煤礦工作面為分析對象，從總體方案及關(guān)鍵分系統(tǒng)角度出發(fā)，提出了工作面中安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造設(shè)計方案，并將該系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用測試，驗證了系統(tǒng)的可靠性及安全性，整個監(jiān)控系統(tǒng)的智能化程度達(dá)到了預(yù)期效果，對提高工作面的智能化程度及作業(yè)安全性具有重要意義。

1 現(xiàn)狀及改造分析

同忻煤礦工作面目前采用的是KJ86N 型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)于多年前安裝調(diào)試完成使用至今，系統(tǒng)隨著礦井巷道的延伸及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的不斷累積，加上傳感器使用多年的老化，產(chǎn)品的使用時限、環(huán)境、壽命及返修等原因，部分傳感器，會出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、誤報警等現(xiàn)象，已不能對井下各監(jiān)測點的環(huán)境參數(shù)及主要設(shè)備運行狀況實時監(jiān)控、不能對危害的早期預(yù)測和預(yù)報提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，影響安全生產(chǎn)[2]。同時，系統(tǒng)中傳感器采用頻率量模擬信號傳輸，頻率信號在傳輸過程中容易受到井下大型機(jī)電設(shè)備、變頻器等設(shè)備的電磁干擾產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤傳和誤報警等問題，對井下作業(yè)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。目前所使用設(shè)備的數(shù)量和穩(wěn)定性無法滿足礦井安全生產(chǎn)驗收需要，存在系統(tǒng)容量不足及系統(tǒng)滯慢等問題。 此次安全監(jiān)控系統(tǒng)改造重點如下[3]。

(1) 在分站至中心站數(shù)字化傳輸?shù)幕A(chǔ)上，將傳感器(模擬量)至分站升級為數(shù)字傳輸，實現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化，促進(jìn)智能傳感器發(fā)展”，部分傳感器與分站(2016 年前生產(chǎn))采用頻率或電流信號傳輸數(shù)據(jù)的升級為數(shù)字傳輸。

(2) 升級使用架構(gòu)簡單系統(tǒng)以及激光、紅外等低功耗傳感器、自診斷型傳感器，鼓勵使用多參數(shù)傳感器?！保Y(jié)合現(xiàn)場實際情況進(jìn)行升級。

(3) 實現(xiàn)井下有線和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)融合，監(jiān)測監(jiān)控與 GIS 技術(shù)的有機(jī)融合。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。在地面統(tǒng)一平臺上必須融合的系統(tǒng)：環(huán)境監(jiān)測、人員定位、應(yīng)急廣播，如有供電監(jiān)控系統(tǒng)，也應(yīng)融入。其它可考慮融合的系統(tǒng)：視頻監(jiān)測、無線通信、設(shè)備監(jiān)測、車輛監(jiān)測等”，監(jiān)控系統(tǒng)增加多網(wǎng)、多系統(tǒng)融合功能并融合 GIS。

(4) 系統(tǒng)需實現(xiàn)內(nèi)部系統(tǒng)中定期的自診斷、自評估，能夠預(yù)先發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在安裝使用中存在的問題，完成安全監(jiān)控系統(tǒng)升級自診斷功能。

2 設(shè)計方案及要求

結(jié)合同忻煤礦工中現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)問題，升級改造設(shè)計了KJ70X 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。升級后的監(jiān)控系統(tǒng)以《煤礦安全規(guī)程》為依據(jù)，確定系統(tǒng)改造點包括：地面中心站升級改造、傳輸信道改造及井下改造工程等方面的改造，通過設(shè)置各類傳感器元器件，可采集瓦斯、風(fēng)速、負(fù)壓、溫度、一氧化碳、煙霧、風(fēng)門開關(guān)等環(huán)境參數(shù)，也可監(jiān)測煤倉煤位、水倉水位、壓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓、箕斗計數(shù)、各種機(jī)電設(shè)備開停等生產(chǎn)參數(shù)以及膠帶跑偏、膠帶速度，軸承溫度、機(jī)頭堆煤等各種機(jī)電設(shè)備的運行情況[4]。同時，設(shè)備開停、供電狀態(tài)等生產(chǎn)參數(shù)，可以控制設(shè)備的通、斷電，是煤礦安全生產(chǎn)的必備設(shè)備。該系統(tǒng)兼容多種分站，配置 128 臺監(jiān)控分站，通過光纖、雙絞線、電話線等多種數(shù)據(jù)傳輸模式。網(wǎng)絡(luò)傳輸速度及成本與采用的傳輸煤介有關(guān)。光纖適合高速、高流量、長距離傳輸，成本較高；雙絞線一般用于內(nèi)部局域網(wǎng)。另外，在中心站配了 UPS 電源，當(dāng)交流電源停電時，UPS 電源應(yīng)能保證中心站設(shè)備持續(xù)工作時間不小于10 h，整個系統(tǒng)容量達(dá)到了單通道允許接入的分站數(shù)量為 128 臺。在電網(wǎng)停電后，系統(tǒng)應(yīng)具有備用電源功能，地面中心站備用電源在系統(tǒng)電網(wǎng)停電后應(yīng)保證中心站設(shè)備正常工作不小于 4 h，井下后備電源供電在系統(tǒng)電網(wǎng)停電后應(yīng)保證系統(tǒng)井下設(shè)備正常工作不小于 4 h。整套系統(tǒng)精度相對較高，具有較強(qiáng)的使用壽命，能更好的適用于同忻煤礦的安全監(jiān)控。

3 安全監(jiān)控系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備匹配設(shè)計

3.1 監(jiān)控分站匹配設(shè)計

在該安全監(jiān)控系統(tǒng)中匹配設(shè)計了一套KJ770-F2(A)礦用本安型監(jiān)控分站(以下簡稱分站)，該分站是一種礦用數(shù)據(jù)信息采集和控制裝置，屬本質(zhì)安全型設(shè)備。其額定工作電壓為DC18 V，工作電流≤550 mA，監(jiān)控分站中設(shè)置了3路RS485端口；監(jiān)控分站到傳感器、斷電器、聲光報警器為2 km，到 485 通訊傳感器為6 km，到數(shù)據(jù)傳輸接口為10 km；最大監(jiān)控容量設(shè)置為16 路的信號輸入(頻率量信號/開關(guān)量信號互換、RS485 型數(shù)字信號輸)，直流供電電壓在(9～24)V 范圍內(nèi)波動時，分站能正常工作，防護(hù)等級達(dá)到了IP65。該分站是 KJ70X 監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分之一，分站操作簡單，使用方便，同時能夠兼容國內(nèi)多個廠家的傳感器。

3.2 礦用紅外二氧化碳傳感器

為更好實現(xiàn)對礦井中二氧化碳濃度的實時監(jiān)測，在該安全監(jiān)控系統(tǒng)中匹配設(shè)計了GRG5H 型礦用紅外二氧化碳傳感器。該儀器為Exibd I防爆型式，供電電壓為DC 9～24 V，對二氧化碳濃度的基本檢測誤差在±0.3%左右，響應(yīng)時間為30 s范圍內(nèi)，報警點可任意設(shè)置，出廠報警點設(shè)置為1.0%，斷電點：任意設(shè)置出廠斷電點設(shè)置為 1.5%，斷電輸出高電平狀態(tài)，拉出電流為 2mA 時的電壓≥3 V，低電平輸出狀態(tài)時的電壓<0.5 V。該儀器主要用于檢測煤礦井下空氣中的二氧化碳含量[5]，是一種智能型檢測儀表，具有自動標(biāo)定、自帶溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?，且所有功能均可用遙控器來實現(xiàn)，具有精度高、穩(wěn)定可靠、使用方便等優(yōu)點，能更好的適用于井下環(huán)境中的二氧化碳濃度檢測。

3.3 綜合安全監(jiān)控聯(lián)動三維平臺設(shè)計

為更加根據(jù)直觀、形象的對井下工作面中環(huán)境進(jìn)行實時顯示，設(shè)計了一個綜合安全監(jiān)控聯(lián)動三維平臺，該平臺為一款礦井融合系統(tǒng)，結(jié)合了最新的三維虛擬仿真技術(shù)和 GIS 技術(shù)，將環(huán)境監(jiān)測、人員定位以及視頻、廣播、提升機(jī)、水泵等子系統(tǒng)，通過各個監(jiān)控子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫或文件上傳的方式融合在一個畫面中，并提供方便、易用的操作界面。其顯示界面圖如圖1所示。

圖1 綜合安全監(jiān)控聯(lián)動三維平臺界面圖

4 改造監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

為進(jìn)一步驗證改造后的安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，在忻煤礦工作面中進(jìn)行了實際應(yīng)用測試。測試過程中，整套系統(tǒng)運行良好、穩(wěn)定，能實現(xiàn)對礦井中各類參數(shù)的實時監(jiān)測顯示，并對人員的行動軌跡及作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行實時在線跟蹤，監(jiān)測精度相對較高。同時，對礦井中瓦斯?jié)舛却笮　⑼咚钩蕹掷m(xù)時間、瓦斯超限范圍等，設(shè)置不同的報警級別(響度或頻度)，實施分級響應(yīng)，操作人員根據(jù)井下參數(shù)設(shè)備運行情況進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制。根據(jù)巷道布置及瓦斯涌出等的內(nèi)在邏輯關(guān)系，實施了邏輯報警，確保各類傳感器的正確安裝、設(shè)置、維護(hù)及監(jiān)控系統(tǒng)的正常使用，有效防止違法行為。另外，在瓦斯超限、斷電等需立即撤人的緊急情況下，通過上位機(jī)監(jiān)控可發(fā)出相關(guān)的報警信息與應(yīng)急廣播、通信、人員定位、灑水降塵、礦壓、微震等系統(tǒng)應(yīng)急聯(lián)動指示，通過發(fā)出緊急報警信息給第三方軟件，在緊急情況下調(diào)出相應(yīng)井下區(qū)域的監(jiān)控視頻畫面。應(yīng)用前后技術(shù)狀態(tài)對比如表1所列，監(jiān)控系統(tǒng)的顯示界面如圖2所示。

表1 應(yīng)用前后技術(shù)狀態(tài)對比

圖2 安全監(jiān)控系統(tǒng)顯示界面圖

5 結(jié) 語

依據(jù)先進(jìn)的自動化技術(shù)，不斷實現(xiàn)對當(dāng)前煤礦工作面中安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級改進(jìn)設(shè)計，是實現(xiàn)智能化礦山建設(shè)、提高工作面智能化程度的重要發(fā)展方向。為此，結(jié)合同忻煤礦工作面中安全監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)前特點，開展了KJ70X 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)改造設(shè)計，并對該系統(tǒng)中的監(jiān)控分站、關(guān)鍵儀器及綜合安全監(jiān)控聯(lián)動三維平臺等方面進(jìn)行重點分析研究；通過將該安全監(jiān)控系統(tǒng)在同忻煤礦中進(jìn)行應(yīng)用測試，得出該安全監(jiān)控系統(tǒng)運行良好，各項監(jiān)測精度相對較高，能實現(xiàn)對工作面中人員、設(shè)備運行狀態(tài)等多方面的遠(yuǎn)程監(jiān)測及應(yīng)急聯(lián)動控制，所顯示及控制功能相對全面，有效提高了工作面的監(jiān)控能力及作業(yè)安全性，實現(xiàn)了整個工作面的智能化遠(yuǎn)程控制能力，為煤礦安全生產(chǎn)、降低成本提供了有效保障。