煤礦安全監控系統研發與應用

姚永輝

煤礦安全一直我國安全生產工作的重中之重，隨著科技的增強，新裝備、新工藝為煤礦提供了大量裝備。2010年，《國務院關于進一步加強企業安全生產工作的通知》要求，各地煤礦在3年內完成“監測監控、人員定位、緊急避險、供水施救、壓風自救和通信聯絡”緊急避險“六大系統”的安裝，并納入重點監察范疇。以上措施的執行，使得我國煤礦的安全生產形勢逐年好轉，事故起數、死亡人數、百萬噸死亡率均大幅下降。但由于我國煤礦基數大、地域分散、地質結構復雜、技術水平參差不齊等，安全水平與世界其他主要產煤國相比仍有一定差距。

“六大系統”中的安全監控系統，是指傳感器技術、信息傳輸技術、計算機技術、電氣防爆技術和控制技術，在煤礦安全生產監控領域的綜合應用，可以對礦井瓦斯、一氧化碳、溫度等環境參數，以及對礦井生產、運輸、提升、排水等環節的機電設備的工作狀態進行監測和控制，用計算機分析處理、取得數據，并實現自動報警、斷電和閉鎖，防止事故的發生或擴大，為各級生產指揮部門提供現場資料，便于提前采取防范措施。

研發現狀

隨著電子技術及計算機控制技術的發展，目前國內已有60余家生產企業及科研機構，研發了多個型號的煤礦安全生產監控系統產品，并基本上由早期的單計算機監控，發展成了網絡化監測監控，安全監控技術有了長足發展，系統得到了推廣應用。但其技術瓶頸也日益顯現，主要表現在以下幾個方面。

煤礦安全監控系統網絡結構可靠性不高。現有監控系統主要采用主從式通信結構，數據傳輸速率低和冗余差，極易發生數據傳輸中斷，無法實現設備間互聯互控、危險區域快速控制；監控系統設備數字化程度不高，尤其是傳感器采用模擬傳輸技術，不能實現傳感器工作狀態識別及故障判斷，造成監測數據可靠性差。

煤礦安全監控系統抗電磁干擾能力差。井下電磁環境惡劣，抗電磁干擾技術還不成熟，對井下干擾源種類、等級及耦合途徑研究不夠充分，井下抗電磁干擾相關標準不易執行，導致監控設備抗電磁干擾能力差，極易使數據混亂，經常產生“冒大數”、誤報警、誤斷電現象，甚至造成系統癱瘓。

災害預警手段不完善。現有系統實現了瓦斯超限報警斷電，部分實現了瓦斯災害的預警處置，但對其他災害還缺乏預警手段，應充分利用監控信息資源，完善礦井災害的超前預測預報。

鑒于以上情況，在“十一五”期間，煤炭科學研究總院對煤礦安全監控系統網絡結構可靠性及抗干擾技術進行了研究，并列入國家科技支撐計劃項目，形成了新一代的煤礦安全生產監控系統及系列產品，該項目也被國家安全生產監管總局列為第一批安全科技“四個一批”項目之一。

研究過程

該項目通過研究工業以太網等網絡集成技術、開放式總線傳輸，以及多環冗余、系統通信故障自診斷、電磁兼容（EMC）、井下電網故障在線診斷、網絡結構中終端設備對等通信及互控等技術，研發了具備通信網絡冗余、對等通信、通信故障隔離、滿足電磁兼容等要求的煤礦安全生產監控系統，系統典型應用結構圖如圖1、圖2所示。同時還配套研制出煤礦井下電網故障監測、故障識別、故障控制設備。通過項目研究，形成了4項技術。

設備狀態自識別技術

網絡終端設備（傳感器）采用控制器局域網絡（CAN總線通信），通過利用沖突檢測方法，結合自識別軟件協議及軟件防沖突技術，避免了通信鏈路的數據堵塞、沖突、鏈路掛機等故障，解決了傳感器互換產生的偽數據等現象，實現了傳感器狀態自識別、數據自動上傳、故障自診斷等功能。其數據傳輸的實時性、可靠性，比目前傳統的200-1000HZ模擬信號傳輸有了很大提高。

抗電磁干擾技術

通過對監控系統易受干擾的場所進行研究，項目組發現煤礦井下脈沖群干擾強度在標準500V等級以上、煤礦井下浪涌干擾強度在標準1400V等級以上時，煤礦井下靜電干擾源與電磁輻射干擾源強度較小。根據干擾源的耦合特性，項目組對煤礦監控設備電源及信號端口，進行了兩級抗干擾保護設計。目前，該技術已經應用到礦用本安分站、低壓電網監測分站、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壓電源中。

對等通信技術

網絡終端設備（分站）采用總線通信技術及對等通信協議，解決了煤礦井下分站布點非線性的結構，有效地避免了由于通信鏈路復雜、阻抗不匹配，造成的通信狀態不穩定的問題，實現了分站間對等通信功能，提高了分站間互聯互控的響應時間，異地控制時間縮短到5s以內，提高了系統的可靠性及異地控制響應的實時性。

低壓電網故障監測技術

礦井低壓電網監測分站，采用附加低頻信號的檢測方法，通過建立切合礦井實際的電纜絕緣檢測數學模型和仿真模型，實現了井下低壓電網漏電故障監測及故障區域判斷。

成果轉化及應用情況

煤礦安全生產監控系統，發揮了治理隱患防范事故的作用，保障了煤礦的安全生產；相關安全標準的制定和強制執行，規范了煤礦安全監控系統相關產品；采用適合煤礦井下惡劣環境的礦井工業以太環網+現場總線技術，構建了井下信息傳輸基礎平臺，能接入各種子系統，實現了煤礦安全生產快速聯動及災害預警；研發的新型傳感器技術、抗電磁干擾技術，提高了監控系統的運行可靠性；研發的重大災害聯動預警技術，利用監控數據的分析融合，為科學處置事故災害提供了決策依據。

科學研究的關鍵，在于成果轉化。針對項目目標及現場急需解決的問題，通過近3年的攻關，煤炭科學研究總院完成了14種配套產品的開發，形成了新一代高可靠安全監控系統，通過了國家質量監督檢驗中心的性能測試，取得了安全標志證書。研發的產品包括：礦用隔爆兼本質安全型數據交換裝置、礦用本安型信號轉換器、礦用隔爆兼本安型直流穩壓電源、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視器、煤礦用風門開閉狀態傳感器、煤礦用溫度傳感器、煤礦用負壓傳感器、礦用水位傳感器等。

項目完成后，煤炭科學研究總院在山西天地王坡煤業有限公司，進行了應用示范。2010年12月，由煤炭科學研究總院和山西天地王坡煤業有限公司共同規劃示范礦井的建設工作，2011年9月完成地面中心站的建設，同時完成井下線纜的敷設。2012年1月，在王坡煤礦井下3215掘進面，3208、3201綜采工作面，以及井下變電所等地，安裝了100余臺各類傳感器等設備。項目組在井下，還先后進行了系統性能穩定性、快速異地斷電、多環冗余、傳感器狀態自識別等試驗，試驗結果符合預期要求，與檢驗單位的檢驗結果一致。截止到2014年1月，系統可靠穩定運行，狀態良好，沒有出現通信中斷、傳感器數值“冒大數”等現象。

此后，該系統還在內蒙古李家塔煤礦、湖煤集團塘沖煤礦、江西天河煤礦、山東滕州泉上煤礦等多個煤礦得到了應用，效果良好。

技術發展趨勢

聯動控制技術。由瓦斯災害預警系統觸發聯動事件，當預測到有危險時，可通過異常聯動功能，實現各系統間的聯動控制。

重大災害預警技術。現有系統能夠實現瓦斯超限報警斷電，部分實現了瓦斯災害的預警處置，但對于其他災害還缺乏預警手段，下一步還應充分利用監控信息資源，完善礦井災害的超前預測預報。

新型傳感器技術。推廣數字式傳感器，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，提高傳感器穩定性；研發光敏傳感技術實現饋電狀態檢測，并將斷電控制及饋電狀態監測功能有機結合，實現斷電的可靠控制；集成化多功能智能傳感器；傳感器與多學科交叉融合，推動無線礦用傳感器網絡的發展，實現監測范圍最大化，接入井下無線寬帶通信網絡，實現通信鏈路雙冗余，提高監控系統可靠性；研發傳感器低功耗與本質安全長距離技術。

編輯 楊 璇