煤礦瓦斯網絡監控系統研究

郭改文，許 爽

(1.河南教育學院 信息技術系,鄭州 450046;2.中州大學 信息工程學院,鄭州 450044)

1 引言

瓦斯屬于易燃、易爆氣體，伴隨煤炭開采而突出。瓦斯爆炸嚴重威脅煤礦工人的安全和煤礦安全生產，瓦斯災害成為煤礦常見的四大災害之一，它不僅造成了國家財產損失，還經常導致大量的人員傷亡，是世界各采煤國研究和預防的重點[1]。煤炭是我國的基礎能源，煤炭行業屬于事故多發行業，我國統配煤礦總數的46%是高瓦斯含量的礦井，瓦斯爆炸是第一大煤礦災難。

瓦斯燃燒、爆炸的發生要具備 3個條件：(1)瓦斯達到一定濃度：一般情況下瓦斯爆炸濃度為5%～16%，瓦斯濃度低于5%燃燒、大于16%既不燃燒也不爆炸；(2)充足的氧氣：氧氣濃度大于12% ；(3)高溫火源：溫度高于650～750℃[2]。

《煤礦安全規程》規定空氣中氧氣濃度不能低于20%。為了保證煤礦正常生產，需要及時掌握瓦斯的濃度，那么如何準確監測井下瓦斯狀況，并及時把數據輸送到地面監測系統，進行有效分析，防患于未然，必須加大瓦斯監控系統和瓦斯檢測傳感器的研究工作。

2 煤礦瓦斯監控的現狀

2.1 煤礦監控系統的需求

煤礦安全監測技術發展迅速，系統綜合自動、人機交互界面簡單、各種技術先進。防止煤礦瓦斯事故的瓦斯監測監控系統，是利用先進技術手段設計而成，在煤礦安全生產上有較大的作用。由于瓦斯安全監控系統，把科技技術手段引入傳統的管理模式，成為預防瓦斯事故發生的最有效方法，為各級管理人員對煤礦安全生產的監管提供了及時的數據和快捷的平臺[3]。瓦斯監控系統可監測井下瓦斯的活動情況，對于確保煤礦安全生產有著非常重大的社會與經濟意義。瓦斯監控系統中采集、存儲的井下環境參數是事故發生后確定事故原因最基本、最真實的資料，可用于判斷事故的性質及責任級，因此，瓦斯監控系統應保證監控數據的真實性，防止數據被隨意讀取或篡改[4]。

《煤礦安全規程》158條：高瓦斯礦井，煤與瓦斯突出礦井，必須裝備礦井安全監控系統。沒有裝備安全監測監控系統的礦井煤巷和有瓦斯涌出的巖巷掘進面，必須要安裝甲烷風電閉鎖裝置或甲烷斷電儀或風電閉鎖裝置；無瓦斯涌出的巖巷掘進工作面，必須裝備風電閉鎖裝置；礦井采煤工作面，必須裝備甲烷斷電儀[5]。規程明確規定了煤礦井下生產區域，在各種情況下監測監控裝備的最低配置水平。

2.2 我國煤礦監控的現狀

我國煤礦監測監控技術應用較晚，起步于上世紀六十年代初，那時對煤礦瓦斯監測技術已進行研究，但到七十年代末，還沒有取得大的進展，其代表產品是西安煤礦儀表廠的MJC-100煤礦集中監測系統和重慶煤礦安全儀器廠的AYJ-1型瓦斯遙測警報儀。隨著電子工業的發展，八十年代后期微型計算機被應用，我國從波蘭、法國、德國、英國和美國等引進了一些先進技術設備，煤礦瓦斯監測的技術水平才有所發展和提高。在消化、吸收先進經驗和技術情況下，結合我國煤礦的實際，先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92 等監控系統，在煤礦已大量使用。為煤礦安全生產和管理起到了十分重要的作用。在煤礦“以風定產，先抽后采，監測監控”十二字方針指導下，我國規定了高瓦斯或瓦斯突出礦井，必須裝備礦井監測監控系統。在市場競爭和需求的刺激下，生產廠家不斷提高產品質量和服務意識，極大推動了我國煤礦瓦斯安全監測監控系統的發展。

2.3 煤礦安監存在的問題

雖然我國在煤礦安全監控工作方面，取得了一定的成績，三分之二的國有煤礦，五千多處高瓦斯煤礦已裝備了瓦斯監測監控系統，但這些系統目前因維護不善而帶傷運行，已經普遍陳舊落后，瓦斯安全監控存在以下亟待解決的問題。

(1)系統數據的傳輸延遲、信號不穩、帶寬不足。雖然目前正在改進和完善，但數據的傳輸和分析自動化程度不夠，煤礦瓦斯濃度變化的數據不能及時監控和預警，煤礦瓦斯爆炸事故時有發生[6]。

(2)傳感器技術落后，穩定性還不能滿足用戶的需要，國產傳感器同國外同類產品相比還有很大差距，在使用壽命、調校周期、穩定性和可靠性方面要加強改進。

(3)由于缺乏統一的標準，現有廠家為了自身經濟利益，生產競爭無序，瓦斯專用監控系統采用各自的通信協議，通信協議不規范，相互不太兼容。信息傳輸系統的兼容性，制約了生產企業發展和礦井系統功能的擴充。另外，由于研發后勁和經費不足，技術支持能力不強，煤礦用戶的使用并不理想。

(4)由于缺乏專業技術人員，煤礦多數裝備不能正常使用和維護，現場管理和維護水平有待于加強。由于管理混亂，對系統配接的傳感器不能按規定時間進行調試、校正。

2.4 當前煤礦信息安全監控系統特點

(1)多數企業部分或完全具備國家要求的六大避險監控系統。

(2)各避險監控系統互為獨立，即每套系統都是垂直化管理維護。

(3)避險監控系統多為專人現場管理。

(4)煤礦安全生產報告須操作多個系統數據。

3 煤礦瓦斯監控系統設計

3.1 瓦斯監控系統的基本要求和功能

(1)煤礦井下瓦斯監控數據傳輸需要安全性和準確性

瓦斯監控系統的關鍵是建立安全可靠的數據傳輸系統，為了達到此目的，數據媒介采用專用光纖技術，配合一定的無線發射基站，使傳輸平臺能夠準確有效地控制各類信息。

(2)計算機網絡系統應該具有較好的穩定性

利用光纖線路互聯，傳輸數據具有誤碼率小、可靠性高的優點，能有效地保障數據傳輸的可靠性。利用本地的SDH(Synchronous Digital Hierarchy，同步數字系列)資源進行數據傳輸，光端機容量較大，將復接、線路傳輸及交換功能融為一體，并由統一網管系統操作，系統傳輸過程中的延時降低，可用性得到極大的提升，提高了系統的性能。

(3)瓦斯監控系統應具備可擴展性

煤礦井下瓦斯監控系統大多采用模塊化設計，可以靈活地配置接口模塊，保證瓦斯監控系統能夠靈活地和外部網絡聯接。

(4)煤礦瓦斯監控系統集中網管控制

煤礦瓦斯監控是基于計算機聯網的系統，需要擁有統一網管對系統內的設施和網絡進行維護，有利于遠端設施的帶內網管。

煤礦瓦斯監控系統應具備以下基本功能：

(1)準確獲取煤礦現場的瓦斯數據

煤礦瓦斯監控系統要求使用可靠的數據收集設備，且能把收集到的數據信息轉化為被計算機處理的數據方式，瓦斯傳感器獲得相應的瓦斯數據，是一種物理參數，選擇何種瓦斯傳感器，布置多少數量，應根據煤礦井下實際的工作特點來確定。

(2)瓦斯數據的預處理

煤礦井下瓦斯數據具有噪聲和其他氣體的數據，為獲得更有用的信息，需要進行預處理來消除數據的噪聲，當發生瓦斯突出時，伴隨有許多干擾因素，各因素的數據在單位上各有不同，所以要進行數據的預處理，再采取模式識別。

(3)確定閾值并提取數字量

通常情況下，當空氣中瓦斯的含量達到了5%～12%時，將產生爆炸，所以要依據空氣中含有瓦斯量的多少來選取閾值，閾值的選擇應該小于5%，煤礦瓦斯監控系統把不同瓦斯傳感器所獲得的瓦斯數據信息、閾值等對比分析，將數字量信號提取出來。

(4)分類決策判斷

將通過系統獲取的數據，用人工智能系統分析決策，獲得煤礦井下瓦斯比例是否超標的信息，提供給有關人員采取安全防護措施。

3.2 瓦斯監控系統的結構

煤礦瓦斯監控系統的結構是指系統中的分站與分站之間、分站與中心站之間的相互聯接關系。主要涉及井下瓦斯數據采集，井上、下數據傳輸、數據處理和提取決策信息，使用的設備依據煤礦自身特點，同一般的數字通信網絡相比，安全防爆才能保證系統的安全性和可靠性。系統的網絡結構應滿足：①設備要用防爆產品；②瓦斯傳感器分散分布、使用量大，配電適當采用復用方式，盡可能減少傳輸電纜用量；③設備具有抗電磁干擾能力，電磁干擾可能會產生電流，造成瓦斯爆炸；④當系統中某些分站發生故障時，系統具有抗故障能力，力求不影響整個系統的正常工作。系統采用總線式組網方式，其結構分為三部分：井下數據采集設備、無線信號及數據信息傳輸平臺、地面監測監控中心，結構布局如圖1所示。

圖1 煤礦瓦斯監控系統結構圖

3.3 瓦斯監控系統實現的功能

煤礦瓦斯監控系統的主要功能模塊包括以下內容，見圖2所示[7]：

圖2 瓦斯監控系統的功能結構

(1)實時動態監控瓦斯狀況。這是系統的核心組成部分，可對井下瓦斯檢測人員編號，對瓦斯傳感器編號，在井上巷道分布圖上能夠實時動態顯示他們的位置，動態監控任一瓦檢員當前工作，準確確定報警的瓦斯監控設備所在位置。

(2)瓦斯檢測信息查詢。系統支持區域查詢、時間查詢，具有操作性強的可視化的圖形界面，通過系統界面查詢任一監測點的數據信息，停開機信息，以及瓦檢員的實際工作情況等。在實際的使用中，可搜索任一人員實際位置，達到快速定位。

(3)瓦斯檢測數據統計分析。系統包括數據統計和數據分析兩個主要功能模塊，采用相關軟件技術，對瓦斯原始數據加工、統計、分析，生成瓦斯信息所需的各種基本圖表。可對原始數據進行科學地分類匯總、分析、加工處理，為管理者進行決策提供準確信息。

(4)系統智能預警功能。將監控系統和綜合預警數據庫服務器、預警管理系統連接。實時動態記錄瓦斯檢測數據并作出反應。如系統自動報警，及時確定位置，發送井下瓦檢員、安檢員和相關帶班領導，達到安全預警的目的[8]。

3.4 系統工作過程

3.4.1 信號傳輸技術

井下瓦斯信息，經過各類傳感器的采集后，要輸送幾公里以上的距離才能到達地面主監測中心站，傳輸線路采用高質量光纖技術。光纖具有易彎曲、耐腐蝕、節約金屬等優點，更適合在煤礦井下惡劣環境推廣應用[9]。而且光纖傳輸信號容量大，不受噪聲影響，不會短路和電火花引起爆炸，且不受平行敷設電力電纜電磁干擾，是優良的傳輸信息導線。

3.4.2 防爆計算機

井下數據處理采用KTN101-JSJ防爆計算機，使用Windows操作系統，配備防爆計算機1臺，鼠標1套，充電器1個，連接線1根(USB轉RS232連接線)。工作軟件可以自己在系統上安裝(用USB數據口烤入電腦)，Windows帶有軟鍵盤可以錄入信息。

3.4.3 瓦斯監控傳感器

瓦斯監測與監控系統的工作最重要的是，來源于工作現場的監控傳感器監測數據要準確和可靠，只有使用準確可靠設備，才能得到準確的數據信息，才能防止誤動作和誤報警。煤礦目前常用的瓦斯傳感器有：甲烷傳感器、瓦斯傳感器、光學甲烷檢測儀、便攜式甲烷報警儀、高濃度甲烷傳感器等，分類為催化燃燒型瓦斯檢測儀和光干涉式瓦斯檢測器。每一種監測儀器都有各自的特性和優勢，存在技術上的不足。隨著微電子技術、無線傳感網絡的發展，依托通信技術，利用智能化技術，瓦斯檢測技術趨向智能化發展[10]。瓦斯傳感器的測量更準確和易于維修，且成本大大降低。在日常工作中，各類工作人員要充分了解和掌握所使用的儀器，讓儀器發揮更大的作用，為煤礦的安全高效生產發揮最大的作用。

3.4.4 系統工作過程

當煤礦井下某工作面或巷道瓦斯濃度超過或達到報警值時，瓦斯傳感器把采集的數據傳入防爆計算機，經過簡單處理，通過光纖輸送到地面信息處理平臺，地面網絡服務器電腦使用智能系統緊急處理數據，通過和數據庫信息比較，得到預警信息，控制警告區域切斷工作面的電力工作設備，啟動安全保護設施，同時把信息傳到帶班領導，指揮人員進入安全區，等待地面指示。通過瓦斯監控系統的預測預報，將瓦斯災害控制在安全范圍內，提高煤炭安全生產經濟和社會效益。

4 結束語

基于計算機網絡的煤礦數字化瓦斯監控系統，可以準確、及時監控煤礦瓦斯突出信息，提出安全預警，預防瓦斯災害的發生，不僅保障煤礦安全運行，更能保護工人人身安全，同時極大地提高了煤礦企業的經濟效益。然而，煤礦安全事故的發生，是由多個不確定因素作用的，我們對煤礦事故的管理還必須從軟硬兩方面同時著手，首先要加強科學管理，完善安全管理法規，提高基層職工安全意識，其次要依靠科學技術，完善安全信息管理體系，保證設備安全、信息暢通，真正的實現煤礦的安全生產。因此，研究煤礦瓦斯監控系統有現實的積極意義。

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