礦井智能抗災系統的設計與應用

程曉波

（山西潞安集團潞寧煤業有限責任公司，山西 忻州 036700）

1 問題的提出

當前我國所有煤礦都要求安裝煤礦井下安全監控系統，保障煤礦安全生產，但各煤礦安全監控系統的實現功能各不相同。總體來講，監控系統的核心在于對井下各種數據的監測，還無法達到完全控制的地步，因此安全監控系統設計的功能無法全部實現。經調查發現，各煤礦安全監控系統沒有將火災參數監測、風流控制和抗災救災決策進行結合的功能，無法實現抗災救災的智能化。基于安全監控系統存在的缺點，潞寧煤礦和中煤科工重慶設計院聯合開發了礦井智能抗災救災系統。

2 礦井智能抗災系統

礦井智能抗災系統的核心主要是實現抗災救災的信息化和自動化控制，通過實時連續不間斷的數據檢測，來掌握井下的環境參數。當井下發生火災安全事故，系統會立即啟動可視化仿真救災決策支持系統，安排預警通知和指導井下受災人員的逃生。同時會指導地面調度中心對井下的通風設施進行管控，控制災變煙流的擴散，降低災變區域。救災風門發生動作，水電聯動執行單元動作，采用多種救災技術措施。

在硬件網絡方面，本系統平臺軟硬件主體架構基于Intemet互聯網，軟件系統采用B/S架構開發，便于以后用戶使用、靈活加載、系統升級和系統維護。服務器端軟件采用Microsoft VisualStudio編制設計，網絡客戶端采用VC++6.0、JavaScript編制設計，數據存儲采用Microsoft SQL Server2000編制設計。

潞寧煤礦智能抗災的亮點是：對抗災風門采用24h連續不間斷高清圖像監視；實時監測關鍵點瓦斯濃度、CO濃度、風速、負壓、溫度、煙霧、頂板離層、巷道變形、頂板壓力、水位、涌水量等參數；采用語音播報來對井下受災人員進行指引并避災。

3 智能抗災系統核心模塊（抗災風門）的設計

抗災風門的設計思想：當煤礦井下發生災情后，必須立即進行響應，采取抗災救災技術措施，降低損失。系統設計基于先進性、前瞻性原則，采用分步實施的辦法來實現。第一，確定系統的基本組織結構和開放式架構；第二，根據各方面的功能需求確定各子系統；第三，根據實際的業務來確定子系統；第四，完成整體的設計。

選擇先進的礦井通風可視化仿真系統，該系統由三部分組成：礦井通風網絡解算和火災運動模擬系統、礦井監測和實時數據傳輸接收系統、三維圖形計算機仿真和通風數據動畫顯示系統。三者緊密結合，構成了一個完整的大系統，可以實現對救災效果的模擬仿真。該技術的應用可實現對風流流動及參數的實時仿真模擬；災變時期，可預先仿真模擬防火救災風門對風流調控的實際效果；可實現實時、高效風網解算，為救災提供最優化方案，實現智能救災過程。

4 核心模塊的控制軟件開發

風門控制裝置：華邦W77E58芯片（速度快、高性能、大容量、穩定可靠）、GL-6001F模塊、ZTKB-Ex01高清防爆攝像頭、煤礦LCD液晶拼接大屏幕、以太網卡（RJ45）。

風門控制裝置軟件的處置流程如圖1所示：對數據和信號是周期性采集并主動上傳的模式，按約定的通信協議主動發送，迅速響應計算機端的采集控制命令幀。定時器0中斷定義為最高優先級中斷，且中斷常開，初始化后不屏蔽。

5 抗災風門的控制硬件研制

根據抗災風門的功能設計，可以將其分為液晶顯示、控制執行、音/視頻信號采集、環境傳感器信號采集、水電聯動執行和數據通信六大功能單元，如圖2所示。

圖2 抗災風門功能單元框圖

5.1 液晶顯示單元

液晶顯示單元獨立設計，通過RS485通信接口來實現數據的交換，同時提供人機對話界面。

5.2 控制執行單元

控制執行單元由鍵盤控制箱、無線遙控器、氣閥控制箱及氣缸等組成，通過RJ45網絡通信接口，執行抗災風門的開關。每套風門設計有無線數據控制箱，用于配套接收無線遙控器遙控開、關門命令，通過無線遙控器實現抗災風門的救災動作，確保抗災風門救災動作的準確性。

5.3 音/視頻信號采集單元

該單元可以實現對風門的實時連續通行情況的視頻拍攝。采用礦用阻燃光纜接入井下光纖工業以太環網，能實現信號的高質量傳輸。在地面調度中心的電腦中，通過該智能抗災系統軟件就可以給井下各救災風門進行語音信息的播報。

5.4 環境傳感器信號采集單元

環境傳感器主要是監測采掘工作面、機電硐室及采區主要進（回）風巷道的自然環境參數。環境傳感器信號采集單元主要是定期檢測礦井大氣中的瓦斯濃度、CO濃度、風速、負壓、溫度、煙霧、頂板離層、巷道變形、頂板壓力、水位、涌水量等參數。當系統檢測到參數指標超過設定值后，抗災風門會進行安全警示提醒，地面調度中心工作人員會進一步了解巷道環境的異常變化，并及時采取相應的防治措施。

5.5 水電聯動執行單元

水電聯動執行單元主要是由水電聯動箱和配套噴頭組成，通過觸控傳感器實現水管路的水壓檢測。可以實現以下功能：（1）應用水電聯動噴霧裝置對巷道進行灑水降溫；（2）聯動隔塵紗網。噴霧噴灑到紗網上，形成水幕簾，有效地隔離、捕捉粉塵；（3）粉塵在線監測自動噴霧控塵系統。將粉塵傳感器接入安全監測系統，實現粉塵在線監測，通過設定極限值，控制凈化水幕，實現粉塵超限自動降塵功能。（4）抗災風門執行救災動作時，聯動實現灑水噴霧。

5.6 數據通信單元

煤礦安全監控系統的數據通信單元：地面中心站與井下分站間的數據傳輸的專用通信接口。該通信接口是安全監控系統的傳輸樞紐。主要技術指標：（1）通信接口與分站的傳輸口：2路；（2）通信接口與分站的傳輸方式：RS485、半雙工、主從式、雙極性。① 傳輸波特率：2400bps；② 工作電流峰峰值：≤300mA；③ 工作電壓峰峰值：1.5～12V；④ 通信接口到分站最大傳輸距離為10km。（3）通信接口與計算機的傳輸口：2路；（4）通信接口與計算機的傳輸方式：RS232、半雙工、主從式、雙極性；① 傳輸波特率：2400 bps；② 工作電壓峰峰值：≤24V；③ 通信接口到計算機最大傳輸距離為3m。（5）最大容量：64臺分站。（6）自動切換響應時間：確認主機故障后14～16s。

6 結語

該礦井智能抗災系統由潞寧煤礦和中煤科工重慶設計院合作研發，基于上述先進技術特點，加之在潞寧煤礦應用中的運行維護及時，反映效果良好，當前潞安集團已在集團內部推廣應用。