工作面瓦斯監控系統的應用研究

梁 鵬

（西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

煤礦瓦斯濃度過高是影響工作面安全生產的主要威脅源。目前，對工作面瓦斯濃度的處理依據為對現場工作面瓦斯濃度的實時監測，控制通風系統的風量對工作面瓦斯進行稀釋處理，最終降低工作面瓦斯濃度。因此，要求精確獲得工作面的實時瓦斯情況，對工作面瓦斯監控系統的性能提出了更高的要求[1-2]。

1 瓦斯監控系統現狀分析

西銘礦原使用的KJ90NB 瓦斯監測監控系統由中煤科工集團重慶煤科院生產，于2008 年12 月完成安裝調試并投入生產使用，該系統在本礦的安全生產中發揮了重要作用。根據煤安監函〔2016〕5 號《關于印發安全監控系統升級改造技術》的通知要求，先使用的KJ90NB 瓦斯監測監控系統不能滿足該通知的技術要求，并且該系統在運行過程中也出現了一些問題，為確保監控系統的穩定運行，本礦于2019 年3 月開始在現使用的瓦斯監測監控系統的基礎上進行升級改造，同年5 月份完成了升級改造，使之滿足國家及行業的標準要求[3]。原KJ90NB 監測監控系統存在如下問題：

1）西銘礦監控系統傳輸平臺（工業以太網）于2008 年建立，井下現使用中煤科工集團重慶研究院有限公司KJJ103 型交換機5 臺，地面使用交換機1 臺。僅實現單鏈路數據傳輸，結合《安全規程》對安全監控系統數據傳輸的要求，現有網絡已不滿足規程要求。

2）傳感器到分站之間采用的是頻率制式傳輸，抗干擾能力差，不能完全滿足井下復雜電磁環境的使用需求，系統存在誤報警現象；

3）現用系統無分級報警，報警時無法識別是預警還是瓦斯超限報警：

4）分站、傳感器防護等級不能達到IP65，無法滿足在惡劣環境中正常工作。

5）軟件功能單一，缺少融合與分析功能。

2 瓦斯監控系統的改造設計

為解決上述問題，本文基于無線傳感網絡對原KJ90NB 監測監控系統進行改造設計。經改造后，實現對工作面瓦斯濃度、溫度等環境參數的監測和對工作面人員位置的定位功能。此外，經改造后還能實現對所采集信息的實時監控，并對數據信息進行管理[4]。

2.1 地面監控系統的改造設計

KJ90NB 監測監控系統設備笨重、后期維護費用較高。為此，基于無線傳感網絡對KJ90NB 監測監控系統進行改造，并通過地面監控系統實現對工作面及巷道內瓦斯、溫度的實時采集，并將所采集到的信息實時顯示于地面監控系統上[5]。

根據地面監控系統的功能，為其配置如圖1 所示的監控系統。

圖1 地面監控系統結構

本地面監控系統是基于VB6.0 開發的，其主界面可對所采集數據、網絡狀態實時顯示，并可通過其他工作界面對歷史數據及節點進行查詢和遠程控制。

2.2 無線監測傳感網絡的改造設計

地面監控系統主要由服務器和監控終端組成。其中，服務器主要用于接收并存儲監控系統所采集的環境參數；通過監控終端工作人員可對所監測到的數據進行查詢和訪問。為解決工作面瓦斯監測系統抗干擾性能較差的問題，基于無限傳感網絡技術實現對工作面環境參數的監測和傳輸。為此，將無線監測傳感網絡系統中的固定節點以相同的間隔安裝于工作面巷道中，并將移動節點佩戴在工作人員身上。

當通過上述固定節點和移動節點所監測到的環境參數出現異常時，基于對信號強度的判斷得出瓦斯濃度超標的位置即實現定位功能，并將固定節點和移動節點實時采集到的信息通過傳輸系統上傳于地面監控系統。工作面環境監測系統結構見圖2。

圖2 工作面環境監測系統結構圖

如圖2 所示，地面環境監測系統由無線傳感網絡節點、串口轉以太網交換機以及光纖網絡組成。其中，無線傳感網絡節點主要用于對一定區域內的環境參數進行監控并采集，實現對作業人員的定位功能（移動節點的確定），并通過無線傳感器將采集的信息傳輸至網關節點；串口轉以太網交換機主要實現無線傳感網絡與光纖網絡之間的通信；光纖網絡將上述所采集到信息上傳至上位機監控系統。

2.3 瓦斯監控系統關鍵硬件的選型

為簡化射頻電路的設計，綜合無線子網硬件的擴展性和靈活性，為無線傳感網絡設計統一、標準的接口，并根據無線傳感網絡節點功能的不同將其分為多個模塊。瓦斯監控系統的關鍵模塊包括有射頻前端、CPU 處理器、降壓器、聲光報警模塊、溫濕度傳感器、瓦斯傳感器等。上述各硬件的選型結果見表1。

3 瓦斯監控系統的應用

為驗證所改造后瓦斯監控系統的精確性，采用標準瓦斯樣氣和KGJ15 型瓦斯傳感器對上述監控系統的輸出電壓和實時瓦斯濃度值進行標定。標定后，基于KGJ15 型瓦斯傳感器所采集到的濃度為真實瓦斯濃度，試驗結果如表2 所示。

表1 監控系統關鍵硬件選型

表2 瓦斯監測系統應用效果

如表2 所示，經改造后瓦斯監控系統對工作面瓦斯濃度監測的最大誤差僅為0.6%，可應用于實際生產中。

4 結論

為實現對工作面瓦斯濃度的精確控制，基于無線傳感網絡對西銘礦KJ90NB 監測系統進行改造，經實驗應用可得，改造后對工作面及巷道瓦斯濃度的監測相對誤差僅為0.6%。