煤礦安全監控系統現場運行維護

段海亮，吳海旭

(國能神東煤炭集團有限責任公司上灣煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017200)

0 引言

隨著當前煤炭資源不斷整合，大型、超大型煤炭企業和礦井相繼出現，礦井煤炭產量隨著采煤技術的不斷革新也隨之突飛猛進，大采高、高產量屢創紀錄，成績喜人。但是隨之而來的也有對安全管理帶來的諸多挑戰，許多安全技術和安全措施也必須隨之進行更新換代，以適應新的需求。在這樣的背景下，作為煤礦“六大系統”之一的煤礦安全監控系統進行了全面升級，各項技術指標均出現質的飛躍，但是隨著新技術的應用，在保證煤礦安全監控系統功能齊全、運行可靠方面給煤礦企業安全監控系統運行維護帶來新的挑戰。

1 煤礦安全監控系統升級改造

根據國家煤礦安監局印發的《煤礦安全監控系統升級改造技術方案的通知》(煤安監函〔2016〕5號)要求，最近一次煤礦安全監控系統升級改造在傳輸數字化、增強抗電磁干擾能力、推廣應用先進傳感技術及裝備、提升傳感器的防護等級、完善報警和斷電等控制功能、支持多網和多系統融合、格式規范化、增加自診斷和自評估功能、應急聯動、增加加密存儲要求、方便用戶使用維護培訓等13個方面進行了技術升級。

通過此次系統技術升級給現場安裝和管理帶來諸多便利，如增加多系統融合和應急聯動功能，使得安全監控系統、語音廣播系統和人員定位系統能夠在GIS圖上進行顯示，充分、全面地展示礦井三大系統的運行情況，同時能夠在安全監控系統報警的緊急情況下，實現安全監控系統與語音廣播系統、人員定位系統的聯動控制，根據預案自動對危險報警區域發出語音廣播警示和人員撤離指令。

新技術的應用使得安全監控系統信號傳輸距離和系統容量增加，實現數字化總線傳輸，現場安裝更加方便快捷。新型激光類傳感器、多參數傳感器的應用，更是極大地降低了線路負荷，增加傳感器的延設距離。

2 煤礦安全監控系統運行現狀

隨著工程技術的不斷發展，煤礦安全監控系統性能有很大的提升，安全監控系統信號強度、抗干擾能力明顯增強，安全監控設備小型化、低功耗化、運行更加穩定可靠等等，但是伴隨著現代化大型礦井、智能化礦井的建設，也給煤礦安全系統的運行帶來諸多問題。

2.1 煤礦安全監控系統傳輸信號衰減問題

煤礦安全監控系統普遍采用三級網絡架構，包括由環網交換機、光纖組成的一級環網，由分站、通信電纜、網線或光纖組成的二級分站主傳輸網絡，由傳感器、通信電纜組成的傳感器網絡。

現代化大型礦井中，井田面積大，巷道長度長，由此決定安全監控系統網絡龐大，又由于現代化礦井供電系統集約化設計，導致盤區變電所等環網交換機的理想布置地點之間距離增加，造成單個環網交換機下分站主傳輸網絡覆蓋面積被迫增加。現代化礦井采掘工作面順槽布置長度可以達到5 000 m之多，安全監控分站至環網交換機之間的主傳輸纜線往往能達到6 000 m甚至更遠，由此造成主傳輸信號衰減嚴重。信號衰減往往是安全監控設備出現通信異常和抗干擾能力降低的主要原因。

2.2 煤礦安全監控設備受潮問題

受礦井潮濕氣候環境因素和采掘工作面作業現場除塵、降塵措施影響，井下回風大巷、回風順槽、水倉、采煤工作面等地點存在空氣濕度、粉塵濃度大，除塵設備產生水霧等不利因素。安裝在這些位置的傳感器、纜線接線盒，極易因長時間受水氣侵蝕，造成傳感器航空插頭銹蝕、電路板受潮短路、電氣元件接頭銹蝕、傳感器變送器工作異常等故障。冷凝水和粉塵積聚共同作用會造成傳感器氣體采集口堵塞。

2.3 煤礦安全監控系統傳感器末端電壓不足問題

目前煤礦安全監控系統配套設備中除設備電源箱外，普遍采用本質安全型電氣設備，受本質安全型電氣設備對電壓、電流和功耗的限制，在傳感器布置安裝過程中，往往會出現因傳感器安裝位置距離分站電源距離遠、同一傳感器纜線接入傳感器數量過多、功耗過高或通信纜線受損造成纜線電阻增大等原因，造成傳感器網絡纜線末端壓降損耗大，處于末端的傳感器供電電壓不足，出現傳感器無法正常啟動或啟動后工作不穩定等故障。

3 煤礦安全監控系統常見故障分析

煤礦安全監控系統故障主要與礦井電氣設備和通信設備產生的電磁干擾、井下氣候環境影響、作業面作業因素干擾、系統維護可靠性、系統和設備自身性能限制等因素有關，任何一個方面都會造成煤礦安全監控系統整體或局部工作不穩定。主要表現在安全監控設備通信異常或網絡中斷，交換機、分站和傳感器故障，傳感器誤報警等。歸結起來大體可以分為兩類故障：一類是線路故障，另一類是設備故障。這兩類故障往往在系統發生故障時不能很直觀的從系統故障表現上進行區分，需要維護人員有豐富的故障判斷和處理經驗才能快速進行處理。日常工作中對上述兩類故障發生原因進行總結分析，有助于提升安全監測系統日常維護和故障處理的能力。

3.1 煤礦安全監控系統線路故障分析

現代化大型礦井井田面積巨大，巷道長達幾十甚至上百公里，安全監控線路幾乎遍布井下巷道，形成井下的安全監控網絡。受巷道空間的局限，煤礦安全監控系統信號纜線獨立布置比較困難，往往存在與礦井動力纜線、通信和人員定位等系統纜線混合、交叉布置，雖然布置時保持了一定的距離，但是無法從本質上隔絕由大功率電氣設備、線路產生工頻、射頻電磁干擾和由礦井通信、智能化設備產生的載頻、視頻電磁干擾。電磁干擾產生的系統故障主要表現為分站、傳感器頻繁出現通信異常或開關量傳感器狀態頻繁變化。由于作業面作業影響產生的線路故障主要表現為局部的分站、傳感器斷線、其他同級相關聯設備出現短時間通信異常，這主要是因為作業面作業時造成線路損壞，故障點下側設備完全斷線，而故障點上級及同級設備出現的短時間通信異常則由于損壞線路短路，造成上級環網交換機或分站網絡模塊重啟。

3.2 煤礦安全監控系統設備故障分析

隨著煤礦安全監控系統和設備技術升級，煤礦安全監控系統和設備性能大幅提升，設備更加穩定可靠，使用周期更長。但是由于設備安裝地點不可避免的存在濕度高、粉塵大、震動大等因素。造成傳感器采集元件、插頭、電路板等部位出現故障。設備故障一般表現為單個傳感器故障，不會引起同級傳感器或上級分站故障。當然也不排除出現傳感器功耗異常增加的故障，此類故障能夠引起同一線路下全部或部分傳感器出現斷線故障，但此類故障在設備運行過程中發生極少。

4 煤礦安全監控系統日常運行維護

煤礦安全監控系統日常運行維護是煤礦安全監控系統維護部門重點工作內容，是保證煤礦安全監控系統穩定可靠運行的重要保障，重點集中在設備安裝和日常維護2個方面。

4.1 煤礦安全監控系統設備安裝

為保證煤礦安全監控設備安裝完成后，與其關聯的已安裝設備不受新安裝設備影響，且能正常有效工作，需要在安裝前綜合考慮以下問題。

4.1.1 環網交換機和分站的布置

環網交換機和分站安裝位置需要考慮的因素包括環網交換機與分站之間的距離、分站承載傳感器能力等。

環網交換機與分站之間的距離直接決定了分站主傳輸信號的強度和穩定性，距離越長，信號衰減越大，強度越弱，越容易受到外界電磁環境干擾，造成分站頻繁出現通信異常或通信中斷，同時會影響同一主傳輸線路上的其他分站穩定運行。

分站承載傳感器能力需要考慮計劃監測區域內安裝的傳感器類型、功耗和額定電流、傳感器數量、使用纜線類型和傳感器安裝距離等因素。受本質安全型電氣設備對功耗、電壓、電流的限制，分站端口輸出的電壓和電流都被限制在規定范圍內，同時分站每個端口接入傳感器數量也是受限制的，分站上單個端口接入傳感器數量過多，端口接入傳感器能耗過大，都會造成傳感器工作和通信異常。

因此要根據礦井盤區分布和需要監測區域合理布置環網交換機，在盤區變電所不能滿足環網交換機布置距離和覆蓋區域要求時，應選取位置相對固定，工作環境相對較好的機頭變電所、大巷配電硐室作為環網交換機的布置地點，保證每臺環網交換機與下級分站間的距離均在安全監控系統設備性能要求范圍內，從而降低環網交換機和分站之間的信號衰減，增強系統信號的抗干擾能力。同時需要控制接入分站的傳感器數量，合理規劃每個端口接入傳感器的類型和數量，減少單個端口承擔的負荷，以保證傳感器的供電電壓、電流和信號傳輸滿足要求。

4.1.2 通信線路的布置

通信線路布置過程中需要考慮傳感器在日常使用和維護中可能出現的各種情況，如掘進工作面T1和T2甲烷傳感器需要隨工作面的掘進不斷向前延設，延設過程中會造成傳感器通信中斷，而配電硐室安設的傳感器則是長期固定的，如果將工作面傳感器和配電硐室傳感器接入同一線路或同一分站端口，延設工作面傳感器時將會影響配電硐室傳感器穩定運行。因此應將不同維護類型的傳感器線路分開布置，并接入不同的端口，可以減少因傳感器維護、延設造成的同級傳感器故障影響范圍。掘進工作面布置傳感器時，宜將位置長期固定的機電硐室監測傳感器、風機開停監測傳感器等布置在同一線路上，掘進面需要同時延設的傳感器布置在一條線路上。這樣在工作面延設傳感器時，出現故障的傳感器就控制在需要延設的傳感器范圍內，而不會造成其他傳感器干擾性故障，從而增加系統穩定性。同時在線路布置過程中，要與動力電纜、高壓電器設備、變頻器等設備保持一定距離，減少對線路的電磁干擾。

4.1.3 傳感器的布置

傳感器的安設需在滿足位置標準的前提下，盡量避開頂板淋水、噴霧下風側等容易造成傳感器受潮的地點，如不能避開，則需要安裝可靠的防淋水裝置，必要時使用防水材料對傳感器插頭進行防水保護，防止插頭銹蝕。

傳感器安裝過程要根據分站端口輸出電流、電壓的能力和傳感器纜線參數控制接入分站的傳感器數量，具體為：控制接入分站單個端口全部傳感器的總電流，并通過分站輸出電壓、傳感器總電流、纜線電阻等參數，計算分站能夠給最遠端傳感器提供的供電電壓，對比傳感器最小啟動電壓，以保證線路末端供電電壓大于傳感器最小啟動電壓，并且分站端口輸出電流大于線路全部傳感器的總電流，這樣才能保證線路上全部傳感器能夠穩定可靠工作。必要時可根據實際工作經驗，增加電流、電壓冗余量。

4.2 煤礦安全監控系統日常維護

煤礦安全監控系統的分站和傳感器故障、線路故障和電磁干擾是安全監控系統的主要故障點和重點維護內容。

4.2.1 環網交換機和分站的日常維護

環網交換機和分站的日常維護主要是定期檢查環網交換機光纖信號是否兩路全通，分站內部接線有無松動，受潮現象。在安全監測系統軟件查看各分站通信異常情況，分析通信異常原因，如果是分站硬件、軟件問題，應及時更換分站或升級分站程序。

4.2.2 傳感器的日常維護

傳感器日常維護除定期標校傳感器外，應該將傳感器維護重點放在工作條件惡劣地點的傳感器上，如空氣濕度大、粉塵濃度大、存在淋水、噴霧或其他生產性水源侵蝕的地點和安裝在移動設備上的傳感器。這些地點的傳感器往往會出現插頭生銹、氣體采集口堵塞，傳感器內部因水氣凝結造成電路板和元器件故障。同時應建立傳感器安裝臺賬，重點關注使用時間較長的催化原理類傳感器的工作狀況，定期標校中發現偏差較大時，應及時進行更換，避免出現傳感器催化元件老化損壞故障。安裝在移動設備上的傳感器則會由于設備震動，造成傳感器檢測元件、插頭等部件松動、應定期進行檢查。

4.2.3 通信線路的日常維護

傳感器通信線路日常維護重點放在檢查線路上空氣濕度較大地點的接線盒、因施工原因改變原來布置位置的纜線和采煤工作面移動設備上布置的纜線。接線盒因井下溫度變化容易在接線盒內形成冷凝水，造成接線柱銹蝕，芯線間絕緣降低等現象，影響纜線供電電壓和傳輸信號質量。因施工原因，改變纜線布置位置時，往往會造成纜線斷線或接線盒虛接等情況，巡查發現纜線布置過緊時，要增加纜線，保證纜線松弛度。采煤工作面支架內布置的纜線往往受支架移動影響，容易造成纜線被擠傷或纜線內部隱形疲勞損傷，在支架移動位置對纜線進行可靠防護，并定期檢查，出現破口，纜線電阻增加的情況時，及時進行修復或啟用備用纜線。

4.2.4 安全監控系統的干擾

影響安全監控系統的電磁干擾主要集中在對主傳輸線路和分站的干擾，干擾源包括高壓設備、變頻設備、通信設備、電腦等。在日常巡查過程中，排查主傳輸纜線是否與高壓電纜纏繞或距離過近，排查分站周圍是否安裝高壓設備、變頻設備、電腦等通信和智能化設備，應當保證分站、主傳輸纜線與能夠產生電磁干擾的設備保持足夠的距離。尤其是主傳輸纜線末端接入的分站，更要避免接近強電磁干擾設備設置，必要時使用屏蔽通信電纜，減少電磁干擾對安全監控設備的影響。

5 結語

煤礦安全件監控系統具有保證煤礦安全生產，防范重特大災害發生的重要作用。煤礦安全監控系統維護部門在安裝和維護系統過程中，應充分掌握系統性能，合理布置設備，總結經驗，抓住設備存在的薄弱點，制定重點管理方向和維護內容，做到精準維護，實現精準監測。