煤矿井下安全监控系统的应用研究

刘 肸

（山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司，山西 高平 048400）

引言

随着煤矿资源的大量开采，要求所开采区域具有更高的安全性，这也是当前企业实施煤矿智能化开采的重要任务。因此，国家煤矿安监局关于印发《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》的通知煤安监函〔2016〕5号，要求煤矿开采区域需要进行安全监控系统的设计并不断进行升级改造[1]。当前，由于井下环境的恶劣性，大部分区域的煤矿井下监控系统在运行时经常出现线路短路、漏电、信号传输不及时、信号监测范围较窄等问题，这给实施井下的全面监控及控制造成了较大困难。不断开展井下监控系统的升级设计，已成为当前实现矿井智能化建设的首要任务。

1 现有安全监控系统存在的问题

通过对现有井下安全监控系统的统计和分析，得知井下安全监控系统存在较多问题，主要包括如下几点：

1）监控系统整体的信号传输能力及效率相对较低，基本上还采用了传统的频率型传输方式，在传输过程中存在信号易受外界干扰、自身电磁屏蔽性能较弱等问题，无法获取实时及准确的井下状态参数[2]；

2）由于井下环境的恶劣性，导致监控系统中的较多零件及设备出现了性能不稳定、性能较弱等问题，使用时也出现了设备失灵现象，导致所监控的相关信息存在较大的差异性及不准确性；

3）随着井下开采设备及区域的不断扩大，前期设计的监控系统数据处理中心存在运行速度较慢、信息处理量较低等问题，整套系统的运行及计算能力已无法满足大数据监控下的计算需求[3]；

4）所匹配的监控系统中采集单元模块相对较少，精度相对较低，采集单元无自诊能力，整体的系统布局及全面检测能力不足，已无法满足当前多数据、多状态的井下监控需求；

为此，有必要结合当前监控系统存在的问题，采用更加先进的自动化控制技术，对其进行升级设计，以提高整个井下作业的安全性。

2 井下安全监控系统总体设计

2.1 监控系统总体框架

结合现有的井下安全监控系统现状，开展了井下安全监控系统的升级设计研究。所设计的井下安全监控系统包括了采集终端、电力监控、人员定位、广播系统、区域控制器、WIFI通讯模块、环网交换机、多系统融合平台、PC控制机等部分，其中，采集终端包括了一氧化碳、二氧化碳、氧气、甲烷、温度、压力等传感器，主要负责对井下相关参数进行数据的实时采集，所采集数据通过RS485总线和CAN总线方式将其传输至区域控制器中进行信号的分析、运算及处理，经过环网交换机的信号转换后，将处理后的信号传输至PC终端访问机中进行数据显示[4]。同时，利用光纤通讯方式，将采集数据通过服务器和无线WIFI模块传输至相应操作人员的手机中，保证操作人员能对井下状态进行实时监控，针对发现的故障问题，及时进行相应的应急操作。另外，系统中的系列化智能监控分站，主要负责对所监测的传感器数据采集、数据预处理、分类显示、报警、断电控制与地面监控中心站的数据通讯、所接传感器的集中供电等。升级后的井下安全监控系统总体框架图如下页图1所示。

图1 煤矿井下安全监控系统总体框架图

2.2 监控系统关键指标参数

结合所设计的井下安全监控系统，确定了整套监控系统的关键性能参数，具体如下：

1）传输距离：分站至环网交换机的距离不小于5 km。

2）传输电缆：模拟量传感器电缆4芯（可接两个传感器），开关量传感器电缆4芯。

3）系统误码率小于10%～8%；模拟量传输处理误差不超过0.5%。

4）本地控制执行时间小于2 s；系统巡检周期小于20 s。

5）分站电源箱输入输出电压交流输入电压为90～900 V AC。

6）本安直流电源输出参数：25V/470mA、19V/800 mA、13.5 V/1.2 A。

7）传感器信号制式：模拟量为RS485；开关量为RS485或电流信号。

8）断电容量：36 V/5 A、660 V/0.3 A。

3 监控系统关键部分设计

3.1 多系统数据融合展示设计

多系统融合的目的是要将安全监控平台相关子系统的数据集成融合到安全监控平台中，实现实时数据的融合展示、分析和利用。多系统融合展示采用开源二维GIS技术，具有编辑、分层、移动、缩放、测量、实时曲线展示等功能，支持WEB浏览，多系统数据融合展示界面如图2所示。主要具有以下几点功能[5]：

图2 多系统数据融合展示界面

1）可以进行CAD图纸导入操作，以矿井巷道图作为背景，实时显示各监测点位置、值和状态，并具有放大、缩小、移动功能；

2）瓦斯监控、广播监测在点击后显示监测点详细信息，并有实时曲线监视功能；

3）人员定位读卡器监测点显示实时状态，并显示当前位置的总人数，点击后显示当前位置人员的实时信息列表；

4）电网监测点在点击后，显示当前设备下各参数的实时值及状态，以及监测点的定义信息；

5）具有按系统统计设备数据、异常设备数量的功能。

3.2 一氧化碳传感器选型设计

井下作业时会产生大量的一氧化碳气体，浓度一旦超过相应阀值，则极可能使井下出现严重的安全隐患。为此，选用了市场上成熟的GTH1000型矿用一氧化碳传感器。该传感器是一种专门用以监测煤矿作业现场内一氧化碳气体浓度的固定式本质安全型检测仪表。仪器采用特殊的防尘、防水等措施，可有效克服现场目标气体各种参数变化带来的影响，实现0～1 000×10-6范围内一氧化碳气体的准确测量并就地显示，防护等级：IP67，设备响应时间不大于35 s，同时将一氧化碳浓度值转换成标准电信号传输给配接设备[6]。本传感器还具有声光报警、故障自检等功能，其实物图如图3所示。

图3 一氧化碳传感器实物图

3.3 烟雾传感器选型

井下开采过程中，若出现了火灾而未及时发现，将给井下造成严重的安全隐患。因此，可通过烟雾报警器对井下烟雾进行检查，以掌握井下是否发生火灾情况。为此，选用了GQQ5型烟雾传感器，该传感器主要用于监测煤矿井下因机械摩擦、煤层燃烧等原因引起的火灾事故，工作电压为9～25V DC，输出信号为RS485总线型，声光报警。传感器自带声光报警功能，可与各种生产安全监控系统配套使用。烟雾传感器实物图详见下页图4。

图4 烟雾传感器实物图

3.4 本安型温度监测仪的选型

由于井下通风效果相对较差，加上人员长期在井下作业，温度过高，将会对井下作业安全造成严重影响，也会对人员的生命健康构成威胁。为此，选用了YHW200矿用本安型温度监测仪通过接入PT100铂电阻测量温度，其工作电压为9.0～25.0V DC，工作电流≤300 mA，路数为16路，测量范围为-40～200℃，最大传输距离为2 km，具有RS485通信功能，可在煤矿井下存在瓦斯或煤尘爆炸危险的场所工作，也可应用于地面非爆炸性危险场所。本安型温度监测仪实物图如图5所示。

图5 本安型温度监测仪实物图

4 监控系统的现场应用测试

为进一步验证所设计的监控系统的整体性能，将其在煤矿现场中进行了为期6个月的应用测试。测试过程中，主要对井下的各类参数进行实时监控，并测试系统的整体性能。通过测试可知，该监控系统整体运行良好，能实时对井下一氧化碳、甲烷、二氧化碳、温度等各类参数进行数据采集及监控，并能快速地将各类井下参数通过显示界面进行实时显示，当井下某一参数超过相应阀值时，该监控系统能及时发出不同等级的声光报警提示，整个过程无需人员在井下进行操作。对于出现的各类问题和故障位置，人员将会有针对性地对故障进行维护排除，以保证井下作业的安全性。该系统应用后，井下的故障率降低了40%左右，企业也因故障率降低及人员人数减少而减少了大量的费用支出，整体控制功能达到了预期效果。这对保障井下作业安全性具有重要作用。