煤矿安全监控系统研发与应用

煤矿安全一直我国安全生产工作的重中之重,随着科技的增强,新装备、新工艺为煤矿提供了大量装备.2010年,《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》要求,各地煤矿在3年内完成“监测监控、人员定位、紧急避险、供水施救、压风自救和通信联络”紧急避险“六大系统”的安装,并纳入重点监察范畴.以上措施的执行,使得我国煤矿的安全生产形势逐年好转,事故起数、死亡人数、百万吨死亡率均大幅下降.但由于我国煤矿基数大、地域分散、地质结构复杂、技术水平参差不齐等,安全水平与世界其他主要产煤国相比仍有一定差距.

“六大系统”中的安全监控系统,是指传感器技术、信息传输技术、计算机技术、电气防爆技术和控制技术,在煤矿安全生产监控领域的综合应用,可以对矿井瓦斯、一氧化碳、温度等环境参数,以及对矿井生产、运输、提升、排水等环节的机电设备的工作状态进行监测和控制,用计算机分析处理、取得数据,并实现自动报警、断电和闭锁,防止事故的发生或扩大,为各级生产指挥部门提供现场资料,便于提前采取防范措施.

研发现状

随着电子技术及计算机控制技术的发展,目前国内已有60余家生产企业及科研机构,研发了多个型号的煤矿安全生产监控系统产品,并基本上由早期的单计算机监控,发展成了网络化监测监控,安全监控技术有了长足发展,系统得到了推广应用.但其技术瓶颈也日益显现,主要表现在以下几个方面.

煤矿安全监控系统网络结构可靠性不高.现有监控系统主要采用主从式通信结构,数据传输速率低和冗余差,极易发生数据传输中断,无法实现设备间互联互控、危险区域快速控制；监控系统设备数字化程度不高,尤其是传感器采用模拟传输技术,不能实现传感器工作状态识别及故障判断,造成监测数据可靠性差.

煤矿安全监控系统抗电磁干扰能力差.井下电磁环境恶劣,抗电磁干扰技术还不成熟,对井下干扰源种类、等级及耦合途径研究不够充分,井下抗电磁干扰相关标准不易执行,导致监控设备抗电磁干扰能力差,极易使数据混乱,经常产生“冒大数”、误报警、误断电现象,甚至造成系统瘫痪.

灾害预警手段不完善.现有系统实现了瓦斯超限报警断电,部分实现了瓦斯灾害的预警处置,但对其他灾害还缺乏预警手段,应充分利用监控信息资源,完善矿井灾害的超前预测预报.

鉴于以上情况,在“十一五”期间,煤炭科学研究总院对煤矿安全监控系统网络结构可靠性及抗干扰技术进行了研究,并列入国家科技支撑计划项目,形成了新一代的煤矿安全生产监控系统及系列产品,该项目也被国家安全生产监管总局列为第一批安全科技“四个一批”项目之一.

研究过程

该项目通过研究工业以太网等网络集成技术、开放式总线传输,以及多环冗余、系统通信故障自诊断、电磁兼容（EMC）、井下电网故障在线诊断、网络结构中终端设备对等通信及互控等技术,研发了具备通信网络冗余、对等通信、通信故障隔离、满足电磁兼容等要求的煤矿安全生产监控系统,系统典型应用结构图如图1、图2所示.同时还配套研制出煤矿井下电网故障监测、故障识别、故障控制设备.通过项目研究,形成了4项技术.

设备状态自识别技术

网络终端设备（传感器）采用控制器局域网络（CAN总线通信）,通过利用冲突检测方法,结合自识别软件协议及软件防冲突技术,避免了通信链路的数据堵塞、冲突、链路挂机等故障,解决了传感器互换产生的伪数据等现象,实现了传感器状态自识别、数据自动上传、故障自诊断等功能.其数据传输的实时性、可靠性,比目前传统的200-1000HZ模拟信号传输有了很大提高.

抗电磁干扰技术

通过对监控系统易受干扰的场所进行研究,项目组发现煤矿井下脉冲群干扰强度在标准500V等级以上、煤矿井下浪涌干扰强度在标准1400V等级以上时,煤矿井下静电干扰源与电磁辐射干扰源强度较小.根据干扰源的耦合特性,项目组对煤矿监控设备电源及信号端口,进行了两级抗干扰保护设计.目前,该技术已经应用到矿用本安分站、低压电网监测分站、高低浓度甲烷传感器等9种传感器,以及矿用隔爆兼本安型直流稳压电源中.

对等通信技术

网络终端设备（分站）采用总线通信技术及对等通信协议,解决了煤矿井下分站布点非线性的结构,有效地避免了由于通信链路复杂、阻抗不匹配,造成的通信状态不稳定的问题,实现了分站间对等通信功能,提高了分站间互联互控的响应时间,异地控制时间缩短到5s以内,提高了系统的可靠性及异地控制响应的实时性.

低压电网故障监测技术

矿井低压电网监测分站,采用附加低频信号的检测方法,通过建立切合矿井实际的电缆绝缘检测数学模型和仿真模型,实现了井下低压电网漏电故障监测及故障区域判断.

成果转化及应用情况

煤矿安全生产监控系统,发挥了治理隐患防范事故的作用,保障了煤矿的安全生产；相关安全标准的制定和强制执行,规范了煤矿安全监控系统相关产品；采用适合煤矿井下恶劣环境的矿井工业以太环网+现场总线技术,构建了井下信息传输基础平台,能接入各种子系统,实现了煤矿安全生产快速联动及灾害预警；研发的新型传感器技术、抗电磁干扰技术,提高了监控系统的运行可靠性；研发的重大灾害联动预警技术,利用监控数据的分析融合,为科学处置事故灾害提供了决策依据.

科学研究的关键,在于成果转化.针对项目目标及现场急需解决的问题,通过近3年的攻关,煤炭科学研究总院完成了14种配套产品的开发,形成了新一代高可靠安全监控系统,通过了国家质量监督检验中心的性能测试,取得了安全标志证书.研发的产品包括：矿用隔爆兼本质安全型数据交换装置、矿用本安型信号转换器、矿用隔爆兼本安型直流稳压电源、高低浓度甲烷传感器、煤矿用一氧化碳传感器、矿用隔爆兼本安型断电控制监视器、煤矿用风门开闭状态传感器、煤矿用温度传感器、煤矿用负压传感器、矿用水位传感器等.

项目完成后,煤炭科学研究总院在山西天地王坡煤业有限公司,进行了应用示范.2010年12月,由煤炭科学研究总院和山西天地王坡煤业有限公司共同规划示范矿井的建设工作,2011年9月完成地面中心站的建设,同时完成井下线缆的敷设.2012年1月,在王坡煤矿井下3215掘进面,3208、3201综采工作面,以及井下变电所等地,安装了100余台各类传感器等设备.项目组在井下,还先后进行了系统性能稳定性、快速异地断电、多环冗余、传感器状态自识别等试验,试验结果符合预期要求,与检验单位的检验结果一致.截止到2014年1月,系统可靠稳定运行,状态良好,没有出现通信中断、传感器数值“冒大数”等现象.

此后,该系统还在内蒙古李家塔煤矿、湖煤集团塘冲煤矿、江西天河煤矿、山东滕州泉上煤矿等多个煤矿得到了应用,效果良好.

技术发展趋势

联动控制技术.由瓦斯灾害预警系统触发联动事件,当预测到有危险时,可通过异常联动功能,实现各系统间的联动控制.

重大灾害预警技术.现有系统能够实现瓦斯超限报警断电,部分实现了瓦斯灾害的预警处置,但对于其他灾害还缺乏预警手段,下一步还应充分利用监控信息资源,完善矿井灾害的超前预测预报.

新型传感器技术.推广数字式传感器,提高抗干扰性；推广红外甲烷、激光甲烷传感器、光纤式传感器,提高传感器稳定性；研发光敏传感技术实现馈电状态检测,并将断电控制及馈电状态监测功能有机结合,实现断电的可靠控制；集成化多功能智能传感器；传感器与多学科交叉融合,推动无线矿用传感器网络的发展,实现监测范围最大化,接入井下无线宽带通信网络,实现通信链路双冗余,提高监控系统可靠性；研发传感器低功耗与本质安全长距离技术.

编辑杨璇