煤礦瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)綜述

盧志燕，李如江

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051）

1 煤礦安全問(wèn)題

1.1 研究背景

煤炭是我國(guó)重要的基礎(chǔ)能源和原料，我國(guó)煤炭資源總量位居世界第一，可采儲(chǔ)量為2 040億t，位居世界第二。上世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭消費(fèi)持續(xù)快速增長(zhǎng)。然而，由于種種原因和國(guó)情決定我國(guó)的煤炭行業(yè)走的是一條高投入、低產(chǎn)出和高能耗、低回報(bào)的粗放型道路。再加上市場(chǎng)因素影響，導(dǎo)致我國(guó)煤炭行業(yè)畸形發(fā)展，由此也引發(fā)了一系列礦難。

國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局稱：近年我國(guó)平均每7.4天發(fā)生一起特大煤礦事故。2010年，煤礦事故起數(shù)為1 403起、死亡人數(shù)2 433人；2011年，全國(guó)煤礦發(fā)生事故1 201起、死亡1 973人；因此，稱我國(guó)的煤號(hào)為“血煤”。從統(tǒng)計(jì)中來(lái)看，煤礦的特大事故中，絕大多數(shù)是由于瓦斯爆炸，約占總數(shù)的70%左右。我國(guó)目前國(guó)有重點(diǎn)煤礦大多數(shù)屬于瓦斯礦井，其中高瓦斯爆炸和突出礦井占全國(guó)礦井總數(shù)44%［1］，因此，預(yù)防、控制瓦斯爆炸事故，是實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。

1.2 煤礦瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展

礦井瓦斯監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展過(guò)程是從低水平到高水平，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜。從新中國(guó)成立初期到20世紀(jì)7O年代，煤礦下井人員主要使用光學(xué)瓦斯檢定儀、風(fēng)表等攜帶式儀器檢測(cè)井下環(huán)境參數(shù)。20世紀(jì)6O年代初期，我國(guó)開(kāi)始研制載體催化元件，隨著敏感元件制造水平的提高和電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路、微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，使監(jiān)控技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期。20世紀(jì)70年代瓦斯斷電儀的出現(xiàn)使實(shí)現(xiàn)了對(duì)瓦斯的自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)及超限時(shí)自動(dòng)切斷被控設(shè)備的電源。隨后，陸續(xù)研制了便攜式瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀、瓦斯報(bào)警礦燈。1983~1985年，從歐美國(guó)家先后引進(jìn)了數(shù)10套監(jiān)控系統(tǒng)及配套的傳感器和便攜式儀器裝備煤礦礦井，并相應(yīng)地引進(jìn)了部分監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器和敏感元件制造技術(shù)，由此推動(dòng)了我國(guó)礦井安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程［2］。1983年以后，國(guó)內(nèi)有多種型號(hào)礦井監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)了技術(shù)鑒定，逐步實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井安全、生產(chǎn)多種參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和數(shù)據(jù)處理。近幾年，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和企業(yè)自身發(fā)展的需要，國(guó)內(nèi)各主要科研單位和生產(chǎn)廠家推出了多種監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)由早期的地面單微機(jī)監(jiān)控已發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控，以及不同監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)，完成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集、傳輸、處理及預(yù)警控制［3-5］。

1.3 研究意義

一直以來(lái)，困擾煤礦安全問(wèn)題的最大因素就是甲烷的濃度、風(fēng)井的風(fēng)速、CO的濃度、礦井下的溫度、風(fēng)井的壓力、壓力差、人員定位等。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，擁有一套可運(yùn)行的煤礦安全監(jiān)控軟件，對(duì)礦井網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、傳輸、分析、存儲(chǔ)。對(duì)煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的基本非安全因素進(jìn)行全面地監(jiān)控，并根據(jù)用戶自身需求，在井安裝各種監(jiān)控設(shè)備，指導(dǎo)操作人員對(duì)事故早期報(bào)警作出迅速有效的反應(yīng)，幫助操作人員分析事故發(fā)生的過(guò)程和原因以及可能造成的惡果，給出應(yīng)采取的步驟和措施，及時(shí)向操作人員提出處理建議，給操作人員提供正常操作參考。并且通過(guò)超媒體顯示井下礦井的實(shí)時(shí)情況，實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)代化，使煤礦災(zāi)害信息的管理和處理工作更加快捷化、系統(tǒng)化、科學(xué)化、規(guī)范化。一個(gè)功能健全、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的煤礦井下瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)有著重要意義［6］。

2 煤礦瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)末以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)采煤國(guó)家應(yīng)用機(jī)電一體化和自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤礦生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和集約化生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)了全礦井綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，集語(yǔ)言、數(shù)據(jù)、圖像于一體，融監(jiān)測(cè)、控制、通信功能、無(wú)線接入技術(shù)于一網(wǎng)，兼容各種專用監(jiān)控系統(tǒng)功能，覆蓋全礦井各生產(chǎn)和生產(chǎn)輔助環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)綜采工作面和礦井運(yùn)輸、通風(fēng)、排水、供電等設(shè)備工況參數(shù)以及礦井瓦斯?jié)舛鹊拳h(huán)境參數(shù)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。代表性的產(chǎn)品有美國(guó)MSA公司生產(chǎn)的DAN6400系統(tǒng)；德國(guó)BEBRO公司的PRO?MOS系統(tǒng)等。但是這些監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行成本較高，并且系統(tǒng)維護(hù)困難，對(duì)中國(guó)煤礦安全生產(chǎn)幫助較小。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

1983～1985年，我國(guó)煤礦從歐美國(guó)家先后引進(jìn)了數(shù)10套不同型號(hào)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。1985年以后，通過(guò)消化吸收，先后研制出Ⅺ4、KJ66、KJ70、KJ75、KJ80、KJ90、KJ92等不同型號(hào)的監(jiān)控系統(tǒng)，目前裝備的安全監(jiān)控系統(tǒng)大約有30多種，存在著通用性差、兼容性差、智能程度低等問(wèn)題。［7,8］

1）現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)大多針對(duì)某一監(jiān)控對(duì)象(如環(huán)境安全、提升運(yùn)輸、設(shè)備開(kāi)停等)開(kāi)發(fā)，各設(shè)備生產(chǎn)廠家缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，從而造成設(shè)備、配件互不通用，系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)能力差。

2）現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議和傳輸設(shè)備物理層協(xié)議缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，上層軟件對(duì)下層軟件的依賴性較大。

3）現(xiàn)有監(jiān)控軟件均為某一監(jiān)控目的而開(kāi)發(fā)，用戶難以通過(guò)簡(jiǎn)單的操作實(shí)現(xiàn)多方面監(jiān)控的目的，只停留在對(duì)被監(jiān)測(cè)量的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、超限報(bào)警及斷電和以曲線、圖形和報(bào)表形式輸出的水平，只實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的最基本處理和利用。多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)局限于參數(shù)的監(jiān)測(cè)，缺少監(jiān)控能力，更無(wú)監(jiān)管功能，很難實(shí)現(xiàn)煤礦安全集中監(jiān)控和全礦區(qū)的監(jiān)管。對(duì)于用戶可定制化的需求基本無(wú)法滿足。

3 目前瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足及解決方法

1）當(dāng)前我們廣泛使用的甲烷傳感器是由載體催化元件構(gòu)成。它存在可靠性較差，壽命短，故障率較高、工作穩(wěn)定性差、調(diào)校不方便等問(wèn)題，嚴(yán)重制約著礦井瓦斯的正常檢測(cè)。

2）通訊協(xié)議不規(guī)范，系統(tǒng)各自處于封閉狀態(tài)，系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息資源共享，很難實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別聯(lián)網(wǎng)及實(shí)行監(jiān)控和管理。

3）目前我國(guó)的瓦斯傳感器只能對(duì)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，不能對(duì)線、面進(jìn)行檢測(cè)，且受人為因素影響較大，檢測(cè)范圍具有局限性。

4）傳輸設(shè)備物理接口協(xié)議不規(guī)范，導(dǎo)致井下分站各不兼容。

5）監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)管理和維護(hù)水平較差。

6）市場(chǎng)秩序亟待規(guī)范。針對(duì)這些問(wèn)題我們提出了如下幾點(diǎn)解決方法：

（1）研制高可靠性、智能化的瓦斯傳感器。利用智能化的系統(tǒng)設(shè)備向系統(tǒng)提供更為詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息，以便防止火災(zāi)事故的發(fā)生。

（2）應(yīng)該由相關(guān)部門帶頭，要煤礦企業(yè)共同研究制定出監(jiān)控系統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)盡快尋找一種解決系統(tǒng)兼容性的途徑，或制定相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。解決了通信協(xié)議和傳輸設(shè)備物理協(xié)議不統(tǒng)一的問(wèn)題。

（3）我們除了要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，還應(yīng)研發(fā)出能根據(jù)被監(jiān)測(cè)環(huán)境地點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行有效危險(xiǎn)性判別、分析，并提出專家決策方案的新軟件；同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)用軟件向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，按統(tǒng)一格式提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（4）研制智能化的高壓開(kāi)關(guān)。高壓開(kāi)關(guān)依次向系統(tǒng)提供多參數(shù)的信息，如電流、電壓、單相/三相漏電電流、開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)、開(kāi)關(guān)機(jī)械/電氣閉鎖狀態(tài)等。

（5）提高現(xiàn)場(chǎng)管理和對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的維護(hù)水平，強(qiáng)化技術(shù)培訓(xùn)。

4 瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該注意的幾點(diǎn)問(wèn)題

1）優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)及通風(fēng)系統(tǒng)。合理可靠的通風(fēng)系統(tǒng)是防止瓦斯事故和控制災(zāi)害擴(kuò)大的重要措施，合理的供風(fēng)量是煤礦安全的重要保障，礦井必須有合理的風(fēng)量來(lái)稀釋瓦斯等有害氣體。

2）井上、下停電停風(fēng)的管理。對(duì)于掘進(jìn)工作面停風(fēng)出現(xiàn)的瓦斯超限的管理工作，采用三專兩閉鎖、局部通風(fēng)機(jī)獨(dú)立供電、主備局部通風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換等目前比較成熟的技術(shù)，是保證掘進(jìn)工作面安全供風(fēng)的有效方法。

3）加強(qiáng)瓦斯管理工作。煤礦企業(yè)必須嚴(yán)格控制瓦斯積聚、瓦斯超限，及時(shí)解決現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的各種瓦斯超限現(xiàn)象。對(duì)于經(jīng)常出現(xiàn)瓦斯超限的地點(diǎn)，在增加風(fēng)量無(wú)效的情況下，必須從源頭治理瓦斯。如采用瓦斯抽放、開(kāi)采解放層等技術(shù)。

4）加強(qiáng)煤礦企業(yè)自律，嚴(yán)禁瓦斯超限作業(yè)。加強(qiáng)煤礦企業(yè)自律，嚴(yán)禁瓦斯超限等“三違”現(xiàn)象的發(fā)生。煤礦企業(yè)自律是保證礦井安全生產(chǎn)的治本之策。美國(guó)安全管理工程師海因里希的安全法則提出的一個(gè)傷亡事故發(fā)生規(guī)律為：重傷：輕傷：無(wú)傷=1：29：300。根據(jù)該法則推測(cè)目前煤礦的“三違”現(xiàn)象還十分普遍。“三違”的外在表現(xiàn)是行為，根本在思想。只有煤炭企業(yè)自身真正抓安全，安全才有保障。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，一個(gè)功能完善的煤礦瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的重中之重。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)為預(yù)防煤礦瓦斯事故發(fā)揮了重要作用。擁有一個(gè)良好的瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)，并且在瓦斯報(bào)警信號(hào)接收、傳感器技術(shù)和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)三部分做足工作，就能有效預(yù)防瓦斯事故的發(fā)生。

[1] 劉西青.論國(guó)內(nèi)煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].山西焦煤科技，2006(3):37-38.

[2] 董璐.煤礦瓦斯安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用探討[J].科技與生活，2010(14):148-149.

[3] 孫業(yè)明.基于TeeChartForNet的分布式煤礦監(jiān)管系統(tǒng)曲線模塊設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2009(5):197-200.

[4] 楊志強(qiáng)，趙千里，高謙．地下采礦生產(chǎn)事故預(yù)報(bào)專家系統(tǒng)[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，9(6)：736-741．

[5] 劉祖德.煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)技術(shù)[J].煤礦安全,2007,38(3):57-59.

[6] 鄧杰.煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)在使用中存在的問(wèn)題及解決對(duì)策探究[J].硅谷，2011(15):103-104.

[7] 高本江.淺談礦用隔爆型真空饋電開(kāi)關(guān)的保護(hù)原理[J]．煤炭技術(shù)，2003，12（8）：43-46.

[8] 李勝．煤與瓦斯突出區(qū)域預(yù)測(cè)的模式識(shí)別方法研究[D]．阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2004：26-30.