爆炸沖擊氣壓傳感器接入煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)分析

樊鐵山 胡殿科

煤礦發(fā)生爆炸事故，影響惡劣，危害極大，造成的后果是毀滅性的。爆炸事故導(dǎo)致絕大部分人員傷亡的原因不是爆炸本身而是爆炸產(chǎn)生的大量有毒有害氣體引起的中毒或窒息，因此黃金救援時(shí)間內(nèi)及時(shí)救援對(duì)于減少爆炸事故中大面積人員傷亡是非常重要的。利用先進(jìn)的技術(shù)手段進(jìn)行爆炸事故監(jiān)測和信息傳送是不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢。無處不在的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)然是解決目前技術(shù)難點(diǎn)的首選。

多年來，爆炸沖擊氣壓傳感器接入煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)研究持續(xù)進(jìn)行，而且已經(jīng)取得突破性成果，為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

技術(shù)介紹

在煤礦發(fā)生爆炸事故后，現(xiàn)在報(bào)告事故的主要方式是電話逐級(jí)上報(bào)。由于煤礦爆炸事故往往事發(fā)突然，電話逐級(jí)報(bào)告，存在逐級(jí)核實(shí)，往往不能按規(guī)定的每級(jí)兩小時(shí)內(nèi)完成事故報(bào)送。原國家安全監(jiān)管總局、各省市頻頻曝光爆炸事故遲報(bào)以及因此被追責(zé)的新聞，在技術(shù)層面究其原因，很大程度是通過電話逐級(jí)上報(bào)事故信息的技術(shù)缺陷造成的。爆炸沖擊氣壓傳感器接入煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)，是把安裝在通風(fēng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的爆炸沖擊氣壓傳感器精確測量到的爆炸信息，利用先進(jìn)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，達(dá)到及時(shí)報(bào)告的目的。其優(yōu)點(diǎn)是測得的爆炸信息準(zhǔn)確，傳輸報(bào)告速度快。

取得成果

2009年1月20日，名稱為“接入爆炸沖擊氣壓防爆傳感器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)”的技術(shù)申請了實(shí)用新型專利，2010年4月7日獲得專利權(quán)。同日同名稱的技術(shù)申請了發(fā)明專利，2011年7月6日獲得專利權(quán)。

采用的技術(shù)方案是：將爆炸沖擊氣壓防爆傳感器設(shè)置在煤礦井下采掘工作面、主要巷道和主要硐室內(nèi)，用專用通信電纜與現(xiàn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控分站直接相連（圖1）。利用現(xiàn)有先進(jìn)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)爆炸信息的實(shí)時(shí)傳輸，為應(yīng)急救援工作及時(shí)開展提供了技術(shù)支撐。在研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，煤礦井下發(fā)生爆炸事故的破壞性是巨大的，爆炸事故發(fā)生的時(shí)候往往會(huì)將煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器、監(jiān)控分站及傳輸線路破壞，事故本身的破壞屬性可能影響上述方案的具體實(shí)施。改進(jìn)方法有兩種：一種是開發(fā)具有抗破壞性能的傳感器、監(jiān)控分站及傳輸線路。其成本較大，但監(jiān)測所獲得的爆炸信息精確度較高。另一種是研究新的方案。由于煤礦井下畢竟是一個(gè)封閉的環(huán)境，可以將監(jiān)測爆炸沖擊氣壓的傳感器設(shè)置在不受爆炸破壞的地點(diǎn)，即在風(fēng)井井筒之外，通過管路將爆炸沖擊氣壓的信息引導(dǎo)出來進(jìn)行測量，該方法雖然犧牲了其監(jiān)測的精度，但會(huì)大大降低項(xiàng)目成本。

圖1 接入爆炸沖擊氣壓防爆傳感器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)

2013年5月11日，名稱分別為“一種基于分站式的煤礦回風(fēng)井高氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)”“一種基于光電傳輸?shù)拿旱V回風(fēng)井高氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)”“一種基于中繼器的煤礦回風(fēng)井高氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)”的三種技術(shù)申請了實(shí)用新型專利，先后分別獲得專利權(quán)。同日同名稱的“一種基于分站式的煤礦回風(fēng)井高氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)”技術(shù)申請了發(fā)明專利，2015年11月25日獲得專利權(quán)。

“一種基于分站式的煤礦回風(fēng)井高氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)”采用的技術(shù)方案是：在煤礦回風(fēng)井井筒1的井壁上預(yù)埋一根鋼管2，該鋼管2的一頭和回風(fēng)井井筒1內(nèi)的空氣相通，該鋼管2的另一頭和高氣壓傳感器3連通并密封；高氣壓傳感器信號(hào)線4和監(jiān)控分站5相連；監(jiān)控分站5和數(shù)據(jù)傳輸接口6相連；數(shù)據(jù)傳輸接口6通過傳輸線路7和監(jiān)控主機(jī)8相連；監(jiān)控主機(jī)8對(duì)高氣壓傳感器3傳輸來的井筒內(nèi)氣壓值信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并記錄，并在瞬間壓力超過1atm的時(shí)候記錄瞬間壓力峰值并報(bào)警（圖2）。

創(chuàng)新點(diǎn)：為防止監(jiān)控分站、傳輸線路受爆炸本身影響，將井筒內(nèi)的爆炸沖擊氣壓用耐壓鋼管從井筒中引導(dǎo)出來再連接沖擊氣壓傳感器，保證沖擊氣壓信號(hào)正常監(jiān)測和傳輸。利用現(xiàn)有先進(jìn)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)爆炸信息的實(shí)時(shí)傳輸，為應(yīng)急救援工作及時(shí)開展提供了技術(shù)支撐。

圖2 基于分站式的煤礦回風(fēng)井高氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

政策依據(jù)

2012年10月23日，“接入爆炸沖擊氣壓防爆傳感器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)”的技術(shù)項(xiàng)目被原國家安全監(jiān)管總局以安監(jiān)總廳科技〔2012〕148號(hào)文列為2012年安全生產(chǎn)重大事故關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目。

2016年12月29日，國家煤礦安全監(jiān)察局下發(fā)了《關(guān)于印發(fā)〈煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案〉的通知》（煤安監(jiān)函〔2016〕5 號(hào)，以下簡稱《方案》）。《方案》的目的是為提高煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)準(zhǔn)確性、靈敏性、可靠性、穩(wěn)定性和易維護(hù)性，增強(qiáng)煤礦安全保障能力。

可行性分析

爆炸沖擊氣壓傳感器接入煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)已獲得多項(xiàng)專利授權(quán)。該技術(shù)對(duì)于煤礦爆炸信息的實(shí)時(shí)傳輸，解決當(dāng)前事故信息電話上報(bào)速度較慢的問題具有革命性的意義。但是，該技術(shù)的應(yīng)用是否存在技術(shù)障礙，運(yùn)行環(huán)境是否穩(wěn)定可靠，在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)條件下是否可以承受，以及我國產(chǎn)業(yè)政策能不能成為推廣瓶頸，仍然是制約該技術(shù)能否順利推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

技術(shù)成熟度：從專業(yè)技術(shù)文獻(xiàn)可知，煤礦井下爆炸壓力為0～20atm，而市場上達(dá)到該數(shù)值范圍的沖擊氣壓傳感器比較常見，能夠達(dá)到技術(shù)要求。

穩(wěn)定性：目前使用的技術(shù)成熟可靠，本技術(shù)中爆炸沖擊氣壓傳感器作為系統(tǒng)中傳感器中的一類，只要所選用的爆炸沖擊氣壓傳感器本身技術(shù)性能穩(wěn)定，接入爆炸沖擊氣壓傳感器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行也應(yīng)該是穩(wěn)定的。

兼容性：現(xiàn)使用的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中本身就有負(fù)壓傳感器，其區(qū)別只是數(shù)值設(shè)定的問題，所以，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)接入爆炸沖擊氣壓傳感器的技術(shù)具有很好的可兼容性。

可擴(kuò)展性：本技術(shù)在實(shí)施過程中，如果切實(shí)找不到可靠的傳輸線路，可以只將爆炸沖擊氣壓傳感器設(shè)置在地面。如果能夠找到可靠的傳輸線路，該技術(shù)中所述的爆炸沖擊氣壓傳感器可以設(shè)置在井下任何地點(diǎn)，具有可擴(kuò)展性。

經(jīng)濟(jì)性：如果將爆炸沖擊氣壓傳感器設(shè)置在地面，該技術(shù)使用的總成只有傳感器、連接鋼管及普通傳感信號(hào)線，沒有特別要求的元器件，成本很低，經(jīng)濟(jì)合理。

問題及對(duì)策

由于煤礦爆炸事故發(fā)生的時(shí)間很短，一般研究是以毫秒級(jí)進(jìn)行，目前使用壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測是沒有問題的。但是，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器數(shù)量較多，信號(hào)傳輸按順序進(jìn)行，即有巡檢周期?！斗桨浮返谌糠帧爸饕獌?nèi)容”的第11節(jié)“提升系統(tǒng)性能指標(biāo)”要求：系統(tǒng)巡檢周期不超過20S；異地?cái)嚯姇r(shí)間不超過40s。在技術(shù)層面，爆炸沖擊氣壓傳感器雖然發(fā)出了爆炸信號(hào)，有可能在巡檢到來之時(shí)發(fā)生漏檢。為此，2009年1月20日申請的“接入爆炸沖擊氣壓防爆傳感器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)”技術(shù)在應(yīng)用的時(shí)候，要求監(jiān)控分站具有爆炸沖擊氣壓傳感器信號(hào)最大值的記憶功能。因此，該技術(shù)的成功應(yīng)用對(duì)于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的要求，需要對(duì)監(jiān)控分站進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑臁?/p>

為了減少傳感器、監(jiān)控分站及傳輸線路不受爆炸破壞給煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)帶來的成本壓力，可以采用2009年1月20日提出的技術(shù)方案，結(jié)合2013年5月11 日申請的“一種基于分站式的煤礦回風(fēng)井高氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)”發(fā)明專利提出的技術(shù)方案；同時(shí)系統(tǒng)增加監(jiān)控分站具有爆炸沖擊氣壓傳感器信號(hào)最大值的記憶功能，是一種為應(yīng)急救援提供技術(shù)支撐的優(yōu)化選擇，可以達(dá)到煤礦爆炸信息通過煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)淖罴研Ч?/p>

隨著技術(shù)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及安全保障能力的提升，采用2013年5月11日申請的“一種基于分站式的煤礦回風(fēng)井高氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)”發(fā)明專利提出的技術(shù)方案，或者采取同日提出的“一種基于光電傳輸?shù)拿旱V回風(fēng)井高氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)”“一種基于中繼器的煤礦回風(fēng)井高氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)”兩種技術(shù)實(shí)用新型專利中的技術(shù)方案，自成系統(tǒng)，使煤礦爆炸信息不通過煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，將為應(yīng)急救援提供更精準(zhǔn)的技術(shù)支撐。屆時(shí)，煤礦井下發(fā)生的是瓦斯爆炸，還是煤塵爆炸、火工品爆炸，自成系統(tǒng)的技術(shù)方案可以進(jìn)行判斷，而且可以對(duì)爆炸事故的強(qiáng)度等級(jí)甚至是爆炸機(jī)理進(jìn)行個(gè)案性的分析研究。