東懷煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造及應(yīng)用

曹志華 黃 瀟 孫國(guó)鋒

（吉利百礦集團(tuán)有限公司東懷煤礦，廣西 百色533000）

1 東懷煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

東懷煤礦位于廣西百色，是廣西第一大生產(chǎn)礦井，分一、二兩個(gè)水平開采，年生產(chǎn)能力150 萬(wàn)噸。目前東懷煤礦全礦絕對(duì)瓦斯涌出量為12.61m3/min，相對(duì)涌出量3.81m3/t，采煤工作面最大瓦斯涌出量為3.87m3/min，掘進(jìn)工作面最大瓦斯涌出量為0.24m3/min，為低瓦斯礦井。東懷煤礦從2006 年就使用江蘇三恒科技股份有限公司的KJ70 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，2009 年升級(jí)為KJ70N，2015 年再次升級(jí)為KJ770，由地面中心站、干線擴(kuò)展器、備用電源箱、區(qū)域控制器、各種傳感器、監(jiān)控器等設(shè)備組成。目前共安設(shè)監(jiān)控分站40 個(gè)，瓦斯傳感器120 臺(tái)，負(fù)壓傳感器7 臺(tái)，風(fēng)速傳感器22 臺(tái)，開停傳感器25 臺(tái)，CO 傳感器54 臺(tái)，溫度傳感器30 臺(tái)，煙霧傳感器20 臺(tái)。監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠。

2 東懷煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)的背景

2.1 實(shí)施安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)的必要性

（1）根據(jù)《國(guó)家煤礦安監(jiān)局關(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)）和《國(guó)家安全監(jiān)管總局 國(guó)家煤礦安監(jiān)局關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦重大災(zāi)害防治有效防范重特大事故的通知》（安監(jiān)總煤裝〔2016〕10 號(hào)）的精神，煤礦必須推廣應(yīng)用安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控新技術(shù)新裝備，提高安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)性能和安全可靠性，促進(jìn)安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控多元融合和信息共享，提高煤礦安全預(yù)測(cè)預(yù)警水平，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控信息的深度分析和綜合利用。（2）根據(jù)近來(lái)全國(guó)范圍內(nèi)發(fā)生的一系列瓦斯爆炸事故，事故礦井多為低瓦斯礦井，因此對(duì)于低瓦斯礦井的瓦斯防治工作尤為重要。并且，隨著采掘深度的增加，瓦斯含量呈增加趨勢(shì)，積極應(yīng)對(duì)瓦斯防控，特別是對(duì)低瓦斯礦井瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控及防治措施管理十分必要，必須加大投入及升級(jí)改造的力度，有效杜絕瓦斯爆炸事故的發(fā)生，確保安全生產(chǎn)。

2.2 現(xiàn)用安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的主要問題

（1）數(shù)據(jù)傳輸采用樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，巡檢速度慢；數(shù)據(jù)傳輸采用主從通信結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸率低。系統(tǒng)巡檢速度慢，井下測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫘枰?0 秒至1 分鐘，這樣的傳輸效率受傳輸方式的影響很大。（2）數(shù)據(jù)共享方面不能實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合，與其他系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換不夠迅速，實(shí)時(shí)性方面有待提升。（3）數(shù)據(jù)傳輸數(shù)采用傳統(tǒng)電纜模式傳送，可靠性不高，井下電纜電線眾多，信號(hào)傳輸易受到電磁干擾的影響，使監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)偶有出現(xiàn)誤差造成誤報(bào)警斷電的現(xiàn)象，特別是瓦斯傳感器、CO 傳感器等誤傳對(duì)生產(chǎn)管理造成不便。（4）供電電源續(xù)航能力差，僅2 小時(shí)左右，可靠性低。

3 KJ70X 系統(tǒng)升級(jí)改造方案及實(shí)施

3.1 改造方案

根據(jù)東懷煤礦目前所用的KJ770 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)際情況，考慮到經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，決定采用“新系統(tǒng)搭建→示范采區(qū)試推→全礦井推行→新舊系統(tǒng)并行→撤除舊系統(tǒng)”的方式循序開展升級(jí)改造工作。經(jīng)對(duì)比，決定繼續(xù)采用江蘇三恒科技股份有限公司的KJ70X 系統(tǒng)，該系統(tǒng)以工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)＋現(xiàn)場(chǎng)總線作為系統(tǒng)的信息傳輸平臺(tái)，利用工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái)的快速通道實(shí)現(xiàn)多主并發(fā)通訊技術(shù)，能使系統(tǒng)在設(shè)備抗干擾、實(shí)時(shí)性、可靠性、穩(wěn)定性、擴(kuò)展性、數(shù)字化、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用、數(shù)據(jù)融合、新技術(shù)應(yīng)用等方面技術(shù)水平進(jìn)一步提升，達(dá)到安全生產(chǎn)和相關(guān)規(guī)定要求。

首先，升級(jí)改造地面中心站。在原有設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)，提升監(jiān)控主、備機(jī)熱備功能，升級(jí)軟件為KJ70X，完善分級(jí)報(bào)警、斷電等控制功能、多網(wǎng)和多系統(tǒng)融合、自診斷和自評(píng)估功能、數(shù)據(jù)分析等功能。

其次，對(duì)監(jiān)控環(huán)網(wǎng)進(jìn)行改造。增加中心站核心交換機(jī)、地面和井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，分別在井下一水平井布有3 個(gè)千兆節(jié)點(diǎn)，二水平2 個(gè)千兆節(jié)點(diǎn)。形成一體式冗余環(huán)網(wǎng)方式，組建獨(dú)立、穩(wěn)定的傳輸網(wǎng)絡(luò)。

最后，對(duì)井下傳感器、供電電源、分站等設(shè)備的升級(jí)。實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)達(dá)到全數(shù)字化，提升抗電磁干擾能力、IP65 防護(hù)等級(jí)、自診斷自評(píng)估功能。

3.2 實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)字化，增強(qiáng)抗電磁干擾能力

在工作面回風(fēng)巷、專用回風(fēng)巷及總回風(fēng)巷使用更為先進(jìn)的激光、紅外全量程傳感器，增強(qiáng)傳感器的靈敏性及反應(yīng)速度，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且穩(wěn)定性高，便于管理維護(hù)；傳感器和分站防護(hù)等級(jí)均達(dá)到IP65 要求，運(yùn)行穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，根據(jù)傳感器和分站的性能適當(dāng)升級(jí)模塊或程序?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)數(shù)字化的傳輸及接收，實(shí)現(xiàn)了所有模擬量傳感器數(shù)字化傳輸（RS485），有效增強(qiáng)抗電磁干擾能力。

3.3 完善報(bào)警、斷電等控制功能

（1）設(shè)置甲烷及一氧化碳傳感器根據(jù)瓦斯?jié)舛却笮?、超限持續(xù)時(shí)間、瓦斯超限范圍等分為四級(jí)報(bào)警，實(shí)施分級(jí)響應(yīng)。（2）利用KJ70X 安全監(jiān)控系統(tǒng)的組合報(bào)警功能，根據(jù)巷道布置及瓦斯涌出等實(shí)際生產(chǎn)情況，實(shí)施邏輯報(bào)警。（3）測(cè)試并完成系統(tǒng)本地、異地?cái)嚯娗闆r。斷電設(shè)置與饋電狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，發(fā)生斷電動(dòng)作相應(yīng)饋電狀態(tài)無(wú)變化時(shí)會(huì)有饋電異常顯示。（4）在地面中心站配置區(qū)域，本區(qū)域內(nèi)的任意甲烷傳感器報(bào)警都可以斷區(qū)域內(nèi)的所有開關(guān)。

3.4 完善多網(wǎng)多系統(tǒng)融合、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)

建立多網(wǎng)融合平臺(tái)，融入礦井安全監(jiān)控視頻系統(tǒng)，應(yīng)急廣播系統(tǒng)及人員定位系統(tǒng)。以甲烷超限為試驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)事故地點(diǎn)及人員定位系統(tǒng)進(jìn)行分析并通過(guò)應(yīng)急廣播向相關(guān)區(qū)域發(fā)送指令的情況。

3.5 增加自診斷、自評(píng)估功能

（1）完善傳感器、控制器的設(shè)置及定義。實(shí)現(xiàn)傳感器、控制器的設(shè)置以及定義診斷和評(píng)估，當(dāng)檢測(cè)到傳感器報(bào)警、斷電、復(fù)電門限設(shè)置不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定時(shí)能發(fā)出報(bào)警信息提示。（2）具備模擬量傳感器維護(hù)、定期未標(biāo)校提醒。按要求設(shè)置甲烷、一氧化碳傳感器標(biāo)校提醒功能，軟件上并有報(bào)警信息提示。（3）具備模擬量傳感器、控制器、電源箱等設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)井下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的所有類型的傳感器以及分站、電源箱的狀態(tài)檢測(cè)和故障信息上傳功能。（4）具備中心站軟件自診斷功能，包括雙機(jī)熱備、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、軟件模塊通信。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)密碼不正常、數(shù)據(jù)庫(kù)連接失敗、軟件模塊異常關(guān)閉以及工作異常時(shí)系統(tǒng)能發(fā)出異常信息提示。

3.6 增強(qiáng)數(shù)據(jù)應(yīng)用分析功能

（1）實(shí)現(xiàn)傳感器標(biāo)校期間的數(shù)據(jù)分析功能和異常數(shù)據(jù)分析功能。（2）系統(tǒng)根據(jù)瓦斯涌出量測(cè)試數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)預(yù)警功能（火災(zāi)按照一氧化碳傳感器及溫度傳感器進(jìn)行配置；瓦斯涌出按照瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)速及巷道橫截面積進(jìn)行配置）；通過(guò)大數(shù)據(jù)對(duì)比分析，預(yù)測(cè)瓦斯涌出及CO 含量變化情況規(guī)律。（3）系統(tǒng)軟件具備系統(tǒng)融合以及數(shù)據(jù)分析顯示查詢功能。測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)、語(yǔ)音廣播、人員定位的融合數(shù)據(jù)在聯(lián)動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行顯示情況。

3.7 增強(qiáng)加密存儲(chǔ)功能

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及斷電信息已采用RSA 加密算法進(jìn)行存儲(chǔ)，防止數(shù)據(jù)被篡改。非法篡改后，系統(tǒng)自帶篡改顯示。采用RSA 加密法，仍可以還原被修改數(shù)據(jù)。

4 KJ70X 系統(tǒng)升級(jí)改造后應(yīng)用效果

4.1 達(dá)到國(guó)家煤監(jiān)局相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

升級(jí)改造后，各項(xiàng)功能均達(dá)到《國(guó)家煤礦安監(jiān)局關(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)）的要求，滿足安全生產(chǎn)的需要。

4.2 系統(tǒng)運(yùn)行高速、穩(wěn)定

新、舊系統(tǒng)并行及完全使用新系統(tǒng)前后效果對(duì)比顯示，新系統(tǒng)運(yùn)行更為穩(wěn)定，傳感器及信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行平穩(wěn)，系統(tǒng)巡檢周期小于10s，異地?cái)嚯姇r(shí)間小于5s，分站到傳感器之間的傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)6km，雙機(jī)熱備自動(dòng)切換功能，熱備切換試驗(yàn)10秒內(nèi)自動(dòng)切換，供電電源延長(zhǎng)供電時(shí)間1 倍，達(dá)到4h。系統(tǒng)信號(hào)準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)，沒有誤報(bào)警斷電等情況。

4.3 架構(gòu)簡(jiǎn)化、設(shè)備可靠性高，有效降低維護(hù)勞動(dòng)強(qiáng)度

KJ70X 系統(tǒng)有效簡(jiǎn)化信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)，設(shè)備使用數(shù)量下降為原來(lái)的60%左右，數(shù)字化傳輸減少了電纜的使用；配套的高性能傳感器、分站等設(shè)施功能強(qiáng)大、防護(hù)等級(jí)高，質(zhì)量可靠，大大減輕了監(jiān)控維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.4 系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化水平明顯提升

KJ70X 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)多網(wǎng)融合，應(yīng)急情況下多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，自評(píng)估、自診斷功能，大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析及加密功能大大增強(qiáng)了安全監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化技術(shù)水平，快速準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析處理及系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)有效縮短了應(yīng)急情況下發(fā)送指令的時(shí)間，為事故預(yù)測(cè)預(yù)警及災(zāi)害搶險(xiǎn)救援提供了重要保證。