礦井安全監(jiān)控技術(shù)與系統(tǒng)

溫知強(qiáng)

（汾西礦業(yè)兩渡煤業(yè) ，山西 靈石 031302）

0 引 言

礦井安全監(jiān)控技術(shù)與系統(tǒng)，可對瓦斯、煤塵、火災(zāi)、水害及礦山壓力等礦山災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，該數(shù)據(jù)通過專用傳輸線路及采集設(shè)備，顯示在礦井監(jiān)控控制中心，人們只需要對上傳至相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析，便可預(yù)知發(fā)生礦井災(zāi)害的可能性，從而為礦井安全開拓及生產(chǎn)提供指導(dǎo)意見[1-3]。隨著煤礦開采的機(jī)械化、智能化，同時(shí)為進(jìn)一步提升礦井開采的安全性，國家煤礦安全監(jiān)察局要求要求所有煤礦井下必須安裝安全監(jiān)控系統(tǒng)，為礦井安全開采保駕護(hù)航，由于煤礦井下環(huán)境的特殊性及復(fù)雜性，如有易燃易爆瓦斯氣體及煤塵，線路較多電磁干擾較大，空間狹小，線路易受到損壞等，因此對礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)也提出了特殊要求，如，需要采用防爆設(shè)備，監(jiān)控線路應(yīng)耐腐蝕，防干擾，為在礦井合理布置該系統(tǒng)，了解礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成及面臨的問題很有必要[4-5]。

1 礦井安全監(jiān)控技術(shù)與系統(tǒng)的職能

顧名思義，礦井安全監(jiān)控技術(shù)與系統(tǒng)的首要職能就是進(jìn)行安全監(jiān)控，但該職能可細(xì)分為生產(chǎn)安全、供電安全、運(yùn)輸安全，下文將對其加以詳細(xì)介紹。

1.1 生產(chǎn)安全

礦井生產(chǎn)安全是實(shí)現(xiàn)礦井有效運(yùn)營的頭等大事，生產(chǎn)能力是衡量礦井盈利的主要指標(biāo)，而安全則是保證生產(chǎn)的首要前提，生產(chǎn)安全的保障措施主要有：在礦井頂?shù)装灏惭b位移計(jì)測量頂?shù)装遄冃吻闆r，在巷道中安裝瓦斯監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測實(shí)時(shí)瓦斯?jié)舛?，在生產(chǎn)工作面重要部位，安裝視頻監(jiān)控掌握生產(chǎn)情況及根據(jù)視頻排查危險(xiǎn)源等。

1.2 運(yùn)輸安全

立井提升用的鋼絲繩及斜井和工作面運(yùn)輸用的皮帶在達(dá)到一定的損傷和使用年限后便需要更換，那么何時(shí)進(jìn)行更換，便成了礦井安全及生產(chǎn)人員所要考慮的問題，更換時(shí)間過早，會使成本提高，不經(jīng)濟(jì)，更換時(shí)間過晚，則不安全，因此有必要在這些提升設(shè)備上安裝相關(guān)監(jiān)測設(shè)備，根據(jù)數(shù)據(jù)來確定更換時(shí)間，達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)的目的，目前采用弱磁監(jiān)測技術(shù)，可對皮帶及鋼絲繩的損傷情況進(jìn)行較好的監(jiān)測及預(yù)報(bào)。

1.3 供電安全

如今，機(jī)械化開采已成為礦井開采的主要方法，可見電力對于礦井生產(chǎn)的重要性，而礦井用電又存在高壓、高危、環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，因此在礦井供電中危險(xiǎn)源很多，且電氣設(shè)備均要采用防爆型，并需要做好防爆措施，建立礦井供電系統(tǒng)安全監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對礦井用電電壓及電流等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，如出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，可及時(shí)采取措施，做到防范于未然。

2 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成

礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)在礦井安全中的運(yùn)用，典型的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，表現(xiàn)為一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理流程，下面主要從數(shù)據(jù)采集、人員定位及監(jiān)控系統(tǒng)對其進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)

礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)主要有：瓦斯?jié)舛?；頂?shù)装?、巷道兩幫位移量；電流、電壓?shù)據(jù)；巷道圍巖應(yīng)變等，這些數(shù)據(jù)由安裝在相關(guān)位置的傳感器采集后，通過專用線路傳遞到數(shù)據(jù)監(jiān)測分站，監(jiān)測分站收集傳遞過來的數(shù)據(jù)，并將其傳送給網(wǎng)絡(luò)接口，環(huán)網(wǎng)設(shè)備對所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后傳送給安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端，終端對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，做出預(yù)判并反饋給監(jiān)測分站。

2.2 人員定位系統(tǒng)

礦井人員定位系統(tǒng)主要由：無線信號塔、井下基站、網(wǎng)絡(luò)接口、環(huán)網(wǎng)設(shè)備、以及定位終端組成，井下每個(gè)人都有其特定的頻道參數(shù)，無線信號搭將該頻道參數(shù)發(fā)射給網(wǎng)絡(luò)接口，環(huán)網(wǎng)設(shè)備將該頻道參數(shù)轉(zhuǎn)碼后發(fā)送給定位終端系統(tǒng)，在定位終端可對井下人員進(jìn)行管理。

2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控系統(tǒng)及井下監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成，地面監(jiān)控系統(tǒng)主要用來對地面的安全行為及生產(chǎn)情況進(jìn)行監(jiān)測，其工作條件相對簡單，井下監(jiān)控系統(tǒng)則工作條件復(fù)雜，視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由：防爆攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口、環(huán)網(wǎng)設(shè)備以及監(jiān)視設(shè)備終端等組成，網(wǎng)絡(luò)接口將防爆攝像機(jī)收集到的數(shù)據(jù)傳送到環(huán)網(wǎng)設(shè)備，并在環(huán)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將圖像顯示在視頻監(jiān)控終端，監(jiān)控終端進(jìn)行預(yù)判和預(yù)警。

3 礦井安全監(jiān)測技術(shù)

3.1 紅外傳感監(jiān)測瓦斯技術(shù)

通過紅外線吸收光譜的原理可用紅外技術(shù)進(jìn)行礦井瓦斯監(jiān)測，該技術(shù)運(yùn)用參比測量校正技術(shù)，同時(shí)通過雙波長和單光源進(jìn)行調(diào)制，具有監(jiān)測范圍廣，監(jiān)測精度高等優(yōu)勢，其監(jiān)測范圍為0.00%～10.00%，監(jiān)測誤差小于0.06%，同時(shí)該監(jiān)測技術(shù)用時(shí)短，一般不超過25秒便可測得數(shù)據(jù)，且監(jiān)測方便抗干擾能力強(qiáng)，使用該技術(shù)與安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)自動報(bào)警，自動斷電等功能，有效保障礦井安全。

3.2 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，傳輸及處理數(shù)據(jù)越來越便捷，傳輸處理速度及可靠性也大大提升，以太網(wǎng)技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心，在礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)中以太網(wǎng)技術(shù)主要應(yīng)用在系統(tǒng)的傳輸層，以太網(wǎng)具有很大的實(shí)用性，可快速準(zhǔn)確的傳遞信息，如今其傳輸速度已達(dá)到10G，在礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)中運(yùn)用該技術(shù)可靠性強(qiáng)，可保證預(yù)警的可靠度，避免錯(cuò)誤預(yù)警的概率。

圖2 以太網(wǎng)示意圖

4 礦井安全監(jiān)控技術(shù)及系統(tǒng)主要作用

國家煤礦安全監(jiān)督管理局發(fā)文要求礦井必須簡歷安全監(jiān)控系統(tǒng)，并非危言聳聽的一紙空談，眾多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，建立礦井安全監(jiān)控技術(shù)及系統(tǒng)對保證礦井的安全生產(chǎn)意義重大，其作用主要表現(xiàn)為：

1）礦山壓力監(jiān)測及預(yù)防。通過采集巷道圍巖位移，圍巖應(yīng)變，頂板離層量，聲發(fā)射能量，液壓支架工作阻力等數(shù)據(jù)，可對工作面來壓及沖擊地壓，巖爆等礦井災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測和報(bào)警；

2）瓦斯事故監(jiān)測及報(bào)警，通過監(jiān)測巷道及工作面的單位時(shí)間瓦斯涌出量，總瓦斯涌出量等數(shù)據(jù)，來實(shí)現(xiàn)對瓦斯事故的預(yù)防和警報(bào)，同時(shí)在礦井容易積聚瓦斯的區(qū)域，如巷道上隅角等通風(fēng)不暢位置要加強(qiáng)監(jiān)測，避免發(fā)生局部瓦斯積聚引起的瓦斯爆炸；

3）粉塵、煤塵濃度監(jiān)測。井下作業(yè)容易產(chǎn)生粉塵、煤塵，而工作面及巷道空間狹小，如果通風(fēng)不暢很容易造成粉塵積聚，井下粉塵、煤塵不僅嚴(yán)重危害工人身體健康，同時(shí)，煤塵達(dá)到一定濃度時(shí)還會發(fā)生煤塵爆炸事故，因此監(jiān)測井下粉塵、煤塵濃度可對該類事故做到預(yù)警，同時(shí)可對工作環(huán)境粉塵治理提供依據(jù)，保障工人身體健康；

4）火災(zāi)監(jiān)控。監(jiān)控環(huán)境溫度、溫差、煙霧等，通過控制井下風(fēng)門，調(diào)節(jié)風(fēng)壓來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)控制；

5）水害防治。通過監(jiān)測巷道圍巖單位時(shí)間涌水量及圍巖水壓力，來預(yù)測突水災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)對其防范和預(yù)警。

6）其他相關(guān)安全數(shù)據(jù)。如風(fēng)壓、風(fēng)量，其他有害氣體，電力系統(tǒng)電壓等。

5 存在的問題及發(fā)展趨勢

5.1 目前存在的問題

近年來，雖然礦井安全監(jiān)控技術(shù)及系統(tǒng)在各大礦區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，并對指導(dǎo)礦井安全高效生產(chǎn)起到了重要作用，但不可忽視，目前我國礦井安全監(jiān)控技術(shù)及系統(tǒng)尚有許多問題需要解決。

1）智能傳感器性能差。傳感器作為礦井安全監(jiān)測技術(shù)及系統(tǒng)的“一線主力”構(gòu)件，可以說其性能的好壞，直接決定了安全監(jiān)測系統(tǒng)的工作性能，而目前我國生產(chǎn)的傳感器存在使用壽命短，不精確，易受干擾等缺點(diǎn)，與國外相比還有很大差距。

2）通信協(xié)議不規(guī)范。由于井下傳感器及安全監(jiān)測程序的生產(chǎn)廠商較多，且目前針對該類產(chǎn)品及軟件的設(shè)計(jì)，沒有一個(gè)統(tǒng)一的通信協(xié)議，導(dǎo)致不同廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品在軟件層次互不兼容，這嚴(yán)重制約了礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展。

3）系統(tǒng)智能化尚待提高。人工只能的發(fā)展促使各個(gè)行業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，而礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)仍處在初級人工智能階段，其對數(shù)據(jù)的采集、處理及研判都缺乏現(xiàn)階段的高級人工智能，一些新的算法和程序也有待在礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用。

4）井下人員整體素質(zhì)較低。雖然，礦業(yè)類高校為我國各大礦區(qū)培養(yǎng)了大批的煤炭類高校畢業(yè)生，但整體而言礦山井下生產(chǎn)人員整體素質(zhì)仍然較低，對于一些智能化的設(shè)備缺乏相關(guān)知識，不能較好的應(yīng)用，如傳感器安裝位置及質(zhì)量有誤等時(shí)有發(fā)生，因此進(jìn)一步提高礦井作業(yè)人員整體素質(zhì)也是當(dāng)務(wù)之急。

5.2 發(fā)展趨勢

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及工業(yè)電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的高科技技術(shù)及設(shè)備將會被應(yīng)用在礦井安全監(jiān)控技術(shù)及系統(tǒng)中，如發(fā)展系統(tǒng)基于開放式互聯(lián)模型的主站-分站集散式結(jié)構(gòu)，開發(fā)專家診斷、專家決策系統(tǒng)軟件，提高分站、傳感器、斷電儀、電源等單元性能，通過一系列技術(shù)及措施，進(jìn)一步提高礦井安全監(jiān)控技術(shù)及系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)一步降低礦井生產(chǎn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié) 語

礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)是礦井安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”之一，對礦井安全生產(chǎn)起著重要作用。本文從礦井安全監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)的基本組成和原理出發(fā)，探討了其組成結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸方式，技術(shù)原理，并在此基礎(chǔ)上提出了目前我國礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，以及未來發(fā)展趨勢，并認(rèn)為可從互聯(lián)網(wǎng)、設(shè)備、人員等角度全方位的提升礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。