煤礦安全監(jiān)控技術(shù)與監(jiān)控系統(tǒng)的分析

李志龍

（大同煤礦集團(tuán)公司挖金灣煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西大同 037001）

0 引言

礦井實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)與集成系統(tǒng)，對(duì)一些影響礦山安全的災(zāi)難數(shù)據(jù)（瓦斯、煤塵量、火災(zāi)次數(shù)等）進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，將收集的數(shù)據(jù)通過(guò)專(zhuān)用傳送線路及收集設(shè)施顯示在監(jiān)控中心的顯示屏上，監(jiān)控員只需對(duì)該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運(yùn)用科學(xué)有效的方法進(jìn)行詳細(xì)分析，就可提前預(yù)知災(zāi)害發(fā)生的概率，進(jìn)而為礦井安全作業(yè)及正常生產(chǎn)給與一定的指導(dǎo)意見(jiàn)。隨著現(xiàn)代煤礦開(kāi)采事業(yè)的不斷發(fā)展及進(jìn)步，設(shè)備的機(jī)械化、智能化在其中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用，在此發(fā)展環(huán)境下人們對(duì)礦井安全性提出了更高的要求，相關(guān)部門(mén)要求具備工作能力的礦井必須安裝此安全監(jiān)控系統(tǒng)，以確保礦井工作安全順利地進(jìn)行。眾所周知，大部分的礦井環(huán)境都具有一定復(fù)雜性及特殊性，礦井內(nèi)存在一些對(duì)安裝監(jiān)控不利的因素，如易發(fā)生爆炸的瓦斯氣體及灰塵、空間過(guò)于狹小等，這對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)提出了更為苛刻的要求，例如監(jiān)控設(shè)備要具有防爆能力、相關(guān)線路耐腐蝕、不被其他信號(hào)干擾等，在礦井的工作范圍及視覺(jué)死角合理安裝該系統(tǒng)，能夠極大提升礦井工作安全性，并且能夠及時(shí)處理所發(fā)生的問(wèn)題。

1 礦井安全監(jiān)控技術(shù)與系統(tǒng)職能

此類(lèi)安全系統(tǒng)的主要職能是進(jìn)行安全監(jiān)控，這個(gè)職能可以詳細(xì)劃分為3個(gè)部分，即生產(chǎn)、供電及運(yùn)輸安全，以下將對(duì)這3個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明[1]。

1.1 生產(chǎn)安全

礦井能夠安全有效地進(jìn)行日常運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵因素是礦井的生產(chǎn)安全，一個(gè)礦井的生產(chǎn)能力是決定礦井盈利大小的關(guān)鍵因素，而確保礦井安全是保證生產(chǎn)任務(wù)的首要前提，保障生產(chǎn)安全的措施主要包括：在礦井上方安裝位置測(cè)量?jī)x用來(lái)測(cè)量其變形情況；在礦井通道中安裝瓦斯檢測(cè)設(shè)備；實(shí)時(shí)檢測(cè)瓦斯的濃度，在生產(chǎn)工作區(qū)域的主要位置，安裝視頻設(shè)備用來(lái)掌握具體生產(chǎn)情況；通過(guò)視頻內(nèi)容排查可能影響安全性的危險(xiǎn)源等。

1.2 運(yùn)輸安全

在礦井提升工作中所用到的鋼絲繩及在運(yùn)輸中用到的皮帶達(dá)到一定的疲勞程度及使用年限后需要對(duì)其維護(hù)，嚴(yán)重時(shí)需要更換，那么如何準(zhǔn)確地把握更換的時(shí)機(jī)，成為了礦井管理人員及操作員所重點(diǎn)掌握的問(wèn)題。如果過(guò)早進(jìn)行更換，會(huì)造成資源浪費(fèi)，加大了生產(chǎn)成本；如果更換時(shí)間太晚，則會(huì)對(duì)生產(chǎn)安全性造成威脅。在這些設(shè)備上面安裝實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備，收集相關(guān)使用數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定何時(shí)進(jìn)行更換，這樣就可以既節(jié)省生產(chǎn)成本又確保生產(chǎn)安全。目前工廠可利用弱磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)傳送帶及鋼絲繩的疲勞情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)及預(yù)報(bào)[2]。

1.3 供電安全

在當(dāng)今生產(chǎn)中，機(jī)械化、自動(dòng)化開(kāi)采的方式是礦井生產(chǎn)工作的主要方式，在此過(guò)程中電力系統(tǒng)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，由于生產(chǎn)的特殊性導(dǎo)致礦井用電存在一定危險(xiǎn)性、環(huán)境復(fù)雜性等特點(diǎn)，生產(chǎn)過(guò)程中存在許多安全隱患，并且所使用的電氣設(shè)備也要具備防爆功能，以及做好防爆措施。對(duì)供電系統(tǒng)的安全性進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)及跟蹤，對(duì)礦井工作的安全生產(chǎn)具有至關(guān)重要的作用，以便做到早發(fā)現(xiàn)、早處理，將危險(xiǎn)事故扼殺在搖籃中。

2 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)

礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是先進(jìn)的軟件技術(shù)在礦井生產(chǎn)安全中的運(yùn)用及發(fā)展，圖1所示為典型的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)圖，展現(xiàn)了一個(gè)完善的網(wǎng)絡(luò)信息處理流程，以下將從3個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，包括數(shù)據(jù)的采集、人員的定位及安全監(jiān)控系統(tǒng)[3]。

圖1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中需要收集的數(shù)據(jù)主要包括瓦斯含量、頂?shù)装寮巴ǖ纼蓚?cè)位移量，供電系統(tǒng)功率大小等。以上數(shù)據(jù)由相關(guān)傳感器采集后，經(jīng)專(zhuān)用線路傳送到信息檢測(cè)分站；監(jiān)測(cè)分站將收集來(lái)的信息數(shù)據(jù)輸送到網(wǎng)絡(luò)接口，環(huán)網(wǎng)設(shè)備對(duì)接口收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后送到系統(tǒng)終端，由終端系統(tǒng)對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析；最后做出相應(yīng)的預(yù)判反饋給監(jiān)測(cè)分站，從而形成了一個(gè)封閉環(huán)[4]。

2.2 人員定位系統(tǒng)

礦井人員定位系統(tǒng)主要由無(wú)線信號(hào)設(shè)備、井下站點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)接口及定位系統(tǒng)終端等組成，礦井下的每個(gè)人都有其唯一的頻道參數(shù)，無(wú)線信號(hào)設(shè)備將其發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口，環(huán)網(wǎng)設(shè)備轉(zhuǎn)碼后的頻道參數(shù)傳送到其終端系統(tǒng)，然后再定位終端進(jìn)行人員管理操作。

2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)視控制系統(tǒng)主要分為地面和井下2 個(gè)部分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。地面監(jiān)控系統(tǒng)主要用來(lái)對(duì)地面工作的安全性及生產(chǎn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，環(huán)境及其他因素相對(duì)簡(jiǎn)單；相反井下的環(huán)境較為復(fù)雜，不易進(jìn)行監(jiān)控工作。其監(jiān)控系統(tǒng)的組成部分包括防爆攝像頭、網(wǎng)絡(luò)接入端口、環(huán)網(wǎng)設(shè)備及監(jiān)視設(shè)備終端等部分構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)接入端口將攝像機(jī)采集到的數(shù)據(jù)信息輸送到環(huán)網(wǎng)設(shè)備，并在此種設(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最終將圖像在顯示屏上顯示出來(lái)，主要為了起到對(duì)突發(fā)事件的預(yù)判與預(yù)警的作用[5]。

3 礦井安全監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 紅外傳感監(jiān)測(cè)瓦斯技術(shù)

通過(guò)對(duì)紅外光譜原理的了解得知在瓦斯的檢測(cè)中可用到紅外技術(shù)，該技術(shù)運(yùn)用參比測(cè)量校正技術(shù)，通過(guò)對(duì)波長(zhǎng)及光源進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有以下優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)：主要集中在測(cè)量范圍及區(qū)域廣，范圍涉及0.00%～10.00%；監(jiān)測(cè)精度較高，誤差低于0.06%；同時(shí)在監(jiān)測(cè)過(guò)程更節(jié)約時(shí)間，一般時(shí)間達(dá)到25 s時(shí)就可以得到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；并且此種監(jiān)測(cè)方式更加方便，抗干擾能力極強(qiáng)，若本項(xiàng)技術(shù)與監(jiān)控系統(tǒng)完美結(jié)合起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)切斷電源的功能，使礦井生產(chǎn)更加有序、更安全地進(jìn)行[6]。

3.2 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，使數(shù)據(jù)傳輸及處理變得更加便捷，與此同時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸速度及網(wǎng)絡(luò)可靠性較原來(lái)有了很大的提升，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心是以太網(wǎng)技術(shù)，詳情如圖2 所示。在礦井的安全檢測(cè)系統(tǒng)中該技術(shù)主要應(yīng)用于系統(tǒng)的傳輸層，以太網(wǎng)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，其中就包括能夠快速準(zhǔn)確的傳遞數(shù)據(jù)信息，并且傳輸速度已經(jīng)達(dá)到了10 G，且該技術(shù)可靠性高，應(yīng)用在礦井生產(chǎn)中不會(huì)造成誤報(bào)、漏報(bào)的情況。

圖2 以太網(wǎng)示意圖

4 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)主要作用

相關(guān)的國(guó)家部門(mén)發(fā)布了重要文件，要求礦井生產(chǎn)中必須建立安全監(jiān)控系統(tǒng)。眾多的案例已經(jīng)足以表明，在礦井的生產(chǎn)中建立安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)礦井生產(chǎn)的安全性具有非常重要的意義，具體如下。

（1）礦山壓力監(jiān)測(cè)及預(yù)防。通過(guò)采集巷道周?chē)鷰r石的位移量、應(yīng)變及頂板離層量等數(shù)據(jù)，對(duì)工作表面施壓及沖擊土地壓力等礦井災(zāi)害進(jìn)行提前預(yù)判和警示。

（2）瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)及報(bào)警。通過(guò)監(jiān)測(cè)巷道及工作地面一定時(shí)間瓦斯冒出量及總的冒出量等數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)可能發(fā)生的事件進(jìn)行預(yù)判及報(bào)警，同時(shí)對(duì)礦井中瓦斯密集的區(qū)域加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，以便及早采取措施進(jìn)行相關(guān)處理，避免發(fā)生因瓦斯密度過(guò)大而發(fā)生爆炸的問(wèn)題。

（3）粉塵、煤塵濃度監(jiān)測(cè)。在礦井下工作極易產(chǎn)生粉塵等懸浮物，而工作區(qū)域及通道空間狹小，在通風(fēng)不順暢的情況下極易造成粉塵聚集。粉塵等懸浮物不僅對(duì)煤礦工人的身體健康造成威脅，而且當(dāng)其達(dá)到一定量時(shí)極易發(fā)生爆炸，因此對(duì)礦井內(nèi)的粉塵等懸浮物的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)預(yù)警，不僅保障了工人的生命安全也確保了礦井工作的安全性。

（4）火災(zāi)監(jiān)控。監(jiān)控環(huán)境溫度、晝夜溫差、煙霧含量等，通過(guò)控制礦井風(fēng)門(mén)，進(jìn)而調(diào)節(jié)分口壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的控制。

（5）水害防治。通過(guò)監(jiān)測(cè)巷道周?chē)鷰r石的相關(guān)出水量及水壓大小，來(lái)預(yù)測(cè)突水災(zāi)害，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水害的防范與預(yù)警[7]。

5 問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

5.1 存在的問(wèn)題

近年來(lái)，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(duì)指導(dǎo)礦井安全高效生產(chǎn)起到了重要作用，但目前我國(guó)礦井安全監(jiān)控技術(shù)及系統(tǒng)尚有許多問(wèn)題需要解決。

（1）智能傳感器性能差。傳感器是礦井安全檢測(cè)系統(tǒng)的主要構(gòu)件，起著至關(guān)重要的作用，對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)起著牽一發(fā)而動(dòng)全身的影響。國(guó)內(nèi)的傳感器普遍具有壽命較短、精確性較差、抗干擾能力弱等缺點(diǎn)。

（2）通信協(xié)議不規(guī)范。鑒于傳感器及安全監(jiān)測(cè)程序的生產(chǎn)廠家比較多，并且針對(duì)這類(lèi)產(chǎn)品及使用軟件的設(shè)計(jì)，沒(méi)有形成統(tǒng)一的通信協(xié)議，造成了不同廠家所生產(chǎn)的產(chǎn)品彼此之間不兼容，因此嚴(yán)重阻礙了礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的推廣及發(fā)展。

（3）系統(tǒng)智能化尚待提高。人工智能的快速發(fā)展推動(dòng)了各行各業(yè)得到了飛速的發(fā)展，而在礦井中應(yīng)用的人工智能產(chǎn)品只是處于初級(jí)階段，在采集數(shù)據(jù)、處理及預(yù)判中均不具備高級(jí)人工智能的處理程序，因此需要在其過(guò)程中加入一些新的算法和程序，以改善其安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

（4）礦井工人的綜合素質(zhì)及文化水平較低。雖然有關(guān)高校向國(guó)內(nèi)的各大礦區(qū)培養(yǎng)及輸送了不少的煤礦類(lèi)的高校畢業(yè)生，但就整體的礦井工人而言實(shí)際的操作工人的綜合素質(zhì)及文化水平較低，不具備一些智能化產(chǎn)品的理論知識(shí)，上手能力較弱，在傳感器安裝位置等問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。因此想要礦井產(chǎn)業(yè)更好地發(fā)展，必須有效提高實(shí)際操作工的整體水平和素質(zhì)[8]。

5.2 發(fā)展方向

隨著信息化技術(shù)及工業(yè)電子科技的飛速發(fā)展，在礦井產(chǎn)業(yè)中發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多的高科技技術(shù)及設(shè)備，并且均與監(jiān)控技術(shù)有很好地結(jié)合。如發(fā)展系統(tǒng)基于開(kāi)放式互聯(lián)模型的主站一分站集散式結(jié)構(gòu)；開(kāi)發(fā)專(zhuān)家診斷、專(zhuān)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(guò)相關(guān)的技術(shù)和措施，加強(qiáng)其監(jiān)控技術(shù)及系統(tǒng)的可靠性，以提高礦井生產(chǎn)的安全系數(shù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)是六大安全避險(xiǎn)系統(tǒng)之一，對(duì)礦井安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。本文以監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)的組成和原理為出發(fā)點(diǎn)，探討了其結(jié)構(gòu)組成、信息數(shù)據(jù)傳送方式、技術(shù)原理，并在這個(gè)基礎(chǔ)上提出了目前存在的問(wèn)題及將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，并從互聯(lián)網(wǎng)、設(shè)備、操作人員等方面著手，進(jìn)而全方位的提升監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性及準(zhǔn)確度。