煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)

段海亮，吳海旭

(國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司上灣煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200)

0 引言

隨著當(dāng)前煤炭資源不斷整合，大型、超大型煤炭企業(yè)和礦井相繼出現(xiàn)，礦井煤炭產(chǎn)量隨著采煤技術(shù)的不斷革新也隨之突飛猛進(jìn)，大采高、高產(chǎn)量屢創(chuàng)紀(jì)錄，成績(jī)喜人。但是隨之而來的也有對(duì)安全管理帶來的諸多挑戰(zhàn)，許多安全技術(shù)和安全措施也必須隨之進(jìn)行更新?lián)Q代，以適應(yīng)新的需求。在這樣的背景下，作為煤礦“六大系統(tǒng)”之一的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了全面升級(jí)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均出現(xiàn)質(zhì)的飛躍，但是隨著新技術(shù)的應(yīng)用，在保證煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)功能齊全、運(yùn)行可靠方面給煤礦企業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)帶來新的挑戰(zhàn)。

1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造

根據(jù)國(guó)家煤礦安監(jiān)局印發(fā)的《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))要求，最近一次煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造在傳輸數(shù)字化、增強(qiáng)抗電磁干擾能力、推廣應(yīng)用先進(jìn)傳感技術(shù)及裝備、提升傳感器的防護(hù)等級(jí)、完善報(bào)警和斷電等控制功能、支持多網(wǎng)和多系統(tǒng)融合、格式規(guī)范化、增加自診斷和自評(píng)估功能、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)、增加加密存儲(chǔ)要求、方便用戶使用維護(hù)培訓(xùn)等13個(gè)方面進(jìn)行了技術(shù)升級(jí)。

通過此次系統(tǒng)技術(shù)升級(jí)給現(xiàn)場(chǎng)安裝和管理帶來諸多便利，如增加多系統(tǒng)融合和應(yīng)急聯(lián)動(dòng)功能，使得安全監(jiān)控系統(tǒng)、語音廣播系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)能夠在GIS圖上進(jìn)行顯示，充分、全面地展示礦井三大系統(tǒng)的運(yùn)行情況，同時(shí)能夠在安全監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警的緊急情況下，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)與語音廣播系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制，根據(jù)預(yù)案自動(dòng)對(duì)危險(xiǎn)報(bào)警區(qū)域發(fā)出語音廣播警示和人員撤離指令。

新技術(shù)的應(yīng)用使得安全監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)傳輸距離和系統(tǒng)容量增加，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化總線傳輸，現(xiàn)場(chǎng)安裝更加方便快捷。新型激光類傳感器、多參數(shù)傳感器的應(yīng)用，更是極大地降低了線路負(fù)荷，增加傳感器的延設(shè)距離。

2 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)性能有很大的提升，安全監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度、抗干擾能力明顯增強(qiáng)，安全監(jiān)控設(shè)備小型化、低功耗化、運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠等等，但是伴隨著現(xiàn)代化大型礦井、智能化礦井的建設(shè)，也給煤礦安全系統(tǒng)的運(yùn)行帶來諸多問題。

2.1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)傳輸信號(hào)衰減問題

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用三級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括由環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、光纖組成的一級(jí)環(huán)網(wǎng)，由分站、通信電纜、網(wǎng)線或光纖組成的二級(jí)分站主傳輸網(wǎng)絡(luò)，由傳感器、通信電纜組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)代化大型礦井中，井田面積大，巷道長(zhǎng)度長(zhǎng)，由此決定安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)龐大，又由于現(xiàn)代化礦井供電系統(tǒng)集約化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致盤區(qū)變電所等環(huán)網(wǎng)交換機(jī)的理想布置地點(diǎn)之間距離增加，造成單個(gè)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)下分站主傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積被迫增加?，F(xiàn)代化礦井采掘工作面順槽布置長(zhǎng)度可以達(dá)到5 000 m之多，安全監(jiān)控分站至環(huán)網(wǎng)交換機(jī)之間的主傳輸纜線往往能達(dá)到6 000 m甚至更遠(yuǎn)，由此造成主傳輸信號(hào)衰減嚴(yán)重。信號(hào)衰減往往是安全監(jiān)控設(shè)備出現(xiàn)通信異常和抗干擾能力降低的主要原因。

2.2 煤礦安全監(jiān)控設(shè)備受潮問題

受礦井潮濕氣候環(huán)境因素和采掘工作面作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)除塵、降塵措施影響，井下回風(fēng)大巷、回風(fēng)順槽、水倉、采煤工作面等地點(diǎn)存在空氣濕度、粉塵濃度大，除塵設(shè)備產(chǎn)生水霧等不利因素。安裝在這些位置的傳感器、纜線接線盒，極易因長(zhǎng)時(shí)間受水氣侵蝕，造成傳感器航空插頭銹蝕、電路板受潮短路、電氣元件接頭銹蝕、傳感器變送器工作異常等故障。冷凝水和粉塵積聚共同作用會(huì)造成傳感器氣體采集口堵塞。

2.3 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)傳感器末端電壓不足問題

目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)配套設(shè)備中除設(shè)備電源箱外，普遍采用本質(zhì)安全型電氣設(shè)備，受本質(zhì)安全型電氣設(shè)備對(duì)電壓、電流和功耗的限制，在傳感器布置安裝過程中，往往會(huì)出現(xiàn)因傳感器安裝位置距離分站電源距離遠(yuǎn)、同一傳感器纜線接入傳感器數(shù)量過多、功耗過高或通信纜線受損造成纜線電阻增大等原因，造成傳感器網(wǎng)絡(luò)纜線末端壓降損耗大，處于末端的傳感器供電電壓不足，出現(xiàn)傳感器無法正常啟動(dòng)或啟動(dòng)后工作不穩(wěn)定等故障。

3 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)常見故障分析

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)故障主要與礦井電氣設(shè)備和通信設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾、井下氣候環(huán)境影響、作業(yè)面作業(yè)因素干擾、系統(tǒng)維護(hù)可靠性、系統(tǒng)和設(shè)備自身性能限制等因素有關(guān)，任何一個(gè)方面都會(huì)造成煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)整體或局部工作不穩(wěn)定。主要表現(xiàn)在安全監(jiān)控設(shè)備通信異常或網(wǎng)絡(luò)中斷，交換機(jī)、分站和傳感器故障，傳感器誤報(bào)警等。歸結(jié)起來大體可以分為兩類故障：一類是線路故障，另一類是設(shè)備故障。這兩類故障往往在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)不能很直觀的從系統(tǒng)故障表現(xiàn)上進(jìn)行區(qū)分，需要維護(hù)人員有豐富的故障判斷和處理經(jīng)驗(yàn)才能快速進(jìn)行處理。日常工作中對(duì)上述兩類故障發(fā)生原因進(jìn)行總結(jié)分析，有助于提升安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)日常維護(hù)和故障處理的能力。

3.1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)線路故障分析

現(xiàn)代化大型礦井井田面積巨大，巷道長(zhǎng)達(dá)幾十甚至上百公里，安全監(jiān)控線路幾乎遍布井下巷道，形成井下的安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。受巷道空間的局限，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)纜線獨(dú)立布置比較困難，往往存在與礦井動(dòng)力纜線、通信和人員定位等系統(tǒng)纜線混合、交叉布置，雖然布置時(shí)保持了一定的距離，但是無法從本質(zhì)上隔絕由大功率電氣設(shè)備、線路產(chǎn)生工頻、射頻電磁干擾和由礦井通信、智能化設(shè)備產(chǎn)生的載頻、視頻電磁干擾。電磁干擾產(chǎn)生的系統(tǒng)故障主要表現(xiàn)為分站、傳感器頻繁出現(xiàn)通信異常或開關(guān)量傳感器狀態(tài)頻繁變化。由于作業(yè)面作業(yè)影響產(chǎn)生的線路故障主要表現(xiàn)為局部的分站、傳感器斷線、其他同級(jí)相關(guān)聯(lián)設(shè)備出現(xiàn)短時(shí)間通信異常，這主要是因?yàn)樽鳂I(yè)面作業(yè)時(shí)造成線路損壞，故障點(diǎn)下側(cè)設(shè)備完全斷線，而故障點(diǎn)上級(jí)及同級(jí)設(shè)備出現(xiàn)的短時(shí)間通信異常則由于損壞線路短路，造成上級(jí)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)或分站網(wǎng)絡(luò)模塊重啟。

3.2 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備故障分析

隨著煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)備技術(shù)升級(jí)，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)備性能大幅提升，設(shè)備更加穩(wěn)定可靠，使用周期更長(zhǎng)。但是由于設(shè)備安裝地點(diǎn)不可避免的存在濕度高、粉塵大、震動(dòng)大等因素。造成傳感器采集元件、插頭、電路板等部位出現(xiàn)故障。設(shè)備故障一般表現(xiàn)為單個(gè)傳感器故障，不會(huì)引起同級(jí)傳感器或上級(jí)分站故障。當(dāng)然也不排除出現(xiàn)傳感器功耗異常增加的故障，此類故障能夠引起同一線路下全部或部分傳感器出現(xiàn)斷線故障，但此類故障在設(shè)備運(yùn)行過程中發(fā)生極少。

4 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)日常運(yùn)行維護(hù)

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)日常運(yùn)行維護(hù)是煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)維護(hù)部門重點(diǎn)工作內(nèi)容，是保證煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的重要保障，重點(diǎn)集中在設(shè)備安裝和日常維護(hù)2個(gè)方面。

4.1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備安裝

為保證煤礦安全監(jiān)控設(shè)備安裝完成后，與其關(guān)聯(lián)的已安裝設(shè)備不受新安裝設(shè)備影響，且能正常有效工作，需要在安裝前綜合考慮以下問題。

4.1.1 環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和分站的布置

環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和分站安裝位置需要考慮的因素包括環(huán)網(wǎng)交換機(jī)與分站之間的距離、分站承載傳感器能力等。

環(huán)網(wǎng)交換機(jī)與分站之間的距離直接決定了分站主傳輸信號(hào)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，距離越長(zhǎng)，信號(hào)衰減越大，強(qiáng)度越弱，越容易受到外界電磁環(huán)境干擾，造成分站頻繁出現(xiàn)通信異?；蛲ㄐ胖袛?，同時(shí)會(huì)影響同一主傳輸線路上的其他分站穩(wěn)定運(yùn)行。

分站承載傳感器能力需要考慮計(jì)劃監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)安裝的傳感器類型、功耗和額定電流、傳感器數(shù)量、使用纜線類型和傳感器安裝距離等因素。受本質(zhì)安全型電氣設(shè)備對(duì)功耗、電壓、電流的限制，分站端口輸出的電壓和電流都被限制在規(guī)定范圍內(nèi)，同時(shí)分站每個(gè)端口接入傳感器數(shù)量也是受限制的，分站上單個(gè)端口接入傳感器數(shù)量過多，端口接入傳感器能耗過大，都會(huì)造成傳感器工作和通信異常。

因此要根據(jù)礦井盤區(qū)分布和需要監(jiān)測(cè)區(qū)域合理布置環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，在盤區(qū)變電所不能滿足環(huán)網(wǎng)交換機(jī)布置距離和覆蓋區(qū)域要求時(shí)，應(yīng)選取位置相對(duì)固定，工作環(huán)境相對(duì)較好的機(jī)頭變電所、大巷配電硐室作為環(huán)網(wǎng)交換機(jī)的布置地點(diǎn)，保證每臺(tái)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)與下級(jí)分站間的距離均在安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備性能要求范圍內(nèi)，從而降低環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和分站之間的信號(hào)衰減，增強(qiáng)系統(tǒng)信號(hào)的抗干擾能力。同時(shí)需要控制接入分站的傳感器數(shù)量，合理規(guī)劃每個(gè)端口接入傳感器的類型和數(shù)量，減少單個(gè)端口承擔(dān)的負(fù)荷，以保證傳感器的供電電壓、電流和信號(hào)傳輸滿足要求。

4.1.2 通信線路的布置

通信線路布置過程中需要考慮傳感器在日常使用和維護(hù)中可能出現(xiàn)的各種情況，如掘進(jìn)工作面T1和T2甲烷傳感器需要隨工作面的掘進(jìn)不斷向前延設(shè)，延設(shè)過程中會(huì)造成傳感器通信中斷，而配電硐室安設(shè)的傳感器則是長(zhǎng)期固定的，如果將工作面?zhèn)鞲衅骱团潆婍鲜覀鞲衅鹘尤胪痪€路或同一分站端口，延設(shè)工作面?zhèn)鞲衅鲿r(shí)將會(huì)影響配電硐室傳感器穩(wěn)定運(yùn)行。因此應(yīng)將不同維護(hù)類型的傳感器線路分開布置，并接入不同的端口，可以減少因傳感器維護(hù)、延設(shè)造成的同級(jí)傳感器故障影響范圍。掘進(jìn)工作面布置傳感器時(shí)，宜將位置長(zhǎng)期固定的機(jī)電硐室監(jiān)測(cè)傳感器、風(fēng)機(jī)開停監(jiān)測(cè)傳感器等布置在同一線路上，掘進(jìn)面需要同時(shí)延設(shè)的傳感器布置在一條線路上。這樣在工作面延設(shè)傳感器時(shí)，出現(xiàn)故障的傳感器就控制在需要延設(shè)的傳感器范圍內(nèi)，而不會(huì)造成其他傳感器干擾性故障，從而增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時(shí)在線路布置過程中，要與動(dòng)力電纜、高壓電器設(shè)備、變頻器等設(shè)備保持一定距離，減少對(duì)線路的電磁干擾。

4.1.3 傳感器的布置

傳感器的安設(shè)需在滿足位置標(biāo)準(zhǔn)的前提下，盡量避開頂板淋水、噴霧下風(fēng)側(cè)等容易造成傳感器受潮的地點(diǎn)，如不能避開，則需要安裝可靠的防淋水裝置，必要時(shí)使用防水材料對(duì)傳感器插頭進(jìn)行防水保護(hù)，防止插頭銹蝕。

傳感器安裝過程要根據(jù)分站端口輸出電流、電壓的能力和傳感器纜線參數(shù)控制接入分站的傳感器數(shù)量，具體為：控制接入分站單個(gè)端口全部傳感器的總電流，并通過分站輸出電壓、傳感器總電流、纜線電阻等參數(shù)，計(jì)算分站能夠給最遠(yuǎn)端傳感器提供的供電電壓，對(duì)比傳感器最小啟動(dòng)電壓，以保證線路末端供電電壓大于傳感器最小啟動(dòng)電壓，并且分站端口輸出電流大于線路全部傳感器的總電流，這樣才能保證線路上全部傳感器能夠穩(wěn)定可靠工作。必要時(shí)可根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，增加電流、電壓冗余量。

4.2 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)日常維護(hù)

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的分站和傳感器故障、線路故障和電磁干擾是安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要故障點(diǎn)和重點(diǎn)維護(hù)內(nèi)容。

4.2.1 環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和分站的日常維護(hù)

環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和分站的日常維護(hù)主要是定期檢查環(huán)網(wǎng)交換機(jī)光纖信號(hào)是否兩路全通，分站內(nèi)部接線有無松動(dòng)，受潮現(xiàn)象。在安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件查看各分站通信異常情況，分析通信異常原因，如果是分站硬件、軟件問題，應(yīng)及時(shí)更換分站或升級(jí)分站程序。

4.2.2 傳感器的日常維護(hù)

傳感器日常維護(hù)除定期標(biāo)校傳感器外，應(yīng)該將傳感器維護(hù)重點(diǎn)放在工作條件惡劣地點(diǎn)的傳感器上，如空氣濕度大、粉塵濃度大、存在淋水、噴霧或其他生產(chǎn)性水源侵蝕的地點(diǎn)和安裝在移動(dòng)設(shè)備上的傳感器。這些地點(diǎn)的傳感器往往會(huì)出現(xiàn)插頭生銹、氣體采集口堵塞，傳感器內(nèi)部因水氣凝結(jié)造成電路板和元器件故障。同時(shí)應(yīng)建立傳感器安裝臺(tái)賬，重點(diǎn)關(guān)注使用時(shí)間較長(zhǎng)的催化原理類傳感器的工作狀況，定期標(biāo)校中發(fā)現(xiàn)偏差較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換，避免出現(xiàn)傳感器催化元件老化損壞故障。安裝在移動(dòng)設(shè)備上的傳感器則會(huì)由于設(shè)備震動(dòng)，造成傳感器檢測(cè)元件、插頭等部件松動(dòng)、應(yīng)定期進(jìn)行檢查。

4.2.3 通信線路的日常維護(hù)

傳感器通信線路日常維護(hù)重點(diǎn)放在檢查線路上空氣濕度較大地點(diǎn)的接線盒、因施工原因改變?cè)瓉聿贾梦恢玫睦|線和采煤工作面移動(dòng)設(shè)備上布置的纜線。接線盒因井下溫度變化容易在接線盒內(nèi)形成冷凝水，造成接線柱銹蝕，芯線間絕緣降低等現(xiàn)象，影響纜線供電電壓和傳輸信號(hào)質(zhì)量。因施工原因，改變纜線布置位置時(shí)，往往會(huì)造成纜線斷線或接線盒虛接等情況，巡查發(fā)現(xiàn)纜線布置過緊時(shí)，要增加纜線，保證纜線松弛度。采煤工作面支架內(nèi)布置的纜線往往受支架移動(dòng)影響，容易造成纜線被擠傷或纜線內(nèi)部隱形疲勞損傷，在支架移動(dòng)位置對(duì)纜線進(jìn)行可靠防護(hù)，并定期檢查，出現(xiàn)破口，纜線電阻增加的情況時(shí)，及時(shí)進(jìn)行修復(fù)或啟用備用纜線。

4.2.4 安全監(jiān)控系統(tǒng)的干擾

影響安全監(jiān)控系統(tǒng)的電磁干擾主要集中在對(duì)主傳輸線路和分站的干擾，干擾源包括高壓設(shè)備、變頻設(shè)備、通信設(shè)備、電腦等。在日常巡查過程中，排查主傳輸纜線是否與高壓電纜纏繞或距離過近，排查分站周圍是否安裝高壓設(shè)備、變頻設(shè)備、電腦等通信和智能化設(shè)備，應(yīng)當(dāng)保證分站、主傳輸纜線與能夠產(chǎn)生電磁干擾的設(shè)備保持足夠的距離。尤其是主傳輸纜線末端接入的分站，更要避免接近強(qiáng)電磁干擾設(shè)備設(shè)置，必要時(shí)使用屏蔽通信電纜，減少電磁干擾對(duì)安全監(jiān)控設(shè)備的影響。

5 結(jié)語

煤礦安全件監(jiān)控系統(tǒng)具有保證煤礦安全生產(chǎn)，防范重特大災(zāi)害發(fā)生的重要作用。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)維護(hù)部門在安裝和維護(hù)系統(tǒng)過程中，應(yīng)充分掌握系統(tǒng)性能，合理布置設(shè)備，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，抓住設(shè)備存在的薄弱點(diǎn)，制定重點(diǎn)管理方向和維護(hù)內(nèi)容，做到精準(zhǔn)維護(hù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。