煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)及智能化發(fā)展趨勢

王博翰,郭 俊

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司,陜西 延安 727300)

0 引言

煤炭采集中存在較多危險因素,極易發(fā)生爆炸、坍塌等安全事故,嚴重威脅施工人員的安全。為了增強煤炭生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的安全性,就需要保證施工的連續(xù)性,加強各個施工環(huán)節(jié)的聯(lián)系,并對生產(chǎn)全過程進行監(jiān)控,實施全程化監(jiān)督,及時發(fā)現(xiàn)、排除安全隱患。在煤礦安全生產(chǎn)中,煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,在重特大事故上,發(fā)揮著控制、預(yù)警的作用,保障煤礦的安全生產(chǎn)。在智能化技術(shù)的不斷發(fā)展中,國家對于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、智能性提出更高的要求,并且明確系統(tǒng)的智能化發(fā)展方向。為此,就需要結(jié)合煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀,找出其中存在的問題,有針對性地提出系統(tǒng)的智能化發(fā)展對策,實現(xiàn)系統(tǒng)的升級改造。

1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)概況

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中起到監(jiān)控的作用,也是現(xiàn)代化煤礦井下作業(yè)的一種安全管理手段,其作用是對煤礦內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進行采集,包括CO、溫度、煙霧、瓦斯等,還會采集礦井內(nèi)生產(chǎn)、運輸、排水等各個環(huán)節(jié)的機電設(shè)備狀態(tài),通過監(jiān)測,利用計算機對獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,并展開規(guī)范化管理。在系統(tǒng)監(jiān)控過程中,對于被測參數(shù),通過對比可為安全事故的預(yù)防提供有效的技術(shù)數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)自動報警,以便在發(fā)現(xiàn)安全隱患時能夠提前采取有效措施及時應(yīng)對,避免事故的擴大化。當煤礦內(nèi)瓦斯超限,或是局部通風(fēng)機停運時,煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)就會自動將相關(guān)區(qū)域的電源開閉鎖切斷,有效防止電氣設(shè)備爆炸或出現(xiàn)違章作業(yè)情況而引發(fā)瓦斯爆炸,能夠防止各種設(shè)備之間摩擦引起瓦斯爆炸[1]。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)包括多個系統(tǒng),如煤礦瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)、軌道運輸監(jiān)控系統(tǒng)、供電監(jiān)控系統(tǒng)、排水監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)等,在煤礦安全生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行有效監(jiān)控。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理是,傳感器將被檢測的物理量轉(zhuǎn)為電信號輸出;對于控制信號,執(zhí)行器將其轉(zhuǎn)為被控物理量,分站接收傳感器的信號,然后按照約定的復(fù)用方式,遠距離將其傳輸?shù)絺鬏斀涌?并接收傳輸接口多路復(fù)用信號,分站具有簡單的數(shù)據(jù)處理能力,對于傳感器輸入、傳輸接口傳輸?shù)男盘栠M行處理,從而有效控制執(zhí)行器[2-4]。

2 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 傳感層

中國大多數(shù)礦區(qū)已經(jīng)配置安全監(jiān)控系統(tǒng),有效防范煤礦安全事故的發(fā)生,通過利用系統(tǒng)的監(jiān)控、預(yù)警等功能,增強了煤礦生產(chǎn)的安全性。伴隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展,國家對于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)提出了較高的要求,并且針對系統(tǒng)的功能、技術(shù)等作出明確規(guī)定,為系統(tǒng)的發(fā)展指明了方向。在傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中,其安全性、可靠性等存在較大的問題,促使系統(tǒng)技術(shù)升級改造已經(jīng)成為必然。在目前的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)中,對于傳感層技術(shù),在實際應(yīng)用中存在漏報、誤報、失效等多種問題,嚴重影響系統(tǒng)的可靠性,所以,加強傳感器的防護升級尤為必要。對于目前的傳感器而言,其最低防護等級是IP65,在潮濕或者有水的環(huán)境下,傳感器依然可以正常運作,不會對核心元件產(chǎn)生影響。而在信息化建設(shè)中,煤礦礦井中的設(shè)備數(shù)量增加,并且井下的環(huán)境更加復(fù)雜,電磁環(huán)境紊亂,從而很容易對傳感器、輸電線路等產(chǎn)生不良影響,導(dǎo)致數(shù)據(jù)不精確,也存在通信不良的現(xiàn)象。對于傳感器輸出接口,通過升級可以確保其最低標準處于RS485/CAN,在CRC加密校驗技術(shù)的應(yīng)用中,有效解決了信號干擾的問題。針對傳感器輸入端,在TVS管端口防護技術(shù)、濾波技術(shù)、屏蔽技術(shù)的應(yīng)用下,快速解決電磁干擾問題,有效避免其對傳感器產(chǎn)生不良影響,從而提升其抗電磁干擾的性能,在井下作業(yè)中,傳感器可以保持穩(wěn)定運行[5]。數(shù)字化通信接口的設(shè)置,豐富了傳感器的功能,可以分級報警,遇到故障問題能夠及時診斷,并且,對于傳感器電路元件,通過優(yōu)化升級,可以實現(xiàn)功能增加,有效進行電壓、故障、噪聲檢測。無線甲烷傳感器可以實現(xiàn)甲烷全量程檢測,其具有較好的應(yīng)用效果,對于甲烷濃度,利用激光甲烷傳感器能夠進行線性報警,具有較高的精準性。

2.2 傳輸層

現(xiàn)階段,總線型分站采集功能已經(jīng)完成升級,成為多路總線采集,具有多項功能,如數(shù)據(jù)分析、報警、控制等。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)總線型分站的總線功能總共有7路,有4路的功能是對傳感器數(shù)據(jù)進行采集。無線信號轉(zhuǎn)換器作為其中非常重要的一個元件,能夠與煤礦井內(nèi)總線傳感器線纜相連接,有效結(jié)合煤礦井下的有線、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù),從而可以對線路進行靈活配置。對于區(qū)域協(xié)同控制器,載體為嵌入式處理系統(tǒng),系統(tǒng)利用有線、無線采集各種數(shù)據(jù)信息,然后依據(jù)煤礦井下的環(huán)境進行分析,判斷井下環(huán)境的安全程度,還能夠為突發(fā)事故的處理提供可靠的參數(shù),從而實現(xiàn)事前控制,避免影響范圍擴大化。區(qū)域協(xié)同控制和多個接口有交換機功能,可以適應(yīng)不同結(jié)構(gòu),包括環(huán)網(wǎng)相切、星型等,并且,在網(wǎng)絡(luò)重組中用時比較短。同時,變壓器的升級處理,使得交流電在85～900 V之間,能夠保證設(shè)備的順利運轉(zhuǎn),并且操作十分靈活,無需將抽頭來回切換,從而能夠?qū)崿F(xiàn)遠程實時監(jiān)控,在監(jiān)控下,操作員可以實時掌握電源箱的實際運行情況,完成設(shè)備升級后,能夠知道續(xù)航的時間長短,并且也會增加續(xù)航的時間,減輕電源箱重量,從而提升維修的便捷性,滿足煤礦安全生產(chǎn)的需求。

2.3 應(yīng)用層

對于以往煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)來說,其軟件功能包括實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、日報查詢等,系統(tǒng)升級后,地面中心站功能也得到改善。報警功能、斷電控制功能得到改善,針對不同濃度的瓦斯以及其變化情況,瓦斯超限維持時間及其具體影響范圍等,依此制定相應(yīng)的邏輯報警斷電機制,有效進行分級分區(qū)報警,并且對報警區(qū)域進行區(qū)域斷電,從而使多網(wǎng)、多系統(tǒng)得到有效融合[6]。煤礦井下的融合具有成本高、難度高等特點,所以,煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要為地面融合,并未改變以往系統(tǒng)的運行方式,在此基礎(chǔ)上,搭建融合層,應(yīng)用數(shù)據(jù)庫等各項先進技術(shù),實現(xiàn)監(jiān)控、定位、報警等各項系統(tǒng)的信息共享,并在各個系統(tǒng)的協(xié)同下執(zhí)行。系統(tǒng)的升級還改善了自診斷、自評估功能,在該功能下,對于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng),可以實現(xiàn)自動維修與優(yōu)化。此外,系統(tǒng)升級還實現(xiàn)了應(yīng)急聯(lián)動功能,一旦瓦斯超限,或者出現(xiàn)斷電情況,安全監(jiān)控系統(tǒng)就會與無線通信、人員定位等各個系統(tǒng)進行聯(lián)合,通知工作人員緊急撤離。

3 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)智能化發(fā)展趨勢

3.1 智能化要求

針對煤礦安全監(jiān)控智能化發(fā)展,《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》提出更高要求,具體包括以下幾個方面:①傳輸數(shù)字化。分站到中心站數(shù)字化傳輸?shù)倪^程中,從傳感器到分站,將傳輸升級為數(shù)字傳輸,從而實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化[7]。②報警功能的完善。依據(jù)瓦斯的濃度、超限時間、超限范圍等,合理設(shè)置相應(yīng)的報警級別,然后實施不同級別的報警響應(yīng),同時,結(jié)合巷道設(shè)置、瓦斯涌出之間的關(guān)系,設(shè)置邏輯報警,確保傳感器的正常安裝、維護,保障系統(tǒng)的正常使用,有效避免各種違法行為的出現(xiàn)。③強化數(shù)據(jù)應(yīng)用分析。系統(tǒng)應(yīng)具有大數(shù)據(jù)分析以及應(yīng)用的功能,包括偽數(shù)據(jù)的標注,對于異常數(shù)據(jù),還應(yīng)對其進行全面分析。④自診斷和自評估功能的完善。系統(tǒng)能夠定期進行自動化診斷與評估,可以在安裝使用過程中,提前發(fā)現(xiàn)其中存在的問題,對于自診斷,應(yīng)包括傳感器、控制器等[8]。

3.2 新型傳感技術(shù)

在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的智能化發(fā)展中,對于系統(tǒng)的傳輸、感知等提出較高的要求。在新型傳感技術(shù)上,主要分為以下幾種。

3.2.1 分布式多點激光CH4檢測技術(shù)

在煤礦工作面上,對于瓦斯監(jiān)測點,分布數(shù)量比較少,在瓦斯涌出采樣上,存在數(shù)據(jù)不完整的問題。通過采用分布式多點激光CH4檢測技術(shù),將可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)、光路空分復(fù)用技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)中,在激光器輸出光路中,將自校準氣室引入其中,從而能夠精準校正多個通道,有效解決問題,防止激光CH4傳感器不穩(wěn)定情況的出現(xiàn),從而減少測量點的成本,分布式多點激光CH4檢測系統(tǒng)如圖1所示。同時,系統(tǒng)監(jiān)測的范圍擴大,響應(yīng)時間變得更快,能夠?qū)ν咚雇奖O(jiān)測,大大提升安全預(yù)警能力[9]。

圖1 分布式多點激光甲烷檢測系統(tǒng)Fig.1 Distributed multi-point laser methane detection system

3.2.2 超聲波時差法斷面風(fēng)速監(jiān)測技術(shù)

巷道通風(fēng)具有不均勻的特點,若采用當前的風(fēng)速測量監(jiān)測方法,即以點帶面的方式,很容易在風(fēng)量計算上產(chǎn)生較大的誤差,并且還有監(jiān)測盲區(qū),最終難以滿足井下實際通風(fēng)需求。隨著該技術(shù)的應(yīng)用,對巷道風(fēng)速進行監(jiān)測可以運用多線測量法,將其和巷道斷面的數(shù)據(jù)有效結(jié)合,從而保證風(fēng)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準性,實現(xiàn)智能化風(fēng)速調(diào)節(jié)[10]。

3.2.3 高分辨率激光痕量檢測技術(shù)

在采空區(qū),對于自然火災(zāi),傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)存在測量不精準、監(jiān)測效果不佳的問題。在智能技術(shù)的應(yīng)用中,將該技術(shù)在新型安全在線監(jiān)測傳感器中應(yīng)用,對于采空區(qū)的氣體,能夠?qū)崟r進行測量和處理,有效提升火災(zāi)搶救效率,最大程度減少火災(zāi)帶來的損失。同時,該技術(shù)在礦區(qū)CO的檢測中,還可以解決電化學(xué)應(yīng)用中存在的穩(wěn)定性比較差的問題,以保證礦區(qū)環(huán)境的穩(wěn)定性。

3.2.4 傳感器智能技術(shù)

隨著該技術(shù)的應(yīng)用,使用低功耗、高性能MCU,應(yīng)用數(shù)字化技術(shù),監(jiān)測傳感器的身份信息以及工作狀態(tài),其中,傳感器的身份信息包括設(shè)備型號、生產(chǎn)日期、出廠編號等,信息監(jiān)測包括供電狀態(tài)、調(diào)校信息、故障診斷等,在這一監(jiān)測中,對傳感器進行全面管理。動態(tài)感知芯片的增加,可以遠程對傳感器的位置變化、跌落、移動等進行有效監(jiān)測。為了保障安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效性,就必須正確安裝傳感器。由于煤礦井下空間十分有限,地磁匹配以及慣性導(dǎo)航能夠在這一空間下不依賴定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上解決無盲區(qū)位置定位[11]。傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)遠程在線動態(tài)化監(jiān)測,監(jiān)控設(shè)備安裝是否到位,管理的規(guī)范性等,都能夠為其提供可靠的數(shù)據(jù)信息。

3.3 新型供電傳輸技術(shù)

智能化礦山的建設(shè)可以從安全監(jiān)控系統(tǒng)中新型供電傳輸技術(shù)的應(yīng)用上來分析。一方面,分布式供電技術(shù),在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)有監(jiān)測設(shè)備中,其與分站設(shè)備的連接主要是通過通信電纜,不僅在布線上具有一定的復(fù)雜性,還在空間層面受到限制,靈活性比較差,無法在較大范圍層面進行分布式監(jiān)測,感知盲區(qū)比較大。對此,通過研究相關(guān)技術(shù),包括低頻調(diào)制輸出、電能拾取裝置小型化等,分布式非接觸供電系統(tǒng)具有極大的優(yōu)勢,能夠打破以往集中供電系統(tǒng)存在的各種問題,包括供電能力差、可靠性不高、線路復(fù)雜程度高等,所以,從集中式分布轉(zhuǎn)為分布式分布尤為必要。對于非接觸供電系統(tǒng),其與電力載波傳輸技術(shù)的有效結(jié)合,能夠發(fā)揮出較大的作用,實現(xiàn)電能、載波信號兩者的共纜傳輸。對于重要區(qū)域的傳感器、無線基站,在電能拾取裝置的應(yīng)用下,能夠?qū)崿F(xiàn)供電,在透明傳輸網(wǎng)關(guān)下,可以將有線、無線信號有效匯集,并進行傳輸,在電力載波裝置的電口,將匯集的數(shù)據(jù)信息傳輸至區(qū)域的協(xié)同控制器,信息傳輸系統(tǒng)模型如圖2所示。另一方面,一體化采集系統(tǒng)的構(gòu)建,能夠?qū)⒚旱V井下的各個系統(tǒng)實現(xiàn)融合。在智能化應(yīng)用中,數(shù)據(jù)是各種分析的重要依據(jù),對于現(xiàn)有數(shù)據(jù),主要是在各個系統(tǒng)之上搭建融合層,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效融合[12]。廠家提供數(shù)據(jù)接口,將有線數(shù)據(jù)進行交互,在這樣的方式下,中間環(huán)節(jié)比較多,并且延時比較長,存在數(shù)據(jù)重復(fù)的情況,所以,需要搭建一體化采集系統(tǒng),在這樣的系統(tǒng)上,可以從設(shè)備端直接獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。

圖2 信息傳輸系統(tǒng)模型Fig.2 Model of information transmission system

3.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用分析

在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的智能化發(fā)展中,對于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息應(yīng)用,充分挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)的深度,并對其進行深入分析。在目前的監(jiān)控系統(tǒng)軟件中,需要借助大數(shù)據(jù)技術(shù)搭建相應(yīng)的模型,對于瓦斯涌出等各種異常情況,從不同維度揭示出其在監(jiān)測數(shù)據(jù)中的規(guī)律,從而將以往系統(tǒng)的事后處理轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑邦A(yù)警,有效控制問題擴大化。在分布式多點激光CH4監(jiān)測裝置上,對于其同步監(jiān)測的各項歷史數(shù)據(jù),搭建相應(yīng)的動態(tài)模型,對于瓦斯涌出量,將其在特定時間、空間內(nèi)的變化呈現(xiàn)出來,反映出其具體的變化規(guī)律,然后對瓦斯的涌出量進行有效預(yù)測,并推測其變化趨勢。對于煤礦在外因影響下發(fā)生的火災(zāi),需要對O2、CO、CO2、煙霧、溫度等各項數(shù)據(jù)進行全面分析,并搭建相應(yīng)的火災(zāi)預(yù)報模型。對于煤自燃而引起的火災(zāi),通過借助高分辨率激光痕量檢測裝置,對煤炭自燃特征的氣體數(shù)據(jù)進行有效監(jiān)測,并搭建相應(yīng)的預(yù)警模型[13]。同時,系統(tǒng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用分析應(yīng)和生產(chǎn)系統(tǒng)進行協(xié)同管控,目前的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)還未實現(xiàn)與生產(chǎn)系統(tǒng)的協(xié)同管控,所以,無計劃斷電、停止生產(chǎn)等,使得生產(chǎn)不連續(xù),無法保證安全生產(chǎn)。對此,通過運用預(yù)警技術(shù),預(yù)測瓦斯超限等,以保證數(shù)據(jù)的精準性,并且在超前協(xié)同智能化管控下,可以有效防止瓦斯超限,從而保證煤礦安全生產(chǎn)。

4 結(jié)語

煤礦生產(chǎn)的安全性對于企業(yè)而言至關(guān)重要,企業(yè)應(yīng)不斷優(yōu)化系統(tǒng),以創(chuàng)造出良好的生產(chǎn)環(huán)境,為煤礦安全生產(chǎn)奠定良好基礎(chǔ)。在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級要求下,通過對系統(tǒng)進行升級改造,有效提升系統(tǒng)的各方面性能,包括抗干擾能力、自診斷能力等。伴隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展,結(jié)合國家對煤礦發(fā)展最新政策精神,為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的智能化發(fā)展提供了方向,要求實現(xiàn)全范圍智能化覆蓋,并且要增加自診斷、自評估等功能,強化數(shù)據(jù)應(yīng)用分析。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的智能化發(fā)展對于煤礦安全監(jiān)控能力的提升有著積極的促進作用,有效保證系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性,最大程度發(fā)揮其在煤礦生產(chǎn)中的引領(lǐng)作用,實現(xiàn)煤炭智能化安全生產(chǎn)。