煤矿瓦斯安全监控系统的改进

牛立东,赵希平,徐燚,刘国亮

(中国矿业大学资源与安全工程学院,北京100083)

能源工业是我们国家经济发展的命脉。近年来,随着石油资源的紧张、石油价格的飚升,煤炭行业的重要性和不可替代性也日益凸现。然而,中国煤炭行业的安全生产形势却不容乐观,尤其是重、特大事故屡见报端。这其中固然有很多客观因素,但各煤矿生产企业安全监测监控设备、系统不完备,管理手段落后也是造成事故频发的重要原因之一。随着国家对煤矿安全生产工作的日益重视,以及各矿务局自身现代化管理的需求,我国高瓦斯或瓦斯突出的生产矿井均装备了煤矿瓦斯监测监控系统。

1 瓦斯监控存在的问题与解决思路

在早期,煤矿生产瓦斯监控系统采用了地面单微机监测监控,后来又发展成为网络化监测监控。但瓦斯监测监控系统依然在网络化管理决策和瓦斯检测技术方面存在不足,具体存在如下问题。

1)网络化监测监控只是本地系统的网络化,并不与外界进行数据交互。由此,也引发了一些管理问题。各煤矿为了能够完成或者超额完成公司下达的煤炭生产任务,有时会人为忽视、瞒报生产监测监控系统的报警信息,继续违章生产,产生安全生产隐患,严重时甚至导致伤亡事故。

2)现有的监测只是实现单独点、井下单独环境参数的监测。此种监测手段往往会因为井下监测设备故障、灵敏度下降、巷道堵塞等原因而造成监测数据的错误,导致灾害的发生;或者因为系统分析所采取的数据种类不全而造成误报。

为避免这些问题出现,加强对下辖各矿井的管理,进一步提高安全生产管理水平,临汾市煤炭工业管理局要求能够实时掌握各个下属煤矿的安全和生产动态。为了实现这一目标,笔者提出了以下解决方法：第一,利用现有数据传输网络,将各个下属煤矿的实时监测监控数据集中到县、市各中心服务器,建立起一套煤矿生产监测监控系统的信息网络。通过这个网络系统,使各个职能部门管理人员可以随时掌握各个煤矿的生产状况和安全状况;能够进行综合性动态分析,并为高层管理人员提供生产决策的数据依据,达到实现远程信息交流和生产多级监管的目的。第二,提出一种联动监测思想,即对多个点、多种井下环境参数进行联合分析,从而能够快速找出问题原因,进一步降低瓦斯事故发生率。

2 瓦斯监控管理决策功能设计

通用的瓦斯监控系统实际上只是建立了一个对井下瓦斯进行监测的系统平台,要想真正实现监测监控和预测分析,为管理人员提供决策支持,必须结合自己的实际情况,借助瓦斯监控系统这个平台,拓展性地进行工作,才能使瓦斯监控系统在煤矿安全中充分发挥作用。经过几年的应用研究,结合实际情况,在原有瓦斯监控系统的基础上增加了人员考勤、分级统计、网络监控、测点定义、曲线分析等。这些功能的开发和应用,构筑了强大的防治通风瓦斯事故的防御体系,为瓦斯监控系统赋予了强大的生命力。以下重点阐述分级统计、测点定义、曲线分析模块设计。

2.1 分级统计监控模块

将采集数据通过网络逐级上传,并在矿、县、市各级设置监控平台,方便监控人员掌控所辖区域的统计信息。市级监控人员可获取各县的煤矿总数、联网矿数,以及网络状态、数据上传状态、设备异常次数、异常报警次数、异常处理情况、煤矿类型统计、当日产量、当日下井人数、值班人员及联系IP电话等统计信息。突出对异常信息的汇总,对异常报警传感器所属详细信息的获取及异常判断,强化了技术与管理的结合。

2.2 测点定义模块

根据实际情况,对测点的传感器名称、监测类型(开关量、控制量、模拟量)、安装位置、量程及单位等进行了有效定义解释,并定义了报警门限、断电门限、复电门限,用户可根据有关规定自行设置,监控人员可查询每个测点编号的意义。如表1所示。

表1 测点定义

2.3 曲线分析模块

以曲线图的形式把甲烷及相关的一氧化碳、风速、温度、负压等各环境参数采集,用设备监控传感器的数据表示出来,可以直观地分析各传感器数据的情况,预测安全生产隐患,防范事故发生,给决策者提供防范依据。

以尧都区地方国营豁口煤矿为例,整个煤矿可进行系统曲线分析的传感器共64个,其中提供11个点的甲烷监测曲线分析。选取该煤矿2601工作面T0,T1,T2及总回风瓦斯传感器数据系统曲线分析图,工作面传感器分布示意图。如图1所示,根据测点定义中瓦斯报警浓度(体积分数)为大于等于1%,因此4个测点的瓦斯浓度均为正常。由于传感器分布及工作面通风原因,T0最靠近采掘面,因此监测到的数据值最高,波动幅度也最大;T1,T2逐渐远离采掘面,因此其监测到瓦斯浓度相应地被稀释,数值也相应减少,曲线相对平缓;而总回风处的瓦斯浓度由于长时间的通风稀释,其数值最低,曲线也最平缓。

图1 瓦斯体积分数曲线分析图

3 联动分析方法

单一的曲线分析只能直观地分析各传感器数据的情况,然而一些潜在的因素如：设备故障、灵敏度下降、巷道堵塞等问题仍然无法发现,为此我们提出了联动分析法。

所谓联动分析法是指多因素、多测点综合联系起来进行监测,并对监测数据进行动态分析。具体的方法我们借助煤矿井下生产平面示意图来详细阐述,如图2所示。

将每个传感器监测数据结果,根据波动幅度我们定性分析为：减少、不变、增加3种结果,具体算法如下：

图2 煤矿井下生产平面示意图

1)取两个连续相等的时间段记为t1,t2,对时间段的选取由用户设定;对于即时判断的,时间段易选取1 min内;对于为了历史数据分析统计、找出潜在知识、规则的时间段选取为1～4 h,从当前时间往后选,即t1为距离当前较近的时段。

2)波动值记为W,计算公式为.每秒的瓦斯浓度记为C.其中根据公式可得W1,W2.

3)计算波动幅度M,M=W1-W2.

4)查找临界值K,表2给出了部分监测参数变化参考临界值。若 -K＜M＜K,则可定性为无变化;若M≤-K,定性为减少;若M≥K,定性为增加。

表2 监测参数变化参考临界值

3.1 多点监测

对于同一环境设备参数监测,我们选取多个测点联合监测。如对于瓦斯的浓度监测,采用对总回风巷、回采面、掘进面1、掘进面2进行联合检测。如此对4个点的瓦斯监测共有81种变化组合,通过这81种组合,我们可以较精确地分析出瓦斯浓度数据变化的具体原因。如表3中序号为1,2的数据：掘进2,回采监测数据不变,在掘进1瓦斯数据大幅波动(增大或减小)的情况下,总回风也应该增大或减小,然而总回风却不变,因此我们可判断出掘进2的瓦斯传感器故障,或总回风瓦斯传感器灵敏度低。进一步分析序号3—6我们可以看到,在回采、掘进1、掘进2变动的同时,总回风依然不变,因此可确定总回风瓦斯传感器灵敏度低。同样,对于序号7,8,我们可分别判断出存在其他作业区,总回风甲烷传感器故障。

同理,对于风速关系我们也对总回风巷、回采面、掘进面1、掘进面2进行多点联合检测。通过该方法,我们能较精确地发现调风系统、其他通风处、有漏风处、某一个传感器故障等监测异常原因。

表3 相同矿时间段下甲烷监测关系表

3.2 多因素(参数)监测

如前所述,瓦斯事故的发生与井下多种环境参数有关,井下监测的众多因素很多都是相互关联的,逻辑上存在着某种关系。因此,将多个联系的参数联合在一起监测分析,将更有助于问题的发现,如将主扇(转速)、负压、采区风速3个参数进行综合分析。人为调速是影响主扇转速的原因,在其他条件不变的情况下,负压(矿井内外气压差值)与采区风速成正比关系。当通风网络中出现巷道堵塞,因此负压、通风网络是影响采区风速的主要因素;主扇转速,通风网络(抽风口、主风机个数,外压值,巷道堵塞、风流短路)是影响负压的主要因素。在其他条件不变的情况下,负压与主扇转速成正比关系;而通风网络中抽风口、主风机个数,外压值都是确定的,风流短路会造成负压值下降,巷道堵塞会造成负压值增加。

如表4中的序号1,2都为正常情况。而序号3显示主扇转速减少,采区风速也减少,两者变化一致;正常情况下负压应该也减少,表中数据为不变,则可判断巷道堵塞。序号4显示,主扇转速、负压都一致减少,正常情况下采区风速应减少,而表中数据却不变,因此可判断采区风速传感器故障(失灵)。同理,序号5也说明采区风速传感器故障。序号6在主扇转速与风速增加的情况下,负压也应该增加,然而负压异常减少(或不变),因此推断只能是风流短路才能引起此异常。

表4 相同矿时间段下主扇与负压风速关系表

3.3 形成计算机规则库

将每一种变化用计算机语言描述形成规则,应用于最新的瓦斯监控系统,可有效提高故障分析、定位准确率,大大降低了瓦斯事故发生。同时,精确的故障定位,也极大地缩短了人为检查时间,加快了故障恢复,从而提高了生产效率。目前70%的规则已在临汾市煤矿生产运营中得到验证。

4 结束语

新的煤矿瓦斯安全监控系统从技术上强化了管理,实现了监管到位、责任到人管理方式。运用此系统后,临汾市煤炭工业整体管理水平大幅提升,煤矿安全生产明显改善,百万吨死亡率由2005年的0.93,下降为2008年的0.74,煤矿安全监管水平名列全国前列,取得了经济利益和社会利益的最大化。

新的瓦斯安全监控系统实现了对各种监测数据动态图形、柱状图、实时曲线、历史曲线的显示,大大提高了它的人性化。实现了瓦斯监测信息的网络发布,各级领导可以随时掌握瓦斯监测的实时信息,及时做出战略决策,指导生产。真正实现了瓦斯监测信息采集、分析、发布和备份自动化,使瓦斯信息的网络化、可视化的实现成为可能,并对瓦斯信息进行联合、动态统计分析,为安全生产提供了保障。然而,目前此系统在联动分析中尚有一部分规则未得到验证。随着瓦斯测点的增多,规则数目也就多,为形成计算机规则及验证带来一定的困难。为此,在今后的研究验证中,要将联动分析法用一种更为精确的数学函数来表示,形成具有一般性的规则。

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