煤矿井下掘进工作面瓦斯监测和控制技术

田志轩

平煤股份三矿公司，河南 平顶山 467000

1 传统监测与控制技术的缺陷

传统瓦斯监测系统多为单坑道监测的分散结构，其通讯线路多采用载波、 电话线、调制解调器、设备总线的结构模型来传送数据和控制信号。这种数据结构不仅扩展性差，维护费用高，而且存在很高的稳定性隐患。针对上述问题，现代瓦斯监控系统正在向无线网络监测技术和多传感器数据融合技术发展。

2 现代新型监测系统的优势与技术改进

2.1 新型瓦斯传感器

目前国内外用于监测低浓度瓦斯的传感器多为热催化元件，由于其属于化学敏感元件，在长时间的工作下会产生零漂和灵敏度的变化，影响监测数据的准确性。新型传感器的优点主要在于将催化元件与补偿元件封装在一起，补偿元件可以对长时间工作的催化元件产生的参数进行修正，减小输出零点的漂移。如果两种元件的一致性好，就会得到满意的补偿效果，增加传感器的稳定性。这种一致性的选取称为配对。现在一般采取的配对方法为静态参数比较法，利用此种方法进行筛选配对，虽然工艺简单，但动态稳定性差。开发中的动态配对法，参考了近代数学的聚类分析方法，利用向量间的欧式距离，选择相似性好的元件动态参数，进行动态参数匹配，取得了较理想的实验结果。

除此之外，传统的惠斯顿电桥检测法也需要进一步改进。因为该方法的原理是利用催化元件的催化剂促使甲烷在其表面燃烧放热，使电阻升温，阻值变大，引发一个异常的电压信号来检测甲烷的浓度变化。这样一来，过高的温度会降低传感器的表面活性。新型传感器采用定压检测法，利用反馈回路稳定电压、减小电流，使传感器的温度下降，更加有利于保护传感器中化学敏感元件的稳定性。

图1 定压反馈电路

最后，新型传感器通过试验所得的数据，计算了信号强度随使用时间的衰减规律，利用信号处理技术，可以自动调节化学敏感元件因长时间工作而产生的敏感性衰减，保证传感器在有效工作时间内的准确输出。

2.2 无线传感器网络

无线传感器网络是由大量被部署在被监测区域的传感器结点所组成的，通过无线通讯的方式进行数据传递以实现监测目的的多跳的自组织、自适应的网络监测系统。

图2 网络结构图

该网络由多个分布在被测区域的传感器节点，分布在边界的sink节点，以及用户终端构成 。其中，传感器负责数据采集、信号处理和与无线通讯，通过网络自组织和多跳路由将数据发送到sink节点，sink节点再将数据发送给用户终端以实现数据的汇总与统一处理。

传感器节点由多个模块组成，除用于瓦斯浓度检测的传感器、电源等部分外，还添加了微控制器模块和通信模块。其中微控制器模块起核心作用，负责信号的输入、输出和数/模转换。通信模块采用的是射频收发装置，其中2.4GHz无线网络与868MHz无线网络相比较，在井下的工作环境下，前者能够更好的保证信号传递的稳定性。(这在Kennedy和Foster在2005年的文章“Low power Wireless Mesh Networks in Underground Mining” 中给与了很好的解释。)

Sink节点是传感器网络边界的节点，处于普通传感器与用户终端之间，通过串行方式连接用户计算机，将接收的普通传感器节点的监测数据，传送给用户终端，通过软件的处理，能够在用户界面实时显示监测的结果。

无线传感器网络监测技术的优点在于实时性与灵活性，具有很高的扩展空间和经济价值。工作人员只要在井下布置好节点传感器，就可以实时监测施工现场的瓦斯浓度以及其他相关信息。为灾害预警提供宝贵的数据与时间。但这种基于固定传感器的无线网络也存在着一定的局限，就是无法实时监测掘进面的瓦斯浓度情况，工作进度与传感器安放存在时间延迟,给灾害预警留下了进一步改进的空间。

2.3 无线移动瓦斯监测设备与掘进面瓦斯浓度监测技术

为了对掘进平面进行实时监测，单纯的无线网络已无法满足要求，必须使检测设备能够随掘进面的移动而移动。在将所有移动便携式瓦斯监测设备联网，以实现数据的整合与统一处理的同时，还要解决移动设备的精确定位问题。这样做的好处不仅在于扩大了瓦斯监测的范围，同时可以排除许多人为因素的干扰，具有更强的实时监测性，最大限度的延长了灾害预警时间。

为了实现井下环境中的无线、移动监测，首先要解决的问题是不间断信号覆盖与精确定位。为了解决这些问题，可以在被监测区域设立一定数量的通讯监测分站。分站内配备无线收发器，便于接收和传递信号。每台收发器外接漏泄电缆，沿坑道铺设（电缆的有效信号发送长度为300m）发送不间断信号。若一个分站配备8台收发器，可以使连续信号覆盖5km长度的巷道。这就解决了信号的大面积，连续覆盖问题。

与此同时，为了使移动检测设备能够精确定位，还要在基站内安装一定数量的定位装置，定位器会连续不断的发送所处位置信息的无线信号，无线瓦斯检测设备可以在收到位置信号后，将检测的数据连同自己的定位信息一起发送给通讯监测分站，做到精确定位。

无线监测设备在同无线网络联网后，不仅可以传送监测数据，也可以通过搭载一定的硬件设备来传送文字信息和影像信息。在遇到突发情况的时候可以与地面监控人员联系，方面监控人员了解现场情况，并进行相应的补救措施。在条件允许的情况下，不仅掘进面的施工设备、人员可以配备无线移动监测设备，在井下的所有劳动者都应该配备至少能够起定位作用的移动设备，这样做可以大大提高劳动者的安全工作系数，同时也可以在灾害发生后尽快地展开救援。

这项技术的开发阶段已经完成，在2009年已经开始了小范围内的试用，效果显著。由于其在灾害预防、事故救援等方面的优异表现，相信其大规模的使用指日可待。

2.4 多传感器数据融合技术

相比于传统的传感器数据处理技术，多传感器数据融合技术可以更好的利用传感器资源。 通过对多传感器的观测数据的合理支配和使用，将各种传感器在空间或时间上的冗余信息或互补信息依据某种准则进行组合和筛选，产生对被监测对象的一致性描述，其目的是排除单一传感器监测过程中的各种人为或非人为的干扰因素对数据准确性的影响。同时也可以利用多传感器的信息组合获得更多的有用信息。

多传感器数据融合技术包含多个步骤，首先要进行信号的采集，并对信号进行预处理。这一过程的实现有多种途径。由于所采集信号的不同，使用的传感器也会有所不同，有的传感器输出的信号是数字信号，有的则是模拟信号，预处理的目的就是将这些不同类型的信号进行数、模转换，统一变成计算机I/O接口能够识别的数字信号。同时，处理模块还要排除背景噪声和冗余信息的干扰。完成以上工作后才将所处理的数据传送给用户端进行最后的数据融合。数据融合首先要对多路信号进行初步融合，进一步剔除背景噪音与冗余信息，然后将融合结果送入预测融合。在该过程中使用了基于专家系统的数据融合方法，以实现对矿井内瓦斯浓度的实时监测和预测控制。专家系统知识库的设计很大程度上借用了长期从事井下工作的从业人员的经验、和处理突发事故的方法，可以使专家系统模仿人类专家做出系统决策，在一定的范围内给出合理的解决方案。

这种方法的优点，首先在于数据的处理更加合理，可以更好的避免干扰因素的影响，使监测的结果更加准确，试验结果也令人相当满意。其次是专家系统的设计在一定程度上满足了处理突发事件的需要，提高了灾害预防和控制管理的效率。

3 结论

矿井监测是煤矿安全生产的重要保证，也是劳动者人身安全的第一道防线，世界各国对此都投入了大量的财力、物力和人力来进行研究和改进。我国现有的监测技术虽然为安全生产做出了巨大贡献，但还有进一步提高和发展的空间。

掘进面监控技术整合了传感器技术，无线网络技术，无线监测设备技术和数据融合技术等各个行业的领先技术和产品。在监测手段和监测设备上都向前迈进了一大步。通过小范围的试用和尝试，其监测的准确性与实时性也是非常令人满意的。虽然这一技术还没有得到大范围的推广，但无论是从经济角度还是从保护从业劳动者安全的角度，该技术都大有用武之地。希望在不远的将来，这一先进的技术能够为我国煤炭行业的安全生产提供更大帮助。

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