煤矿瓦斯网络监控系统研究

郭改文，许 爽

(1.河南教育学院 信息技术系,郑州 450046;2.中州大学 信息工程学院,郑州 450044)

1 引言

瓦斯属于易燃、易爆气体，伴随煤炭开采而突出。瓦斯爆炸严重威胁煤矿工人的安全和煤矿安全生产，瓦斯灾害成为煤矿常见的四大灾害之一，它不仅造成了国家财产损失，还经常导致大量的人员伤亡，是世界各采煤国研究和预防的重点[1]。煤炭是我国的基础能源，煤炭行业属于事故多发行业，我国统配煤矿总数的46%是高瓦斯含量的矿井，瓦斯爆炸是第一大煤矿灾难。

瓦斯燃烧、爆炸的发生要具备 3个条件：(1)瓦斯达到一定浓度：一般情况下瓦斯爆炸浓度为5%～16%，瓦斯浓度低于5%燃烧、大于16%既不燃烧也不爆炸；(2)充足的氧气：氧气浓度大于12% ；(3)高温火源：温度高于650～750℃[2]。

《煤矿安全规程》规定空气中氧气浓度不能低于20%。为了保证煤矿正常生产，需要及时掌握瓦斯的浓度，那么如何准确监测井下瓦斯状况，并及时把数据输送到地面监测系统，进行有效分析，防患于未然，必须加大瓦斯监控系统和瓦斯检测传感器的研究工作。

2 煤矿瓦斯监控的现状

2.1 煤矿监控系统的需求

煤矿安全监测技术发展迅速，系统综合自动、人机交互界面简单、各种技术先进。防止煤矿瓦斯事故的瓦斯监测监控系统，是利用先进技术手段设计而成，在煤矿安全生产上有较大的作用。由于瓦斯安全监控系统，把科技技术手段引入传统的管理模式，成为预防瓦斯事故发生的最有效方法，为各级管理人员对煤矿安全生产的监管提供了及时的数据和快捷的平台[3]。瓦斯监控系统可监测井下瓦斯的活动情况，对于确保煤矿安全生产有着非常重大的社会与经济意义。瓦斯监控系统中采集、存储的井下环境参数是事故发生后确定事故原因最基本、最真实的资料，可用于判断事故的性质及责任级，因此，瓦斯监控系统应保证监控数据的真实性，防止数据被随意读取或篡改[4]。

《煤矿安全规程》158条：高瓦斯矿井，煤与瓦斯突出矿井，必须装备矿井安全监控系统。没有装备安全监测监控系统的矿井煤巷和有瓦斯涌出的岩巷掘进面，必须要安装甲烷风电闭锁装置或甲烷断电仪或风电闭锁装置；无瓦斯涌出的岩巷掘进工作面，必须装备风电闭锁装置；矿井采煤工作面，必须装备甲烷断电仪[5]。规程明确规定了煤矿井下生产区域，在各种情况下监测监控装备的最低配置水平。

2.2 我国煤矿监控的现状

我国煤矿监测监控技术应用较晚，起步于上世纪六十年代初，那时对煤矿瓦斯监测技术已进行研究，但到七十年代末，还没有取得大的进展，其代表产品是西安煤矿仪表厂的MJC-100煤矿集中监测系统和重庆煤矿安全仪器厂的AYJ-1型瓦斯遥测警报仪。随着电子工业的发展，八十年代后期微型计算机被应用，我国从波兰、法国、德国、英国和美国等引进了一些先进技术设备，煤矿瓦斯监测的技术水平才有所发展和提高。在消化、吸收先进经验和技术情况下，结合我国煤矿的实际，先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92 等监控系统，在煤矿已大量使用。为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用。在煤矿“以风定产，先抽后采，监测监控”十二字方针指导下，我国规定了高瓦斯或瓦斯突出矿井，必须装备矿井监测监控系统。在市场竞争和需求的刺激下，生产厂家不断提高产品质量和服务意识，极大推动了我国煤矿瓦斯安全监测监控系统的发展。

2.3 煤矿安监存在的问题

虽然我国在煤矿安全监控工作方面，取得了一定的成绩，三分之二的国有煤矿，五千多处高瓦斯煤矿已装备了瓦斯监测监控系统，但这些系统目前因维护不善而带伤运行，已经普遍陈旧落后，瓦斯安全监控存在以下亟待解决的问题。

(1)系统数据的传输延迟、信号不稳、带宽不足。虽然目前正在改进和完善，但数据的传输和分析自动化程度不够，煤矿瓦斯浓度变化的数据不能及时监控和预警，煤矿瓦斯爆炸事故时有发生[6]。

(2)传感器技术落后，稳定性还不能满足用户的需要，国产传感器同国外同类产品相比还有很大差距，在使用寿命、调校周期、稳定性和可靠性方面要加强改进。

(3)由于缺乏统一的标准，现有厂家为了自身经济利益，生产竞争无序，瓦斯专用监控系统采用各自的通信协议，通信协议不规范，相互不太兼容。信息传输系统的兼容性，制约了生产企业发展和矿井系统功能的扩充。另外，由于研发后劲和经费不足，技术支持能力不强，煤矿用户的使用并不理想。

(4)由于缺乏专业技术人员，煤矿多数装备不能正常使用和维护，现场管理和维护水平有待于加强。由于管理混乱，对系统配接的传感器不能按规定时间进行调试、校正。

2.4 当前煤矿信息安全监控系统特点

(1)多数企业部分或完全具备国家要求的六大避险监控系统。

(2)各避险监控系统互为独立，即每套系统都是垂直化管理维护。

(3)避险监控系统多为专人现场管理。

(4)煤矿安全生产报告须操作多个系统数据。

3 煤矿瓦斯监控系统设计

3.1 瓦斯监控系统的基本要求和功能

(1)煤矿井下瓦斯监控数据传输需要安全性和准确性

瓦斯监控系统的关键是建立安全可靠的数据传输系统，为了达到此目的，数据媒介采用专用光纤技术，配合一定的无线发射基站，使传输平台能够准确有效地控制各类信息。

(2)计算机网络系统应该具有较好的稳定性

利用光纤线路互联，传输数据具有误码率小、可靠性高的优点，能有效地保障数据传输的可靠性。利用本地的SDH(Synchronous Digital Hierarchy，同步数字系列)资源进行数据传输，光端机容量较大，将复接、线路传输及交换功能融为一体，并由统一网管系统操作，系统传输过程中的延时降低，可用性得到极大的提升，提高了系统的性能。

(3)瓦斯监控系统应具备可扩展性

煤矿井下瓦斯监控系统大多采用模块化设计，可以灵活地配置接口模块，保证瓦斯监控系统能够灵活地和外部网络联接。

(4)煤矿瓦斯监控系统集中网管控制

煤矿瓦斯监控是基于计算机联网的系统，需要拥有统一网管对系统内的设施和网络进行维护，有利于远端设施的带内网管。

煤矿瓦斯监控系统应具备以下基本功能：

(1)准确获取煤矿现场的瓦斯数据

煤矿瓦斯监控系统要求使用可靠的数据收集设备，且能把收集到的数据信息转化为被计算机处理的数据方式，瓦斯传感器获得相应的瓦斯数据，是一种物理参数，选择何种瓦斯传感器，布置多少数量，应根据煤矿井下实际的工作特点来确定。

(2)瓦斯数据的预处理

煤矿井下瓦斯数据具有噪声和其他气体的数据，为获得更有用的信息，需要进行预处理来消除数据的噪声，当发生瓦斯突出时，伴随有许多干扰因素，各因素的数据在单位上各有不同，所以要进行数据的预处理，再采取模式识别。

(3)确定阈值并提取数字量

通常情况下，当空气中瓦斯的含量达到了5%～12%时，将产生爆炸，所以要依据空气中含有瓦斯量的多少来选取阈值，阈值的选择应该小于5%，煤矿瓦斯监控系统把不同瓦斯传感器所获得的瓦斯数据信息、阈值等对比分析，将数字量信号提取出来。

(4)分类决策判断

将通过系统获取的数据，用人工智能系统分析决策，获得煤矿井下瓦斯比例是否超标的信息，提供给有关人员采取安全防护措施。

3.2 瓦斯监控系统的结构

煤矿瓦斯监控系统的结构是指系统中的分站与分站之间、分站与中心站之间的相互联接关系。主要涉及井下瓦斯数据采集，井上、下数据传输、数据处理和提取决策信息，使用的设备依据煤矿自身特点，同一般的数字通信网络相比，安全防爆才能保证系统的安全性和可靠性。系统的网络结构应满足：①设备要用防爆产品；②瓦斯传感器分散分布、使用量大，配电适当采用复用方式，尽可能减少传输电缆用量；③设备具有抗电磁干扰能力，电磁干扰可能会产生电流，造成瓦斯爆炸；④当系统中某些分站发生故障时，系统具有抗故障能力，力求不影响整个系统的正常工作。系统采用总线式组网方式，其结构分为三部分：井下数据采集设备、无线信号及数据信息传输平台、地面监测监控中心，结构布局如图1所示。

图1 煤矿瓦斯监控系统结构图

3.3 瓦斯监控系统实现的功能

煤矿瓦斯监控系统的主要功能模块包括以下内容，见图2所示[7]：

图2 瓦斯监控系统的功能结构

(1)实时动态监控瓦斯状况。这是系统的核心组成部分，可对井下瓦斯检测人员编号，对瓦斯传感器编号，在井上巷道分布图上能够实时动态显示他们的位置，动态监控任一瓦检员当前工作，准确确定报警的瓦斯监控设备所在位置。

(2)瓦斯检测信息查询。系统支持区域查询、时间查询，具有操作性强的可视化的图形界面，通过系统界面查询任一监测点的数据信息，停开机信息，以及瓦检员的实际工作情况等。在实际的使用中，可搜索任一人员实际位置，达到快速定位。

(3)瓦斯检测数据统计分析。系统包括数据统计和数据分析两个主要功能模块，采用相关软件技术，对瓦斯原始数据加工、统计、分析，生成瓦斯信息所需的各种基本图表。可对原始数据进行科学地分类汇总、分析、加工处理，为管理者进行决策提供准确信息。

(4)系统智能预警功能。将监控系统和综合预警数据库服务器、预警管理系统连接。实时动态记录瓦斯检测数据并作出反应。如系统自动报警，及时确定位置，发送井下瓦检员、安检员和相关带班领导，达到安全预警的目的[8]。

3.4 系统工作过程

3.4.1 信号传输技术

井下瓦斯信息，经过各类传感器的采集后，要输送几公里以上的距离才能到达地面主监测中心站，传输线路采用高质量光纤技术。光纤具有易弯曲、耐腐蚀、节约金属等优点，更适合在煤矿井下恶劣环境推广应用[9]。而且光纤传输信号容量大，不受噪声影响，不会短路和电火花引起爆炸，且不受平行敷设电力电缆电磁干扰，是优良的传输信息导线。

3.4.2 防爆计算机

井下数据处理采用KTN101-JSJ防爆计算机，使用Windows操作系统，配备防爆计算机1台，鼠标1套，充电器1个，连接线1根(USB转RS232连接线)。工作软件可以自己在系统上安装(用USB数据口烤入电脑)，Windows带有软键盘可以录入信息。

3.4.3 瓦斯监控传感器

瓦斯监测与监控系统的工作最重要的是，来源于工作现场的监控传感器监测数据要准确和可靠，只有使用准确可靠设备，才能得到准确的数据信息，才能防止误动作和误报警。煤矿目前常用的瓦斯传感器有：甲烷传感器、瓦斯传感器、光学甲烷检测仪、便携式甲烷报警仪、高浓度甲烷传感器等，分类为催化燃烧型瓦斯检测仪和光干涉式瓦斯检测器。每一种监测仪器都有各自的特性和优势，存在技术上的不足。随着微电子技术、无线传感网络的发展，依托通信技术，利用智能化技术，瓦斯检测技术趋向智能化发展[10]。瓦斯传感器的测量更准确和易于维修，且成本大大降低。在日常工作中，各类工作人员要充分了解和掌握所使用的仪器，让仪器发挥更大的作用，为煤矿的安全高效生产发挥最大的作用。

3.4.4 系统工作过程

当煤矿井下某工作面或巷道瓦斯浓度超过或达到报警值时，瓦斯传感器把采集的数据传入防爆计算机，经过简单处理，通过光纤输送到地面信息处理平台，地面网络服务器电脑使用智能系统紧急处理数据，通过和数据库信息比较，得到预警信息，控制警告区域切断工作面的电力工作设备，启动安全保护设施，同时把信息传到带班领导，指挥人员进入安全区，等待地面指示。通过瓦斯监控系统的预测预报，将瓦斯灾害控制在安全范围内，提高煤炭安全生产经济和社会效益。

4 结束语

基于计算机网络的煤矿数字化瓦斯监控系统，可以准确、及时监控煤矿瓦斯突出信息，提出安全预警，预防瓦斯灾害的发生，不仅保障煤矿安全运行，更能保护工人人身安全，同时极大地提高了煤矿企业的经济效益。然而，煤矿安全事故的发生，是由多个不确定因素作用的，我们对煤矿事故的管理还必须从软硬两方面同时着手，首先要加强科学管理，完善安全管理法规，提高基层职工安全意识，其次要依靠科学技术，完善安全信息管理体系，保证设备安全、信息畅通，真正的实现煤矿的安全生产。因此，研究煤矿瓦斯监控系统有现实的积极意义。

参考文献：

[1]陈运启,张翼.煤矿瓦斯监控系统关键数据加密算法的研究与实现[J].工矿自动化,2012(7):7-10.

[2]汪理全,徐金海,屠世浩,等.矿业工程概论[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2004.

[3]乔洪新 ,陈怀卫.综掘工作面两种电压等级的风电闭锁及瓦斯断电控制线路的改进[J].山东煤炭科技,2005(4):1-2.

[4]李波.煤矿安全监控系统分析与设计[D].北京：北京邮电大学,2009.

[5]纪学.浅谈煤矿监控系统现状与发展[J].今日科苑,2007(6):54.

[6]邢红岩.瓦斯监测监控系统在煤矿上的应用[J].科技与企业,2012(8):113.

[7]许怀亮,李崇山,马勇,等.煤矿瓦斯跟踪巡检预警系统研制[J].中国矿业，2012，6(21)：109-116.

[8]江丙友,张念超,刘萌.瓦斯检测传感器概述[J].山西焦煤科技,2008(5):4-6.

[9]王建昌.IT技术在我国煤矿瓦斯检测方面的应用和发展[J].科技潮，2002(9):4-5.

[10]刘海新,杨庆娥,张兆江,等.基于组件GIS的煤矿瓦斯管理信息系统的研究与开发[J].煤炭工程,2007(7):103-104.