井下融合技术在煤矿安全监控系统升级改造中的应用

王 森 边宗森

（淄博王庄煤矿有限公司，山东 淄博 255400）

1 公司简介

淄博王庄煤矿有限公司,原名淄博市王庄煤矿，位于淄博市临淄区人民路898号，隶属于淄博市临淄区经信局，为临淄区属国有独资企业，上级企业为淄博九合矿业有限公司。该矿于1984年建矿，设计生产能力21万t/a。2015年经机械化提能改造，于当年8月份经山东省煤炭局批准，生产能力调整为35万t/a。2011年由山东省发展改革委员会以《关于淄博市王庄煤矿煤炭产业升级改造项目的核准意见》（鲁发改能交〔2011〕1078号）文件核准45万t/a产业升级项目。矿井为低瓦斯矿井，水文地质条件中等，立井提升，主井配备箕斗担负提煤，副井配备宽、窄罐笼担负提人、提物。现矿井已进入试运转阶段。

2 安全监控系统改造概况

（1）2016年12月29日，国家煤矿安全监察局印发《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》后，该矿即着手考察准备进行安全监控系统的升级改造。2017年8月8日，山东煤矿安全监察局下发了《山东煤矿安全监控系统升级改造技术方案实施标准》（鲁煤监技装〔2017〕70号），明确提出“多系统的融合可以采用地面方式，也可以采用井下方式。新建矿井必须采用井下融合方式”。

（2）2017年8月15日，该矿与重庆菲莫科技有限公司签订《淄博市王庄煤矿45万t/a产业升级项目安全监控系统、人员定位系统、应急广播系统购置及安装合同》，2017年10月4日重庆菲莫科技有限公司到矿开始安装，12月10日完成设备安装并进行系统调试。

（3）重庆菲莫科技有限公司的KJ912X安全监控系统提供基于“一线式”系统架构和全数字智能传感器等现场终端的系统解决方案。采用“一网一站一线一标准”的系统架构和全数字式传感器。这种新架构使得系统传输和处理的数据量大，效率高，实时性强，系统的可靠性高，抗干扰能力强，结构简洁，维护方便，全系统投入成本更低，安全管控更加有效。

① “一网”，指万兆/千兆光纤以太环网，支持相交环、相切环及环中环，传输和处理数据量大，效率高，实时性强，可靠性高；

② “一站”，指多媒体交换机（综合分站），多媒体交换机的应用，使得系统使用的设备数量大大降低，取消了传统系统中的各种各样的分站；

③ “一线”，指高效实时的工业现场总线，多主并发主动上报方式，效率高，实时性强，并具有容错及故障节点自隔离功能，可靠性更高；

④ “一标准”，指统一的标准化矿山系统协议，是实现“数字化矿山”、“智慧矿山”的前提，对于整个产业的发展将具有十分重要的意义。

其系统架构图如图1所示。

该技术最终可以通过一根普通矿用通讯电缆，快速低成本实现监测监控、人员定位管理、广播对讲系统、有线/无线系统互联和多种自动化系统应用。

（4）该矿KJ912X安全监控系统设备现安装位置为1003和4005两个采煤工作面、4007轨道顺槽等5个掘进工作面及井下中央大泵房、一采区变电所、一采区避难硐室等机电硐室，共安装交换机8台、甲烷传感器44台、温度传感器24台、风筒风量开关传感器5台、设备开停传感器18台、主要通风机开停4台、断电控制器19台、语音风门开关状态传感器26套、烟雾传感器7台、风速传感器3台、负压传感器2台、液位传感器2台、湿度传感器2台、氧气传感器10台、一氧化碳传感器17台、二氧化碳传感器6台、粉尘传感器11台、电源22台、人员定位读卡器47台、应急广播20个、降雨量观测器1套。

图1 系统架构图

KJ912X安全监控系统采用底层融合方式进行系统联动，当甲烷传感器超限报警时，应急广播立即联动播送超限信息，人员定位读卡器和识别卡发出声光报警。现在该矿安全监控系统与应急广播系统、人员位置监测系统的联动运行基本正常。

3 KJ912X矿山监控定位广播信息系统创新性

3.1 全数字化系统

基于数字化系统，它的可靠性更高，全数字化系统是编码传输，本身就有容错的机制，抗干扰能力更强。

3.2 新型分布式总线结构

采用了新型的体系结构，利用多媒体交换机和数字式总线传感器以及多功能的物联网控制器，不但高效地实现了全矿的监测监控和通讯联络，并且系统传输和处理的数据量更大，速度更快，可扩展性更强，系统的可靠性更高，抗干扰能力更强，系统维护更简单方便，“新型分布式总线”的应用，系统扩展时无需重新布线。

3.3 KJ912X井下融合的应用

基于工业以太网、现场总线和数字式现场设备的技术，快速低成本实现监测监控、人员定位管理、有线/无线系统互联和多种自动化系统应用，并实现了多个系统的现场层级数据融合。

3.4 “无主站异地交叉控制”技术

传统矿山系统要实现异地交叉控制时（比如异地交叉断电），必须经过主站中转，在特殊情况下无法保证控制有效性，本系统利用工业现场总线各节点之间可自由通信的特点，实现了无主站异地交叉控制，更加安全、可靠、实时。

3.5 “多媒体调度指挥”技术

综合利用新一代系统的多媒体技术，融合有线无线通讯、环境测控数据、人员定位管理数据、视频数据等信息，可以方便地实现矿山多媒体调度指挥系统，真正实现对井下所有人员实时调度、监管，安全管控更加可靠。

3.6 首创“标准通讯协议”在矿山的全系统应用

针对国内矿山测控系统、通讯系统和自动化系统无标准通讯协议，各厂家各子系统间相互封闭、独立等问题，本系统基于国际标准modbus协议，实现了全系统的标准开放通讯，实现了modbus协议在多主并发总线上的应用，在系统基础层面实现信息的融合、互联互通。

3.7 “电源管理”技术

首次在隔爆兼本安型电源箱中增加了备用电源管理技术，可让备用电源按控制逻辑充电放电，一改过去不停电就不放电的弊端。该技术大大延长了备用电源的寿命，同时将备用电源的工作参数上传至地面，使电源受控，增加了系统的稳定性。

3.8 “高频采样”技术

数字式智能传感器的高频采样功能，在数据临界点可实施快速高分采样，保证了数据样本的有效性，不但有利于事后还原现场，而且为将来的大数据应用打下良好基础。

3.9 “传感器自动识别”技术

传感器自动上传类型量程，即使因地面中心站软件配置错误也不会导致信号误报，并人性化提示与井下所接传感器类型不一致。有效控制因操作不当导致误报问题，提高系统稳定性。

3.10 “传感器自诊断”技术

丰富的自诊断故障代码，如：信号中断、地址冲突、未标校、元件断线、设备未定义等，均提供对应的诊断代码，有效解决系统维护故障分析的难点，起到故障定位、系统提示的作用，有效减少人力及物力。

4 安全监控系统改造后实施效益

4.1 系统投入少

KJ912X矿山监控定位广播信息系统无分站设计，减少线缆投入、交换机投入、分站投入，建设成本降低。

4.2 维护量小

（1）设备使用数量少，系统结构简单，可靠性高，易管理；

（2）新型总线结构，没有“蜘蛛网”的烦恼，使用线缆少；

（3）全数字化设备的稳定性高，抗干扰能力强，设备自检、故障自动报警，调校自动提醒；

（4）通过设备混挂的方式，人员可快速地查找故障所在位置，并进行维修。

4.3 管控更加可靠

KJ912X矿山监控定位广播信息系统将原有的监测监控系统、人员定位系统以及应急广播通信系统进行底层数据融合，减少了部门间的磨合，减少人力的投入，安全管控更加可靠。

4.4 减人增效

综合利用系统的可视化和自动化，可实现真正的“无人值守”功能，大大减少井下作业人数。

高效的数据采集和传输，可将各生产环节的数据、视频同步传送，更加有利于对各个生产环节情况进行实时掌握、管理和控制。

人员定位系统和安全监控系统、通讯系统联动，紧急情况下可以高效组织人员撤离。