矿井智能抗灾系统的设计与应用

程晓波

（山西潞安集团潞宁煤业有限责任公司，山西 忻州 036700）

1 问题的提出

当前我国所有煤矿都要求安装煤矿井下安全监控系统，保障煤矿安全生产，但各煤矿安全监控系统的实现功能各不相同。总体来讲，监控系统的核心在于对井下各种数据的监测，还无法达到完全控制的地步，因此安全监控系统设计的功能无法全部实现。经调查发现，各煤矿安全监控系统没有将火灾参数监测、风流控制和抗灾救灾决策进行结合的功能，无法实现抗灾救灾的智能化。基于安全监控系统存在的缺点，潞宁煤矿和中煤科工重庆设计院联合开发了矿井智能抗灾救灾系统。

2 矿井智能抗灾系统

矿井智能抗灾系统的核心主要是实现抗灾救灾的信息化和自动化控制，通过实时连续不间断的数据检测，来掌握井下的环境参数。当井下发生火灾安全事故，系统会立即启动可视化仿真救灾决策支持系统，安排预警通知和指导井下受灾人员的逃生。同时会指导地面调度中心对井下的通风设施进行管控，控制灾变烟流的扩散，降低灾变区域。救灾风门发生动作，水电联动执行单元动作，采用多种救灾技术措施。

在硬件网络方面，本系统平台软硬件主体架构基于Intemet互联网，软件系统采用B/S架构开发，便于以后用户使用、灵活加载、系统升级和系统维护。服务器端软件采用Microsoft VisualStudio编制设计，网络客户端采用VC++6.0、JavaScript编制设计，数据存储采用Microsoft SQL Server2000编制设计。

潞宁煤矿智能抗灾的亮点是：对抗灾风门采用24h连续不间断高清图像监视；实时监测关键点瓦斯浓度、CO浓度、风速、负压、温度、烟雾、顶板离层、巷道变形、顶板压力、水位、涌水量等参数；采用语音播报来对井下受灾人员进行指引并避灾。

3 智能抗灾系统核心模块（抗灾风门）的设计

抗灾风门的设计思想：当煤矿井下发生灾情后，必须立即进行响应，采取抗灾救灾技术措施，降低损失。系统设计基于先进性、前瞻性原则，采用分步实施的办法来实现。第一，确定系统的基本组织结构和开放式架构；第二，根据各方面的功能需求确定各子系统；第三，根据实际的业务来确定子系统；第四，完成整体的设计。

选择先进的矿井通风可视化仿真系统，该系统由三部分组成：矿井通风网络解算和火灾运动模拟系统、矿井监测和实时数据传输接收系统、三维图形计算机仿真和通风数据动画显示系统。三者紧密结合，构成了一个完整的大系统，可以实现对救灾效果的模拟仿真。该技术的应用可实现对风流流动及参数的实时仿真模拟；灾变时期，可预先仿真模拟防火救灾风门对风流调控的实际效果；可实现实时、高效风网解算，为救灾提供最优化方案，实现智能救灾过程。

4 核心模块的控制软件开发

风门控制装置：华邦W77E58芯片（速度快、高性能、大容量、稳定可靠）、GL-6001F模块、ZTKB-Ex01高清防爆摄像头、煤矿LCD液晶拼接大屏幕、以太网卡（RJ45）。

风门控制装置软件的处置流程如图1所示：对数据和信号是周期性采集并主动上传的模式，按约定的通信协议主动发送，迅速响应计算机端的采集控制命令帧。定时器0中断定义为最高优先级中断，且中断常开，初始化后不屏蔽。

5 抗灾风门的控制硬件研制

根据抗灾风门的功能设计，可以将其分为液晶显示、控制执行、音/视频信号采集、环境传感器信号采集、水电联动执行和数据通信六大功能单元，如图2所示。

图2 抗灾风门功能单元框图

5.1 液晶显示单元

液晶显示单元独立设计，通过RS485通信接口来实现数据的交换，同时提供人机对话界面。

5.2 控制执行单元

控制执行单元由键盘控制箱、无线遥控器、气阀控制箱及气缸等组成，通过RJ45网络通信接口，执行抗灾风门的开关。每套风门设计有无线数据控制箱，用于配套接收无线遥控器遥控开、关门命令，通过无线遥控器实现抗灾风门的救灾动作，确保抗灾风门救灾动作的准确性。

5.3 音/视频信号采集单元

该单元可以实现对风门的实时连续通行情况的视频拍摄。采用矿用阻燃光缆接入井下光纤工业以太环网，能实现信号的高质量传输。在地面调度中心的电脑中，通过该智能抗灾系统软件就可以给井下各救灾风门进行语音信息的播报。

5.4 环境传感器信号采集单元

环境传感器主要是监测采掘工作面、机电硐室及采区主要进（回）风巷道的自然环境参数。环境传感器信号采集单元主要是定期检测矿井大气中的瓦斯浓度、CO浓度、风速、负压、温度、烟雾、顶板离层、巷道变形、顶板压力、水位、涌水量等参数。当系统检测到参数指标超过设定值后，抗灾风门会进行安全警示提醒，地面调度中心工作人员会进一步了解巷道环境的异常变化，并及时采取相应的防治措施。

5.5 水电联动执行单元

水电联动执行单元主要是由水电联动箱和配套喷头组成，通过触控传感器实现水管路的水压检测。可以实现以下功能：（1）应用水电联动喷雾装置对巷道进行洒水降温；（2）联动隔尘纱网。喷雾喷洒到纱网上，形成水幕帘，有效地隔离、捕捉粉尘；（3）粉尘在线监测自动喷雾控尘系统。将粉尘传感器接入安全监测系统，实现粉尘在线监测，通过设定极限值，控制净化水幕，实现粉尘超限自动降尘功能。（4）抗灾风门执行救灾动作时，联动实现洒水喷雾。

5.6 数据通信单元

煤矿安全监控系统的数据通信单元：地面中心站与井下分站间的数据传输的专用通信接口。该通信接口是安全监控系统的传输枢纽。主要技术指标：（1）通信接口与分站的传输口：2路；（2）通信接口与分站的传输方式：RS485、半双工、主从式、双极性。① 传输波特率：2400bps；② 工作电流峰峰值：≤300mA；③ 工作电压峰峰值：1.5～12V；④ 通信接口到分站最大传输距离为10km。（3）通信接口与计算机的传输口：2路；（4）通信接口与计算机的传输方式：RS232、半双工、主从式、双极性；① 传输波特率：2400 bps；② 工作电压峰峰值：≤24V；③ 通信接口到计算机最大传输距离为3m。（5）最大容量：64台分站。（6）自动切换响应时间：确认主机故障后14～16s。

6 结语

该矿井智能抗灾系统由潞宁煤矿和中煤科工重庆设计院合作研发，基于上述先进技术特点，加之在潞宁煤矿应用中的运行维护及时，反映效果良好，当前潞安集团已在集团内部推广应用。