煤矿安全监控系统的发展简述*

李雄伟，廉志华，张 婧

(1.神东煤炭集团大柳塔煤矿，陕西 神木 719315；2.西安科技大学 计算机科学与技术学院，陕西 西安 710054)

0 引言

煤矿行业是灾害类型最多、危险源最多、安全隐患最严重的生产领域之一，煤矿安全是全国安全生产工作的重中之重，依靠科技进步，提高煤矿安全技术装备水平，减少和预防煤矿重特大灾害事故的发生是安全生产工作的长期要务。而煤矿日常安全管理和灾害防治技术管理中，安全监控系统是不可或缺的核心环节之一[1-3]。2016年12月29日，国家煤矿安监局印发了《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》，提出数字化传输、抗电磁干扰、多系统融合、联动等“十三条”具体技术指标，要求到2018年底大型矿井、煤与瓦斯突出矿井在用安全监控系统完成升级改造工作。《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》为现有系统的发展指明了方向，即要在监控系统的准确性、先进性、可靠性、稳定性和智能性等方面实现全面提升[4-7]。

1 煤矿安全监控系统现状

1.1 发展历程

我国自上世纪80年代开始引进煤矿安全监控系统，再自行研发，经历了推广、强制、规范使用、强化管理等过程[8]。近些年，随着煤矿安全监控系统的普及应用，基本实现了对矿井瓦斯、一氧化碳等各种灾害气体浓度的在线监测和对井下局部通风机、移变等机电设备的瓦斯电(风电)闭锁控制。2016年底，国家煤监局在全国范围内推进煤矿安全监控系统升级改造，基于工业太环网、数字总线双重冗余结构的新一代全数字式煤矿安全监控系统集多主通讯、智能传感、电磁兼容等多项关键技术于一体，满足监控系统数字化、智能化以及网络化的升级改造要求，也是未来监控系统的发展趋势。新系统的应用可有效提高全国煤矿的防灾抗灾能力，为煤矿的安全生产提供保障。

1.2 需进一步解决的问题

系统实时性、可靠性差：现有监控系统大多数还采用主、从轮询的通讯方式，巡检周期长，数据传输速率低，井下发生短暂报警往往由于较长巡检周期的缘故而不能有效记录。井下设备之间无法实现互联互控、区域危险快速断电控制。

系统抗电磁干扰水平较低：煤矿井下空间狭小，机电设备集中，电磁环境恶劣，监控系统设备经常受到强烈电磁干扰，大部分现有监控系统还不具备成熟的井下抗电磁干扰技术，相关国家标准很难被执行。因此经常产生数据混乱、误报警、通讯中断等现象，严重时，可能会导致系统瘫痪。

数字化程度低、兼容性差：系统终端设备数字化程度不高，尤其是传感器采用基于频率信号或电流信号的模拟传输技术，易受电磁干扰，“上大数”“误动作”频发。系统不具备开放性，异构系统无法接入，监控数据不能与人员管理、供电监测等系统数据相融合，容易形成“信息孤岛”。

系统智能化水平低、缺少新技术、新产品、新功能：现有主流监控系统只具备简单的监测、闭锁功能，传感器功能单一，不具备类型自识别、故障自诊断等智能功能。井下的监测监控技术普遍停留在上世纪90年代的水平，比如甲烷传感器多采用催化燃烧式，稳定周期短、频繁标校、监测数据不准确。

2 数字式监控系统特征及未来发展方向

2.1 多环冗余、对等通信网络结构

数字式监控系统结构：在监控系统主干环网已实现环路冗余的基础上，增加分站及支线网络的冗余功能，构建多环冗余的网络结构，提高系统的可靠性。图1是一个典型的具备多环冗余功能的煤矿安全监控系统。

系统功能：系统总线层的双重冗余结构，多链路数据传输服务器两端接入两条总线，两个端口同时监听总线信号，传输服务器可根据数据传输情况，自动进行主备端口切换，从而实现总线冗余，分站之间亦可实现多主并发、互联互控功能，井下异地断电无需上位机参与，断电时间缩短至5 s内。总线上所有设备采用多主并发、对等通讯的数据传输机制，可使每个终端节点遇突发事件时，均可主动向地面监控主机发送数据，保证井下每个传感器的状态变化可在2～3 s内传至地面，系统巡检时间缩短至10 s，进一步提升系统的实时性和可靠性。

2.2 具备较强抗电磁干扰能力

抗电磁干扰的要求：《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》中明确要求，升级改造后的监控系统整体抗电磁干扰水平应至少满足，①地面设备3级静电抗扰度试验，评价等级为A；②2级电磁辐射抗扰度试验，评价等级为A；③2级脉冲群抗扰度试验，评价等级为A；④交流电源端口3级、直流电源与信号端口2级浪涌(冲击)抗扰度试验，评价等级为B[9-11]。

优势分析：新一代煤矿安全监控系统终端设备，通过改进电路板的布线、布局和结构设计，消除电路板本身设计的抗干扰缺陷。使用定制的滤波器或滤波电路、浪涌防护电路等电磁干扰保护模块，同时系统采用综合平衡设计，调和干扰防护电气参数与设备本安性能之间的矛盾，在保障本安的同时，适度降低电源保护电路的敏感度，实现电磁干扰保护的元器件电参数限制在设备的本安要求范围内，做到安全地防护。不难发现，具备电磁干扰保护模块的分站、传感器等监控设备，在使用过程中，受雷电、静电、变频器设备等因素影响所造成的设备故障率明显降低。

图1 数字式监控系统结构图

2.3 数字化传输、多系统融合联动

数字化传输：监控设备数字化传输是新一代煤矿安全监控系统的最基本特征，监控数据采用数字总线进行传输可以从源头上解决以往传感器采用频率信号传输易受干扰的问题，有效避免“上大数”、误报警的问题[12]。目前，国内各监控系统生产厂家所采用的主流数字总线主要有RS485、CAN、LonWorks、Profibus等。这些数字总线，在通讯速率、误码率、抗干扰性、拓扑结构上均有较好的表现。

多系统融合联动：基于监控设备的数字化传输，新一代监控系统可以在井下与其他的系统之间实现数据互通，融合联动。监控系统升级改造要求必须融合的系统有环境监测、人员定位、应急广播、供电监控系统(融合的方式不局限于地面或井下)。在瓦斯超限、断电等需要立即撤人的紧急情况下，监控系统可自动与应急广播、人员定位等系统进行应急联动，利用工作面的应急广播设施播报撤离指令及紧急应对方案，同时利用人员定位识别卡等设备通知到处于危险区域的所有人员，提醒相关区域人员按照紧急应对方案进行相应的撤离，极大限度地保障煤矿职工的生命安全。

2.4 新技术、新产品、新功能

新技术、新功能：基于数字总线方式通讯的传感器不仅可以实现分站与传感器之间的双向数据传输，而且传感器还可依据事先定义好的总线协议，向分站传输除监测值之外的更多监控信息，如传感器类型、运行状态、设备唯一性等信息，这就为传感器、断电执行器等监控终端的智能化奠定了基础。终端设备可通过硬件故障自检电路实现传感器敏感元件故障、存储器故障、通信故障等硬件故障的识别和定位。同时，在设备程序设计上，还可通过对监测值的大数据分析，依据异常数据的频次、偏离程度等信息，运用小波分析、神经网络以及各种智能算法搭建故障诊断分类方案，在线快速辨识监控设备的故障类型，并反馈至地面监控中心，有效地提高了系统的智能化程度。

全量程激光甲烷传感器：全量程激光甲烷传感器的检测原理如图2所示，传感器从结构上可分为激光器、气室、探测器、数据处理电路等，基于甲烷气体对特定波长的强吸收特性，采用可调谐光源+谐波吸收的方法对环境中的甲烷气体的浓度进行检测。全量程激光甲烷传感器具有测量精度高、稳定周期长、气体交叉敏感性低等特点，能够解决现有催化和红外等原理的甲烷传感器存在的气体选择性差、易中毒和高湿度误报等问题。目前，国内激光甲烷传感器的稳定周期普遍可以达到90 d以上，较现有普遍使用的催化燃烧式甲烷传感器稳定周期(15 d)有较大幅度的提升。《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》中推荐使用在“突出矿井的采煤工作面进、回风巷，煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷掘进工作面回风流中，采区回风巷，总回风巷”等重要瓦斯监测地点[13]。

图2 全量程激光甲烷传感器的检测原理

2.5 未来的发展方向

无线传输技术：煤矿安全监控系统虽然已经实现了全数字化传输，但目前只是局限在有线传输领域。井下尤其是工作面仍然存在大量传输线缆铺设与维护的工作量，现有无线传输技术在井下应用尚不成熟。未来，基于可靠无线传输的各种无线传感器将会是煤矿安全监控系统实用化发展的主要方向。

预测预警技术：当前煤矿监控系统仅仅具备报警、断电功能，虽然有些安全监控系统已经具备简单的火灾、瓦斯突出等预测、预警功能，但在实际应用过程中准确率并不高，缺乏高效可靠的预测模型，不能满足安全生产要求。因此，对火灾、瓦斯突出等煤矿灾害的预测、预警技术的研究将是煤矿安全监控系统未来发展的方向之一。

系统兼容性：新一代煤矿安全监控系统设备之间采用数字总线传输数据，各个生产厂家之间的传感器互不兼容，无法实现各个生产企业传感器之间的优势互补，造成了一定的资源浪费。未来，应进一步制定行业标准，统一信号制式，实现不同系统设备间兼容性的问题。

3 结论

(1)从系统实时性、可靠性差，系统抗电磁干扰水平较低，数字化程度低、兼容性差，系统智能化水平低等4个方面对我国煤矿安全监控系统现状进行了概述。

(2)对我国新一代数字式煤矿安全监控系统特征进行了描述，主要特征有多环冗余、对等通信网络结构，具备较强抗电磁干扰能力，数字化传输、多系统融合联动，新技术、新产品、新功能推广应用。

(3)我国煤矿安全监测监控系统未来的发展方向主要有无线传输技术、更加符合实际的预测预警技术以及更强大的系统兼容性技术的应用。