关于煤矿瓦斯爆炸事故监控预警系统的分析与研究

庞 宏

(潞安化工集团公司 科技研发中心，山西 长治 046204)

煤矿瓦斯事故监控预警系统应用甲烷传感器对井下的瓦斯含量进行实时检测，在收集到相关数据后将其输入到控制系统中，如数据异常将对井下工作人员发出警报，并详细给出撤退路线。在当前的煤矿安全生产中，安全监控系统已能准确对矿井有害气体进行监测，对相关设备的运行状态进行控制；井下人员作业系统也能实现对井下工作人员的工作面地点和人员数量进行实时监测。但两个系统要联动起来就比较困难，而我们提出的煤矿瓦斯事故监控预警系统通过对瓦斯传感器监测的实时数据进行分析，通过井下人员佩戴的识别卡对危险区域的工作人员发出指令。通过该系统可以在最短的时间里最大限度地保障劳动人民的生命财产安全。

1 煤矿瓦斯爆炸事故的监控预警系统功能

1) 实时采集井下瓦斯数据并进行分析，对异常区域发出警报。其一为自主预警系统，当设备发现瓦斯含量超限时，传感器自身会发出声光报警，提示作业人员采取相关措施；其二当瓦斯含量达到断电的设定值时，数据传入到控制系统中，由控制系统对相关区域的电气设备实施断电功能[1]。

2) 与矿井的排风系统进行联动，及时对巷道内集聚的瓦斯进行有效排除。在当前的煤矿生产中，已经建设了排风系统，该系统的运行状态将直接决定对瓦斯的排除效率。在智能化系统快速发展的今天，将瓦斯事故监控预警系统与排风系统进行有效衔接能够实现对排风系统运行状态的自主控制，解决了人工操作模式中存在的操作失误和效率较低的问题。

3) 对超限区域的工作人员发出撤离信号。当监测到的瓦斯含量达到设定的危险预警值时会应用无线信号系统向工作人员发送撤离指令，及时准确地给井下人员提供撤离路线，最大限度地保障矿工的生命财产安全。

2 煤矿瓦斯爆炸事故的监控预警系统整体构建思路

煤矿瓦斯事故预警系统主要建设思路为构建应用层、感知层和传输层，结构见图1：

图1 预警系统的三个层级示意

2.1 应用层

从应用层的设备和功能可以看出，该部分内容为整个预警系统的核心组成部分，所以在系统的建设中，将应用计算机设备对井下瓦斯检测系统获取的数据进行分析与研究，所以该部分的设计内容包括以下方面：

1) 硬件设备设计。硬件设备包括通信线缆、端口、计算机设备等内容，在应用层的设计中，各类数据传输线缆需要与计算机进行有效连接，从而让计算机系统能够有效获取相关数据。

2) 软件系统设计。软件系统发挥的主要作用为对井下的瓦斯含量数据与设定值进行比较，所以在相关软件的设置中，编程过程要对瓦斯含量的标准值进行设定，通过对数据进行横向对比确定井下环境的安全程度。

2.2 传输层

传输层为对数据和信号进行传输的层级，传输层在运行过程中将发挥两个作用，其一将井下瓦斯含量数据传输到应用层中，其二将应用层发出的信号传递到井下工作人员的终端设备和排风系统的控制体系中。在前者的运行过程中，可以通过传感器将瓦斯含量数据转变为电信号，应用通信线缆将产生的数据信号传递到计算机系统中。对于后者，计算机系统产生的信号会应用另一线路传递到相关设备中。尤其是对于通风系统的控制线路来说，计算机产生的控制信号强度不能直接对设备进行控制，所以在具体的设计中，需要对该信号进行放大，以达到应有的控制效果[2]。

2.3 感知层

感知层最重要的作用为对井下数据进行收集，并将其转变为电信号传送到计算机控制中枢中。感知层的器件包括标签读写器、传感器和摄像头。标签读写器通常用于定位系统中，通过这些设备的应用能够确定井下不同区域空气中的瓦斯浓度，并在计算机系统的运行中向相关区域工作人员发出警报信息。至于传感器与摄像头，这两者共同的作用下能够探究井下工作人员的撤离情况，并让地面工作人员了解井下的生产情况。在感知层的总体设计中，需要对这三种设备进行合理配置，实现对井下工作环境的全面把控。

3 煤矿瓦斯爆炸事故的监控预警系统构建方案

3.1 人员管理系统设计

传感器是整个预警系统中的重要组成部分，传感器的作用为实时监测井下不同区域的瓦斯含量。随着井下工作深度的推进，传感器系统也需要进行全面铺排，以达到采集数据准确和无死角的目的。通常情况下，在井下工作人员的工作区域更容易产生瓦斯超标现象，所以在该区域的进风、回风、上隅角等重点区域布置瓦斯传感器，同时为了能够让地面工作人员了解传感器的运行位置，还需要应用RFID芯片对传感器的位置进行定位，这种芯片需要安装在传感器附近，并在安装完成后应用手持设备对芯片进行扫描，将芯片的位置信息传入数据库，最终在数据库中建成传感器的分布网络，当某一传感器发出瓦斯含量警报时，可以通过对芯片信息的收集准确对报警传感器的位置进行定位，结合工作人员佩戴的人员识别卡，系统能够对相关区域的工作人员发出告警信息，并发出撤退指令。

3.2 传感器设置

在煤矿安全管理中，最重要的就是对井下作业人员进行全面有效的管理。人员管理系统作为瓦斯事故监控预警系统的子系统，可以通过设置电子标识了解井下作业人员的数量，在相关区域设置识别设备，同时为每名工作人员佩戴的标识卡设立编码。在人员管理数据库中将所有编码与工作人员的信息建立对应关系，在预警系统的运行中，能够让地面控制人员及时准确地了解井下人员的信息。而且要建立井下视频监控系统作为瓦斯事故监控预警系统的另外一个子系统，视频监控系统的摄像头要覆盖整个作业区域，通过对视频影像的观察与分析，能够了解不同区域的工作人员分配情况，从而让地面调度员及时调度相关人员到达指定地点并完成任务。

3.3 通信系统设计

在通信系统的设计中，采用的方案为架设一套专用的局域网，局域网的初始端为系统中最前端的传感器，为了提高信号的抗干扰性，可以应用光纤线缆进行信息传递，将井下的实时信号传递到计算机控制系统中，并由计算机对传感器获取的信号进行对比和分析。通信系统分为井下的有线通信系统和无线通信系统两种。有线通信用于井上下语音通话，大巷信号传输等；在一些特殊的工作区域可以应用无线通信设备，根据信号的强弱，来确定无线信号设备的数量，最大程度地提高信号的传播效果。

3.4 控制系统设计

在瓦斯事故监控预警系统中，能够实现对一些电气设备的控制，主要为井下通风系统。在控制系统中设置瓦斯含量的安全值，对井下的实时瓦斯含量数据与标准值进行比较，当发现瓦斯含量超出标准时，系统发出排气设备的运行信号，以改善井下的空气环境。在该系统的设计中，可以应用PID系统进行控制，该系统能够发挥对作用信号的放大效果，同时也拥有较高的抗干扰性，能够满足井下复杂多变的环境[3]。

为了能够对整个系统进行持续完善，需要建设数据库系统，数据中涵盖的信息包括不同时间段内井下不同区域的瓦斯含量，该项数据能够为技术人员了解当前井下瓦斯控制系统的运行状态，同时能够记录井下工作人员数量和工作人员的基本信息。数据库系统建设还需要考虑数据库信息的安全性，如架构ACCESS数据库有很高的易操作性，并且有很高的安全保障能力。

4 结 语

综上所述，煤矿瓦斯事故监控预警系统需要将整个系统分为应用层、感知层和传输层，在具体的设计中，内容包括控制系统、通信系统、人员管理系统和瓦斯监测系统，同时应用相关技术对传感器和人员的位置进行准确定位，从而确定各个区域的瓦斯含量和工作人员分布情况，当遇到瓦斯超限或瓦斯事故中提前预警，为井下作业人员提供安全保障，也为矿井灾害预防提供重要支撑。