煤矿安全监控系统技术现状及智能化发展趋势

刘媛媛

(煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013)

目前我国煤矿均已配备了煤矿安全监控系统，在防范和减少煤矿重特大事故方面发挥了重要的监控、预警作用，是煤矿安全生产的重要保障[1-5]。随着信息化、智能化技术的不断发展，国家煤矿安全监察局于2016年12月印发了《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》，要求提高煤矿安全监控系统准确性、可靠性、稳定性和易维护性等[6]。2019年8月12日，国家应急管理部发布了AQ 6201—2019《煤矿安全监控系统通用技术要求》，明确了煤矿安全监控系统技术指标和功能要求，指明了系统智能化发展的方向。

为了更好地分析煤矿安全监测监控技术的发展方向，把握未来智能化矿山时代监测监控技术领域的热点，笔者拟总结分析“十三五”期间煤矿安全监控系统升级改造的成果和存在的问题[7-10]，并提出煤矿安全监控系统智能化发展的要求和发展趋势，旨在为煤矿安全监控系统智能化研究提供参考。

1 煤矿安全监控系统升级改造后技术现状

传统的煤矿安全监控系统在可靠性、稳定性，以及系统功能、性能及通信接口标准等方面都存在较大的技术缺陷[11-12]。全国大多数矿井在“十三五”期间根据升级改造内容要求，对系统进行了建设与升级，并达到了验收标准。

1.1 传感层技术现状

针对传感器存在的误报、瞬间大值、漏报、失效等相关稳定性与可靠性的问题，传感器防护等级提升到IP65及以上，解决了井下淋水环境下传感器核心元件、测量电路等部件受水汽影响产生瞬态高值、失效等问题；随着矿井信息化建设不断提升导致井下变频设备、大功率设备日益增多，造成井下电磁环境恶劣，传感器及传输线路在强电磁干扰下，易出现数据混乱、通信中断、设备无法工作等现象，将传感器输出接口升级为标准的RS485/CAN总线数字接口，结合CRC加密校验技术解决了信号传输线路干扰问题；在传感器输入端通过采用TVS管端口防护、电气隔离、滤波、Y电容隔离接地、屏蔽等技术，使传感器通过了2级电磁辐射抗扰度试验、3级脉冲群抗扰度试验、3级浪涌抗扰度试验等，传感器抗电磁干扰能力大幅提升，保证了其在井下工作的稳定性和可靠性。

通过标准数字化通讯接口，传感器实现了分级报警功能、自诊断功能及故障信息上传功能，其中甲烷传感器实现了分级报警，根据瓦斯浓度大小、瓦斯超限持续时间、瓦斯超限范围等，设置实现了不同的报警级别(4级报警、8级报警等)。传感器通过升级硬件电路，实现了电缆末端电压监测、元件故障检测、模拟信号采样噪声异常检测等功能；具有线性自校正的激光甲烷传感器、自校零的风速传感器及低功耗无线甲烷传感器已被广泛应用。

激光甲烷传感器采用国际先进的可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)，实现甲烷浓度的全量程、高精度测量，测量误差不超过±4%；采用线性校正算法实现激光甲烷传感器的浓度校正，保障其长期工作的稳定性[13]。

双向风速传感器基于差压测量原理，利用皮托管取压装置，实现正、反向0.0～15.0 m/s和误差 ±0.2 m/s 的风速测量，实现了正向、反向风速的统一测量；采用实时零点智能校准技术，以降低温度、湿度等因素影响，提高了正、反向0.4 m/s以下风速测量的精度和可靠性。

无线甲烷传感器采用低功耗MEMS元件，实现了甲烷全量程检测；采用内置天线，具有ZigBee无线自组网功能；有线/无线配置灵活，通过无线信号转换器将数据接入分站；内置8.5 A·h电池，保障甲烷监测连续工作时间大于15 d和温度、一氧化碳监测连续工作时间大于 30 d。

1.2 传输层技术现状

总线型分站基于ARM平台处理开发，由模拟量采集升级为多路总线采集：包括了标准的RS485/CAN总线、以太网电口及光口输出，同时具有数据分析处理、报警及快速控制等功能。

目前，煤矿安全监控系统主流厂家研制的总线型分站，包含7路总线功能，其中4路采集数字化传感器数据(1路为主通信，1路采集电源及抽放数据，1路备用)、1路以太网电口、2路以太网光口；保留开关量电平接入功能及总线接入功能；交叉断电可在分站间实现，无需通过中心站；SD卡存储设计，按事件记录分站运行情况，具有就地数据分析能力，实现瓦斯突出报警。

无线信号转换器，可直接接入到现场总线传感器的线缆上，实现井下有线和无线传输网络的有机融合，安装配置灵活。

区域协同控制器采用嵌入式高速处理系统，本安设计，实现井下有线、无线的集中采集、转换处理。根据用户设置，对监测的人员、设备运转、环境参数进行融合和智能化预判，并对异常事件进行快速处理，达到控制前移、井下融合的目的。同时，该设备具有多种数据接口，兼具交换机功能。

系列交换机支持环型和冗余耦合、环网相切、星型等多种复杂网络拓扑结构。网络重组时间不大于20 ms，环网速率支持10 000 、1 000 、100 Mbit/s多型光口选择。KJJ18(B)交换机有6个千兆光口、4个百兆光口、10个百兆电口和8路本安RS485总线。

大容量宽范围隔爆兼本安防爆电源无工频变压器，能在交流电输入电压85～900 V下正常工作，无须切换抽头，自动适应电压等级变化，可实时、远程了解电源箱运行状况，能精确显示备用电池续航时间；电源后备电池续航时间达4 h，电源箱重量下降30%以上。带载低功耗传感器，最大远程本安供电距离可达6 km，满足了在超长工作面应用的需求。

1.3 应用层技术现状

传统的煤矿安全监控系统在软件功能上主要有实时数据监测、模拟量日报查询和有计划的控制设备等。监控系统升级改造后，地面中心站在功能和作用上也取得了较大改进。

1)完善了报警、断电控制功能。基于瓦斯浓度、瓦斯浓度变化幅度、瓦斯超限持续时间、影响范围等，制订不同的逻辑报警断电机制，实现了分级分区报警和区域断电。

2)实现了多网、多系统融合。井下融合涉及硬件数量改造多、成本高，升级后的煤矿安全监控系统主要采用地面融合方式进行，即在不改变原有各自系统运行方式的前提下，构建融合层，通过数据库技术和WebAPI等技术实现监控系统、人员定位系统、应急广播等系统数据的共享交互和命令下发执行。同时，使用GIS技术实现多系统数据的统一展现。

3)实现了系统自诊断、自评估等数据分析功能。基于AQ 6201—2019《煤矿安全监控系统通用技术要求》和《煤矿安全规程》等法律法规及标准规范，从监控系统安装、配置、使用、维护等方面建立了一套自诊断、自评估体系准则，运用GIS空间位置分析技术、数据关联分析等对监控系统的安装情况、配置合规性、控馈一致性进行动态自诊断，确保“运行可靠、监控有效”。

4)实现了应急联动功能。在实现多系统与GIS有机融合的基础上，监控系统中心站实现了当瓦斯超限、断电等需紧急撤人的情况下，自动与应急广播、无线通信、人员定位、视频监测等系统进行应急联动。

2 煤矿安全监控系统智能化发展要求

AQ 6201—2019《煤矿安全监控系统通用技术要求》对煤矿安全监控系统智能化水平提出了更高的要求，相关内容包括[14]：

1)传感器智能化并实现全覆盖。现有的传感器采样监测基于离散点模式，对关键区域监测未能实现全覆盖。要求传感器实现工作状态自诊断，促进各类传感器的正确安装、设置、维护，防止违规行为。

2)多系统融合方式。要求多系统的融合可以采用地面方式，也可以采用井下方式，鼓励新安装的安全监控系统采用井下融合方式。

3)增加自诊断、自评估功能。要能实现煤矿安全监控系统定期的自诊断、自评估，能够预先发现系统在安装使用中存在的问题。自诊断内容至少应包括模拟量传感器维护、定期未调校提醒。

3 煤矿安全监控系统智能化发展趋势

智能化矿山建设对安全监控系统的感知、传输、数据分析等提出了新需求，总体上可以从新型传感技术、新型供电传输采集技术、系统数据应用分析 3个方面的发展进行探索。

3.1 新型传感技术及智能化发展

1)分布式多点激光甲烷检测技术

针对煤矿工作面瓦斯监测点布置数量少，瓦斯涌出采样数据不全面的问题，分布式多点激光甲烷检测技术，采用可调谐激光吸收光谱技术、光路空分复用技术，在激光器输出光路中引入自校准气室，实现了对多通道精确校正，解决了激光甲烷传感器长期工作不稳定的问题，大大降低了每个测量点的造价成本。中煤科工集团重庆研究院有限公司研制的分布式多点激光甲烷监测装置如图1所示，可实现 8路气室同步测量(可扩展为16路)，φ(CH4)测量范围0～100%，响应时间15 s，误差不超过±3%；实现了工作面区域瓦斯涌出同步实时监测，获得区域瓦斯动态分布图，能显著提高瓦斯突出预警监测能力。

2)高分辨率激光痕量检测技术

针对采空区自然发火束管监测系统测量不准确的问题[15-17]，拟采用基于波长调制和谐波解调的高分辨率激光痕量测量技术，研发CO、 C2H4、 C2H2本质安全型在线监测传感器，实现采空区发火特征气体的“就地采样、就地处理、就地测量”，大幅缩短采空区火灾感知及防控响应时间。同时，该技术还可用于环境CO检测，解决传统电化学应用中存在的交叉干扰、稳定性差等问题。

3)超声波时差法断面风速监测技术

总而言之,显微手术对脑胶质瘤患者的临床治疗效果突出,患者接受治疗的时候,手术需要对患者的毛细血管网和穿支动脉进行保护[4],防止患者的术后生活质量受到影响。综上所述,显微手术对脑胶质瘤的治疗效果突出,应该积极的推广使用。

由于巷道通风的不均匀性，目前“以点代面”的风速测量监测方式易导致风量计算误差较大，且存在下限测量盲区(<0.3 m/s)，难以满足智能通风系统建设的需求。基于超声波时差法可实现巷道全断面风速测量，利用多线测量与巷道断面拟合积分，精确计算通风风量，可为智能调风提供稳定、精确的监测数据。巷道全断面风速测量探头分布如图2所示。

图2 巷道全断面风速测量探头分布图

4)传感器智能化技术

采用低功耗、高性能MCU，通过数字化技术对传感器身份(包括型号、软硬件版本、生产日期、出厂编号等)、工作状态等进行信息监测(包括多维监测信息、调校操作信息、供电状态信息、故障诊断信息等)，实现传感设备的全生命周期管理、预知维护等。通过增加动态感知芯片，实现传感器安装位置变化、人为移动、跌落等多维信息的远程监测。

正确安装设置传感器是保障安全监控数据有效和合规的重要判据。鉴于煤矿井下受限空间特性，传统基站定位信号覆盖范围有限且基站位置易变动，基于地磁匹配+惯性导航可有效解决设备在受限空间内无盲区位置定位，而且不依赖特定定位系统。基于该技术的传感器可实现远程安装位置及位置变动情况的实时在线监测，为评估监控设备安装是否到位、管理是否规范等提供基础数据。

3.2 新型供电传输采集技术发展

1)分布式供电及共缆透传技术

监控系统现有监测设备主要通过通信电缆与分站设备连接，存在布线复杂、空间受限、灵活性差等问题，不能实现大范围分布式监测与控制，存在较大的感知盲区。

通过对低频调制输出、负载动态匹配、电能拾取装置小型化和本安化等关键技术进行研究，矿井分布式非接触供电系统突破传统集中供电系统点对点供电可靠性差、远端供电能力弱、线路复杂差等技术瓶颈，可实现煤矿井下本安供电系统由集中式向分布式、点对点方式向线对点方式升级换代。非接触供电系统结合电力载波传输技术，可实现电能信号、载波信号的共缆传输，电力载波最大传输速率 10 Mbit/s，最大通讯距离2 km。关键区域的传感器、无线基站等可通过电能拾取装置实现供电，并通过透明传输网关实现有线信号、无线信号的汇集传输，通过电力载波装置的电口将汇集数据发送到区域协同控制器。

区域协同控制器可实现数据采集、解析、就地交互及协同控制等核心功能；透明传输网关融合ZigBee、6LoWPAN、WiFi、RS485、CAN等多种制式信号，可实现智能路由、融合传输，完成联调工作；无线基站及节点具备ZigBee、6LoWPAN、WiFi无线自组网及路由管理功能。

2)一体化采集平台

构建一体化采集平台，实现井下系统大融合。数据是各类分析与智能应用的基石，现有的数据融合方式主要是在各系统之上构建融合层，由厂家提供数据接口进行有限数据的交互，该方式中间环节多，延时长，数据重复存储，亟需构建一体化采集平台，规范并公开底层设备协议，直接从设备端获取数据。

3.3 系统数据应用分析趋势

1)监测数据深度挖掘与分析利用

现有的监控系统软件亟需通过大数据分析技术建立数学模型，从不同维度揭示瓦斯涌出等各种异常在监测数据上的表征规律，实现监控系统的主要作用由事后处置向事前预警转变[18]。

根据分布式多点激光甲烷监测装置同步测量的瓦斯浓度、风速和温度3类传感器的历史数据，建立描述瓦斯涌出量在一定时间和空间内变化发展的动态模型，反映瓦斯涌出量的变化规律，从而预测工作面瓦斯涌出量，进一步推测未来瓦斯涌出变化趋势[19]。

针对矿井外因火灾，通过对O2、CO、CO2、温度及烟雾等传感器数据进行分析，建立实现区域范围的火灾预报模型；针对煤自燃火灾，利用高分辨率激光痕量检测装置监测的煤自燃特征气体数据，建立煤自燃预警模型[20]。

2)实现与生产系统的协同管控

现阶段的煤矿安全监控系统未能实现与生产系统的协同，各种无计划断电停产导致生产不连续，安全与生产的制约矛盾仍然存在，亟需利用预警技术对瓦斯超限等进行精准预测，通过超前协同智能控制减少或避免瓦斯超限，实现安全可控条件下的连续生产，切实发挥安全措施服务生产的作用。

4 结论

1)根据煤矿安全监控系统升级改造的要求， 监控系统升级改造大幅提高了系统的抗干扰、准确传输、多系统融合和自诊断等能力。

2)结合煤矿实际发展需求和最新的《煤矿安全监控系统通用技术要求》，指明了系统智能化发展方向为：传感器智能化并实现全覆盖，支持多网、多系统融合，增加自诊断、自评估功能，加强数据应用分析。

3)重点介绍了煤矿安全监控系统智能化发展的技术趋势，通过新型传感技术、传感器智能化技术、分布式供电及共缆透传技术、一体化采集平台、监测数据深度挖掘与分析利用、生产协同管控等技术研究，引领监控系统的智能化发展。