同忻煤矿工作面的安全监控系统改造设计

高 龙

(晋能控股煤业集团信息化中心，山西 大同 037003)

0 引 言

煤矿行业安全生产事故的发生率逐年增多。煤矿安全监控系统是促进煤矿安全综合管理六大系统建设，快速健康发展的首要条件[1]。加强煤矿井下瓦斯安全管理，有效遏制重特大瓦斯事故的发生，预防瓦斯爆炸危险，及时准确地反映井下各监测点的环境参数及主要设备运行状况，实现对危害的早期预测和预报是重要的考核目标和任务。尤其是一旦发现有瓦斯超限要立刻发出声光报警，进行风、电、瓦斯闭锁，要确保矿井正常生产、人身安全以及设备的正常运行，满足综合调度对环境安全、采掘设备、供电系统等有关信息实时、全面、准确、可靠的管理要求，因此有效发挥煤矿安全监控系统高效、安全生产等方面的作用意义重大。当前安全监控系统传感器采用频率量模拟信号传输，频率信号在传输过程中容易受到井下大型机电设备、变频器等设备的电磁干扰而产生数据误传和误报警等问题，对井下作业安全构成了严重威胁。

根据国家煤矿安监局关于印发“煤安监函[2016]5 号”通知的要求，对煤矿安全监控系统进行全面升级改进势在必行。以同忻煤矿工作面为分析对象，从总体方案及关键分系统角度出发，提出了工作面中安全监控系统的升级改造设计方案，并将该系统进行了应用测试，验证了系统的可靠性及安全性，整个监控系统的智能化程度达到了预期效果，对提高工作面的智能化程度及作业安全性具有重要意义。

1 现状及改造分析

同忻煤矿工作面目前采用的是KJ86N 型煤矿安全监控系统，系统于多年前安装调试完成使用至今，系统随着矿井巷道的延伸及系统数据的不断累积，加上传感器使用多年的老化，产品的使用时限、环境、寿命及返修等原因，部分传感器，会出现监测数据不准、误报警等现象，已不能对井下各监测点的环境参数及主要设备运行状况实时监控、不能对危害的早期预测和预报提供准确的数据，影响安全生产[2]。同时，系统中传感器采用频率量模拟信号传输，频率信号在传输过程中容易受到井下大型机电设备、变频器等设备的电磁干扰产生数据误传和误报警等问题，对井下作业安全构成了严重威胁。目前所使用设备的数量和稳定性无法满足矿井安全生产验收需要，存在系统容量不足及系统滞慢等问题。 此次安全监控系统改造重点如下[3]。

(1) 在分站至中心站数字化传输的基础上，将传感器(模拟量)至分站升级为数字传输，实现安全监控系统的数字化，促进智能传感器发展”，部分传感器与分站(2016 年前生产)采用频率或电流信号传输数据的升级为数字传输。

(2) 升级使用架构简单系统以及激光、红外等低功耗传感器、自诊断型传感器，鼓励使用多参数传感器。”，结合现场实际情况进行升级。

(3) 实现井下有线和无线传输网络的有机融合，监测监控与 GIS 技术的有机融合。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。在地面统一平台上必须融合的系统：环境监测、人员定位、应急广播，如有供电监控系统，也应融入。其它可考虑融合的系统：视频监测、无线通信、设备监测、车辆监测等”，监控系统增加多网、多系统融合功能并融合 GIS。

(4) 系统需实现内部系统中定期的自诊断、自评估，能够预先发现系统在安装使用中存在的问题，完成安全监控系统升级自诊断功能。

2 设计方案及要求

结合同忻煤矿工中现有煤矿安全监控系统问题，升级改造设计了KJ70X 煤矿安全监控系统。升级后的监控系统以《煤矿安全规程》为依据，确定系统改造点包括：地面中心站升级改造、传输信道改造及井下改造工程等方面的改造，通过设置各类传感器元器件，可采集瓦斯、风速、负压、温度、一氧化碳、烟雾、风门开关等环境参数，也可监测煤仓煤位、水仓水位、压风机风压、箕斗计数、各种机电设备开停等生产参数以及胶带跑偏、胶带速度，轴承温度、机头堆煤等各种机电设备的运行情况[4]。同时，设备开停、供电状态等生产参数，可以控制设备的通、断电，是煤矿安全生产的必备设备。该系统兼容多种分站，配置 128 台监控分站，通过光纤、双绞线、电话线等多种数据传输模式。网络传输速度及成本与采用的传输煤介有关。光纤适合高速、高流量、长距离传输，成本较高；双绞线一般用于内部局域网。另外，在中心站配了 UPS 电源，当交流电源停电时，UPS 电源应能保证中心站设备持续工作时间不小于10 h，整个系统容量达到了单通道允许接入的分站数量为 128 台。在电网停电后，系统应具有备用电源功能，地面中心站备用电源在系统电网停电后应保证中心站设备正常工作不小于 4 h，井下后备电源供电在系统电网停电后应保证系统井下设备正常工作不小于 4 h。整套系统精度相对较高，具有较强的使用寿命，能更好的适用于同忻煤矿的安全监控。

3 安全监控系统中关键设备匹配设计

3.1 监控分站匹配设计

在该安全监控系统中匹配设计了一套KJ770-F2(A)矿用本安型监控分站(以下简称分站)，该分站是一种矿用数据信息采集和控制装置，属本质安全型设备。其额定工作电压为DC18 V，工作电流≤550 mA，监控分站中设置了3路RS485端口；监控分站到传感器、断电器、声光报警器为2 km，到 485 通讯传感器为6 km，到数据传输接口为10 km；最大监控容量设置为16 路的信号输入(频率量信号/开关量信号互换、RS485 型数字信号输)，直流供电电压在(9～24)V 范围内波动时，分站能正常工作，防护等级达到了IP65。该分站是 KJ70X 监控系统的主要组成部分之一，分站操作简单，使用方便，同时能够兼容国内多个厂家的传感器。

3.2 矿用红外二氧化碳传感器

为更好实现对矿井中二氧化碳浓度的实时监测，在该安全监控系统中匹配设计了GRG5H 型矿用红外二氧化碳传感器。该仪器为Exibd I防爆型式，供电电压为DC 9～24 V，对二氧化碳浓度的基本检测误差在±0.3%左右，响应时间为30 s范围内，报警点可任意设置，出厂报警点设置为1.0%，断电点：任意设置出厂断电点设置为 1.5%，断电输出高电平状态，拉出电流为 2mA 时的电压≥3 V，低电平输出状态时的电压<0.5 V。该仪器主要用于检测煤矿井下空气中的二氧化碳含量[5]，是一种智能型检测仪表，具有自动标定、自带温度补偿等功能，且所有功能均可用遥控器来实现，具有精度高、稳定可靠、使用方便等优点，能更好的适用于井下环境中的二氧化碳浓度检测。

3.3 综合安全监控联动三维平台设计

为更加根据直观、形象的对井下工作面中环境进行实时显示，设计了一个综合安全监控联动三维平台，该平台为一款矿井融合系统，结合了最新的三维虚拟仿真技术和 GIS 技术，将环境监测、人员定位以及视频、广播、提升机、水泵等子系统，通过各个监控子系统的数据库或文件上传的方式融合在一个画面中，并提供方便、易用的操作界面。其显示界面图如图1所示。

图1 综合安全监控联动三维平台界面图

4 改造监控系统应用效果分析

为进一步验证改造后的安全监控系统的可靠性，在忻煤矿工作面中进行了实际应用测试。测试过程中，整套系统运行良好、稳定，能实现对矿井中各类参数的实时监测显示，并对人员的行动轨迹及作业状态进行实时在线跟踪，监测精度相对较高。同时，对矿井中瓦斯浓度大小、瓦斯超限持续时间、瓦斯超限范围等，设置不同的报警级别(响度或频度)，实施分级响应，操作人员根据井下参数设备运行情况进行远程操作控制。根据巷道布置及瓦斯涌出等的内在逻辑关系，实施了逻辑报警，确保各类传感器的正确安装、设置、维护及监控系统的正常使用，有效防止违法行为。另外，在瓦斯超限、断电等需立即撤人的紧急情况下，通过上位机监控可发出相关的报警信息与应急广播、通信、人员定位、洒水降尘、矿压、微震等系统应急联动指示，通过发出紧急报警信息给第三方软件，在紧急情况下调出相应井下区域的监控视频画面。应用前后技术状态对比如表1所列，监控系统的显示界面如图2所示。

表1 应用前后技术状态对比

图2 安全监控系统显示界面图

5 结 语

依据先进的自动化技术，不断实现对当前煤矿工作面中安全监控系统的升级改进设计，是实现智能化矿山建设、提高工作面智能化程度的重要发展方向。为此，结合同忻煤矿工作面中安全监控系统当前特点，开展了KJ70X 煤矿安全监控系统改造设计，并对该系统中的监控分站、关键仪器及综合安全监控联动三维平台等方面进行重点分析研究；通过将该安全监控系统在同忻煤矿中进行应用测试，得出该安全监控系统运行良好，各项监测精度相对较高，能实现对工作面中人员、设备运行状态等多方面的远程监测及应急联动控制，所显示及控制功能相对全面，有效提高了工作面的监控能力及作业安全性，实现了整个工作面的智能化远程控制能力，为煤矿安全生产、降低成本提供了有效保障。