煤矿安全监控系统现场运行维护

2023-01-06段海亮吴海旭

陕西煤炭 2022年4期

段海亮，吴海旭

(国能神东煤炭集团有限责任公司上湾煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017200)

0 引言

随着当前煤炭资源不断整合，大型、超大型煤炭企业和矿井相继出现，矿井煤炭产量随着采煤技术的不断革新也随之突飞猛进，大采高、高产量屡创纪录，成绩喜人。但是随之而来的也有对安全管理带来的诸多挑战，许多安全技术和安全措施也必须随之进行更新换代，以适应新的需求。在这样的背景下，作为煤矿“六大系统”之一的煤矿安全监控系统进行了全面升级，各项技术指标均出现质的飞跃，但是随着新技术的应用，在保证煤矿安全监控系统功能齐全、运行可靠方面给煤矿企业安全监控系统运行维护带来新的挑战。

1 煤矿安全监控系统升级改造

根据国家煤矿安监局印发的《煤矿安全监控系统升级改造技术方案的通知》(煤安监函〔2016〕5号)要求，最近一次煤矿安全监控系统升级改造在传输数字化、增强抗电磁干扰能力、推广应用先进传感技术及装备、提升传感器的防护等级、完善报警和断电等控制功能、支持多网和多系统融合、格式规范化、增加自诊断和自评估功能、应急联动、增加加密存储要求、方便用户使用维护培训等13个方面进行了技术升级。

通过此次系统技术升级给现场安装和管理带来诸多便利，如增加多系统融合和应急联动功能，使得安全监控系统、语音广播系统和人员定位系统能够在GIS图上进行显示，充分、全面地展示矿井三大系统的运行情况，同时能够在安全监控系统报警的紧急情况下，实现安全监控系统与语音广播系统、人员定位系统的联动控制，根据预案自动对危险报警区域发出语音广播警示和人员撤离指令。

新技术的应用使得安全监控系统信号传输距离和系统容量增加，实现数字化总线传输，现场安装更加方便快捷。新型激光类传感器、多参数传感器的应用，更是极大地降低了线路负荷，增加传感器的延设距离。

2 煤矿安全监控系统运行现状

随着工程技术的不断发展，煤矿安全监控系统性能有很大的提升，安全监控系统信号强度、抗干扰能力明显增强，安全监控设备小型化、低功耗化、运行更加稳定可靠等等，但是伴随着现代化大型矿井、智能化矿井的建设，也给煤矿安全系统的运行带来诸多问题。

2.1 煤矿安全监控系统传输信号衰减问题

煤矿安全监控系统普遍采用三级网络架构，包括由环网交换机、光纤组成的一级环网，由分站、通信电缆、网线或光纤组成的二级分站主传输网络，由传感器、通信电缆组成的传感器网络。

现代化大型矿井中，井田面积大，巷道长度长，由此决定安全监控系统网络庞大，又由于现代化矿井供电系统集约化设计，导致盘区变电所等环网交换机的理想布置地点之间距离增加，造成单个环网交换机下分站主传输网络覆盖面积被迫增加。现代化矿井采掘工作面顺槽布置长度可以达到5 000 m之多，安全监控分站至环网交换机之间的主传输缆线往往能达到6 000 m甚至更远，由此造成主传输信号衰减严重。信号衰减往往是安全监控设备出现通信异常和抗干扰能力降低的主要原因。

2.2 煤矿安全监控设备受潮问题

受矿井潮湿气候环境因素和采掘工作面作业现场除尘、降尘措施影响，井下回风大巷、回风顺槽、水仓、采煤工作面等地点存在空气湿度、粉尘浓度大，除尘设备产生水雾等不利因素。安装在这些位置的传感器、缆线接线盒，极易因长时间受水气侵蚀，造成传感器航空插头锈蚀、电路板受潮短路、电气元件接头锈蚀、传感器变送器工作异常等故障。冷凝水和粉尘积聚共同作用会造成传感器气体采集口堵塞。

2.3 煤矿安全监控系统传感器末端电压不足问题

目前煤矿安全监控系统配套设备中除设备电源箱外，普遍采用本质安全型电气设备，受本质安全型电气设备对电压、电流和功耗的限制，在传感器布置安装过程中，往往会出现因传感器安装位置距离分站电源距离远、同一传感器缆线接入传感器数量过多、功耗过高或通信缆线受损造成缆线电阻增大等原因，造成传感器网络缆线末端压降损耗大，处于末端的传感器供电电压不足，出现传感器无法正常启动或启动后工作不稳定等故障。

3 煤矿安全监控系统常见故障分析

煤矿安全监控系统故障主要与矿井电气设备和通信设备产生的电磁干扰、井下气候环境影响、作业面作业因素干扰、系统维护可靠性、系统和设备自身性能限制等因素有关，任何一个方面都会造成煤矿安全监控系统整体或局部工作不稳定。主要表现在安全监控设备通信异常或网络中断，交换机、分站和传感器故障，传感器误报警等。归结起来大体可以分为两类故障：一类是线路故障，另一类是设备故障。这两类故障往往在系统发生故障时不能很直观的从系统故障表现上进行区分，需要维护人员有丰富的故障判断和处理经验才能快速进行处理。日常工作中对上述两类故障发生原因进行总结分析，有助于提升安全监测系统日常维护和故障处理的能力。

3.1 煤矿安全监控系统线路故障分析

现代化大型矿井井田面积巨大，巷道长达几十甚至上百公里，安全监控线路几乎遍布井下巷道，形成井下的安全监控网络。受巷道空间的局限，煤矿安全监控系统信号缆线独立布置比较困难，往往存在与矿井动力缆线、通信和人员定位等系统缆线混合、交叉布置，虽然布置时保持了一定的距离，但是无法从本质上隔绝由大功率电气设备、线路产生工频、射频电磁干扰和由矿井通信、智能化设备产生的载频、视频电磁干扰。电磁干扰产生的系统故障主要表现为分站、传感器频繁出现通信异常或开关量传感器状态频繁变化。由于作业面作业影响产生的线路故障主要表现为局部的分站、传感器断线、其他同级相关联设备出现短时间通信异常，这主要是因为作业面作业时造成线路损坏，故障点下侧设备完全断线，而故障点上级及同级设备出现的短时间通信异常则由于损坏线路短路，造成上级环网交换机或分站网络模块重启。

3.2 煤矿安全监控系统设备故障分析

随着煤矿安全监控系统和设备技术升级，煤矿安全监控系统和设备性能大幅提升，设备更加稳定可靠，使用周期更长。但是由于设备安装地点不可避免的存在湿度高、粉尘大、震动大等因素。造成传感器采集元件、插头、电路板等部位出现故障。设备故障一般表现为单个传感器故障，不会引起同级传感器或上级分站故障。当然也不排除出现传感器功耗异常增加的故障，此类故障能够引起同一线路下全部或部分传感器出现断线故障，但此类故障在设备运行过程中发生极少。

4 煤矿安全监控系统日常运行维护

煤矿安全监控系统日常运行维护是煤矿安全监控系统维护部门重点工作内容，是保证煤矿安全监控系统稳定可靠运行的重要保障，重点集中在设备安装和日常维护2个方面。

4.1 煤矿安全监控系统设备安装

为保证煤矿安全监控设备安装完成后，与其关联的已安装设备不受新安装设备影响，且能正常有效工作，需要在安装前综合考虑以下问题。

4.1.1 环网交换机和分站的布置

环网交换机和分站安装位置需要考虑的因素包括环网交换机与分站之间的距离、分站承载传感器能力等。

环网交换机与分站之间的距离直接决定了分站主传输信号的强度和稳定性，距离越长，信号衰减越大，强度越弱，越容易受到外界电磁环境干扰，造成分站频繁出现通信异常或通信中断，同时会影响同一主传输线路上的其他分站稳定运行。

分站承载传感器能力需要考虑计划监测区域内安装的传感器类型、功耗和额定电流、传感器数量、使用缆线类型和传感器安装距离等因素。受本质安全型电气设备对功耗、电压、电流的限制，分站端口输出的电压和电流都被限制在规定范围内，同时分站每个端口接入传感器数量也是受限制的，分站上单个端口接入传感器数量过多，端口接入传感器能耗过大，都会造成传感器工作和通信异常。

因此要根据矿井盘区分布和需要监测区域合理布置环网交换机，在盘区变电所不能满足环网交换机布置距离和覆盖区域要求时，应选取位置相对固定，工作环境相对较好的机头变电所、大巷配电硐室作为环网交换机的布置地点，保证每台环网交换机与下级分站间的距离均在安全监控系统设备性能要求范围内，从而降低环网交换机和分站之间的信号衰减，增强系统信号的抗干扰能力。同时需要控制接入分站的传感器数量，合理规划每个端口接入传感器的类型和数量，减少单个端口承担的负荷，以保证传感器的供电电压、电流和信号传输满足要求。

4.1.2 通信线路的布置

通信线路布置过程中需要考虑传感器在日常使用和维护中可能出现的各种情况，如掘进工作面T1和T2甲烷传感器需要随工作面的掘进不断向前延设，延设过程中会造成传感器通信中断，而配电硐室安设的传感器则是长期固定的，如果将工作面传感器和配电硐室传感器接入同一线路或同一分站端口，延设工作面传感器时将会影响配电硐室传感器稳定运行。因此应将不同维护类型的传感器线路分开布置，并接入不同的端口，可以减少因传感器维护、延设造成的同级传感器故障影响范围。掘进工作面布置传感器时，宜将位置长期固定的机电硐室监测传感器、风机开停监测传感器等布置在同一线路上，掘进面需要同时延设的传感器布置在一条线路上。这样在工作面延设传感器时，出现故障的传感器就控制在需要延设的传感器范围内，而不会造成其他传感器干扰性故障，从而增加系统稳定性。同时在线路布置过程中，要与动力电缆、高压电器设备、变频器等设备保持一定距离，减少对线路的电磁干扰。

4.1.3 传感器的布置

传感器的安设需在满足位置标准的前提下，尽量避开顶板淋水、喷雾下风侧等容易造成传感器受潮的地点，如不能避开，则需要安装可靠的防淋水装置，必要时使用防水材料对传感器插头进行防水保护，防止插头锈蚀。

传感器安装过程要根据分站端口输出电流、电压的能力和传感器缆线参数控制接入分站的传感器数量，具体为：控制接入分站单个端口全部传感器的总电流，并通过分站输出电压、传感器总电流、缆线电阻等参数，计算分站能够给最远端传感器提供的供电电压，对比传感器最小启动电压，以保证线路末端供电电压大于传感器最小启动电压，并且分站端口输出电流大于线路全部传感器的总电流，这样才能保证线路上全部传感器能够稳定可靠工作。必要时可根据实际工作经验，增加电流、电压冗余量。

4.2 煤矿安全监控系统日常维护

煤矿安全监控系统的分站和传感器故障、线路故障和电磁干扰是安全监控系统的主要故障点和重点维护内容。

4.2.1 环网交换机和分站的日常维护

环网交换机和分站的日常维护主要是定期检查环网交换机光纤信号是否两路全通，分站内部接线有无松动，受潮现象。在安全监测系统软件查看各分站通信异常情况，分析通信异常原因，如果是分站硬件、软件问题，应及时更换分站或升级分站程序。

4.2.2 传感器的日常维护

传感器日常维护除定期标校传感器外，应该将传感器维护重点放在工作条件恶劣地点的传感器上，如空气湿度大、粉尘浓度大、存在淋水、喷雾或其他生产性水源侵蚀的地点和安装在移动设备上的传感器。这些地点的传感器往往会出现插头生锈、气体采集口堵塞，传感器内部因水气凝结造成电路板和元器件故障。同时应建立传感器安装台账，重点关注使用时间较长的催化原理类传感器的工作状况，定期标校中发现偏差较大时，应及时进行更换，避免出现传感器催化元件老化损坏故障。安装在移动设备上的传感器则会由于设备震动，造成传感器检测元件、插头等部件松动、应定期进行检查。

4.2.3 通信线路的日常维护

传感器通信线路日常维护重点放在检查线路上空气湿度较大地点的接线盒、因施工原因改变原来布置位置的缆线和采煤工作面移动设备上布置的缆线。接线盒因井下温度变化容易在接线盒内形成冷凝水，造成接线柱锈蚀，芯线间绝缘降低等现象，影响缆线供电电压和传输信号质量。因施工原因，改变缆线布置位置时，往往会造成缆线断线或接线盒虚接等情况，巡查发现缆线布置过紧时，要增加缆线，保证缆线松弛度。采煤工作面支架内布置的缆线往往受支架移动影响，容易造成缆线被挤伤或缆线内部隐形疲劳损伤，在支架移动位置对缆线进行可靠防护，并定期检查，出现破口，缆线电阻增加的情况时，及时进行修复或启用备用缆线。

4.2.4 安全监控系统的干扰

影响安全监控系统的电磁干扰主要集中在对主传输线路和分站的干扰，干扰源包括高压设备、变频设备、通信设备、电脑等。在日常巡查过程中，排查主传输缆线是否与高压电缆缠绕或距离过近，排查分站周围是否安装高压设备、变频设备、电脑等通信和智能化设备，应当保证分站、主传输缆线与能够产生电磁干扰的设备保持足够的距离。尤其是主传输缆线末端接入的分站，更要避免接近强电磁干扰设备设置，必要时使用屏蔽通信电缆，减少电磁干扰对安全监控设备的影响。