华阳一矿安全监控系统常见误报警原因分析及对策

李占海

（华阳集团 一矿，山西 阳泉 045000）

1 概 况

煤矿矿井安全监控系统主要组成部分一般包括传感器、变电站、电源、传输接口、地面上位机、系统软件、数据传输电缆等，监控系统按照顺序检测获取监控分站数据，并对其进行分析，对异常信息进行显示，比如报警、停电等，相关人员根据实时信息进行相应处理，达到实时监控、保障煤矿安全生产的目的。但传统的煤矿矿井安全监控系统经常存在误报警的问题，常见误报警原因有很多，如传感器传输易受电磁干扰、各系统间联动性差、设备智能化程度低等，误报警对矿井安全管理带来诸多困扰，因此对煤矿安全监控系统的优化和误报警的防控非常重要。

华阳一矿2021 年安全监控系统共发生误报警次数55 次，其中现场管理31 次，传感器故障24次；从传感器角度而言，风速传感器故障23 次、温度传感器7 次，甲烷传感器16 次，详见表1。

表1 传感器误报警统计Table 1 Sensor false alarm statistics

2 矿井安全监控系统误报警特征识别和判断

此次对华阳一矿安全监控系统报警软件识别流程如图1 所示。在误报警判断时，当传感器监测值的增长超过最大理论增长值或传感器频率增加一倍时，认为监测值发生异常变化（需要注意传感器是否处于校准状态）。此时对相应位置进行巡检，当检查结果未发现异常和不正确的情况，且监控系统中的监控值恢复到正常范围，则认为是系统产生了误报警。

图1 矿井安全监控系统报警软件识别流程Fig.1 Alarm software identification process of mine safety monitoring system

3 矿井安全监控系统误报警原因分析

华阳一矿安全监控系统的总体架构如图2所示。

图2 矿井安全监控系统的总体架构Fig.2 Overall structure of mine safety monitoring system

3.1 现场管理原因分析

3.1.1 传感器安装不规范

华阳一矿主要使用2 种风速传感器，第一种通过测量巷道全压、静压，进行差值计算得出动压，然后用检测元件将所得值转换为相应风速；第二种运用卡曼涡街原理，该传感器需安装在风流稳定区域，且与风流方向相平行，以保障数据准确性。而出现误报警原因主要是第二种风速传感器在安装后，风流方向可能会出现不一致的情况；另外就是在移动、擦试传感器时，由于操作不当，造成监测值低值报警。

3.1.2 传感器碰撞、受潮、进水

（1） 甲烷传感器碰撞。甲烷传感器在作业中易出现碰撞、跌落等情况，同时巷道运输大型物资时，也容易挤压、撞击传感器，传感器遭到碰撞后，内部元件可能会松动或损坏，从而引发误报警。

为验证传感器跌落或受到撞击是否会引起误报警，进行现场试验。选择华阳一矿主要使用的CJG100J 型矿用激光甲烷传感器及GJC4 载体催化元件甲烷传感器分别进行撞击试验（自由跌落），模拟传感器在巷道顶部垂直高度2.5 m 处坠落。实验中，激光甲烷传感器第一次、第二次跌落未发生报警，第三次才出现误报警；而载体催化元件甲烷传感器发生撞击就会误报警。

通过查阅资料，《煤矿用低浓度载体催化式甲烷传感器》中规定，载体催化式甲烷传感器的跌落高度是0.5 m，因此正常使用时候的自由滑落基本没有影响，但在华阳一矿实际应用中，传感器吊挂高度通常在2.0 m 以上，传感器一旦坠落，可靠性大幅降低。针对该情况，华阳一矿在载体催化式甲烷传感器邻近，增设激光甲烷传感器，以提高报警准确度。

（2） 传感器受潮、进水。传感器内部各元器件通过线路连接，元器件、电路遇到水蒸气时，可能会造成短路，导致误报警。

载体催化元件甲烷传感器工作原理是通过黑白元件化学反应检测甲烷浓度，气室进水会导致黑白元件反应不准确。激光甲烷传感器工作原理是通过光监测气室甲烷浓度，对水汽敏感度低。

为验证激光甲烷传感器对受潮、进水是否会误报警，选择华阳一矿主要使用的CJG100J 激光甲烷传感器进行试验。实验中，当水汽进入气室时未发生误报警；水流成股朝进气道喷射时，气室内未进水，没发生报警；水流直接朝进气口喷射时，水流进入气室，传感器发生误报警。因此，激光甲烷传感器对受潮、进水敏感度较低。

3.2 传感器自身故障分析

3.2.1 量程不足

从表1 可以看出，风速传感器常因量程不足造成误报警。究其原因，华阳一矿使用的风速传感器量程大多在0.4～15 m/s，但实际生产中，风速正常情况下也可能会小于0.4 m/s，出现误报警。

3.2.2 抗干扰能力不高

载体甲烷传感器黑白元件内部电桥处于平衡状态，一旦遇到振动、电流冲击、电磁干扰等，易引发电桥电流失衡，导致监测准确性下降，引发误报警。

3.2.3 超期使用

华阳一矿部分传感器存在超期使用的情况，即使进行校准、维护，传感器自身精度、稳定性可能也无法达到设计要求，传感器数据测量精度不足、运行稳定性下降，引发误报警。

3.3 变频设备对安全监控系统产生干扰

华阳一矿10 采区误报警次数较多，经排查发现误报警的时段和变频绞车运行时段相吻合，怀疑是变频系统造成的。

为验证这一推断，将人工检测瓦斯与监控系统监测值进行比对。对比分析发现，在变频绞车运行时，人工测量值和监控系统值偏差较大，详见表2。

表2 绞车运行时监控系统数据与人工测量数据对比Table 2 Comparison of monitoring system data and manual measurement data during winch operation

可见，变频绞车运行时，对监控系统产出不良影响。分析其原因，变频器设备理想情况下输出的是高压正弦波，由于变频器供电的异步电动机具有电流-转矩特性，造成变频器输出波形，除高压正弦波外，伴有若干高次谐波，使得变频器输出线和地面质检及电机与地面之间出现分布电容，出现高次谐波电流（包含诸多奇次谐波成分），造成电源干扰、感应干扰、辐射干扰。

4 防治措施

4.1 规范现场管理

加强对作业人员的培训，提高技能水平。加大对传感器的使用情况巡查力度，在条件允许的情况下调整传感器安装位置。井下潮湿、洒水除尘时，对传感器采取放水保护措施。巷道运输、检修作业等，应尽量避免碰撞传感器。必要时增设激光传感器，提高监测准确性。

甲烷传感器安装在湿度较大的环境中，使用1个月后必须吊起维护，干燥并校准合格后方可使用。每周进行1 次甲烷传感器的测试、校准，对气体传感器进行准确性测试。传感器尽量不安装在变频设备附近；若无法避免，则将传感器的通讯方式由频率输送改为RS-485 数字通讯，避免因干扰造成误报警。

4.2 改进监控系统

软件方面，改进监视定时器电路，设置软件陷阱及地址拦截、软件冗余设计，对数据进行滤波处理；硬件方面，对设备外壳进行屏蔽，并做好可靠接地，降低空间电磁辐射干扰；提高电源抗干扰能力，增设交流稳压器、隔离变压器、低通滤波器、平滑滤波器等设施。尽可能采用整段电缆，少用接头或接线盒。严禁使用不合格的连接器、接线盒。

4.3 改善外环境

监测电缆和变频绞车电缆分开敷设，间距不小于1 500 mm 或者布置在不同巷道。工作面监控线缆与电源线之间的距离应大于100 mm，监控线缆之间的距离应大于50 mm，以避免信号干扰；变频绞车和安全监控系统分开供电，避免高次谐波直接传导干扰电流途径；变频系统中，增设交流、直流电抗器，降低谐波干扰。

5 结 语

本文以华阳一矿安全监控系统为研究对象，分析了该矿安全监控系统在实际使用中常见的误报警情况，对其产生的原因研究试验，并提出一些改进措施。通过对华阳一矿安全监控系统的优化，误报警次数大幅度降低，2022 年仅出现3 次误报警，是2021 年度的5.5%，达到预期效果，为煤矿安全高效生产奠定了基础。