煤礦安全監控系統技術及智能化發展趨勢

王博翰,郭 俊

(陜西陜煤黃陵礦業有限公司,陜西 延安 727300)

0 引言

煤炭采集中存在較多危險因素,極易發生爆炸、坍塌等安全事故,嚴重威脅施工人員的安全。為了增強煤炭生產各個環節的安全性,就需要保證施工的連續性,加強各個施工環節的聯系,并對生產全過程進行監控,實施全程化監督,及時發現、排除安全隱患。在煤礦安全生產中,煤礦安全監控系統的應用發揮著至關重要的作用,在重特大事故上,發揮著控制、預警的作用,保障煤礦的安全生產。在智能化技術的不斷發展中,國家對于煤礦安全監控系統的可靠性、智能性提出更高的要求,并且明確系統的智能化發展方向。為此,就需要結合煤礦安全監控系統的技術現狀,找出其中存在的問題,有針對性地提出系統的智能化發展對策,實現系統的升級改造。

1 煤礦安全監控系統概況

煤礦安全監控系統在煤礦生產中起到監控的作用,也是現代化煤礦井下作業的一種安全管理手段,其作用是對煤礦內的環境參數進行采集,包括CO、溫度、煙霧、瓦斯等,還會采集礦井內生產、運輸、排水等各個環節的機電設備狀態,通過監測,利用計算機對獲取的監測數據進行分析,并展開規范化管理。在系統監控過程中,對于被測參數,通過對比可為安全事故的預防提供有效的技術數據,從而實現自動報警,以便在發現安全隱患時能夠提前采取有效措施及時應對,避免事故的擴大化。當煤礦內瓦斯超限,或是局部通風機停運時,煤礦安全監控系統就會自動將相關區域的電源開閉鎖切斷,有效防止電氣設備爆炸或出現違章作業情況而引發瓦斯爆炸,能夠防止各種設備之間摩擦引起瓦斯爆炸[1]。煤礦安全監控系統包括多個系統,如煤礦瓦斯抽采監控系統、軌道運輸監控系統、供電監控系統、排水監控系統、火災監控系統等,在煤礦安全生產環節進行有效監控。煤礦安全監控系統的工作原理是,傳感器將被檢測的物理量轉為電信號輸出;對于控制信號,執行器將其轉為被控物理量,分站接收傳感器的信號,然后按照約定的復用方式,遠距離將其傳輸到傳輸接口,并接收傳輸接口多路復用信號,分站具有簡單的數據處理能力,對于傳感器輸入、傳輸接口傳輸的信號進行處理,從而有效控制執行器[2-4]。

2 煤礦安全監控系統技術現狀

2.1 傳感層

中國大多數礦區已經配置安全監控系統,有效防范煤礦安全事故的發生,通過利用系統的監控、預警等功能,增強了煤礦生產的安全性。伴隨著智能化技術的不斷發展,國家對于煤礦安全監控系統提出了較高的要求,并且針對系統的功能、技術等作出明確規定,為系統的發展指明了方向。在傳統的煤礦安全監控系統中,其安全性、可靠性等存在較大的問題,促使系統技術升級改造已經成為必然。在目前的煤礦安全監控系統技術中,對于傳感層技術,在實際應用中存在漏報、誤報、失效等多種問題,嚴重影響系統的可靠性,所以,加強傳感器的防護升級尤為必要。對于目前的傳感器而言,其最低防護等級是IP65,在潮濕或者有水的環境下,傳感器依然可以正常運作,不會對核心元件產生影響。而在信息化建設中,煤礦礦井中的設備數量增加,并且井下的環境更加復雜,電磁環境紊亂,從而很容易對傳感器、輸電線路等產生不良影響,導致數據不精確,也存在通信不良的現象。對于傳感器輸出接口,通過升級可以確保其最低標準處于RS485/CAN,在CRC加密校驗技術的應用中,有效解決了信號干擾的問題。針對傳感器輸入端,在TVS管端口防護技術、濾波技術、屏蔽技術的應用下,快速解決電磁干擾問題,有效避免其對傳感器產生不良影響,從而提升其抗電磁干擾的性能,在井下作業中,傳感器可以保持穩定運行[5]。數字化通信接口的設置,豐富了傳感器的功能,可以分級報警,遇到故障問題能夠及時診斷,并且,對于傳感器電路元件,通過優化升級,可以實現功能增加,有效進行電壓、故障、噪聲檢測。無線甲烷傳感器可以實現甲烷全量程檢測,其具有較好的應用效果,對于甲烷濃度,利用激光甲烷傳感器能夠進行線性報警,具有較高的精準性。

2.2 傳輸層

現階段,總線型分站采集功能已經完成升級,成為多路總線采集,具有多項功能,如數據分析、報警、控制等。煤礦安全監控系統總線型分站的總線功能總共有7路,有4路的功能是對傳感器數據進行采集。無線信號轉換器作為其中非常重要的一個元件,能夠與煤礦井內總線傳感器線纜相連接,有效結合煤礦井下的有線、無線傳輸網絡技術,從而可以對線路進行靈活配置。對于區域協同控制器,載體為嵌入式處理系統,系統利用有線、無線采集各種數據信息,然后依據煤礦井下的環境進行分析,判斷井下環境的安全程度,還能夠為突發事故的處理提供可靠的參數,從而實現事前控制,避免影響范圍擴大化。區域協同控制和多個接口有交換機功能,可以適應不同結構,包括環網相切、星型等,并且,在網絡重組中用時比較短。同時,變壓器的升級處理,使得交流電在85～900 V之間,能夠保證設備的順利運轉,并且操作十分靈活,無需將抽頭來回切換,從而能夠實現遠程實時監控,在監控下,操作員可以實時掌握電源箱的實際運行情況,完成設備升級后,能夠知道續航的時間長短,并且也會增加續航的時間,減輕電源箱重量,從而提升維修的便捷性,滿足煤礦安全生產的需求。

2.3 應用層

對于以往煤礦安全監控系統來說,其軟件功能包括實時數據監測、日報查詢等,系統升級后,地面中心站功能也得到改善。報警功能、斷電控制功能得到改善,針對不同濃度的瓦斯以及其變化情況,瓦斯超限維持時間及其具體影響范圍等,依此制定相應的邏輯報警斷電機制,有效進行分級分區報警,并且對報警區域進行區域斷電,從而使多網、多系統得到有效融合[6]。煤礦井下的融合具有成本高、難度高等特點,所以,煤礦安全監控系統主要為地面融合,并未改變以往系統的運行方式,在此基礎上,搭建融合層,應用數據庫等各項先進技術,實現監控、定位、報警等各項系統的信息共享,并在各個系統的協同下執行。系統的升級還改善了自診斷、自評估功能,在該功能下,對于煤礦安全監控系統,可以實現自動維修與優化。此外,系統升級還實現了應急聯動功能,一旦瓦斯超限,或者出現斷電情況,安全監控系統就會與無線通信、人員定位等各個系統進行聯合,通知工作人員緊急撤離。

3 煤礦安全監控系統智能化發展趨勢

3.1 智能化要求

針對煤礦安全監控智能化發展,《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》提出更高要求,具體包括以下幾個方面:①傳輸數字化。分站到中心站數字化傳輸的過程中,從傳感器到分站,將傳輸升級為數字傳輸,從而實現系統的數字化[7]。②報警功能的完善。依據瓦斯的濃度、超限時間、超限范圍等,合理設置相應的報警級別,然后實施不同級別的報警響應,同時,結合巷道設置、瓦斯涌出之間的關系,設置邏輯報警,確保傳感器的正常安裝、維護,保障系統的正常使用,有效避免各種違法行為的出現。③強化數據應用分析。系統應具有大數據分析以及應用的功能,包括偽數據的標注,對于異常數據,還應對其進行全面分析。④自診斷和自評估功能的完善。系統能夠定期進行自動化診斷與評估,可以在安裝使用過程中,提前發現其中存在的問題,對于自診斷,應包括傳感器、控制器等[8]。

3.2 新型傳感技術

在煤礦安全監控系統的智能化發展中,對于系統的傳輸、感知等提出較高的要求。在新型傳感技術上,主要分為以下幾種。

3.2.1 分布式多點激光CH4檢測技術

在煤礦工作面上,對于瓦斯監測點,分布數量比較少,在瓦斯涌出采樣上,存在數據不完整的問題。通過采用分布式多點激光CH4檢測技術,將可調諧激光吸收光譜技術、光路空分復用技術應用到系統中,在激光器輸出光路中,將自校準氣室引入其中,從而能夠精準校正多個通道,有效解決問題,防止激光CH4傳感器不穩定情況的出現,從而減少測量點的成本,分布式多點激光CH4檢測系統如圖1所示。同時,系統監測的范圍擴大,響應時間變得更快,能夠對瓦斯同步監測,大大提升安全預警能力[9]。

圖1 分布式多點激光甲烷檢測系統Fig.1 Distributed multi-point laser methane detection system

3.2.2 超聲波時差法斷面風速監測技術

巷道通風具有不均勻的特點,若采用當前的風速測量監測方法,即以點帶面的方式,很容易在風量計算上產生較大的誤差,并且還有監測盲區,最終難以滿足井下實際通風需求。隨著該技術的應用,對巷道風速進行監測可以運用多線測量法,將其和巷道斷面的數據有效結合,從而保證風量監測數據的精準性,實現智能化風速調節[10]。

3.2.3 高分辨率激光痕量檢測技術

在采空區,對于自然火災,傳統的監測系統存在測量不精準、監測效果不佳的問題。在智能技術的應用中,將該技術在新型安全在線監測傳感器中應用,對于采空區的氣體,能夠實時進行測量和處理,有效提升火災搶救效率,最大程度減少火災帶來的損失。同時,該技術在礦區CO的檢測中,還可以解決電化學應用中存在的穩定性比較差的問題,以保證礦區環境的穩定性。

3.2.4 傳感器智能技術

隨著該技術的應用,使用低功耗、高性能MCU,應用數字化技術,監測傳感器的身份信息以及工作狀態,其中,傳感器的身份信息包括設備型號、生產日期、出廠編號等,信息監測包括供電狀態、調校信息、故障診斷等,在這一監測中,對傳感器進行全面管理。動態感知芯片的增加,可以遠程對傳感器的位置變化、跌落、移動等進行有效監測。為了保障安全監控系統數據的有效性,就必須正確安裝傳感器。由于煤礦井下空間十分有限,地磁匹配以及慣性導航能夠在這一空間下不依賴定位系統的基礎上解決無盲區位置定位[11]。傳感器能夠實現遠程在線動態化監測,監控設備安裝是否到位,管理的規范性等,都能夠為其提供可靠的數據信息。

3.3 新型供電傳輸技術

智能化礦山的建設可以從安全監控系統中新型供電傳輸技術的應用上來分析。一方面,分布式供電技術,在煤礦安全監控系統的現有監測設備中,其與分站設備的連接主要是通過通信電纜,不僅在布線上具有一定的復雜性,還在空間層面受到限制,靈活性比較差,無法在較大范圍層面進行分布式監測,感知盲區比較大。對此,通過研究相關技術,包括低頻調制輸出、電能拾取裝置小型化等,分布式非接觸供電系統具有極大的優勢,能夠打破以往集中供電系統存在的各種問題,包括供電能力差、可靠性不高、線路復雜程度高等,所以,從集中式分布轉為分布式分布尤為必要。對于非接觸供電系統,其與電力載波傳輸技術的有效結合,能夠發揮出較大的作用,實現電能、載波信號兩者的共纜傳輸。對于重要區域的傳感器、無線基站,在電能拾取裝置的應用下,能夠實現供電,在透明傳輸網關下,可以將有線、無線信號有效匯集,并進行傳輸,在電力載波裝置的電口,將匯集的數據信息傳輸至區域的協同控制器,信息傳輸系統模型如圖2所示。另一方面,一體化采集系統的構建,能夠將煤礦井下的各個系統實現融合。在智能化應用中,數據是各種分析的重要依據,對于現有數據,主要是在各個系統之上搭建融合層,以實現數據的有效融合[12]。廠家提供數據接口,將有線數據進行交互,在這樣的方式下,中間環節比較多,并且延時比較長,存在數據重復的情況,所以,需要搭建一體化采集系統,在這樣的系統上,可以從設備端直接獲取相應的數據信息。

圖2 信息傳輸系統模型Fig.2 Model of information transmission system

3.4 系統數據應用分析

在煤礦安全監控系統的智能化發展中,對于系統的數據信息應用,充分挖掘監測數據的深度,并對其進行深入分析。在目前的監控系統軟件中,需要借助大數據技術搭建相應的模型,對于瓦斯涌出等各種異常情況,從不同維度揭示出其在監測數據中的規律,從而將以往系統的事后處理轉變為事前預警,有效控制問題擴大化。在分布式多點激光CH4監測裝置上,對于其同步監測的各項歷史數據,搭建相應的動態模型,對于瓦斯涌出量,將其在特定時間、空間內的變化呈現出來,反映出其具體的變化規律,然后對瓦斯的涌出量進行有效預測,并推測其變化趨勢。對于煤礦在外因影響下發生的火災,需要對O2、CO、CO2、煙霧、溫度等各項數據進行全面分析,并搭建相應的火災預報模型。對于煤自燃而引起的火災,通過借助高分辨率激光痕量檢測裝置,對煤炭自燃特征的氣體數據進行有效監測,并搭建相應的預警模型[13]。同時,系統數據的應用分析應和生產系統進行協同管控,目前的煤礦安全監控系統還未實現與生產系統的協同管控,所以,無計劃斷電、停止生產等,使得生產不連續,無法保證安全生產。對此,通過運用預警技術,預測瓦斯超限等,以保證數據的精準性,并且在超前協同智能化管控下,可以有效防止瓦斯超限,從而保證煤礦安全生產。

4 結語

煤礦生產的安全性對于企業而言至關重要,企業應不斷優化系統,以創造出良好的生產環境,為煤礦安全生產奠定良好基礎。在煤礦安全監控系統的升級要求下,通過對系統進行升級改造,有效提升系統的各方面性能,包括抗干擾能力、自診斷能力等。伴隨著智能化技術的不斷發展,結合國家對煤礦發展最新政策精神,為煤礦安全監控系統的智能化發展提供了方向,要求實現全范圍智能化覆蓋,并且要增加自診斷、自評估等功能,強化數據應用分析。煤礦安全監控系統的智能化發展對于煤礦安全監控能力的提升有著積極的促進作用,有效保證系統應用的廣泛性,最大程度發揮其在煤礦生產中的引領作用,實現煤炭智能化安全生產。