煤矿安全监控系统技术及智能化发展趋势

王博翰,郭 俊

(陕西陕煤黄陵矿业有限公司,陕西 延安 727300)

0 引言

煤炭采集中存在较多危险因素,极易发生爆炸、坍塌等安全事故,严重威胁施工人员的安全。为了增强煤炭生产各个环节的安全性,就需要保证施工的连续性,加强各个施工环节的联系,并对生产全过程进行监控,实施全程化监督,及时发现、排除安全隐患。在煤矿安全生产中,煤矿安全监控系统的应用发挥着至关重要的作用,在重特大事故上,发挥着控制、预警的作用,保障煤矿的安全生产。在智能化技术的不断发展中,国家对于煤矿安全监控系统的可靠性、智能性提出更高的要求,并且明确系统的智能化发展方向。为此,就需要结合煤矿安全监控系统的技术现状,找出其中存在的问题,有针对性地提出系统的智能化发展对策,实现系统的升级改造。

1 煤矿安全监控系统概况

煤矿安全监控系统在煤矿生产中起到监控的作用,也是现代化煤矿井下作业的一种安全管理手段,其作用是对煤矿内的环境参数进行采集,包括CO、温度、烟雾、瓦斯等,还会采集矿井内生产、运输、排水等各个环节的机电设备状态,通过监测,利用计算机对获取的监测数据进行分析,并展开规范化管理。在系统监控过程中,对于被测参数,通过对比可为安全事故的预防提供有效的技术数据,从而实现自动报警,以便在发现安全隐患时能够提前采取有效措施及时应对,避免事故的扩大化。当煤矿内瓦斯超限,或是局部通风机停运时,煤矿安全监控系统就会自动将相关区域的电源开闭锁切断,有效防止电气设备爆炸或出现违章作业情况而引发瓦斯爆炸,能够防止各种设备之间摩擦引起瓦斯爆炸[1]。煤矿安全监控系统包括多个系统,如煤矿瓦斯抽采监控系统、轨道运输监控系统、供电监控系统、排水监控系统、火灾监控系统等,在煤矿安全生产环节进行有效监控。煤矿安全监控系统的工作原理是,传感器将被检测的物理量转为电信号输出;对于控制信号,执行器将其转为被控物理量,分站接收传感器的信号,然后按照约定的复用方式,远距离将其传输到传输接口,并接收传输接口多路复用信号,分站具有简单的数据处理能力,对于传感器输入、传输接口传输的信号进行处理,从而有效控制执行器[2-4]。

2 煤矿安全监控系统技术现状

2.1 传感层

中国大多数矿区已经配置安全监控系统,有效防范煤矿安全事故的发生,通过利用系统的监控、预警等功能,增强了煤矿生产的安全性。伴随着智能化技术的不断发展,国家对于煤矿安全监控系统提出了较高的要求,并且针对系统的功能、技术等作出明确规定,为系统的发展指明了方向。在传统的煤矿安全监控系统中,其安全性、可靠性等存在较大的问题,促使系统技术升级改造已经成为必然。在目前的煤矿安全监控系统技术中,对于传感层技术,在实际应用中存在漏报、误报、失效等多种问题,严重影响系统的可靠性,所以,加强传感器的防护升级尤为必要。对于目前的传感器而言,其最低防护等级是IP65,在潮湿或者有水的环境下,传感器依然可以正常运作,不会对核心元件产生影响。而在信息化建设中,煤矿矿井中的设备数量增加,并且井下的环境更加复杂,电磁环境紊乱,从而很容易对传感器、输电线路等产生不良影响,导致数据不精确,也存在通信不良的现象。对于传感器输出接口,通过升级可以确保其最低标准处于RS485/CAN,在CRC加密校验技术的应用中,有效解决了信号干扰的问题。针对传感器输入端,在TVS管端口防护技术、滤波技术、屏蔽技术的应用下,快速解决电磁干扰问题,有效避免其对传感器产生不良影响,从而提升其抗电磁干扰的性能,在井下作业中,传感器可以保持稳定运行[5]。数字化通信接口的设置,丰富了传感器的功能,可以分级报警,遇到故障问题能够及时诊断,并且,对于传感器电路元件,通过优化升级,可以实现功能增加,有效进行电压、故障、噪声检测。无线甲烷传感器可以实现甲烷全量程检测,其具有较好的应用效果,对于甲烷浓度,利用激光甲烷传感器能够进行线性报警,具有较高的精准性。

2.2 传输层

现阶段,总线型分站采集功能已经完成升级,成为多路总线采集,具有多项功能,如数据分析、报警、控制等。煤矿安全监控系统总线型分站的总线功能总共有7路,有4路的功能是对传感器数据进行采集。无线信号转换器作为其中非常重要的一个元件,能够与煤矿井内总线传感器线缆相连接,有效结合煤矿井下的有线、无线传输网络技术,从而可以对线路进行灵活配置。对于区域协同控制器,载体为嵌入式处理系统,系统利用有线、无线采集各种数据信息,然后依据煤矿井下的环境进行分析,判断井下环境的安全程度,还能够为突发事故的处理提供可靠的参数,从而实现事前控制,避免影响范围扩大化。区域协同控制和多个接口有交换机功能,可以适应不同结构,包括环网相切、星型等,并且,在网络重组中用时比较短。同时,变压器的升级处理,使得交流电在85～900 V之间,能够保证设备的顺利运转,并且操作十分灵活,无需将抽头来回切换,从而能够实现远程实时监控,在监控下,操作员可以实时掌握电源箱的实际运行情况,完成设备升级后,能够知道续航的时间长短,并且也会增加续航的时间,减轻电源箱重量,从而提升维修的便捷性,满足煤矿安全生产的需求。

2.3 应用层

对于以往煤矿安全监控系统来说,其软件功能包括实时数据监测、日报查询等,系统升级后,地面中心站功能也得到改善。报警功能、断电控制功能得到改善,针对不同浓度的瓦斯以及其变化情况,瓦斯超限维持时间及其具体影响范围等,依此制定相应的逻辑报警断电机制,有效进行分级分区报警,并且对报警区域进行区域断电,从而使多网、多系统得到有效融合[6]。煤矿井下的融合具有成本高、难度高等特点,所以,煤矿安全监控系统主要为地面融合,并未改变以往系统的运行方式,在此基础上,搭建融合层,应用数据库等各项先进技术,实现监控、定位、报警等各项系统的信息共享,并在各个系统的协同下执行。系统的升级还改善了自诊断、自评估功能,在该功能下,对于煤矿安全监控系统,可以实现自动维修与优化。此外,系统升级还实现了应急联动功能,一旦瓦斯超限,或者出现断电情况,安全监控系统就会与无线通信、人员定位等各个系统进行联合,通知工作人员紧急撤离。

3 煤矿安全监控系统智能化发展趋势

3.1 智能化要求

针对煤矿安全监控智能化发展,《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》提出更高要求,具体包括以下几个方面:①传输数字化。分站到中心站数字化传输的过程中,从传感器到分站,将传输升级为数字传输,从而实现系统的数字化[7]。②报警功能的完善。依据瓦斯的浓度、超限时间、超限范围等,合理设置相应的报警级别,然后实施不同级别的报警响应,同时,结合巷道设置、瓦斯涌出之间的关系,设置逻辑报警,确保传感器的正常安装、维护,保障系统的正常使用,有效避免各种违法行为的出现。③强化数据应用分析。系统应具有大数据分析以及应用的功能,包括伪数据的标注,对于异常数据,还应对其进行全面分析。④自诊断和自评估功能的完善。系统能够定期进行自动化诊断与评估,可以在安装使用过程中,提前发现其中存在的问题,对于自诊断,应包括传感器、控制器等[8]。

3.2 新型传感技术

在煤矿安全监控系统的智能化发展中,对于系统的传输、感知等提出较高的要求。在新型传感技术上,主要分为以下几种。

3.2.1 分布式多点激光CH4检测技术

在煤矿工作面上,对于瓦斯监测点,分布数量比较少,在瓦斯涌出采样上,存在数据不完整的问题。通过采用分布式多点激光CH4检测技术,将可调谐激光吸收光谱技术、光路空分复用技术应用到系统中,在激光器输出光路中,将自校准气室引入其中,从而能够精准校正多个通道,有效解决问题,防止激光CH4传感器不稳定情况的出现,从而减少测量点的成本,分布式多点激光CH4检测系统如图1所示。同时,系统监测的范围扩大,响应时间变得更快,能够对瓦斯同步监测,大大提升安全预警能力[9]。

图1 分布式多点激光甲烷检测系统Fig.1 Distributed multi-point laser methane detection system

3.2.2 超声波时差法断面风速监测技术

巷道通风具有不均匀的特点,若采用当前的风速测量监测方法,即以点带面的方式,很容易在风量计算上产生较大的误差,并且还有监测盲区,最终难以满足井下实际通风需求。随着该技术的应用,对巷道风速进行监测可以运用多线测量法,将其和巷道断面的数据有效结合,从而保证风量监测数据的精准性,实现智能化风速调节[10]。

3.2.3 高分辨率激光痕量检测技术

在采空区,对于自然火灾,传统的监测系统存在测量不精准、监测效果不佳的问题。在智能技术的应用中,将该技术在新型安全在线监测传感器中应用,对于采空区的气体,能够实时进行测量和处理,有效提升火灾抢救效率,最大程度减少火灾带来的损失。同时,该技术在矿区CO的检测中,还可以解决电化学应用中存在的稳定性比较差的问题,以保证矿区环境的稳定性。

3.2.4 传感器智能技术

随着该技术的应用,使用低功耗、高性能MCU,应用数字化技术,监测传感器的身份信息以及工作状态,其中,传感器的身份信息包括设备型号、生产日期、出厂编号等,信息监测包括供电状态、调校信息、故障诊断等,在这一监测中,对传感器进行全面管理。动态感知芯片的增加,可以远程对传感器的位置变化、跌落、移动等进行有效监测。为了保障安全监控系统数据的有效性,就必须正确安装传感器。由于煤矿井下空间十分有限,地磁匹配以及惯性导航能够在这一空间下不依赖定位系统的基础上解决无盲区位置定位[11]。传感器能够实现远程在线动态化监测,监控设备安装是否到位,管理的规范性等,都能够为其提供可靠的数据信息。

3.3 新型供电传输技术

智能化矿山的建设可以从安全监控系统中新型供电传输技术的应用上来分析。一方面,分布式供电技术,在煤矿安全监控系统的现有监测设备中,其与分站设备的连接主要是通过通信电缆,不仅在布线上具有一定的复杂性,还在空间层面受到限制,灵活性比较差,无法在较大范围层面进行分布式监测,感知盲区比较大。对此,通过研究相关技术,包括低频调制输出、电能拾取装置小型化等,分布式非接触供电系统具有极大的优势,能够打破以往集中供电系统存在的各种问题,包括供电能力差、可靠性不高、线路复杂程度高等,所以,从集中式分布转为分布式分布尤为必要。对于非接触供电系统,其与电力载波传输技术的有效结合,能够发挥出较大的作用,实现电能、载波信号两者的共缆传输。对于重要区域的传感器、无线基站,在电能拾取装置的应用下,能够实现供电,在透明传输网关下,可以将有线、无线信号有效汇集,并进行传输,在电力载波装置的电口,将汇集的数据信息传输至区域的协同控制器,信息传输系统模型如图2所示。另一方面,一体化采集系统的构建,能够将煤矿井下的各个系统实现融合。在智能化应用中,数据是各种分析的重要依据,对于现有数据,主要是在各个系统之上搭建融合层,以实现数据的有效融合[12]。厂家提供数据接口,将有线数据进行交互,在这样的方式下,中间环节比较多,并且延时比较长,存在数据重复的情况,所以,需要搭建一体化采集系统,在这样的系统上,可以从设备端直接获取相应的数据信息。

图2 信息传输系统模型Fig.2 Model of information transmission system

3.4 系统数据应用分析

在煤矿安全监控系统的智能化发展中,对于系统的数据信息应用,充分挖掘监测数据的深度,并对其进行深入分析。在目前的监控系统软件中,需要借助大数据技术搭建相应的模型,对于瓦斯涌出等各种异常情况,从不同维度揭示出其在监测数据中的规律,从而将以往系统的事后处理转变为事前预警,有效控制问题扩大化。在分布式多点激光CH4监测装置上,对于其同步监测的各项历史数据,搭建相应的动态模型,对于瓦斯涌出量,将其在特定时间、空间内的变化呈现出来,反映出其具体的变化规律,然后对瓦斯的涌出量进行有效预测,并推测其变化趋势。对于煤矿在外因影响下发生的火灾,需要对O2、CO、CO2、烟雾、温度等各项数据进行全面分析,并搭建相应的火灾预报模型。对于煤自燃而引起的火灾,通过借助高分辨率激光痕量检测装置,对煤炭自燃特征的气体数据进行有效监测,并搭建相应的预警模型[13]。同时,系统数据的应用分析应和生产系统进行协同管控,目前的煤矿安全监控系统还未实现与生产系统的协同管控,所以,无计划断电、停止生产等,使得生产不连续,无法保证安全生产。对此,通过运用预警技术,预测瓦斯超限等,以保证数据的精准性,并且在超前协同智能化管控下,可以有效防止瓦斯超限,从而保证煤矿安全生产。

4 结语

煤矿生产的安全性对于企业而言至关重要,企业应不断优化系统,以创造出良好的生产环境,为煤矿安全生产奠定良好基础。在煤矿安全监控系统的升级要求下,通过对系统进行升级改造,有效提升系统的各方面性能,包括抗干扰能力、自诊断能力等。伴随着智能化技术的不断发展,结合国家对煤矿发展最新政策精神,为煤矿安全监控系统的智能化发展提供了方向,要求实现全范围智能化覆盖,并且要增加自诊断、自评估等功能,强化数据应用分析。煤矿安全监控系统的智能化发展对于煤矿安全监控能力的提升有着积极的促进作用,有效保证系统应用的广泛性,最大程度发挥其在煤矿生产中的引领作用,实现煤炭智能化安全生产。