姚永輝

煤礦安全一直我國安全生產(chǎn)工作的重中之重，隨著科技的增強，新裝備、新工藝為煤礦提供了大量裝備。2010年，《國務院關于進一步加強企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》要求，各地煤礦在3年內完成“監(jiān)測監(jiān)控、人員定位、緊急避險、供水施救、壓風自救和通信聯(lián)絡”緊急避險“六大系統(tǒng)”的安裝，并納入重點監(jiān)察范疇。以上措施的執(zhí)行，使得我國煤礦的安全生產(chǎn)形勢逐年好轉，事故起數(shù)、死亡人數(shù)、百萬噸死亡率均大幅下降。但由于我國煤礦基數(shù)大、地域分散、地質結構復雜、技術水平參差不齊等，安全水平與世界其他主要產(chǎn)煤國相比仍有一定差距。

“六大系統(tǒng)”中的安全監(jiān)控系統(tǒng)，是指傳感器技術、信息傳輸技術、計算機技術、電氣防爆技術和控制技術，在煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控領域的綜合應用，可以對礦井瓦斯、一氧化碳、溫度等環(huán)境參數(shù)，以及對礦井生產(chǎn)、運輸、提升、排水等環(huán)節(jié)的機電設備的工作狀態(tài)進行監(jiān)測和控制，用計算機分析處理、取得數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)自動報警、斷電和閉鎖，防止事故的發(fā)生或擴大，為各級生產(chǎn)指揮部門提供現(xiàn)場資料，便于提前采取防范措施。

研發(fā)現(xiàn)狀

隨著電子技術及計算機控制技術的發(fā)展，目前國內已有60余家生產(chǎn)企業(yè)及科研機構，研發(fā)了多個型號的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品，并基本上由早期的單計算機監(jiān)控，發(fā)展成了網(wǎng)絡化監(jiān)測監(jiān)控，安全監(jiān)控技術有了長足發(fā)展，系統(tǒng)得到了推廣應用。但其技術瓶頸也日益顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構可靠性不高?，F(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)主要采用主從式通信結構，數(shù)據(jù)傳輸速率低和冗余差，極易發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸中斷，無法實現(xiàn)設備間互聯(lián)互控、危險區(qū)域快速控制；監(jiān)控系統(tǒng)設備數(shù)字化程度不高，尤其是傳感器采用模擬傳輸技術，不能實現(xiàn)傳感器工作狀態(tài)識別及故障判斷，造成監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性差。

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)抗電磁干擾能力差。井下電磁環(huán)境惡劣，抗電磁干擾技術還不成熟，對井下干擾源種類、等級及耦合途徑研究不夠充分，井下抗電磁干擾相關標準不易執(zhí)行，導致監(jiān)控設備抗電磁干擾能力差，極易使數(shù)據(jù)混亂，經(jīng)常產(chǎn)生“冒大數(shù)”、誤報警、誤斷電現(xiàn)象，甚至造成系統(tǒng)癱瘓。

災害預警手段不完善?，F(xiàn)有系統(tǒng)實現(xiàn)了瓦斯超限報警斷電，部分實現(xiàn)了瓦斯災害的預警處置，但對其他災害還缺乏預警手段，應充分利用監(jiān)控信息資源，完善礦井災害的超前預測預報。

鑒于以上情況，在“十一五”期間，煤炭科學研究總院對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構可靠性及抗干擾技術進行了研究，并列入國家科技支撐計劃項目，形成了新一代的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)及系列產(chǎn)品，該項目也被國家安全生產(chǎn)監(jiān)管總局列為第一批安全科技“四個一批”項目之一。

研究過程

該項目通過研究工業(yè)以太網(wǎng)等網(wǎng)絡集成技術、開放式總線傳輸，以及多環(huán)冗余、系統(tǒng)通信故障自診斷、電磁兼容（EMC）、井下電網(wǎng)故障在線診斷、網(wǎng)絡結構中終端設備對等通信及互控等技術，研發(fā)了具備通信網(wǎng)絡冗余、對等通信、通信故障隔離、滿足電磁兼容等要求的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)典型應用結構圖如圖1、圖2所示。同時還配套研制出煤礦井下電網(wǎng)故障監(jiān)測、故障識別、故障控制設備。通過項目研究，形成了4項技術。

設備狀態(tài)自識別技術

網(wǎng)絡終端設備（傳感器）采用控制器局域網(wǎng)絡（CAN總線通信），通過利用沖突檢測方法，結合自識別軟件協(xié)議及軟件防沖突技術，避免了通信鏈路的數(shù)據(jù)堵塞、沖突、鏈路掛機等故障，解決了傳感器互換產(chǎn)生的偽數(shù)據(jù)等現(xiàn)象，實現(xiàn)了傳感器狀態(tài)自識別、數(shù)據(jù)自動上傳、故障自診斷等功能。其數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性，比目前傳統(tǒng)的200-1000HZ模擬信號傳輸有了很大提高。

抗電磁干擾技術

通過對監(jiān)控系統(tǒng)易受干擾的場所進行研究，項目組發(fā)現(xiàn)煤礦井下脈沖群干擾強度在標準500V等級以上、煤礦井下浪涌干擾強度在標準1400V等級以上時，煤礦井下靜電干擾源與電磁輻射干擾源強度較小。根據(jù)干擾源的耦合特性，項目組對煤礦監(jiān)控設備電源及信號端口，進行了兩級抗干擾保護設計。目前，該技術已經(jīng)應用到礦用本安分站、低壓電網(wǎng)監(jiān)測分站、高低濃度甲烷傳感器等9種傳感器，以及礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源中。

對等通信技術

網(wǎng)絡終端設備（分站）采用總線通信技術及對等通信協(xié)議，解決了煤礦井下分站布點非線性的結構，有效地避免了由于通信鏈路復雜、阻抗不匹配，造成的通信狀態(tài)不穩(wěn)定的問題，實現(xiàn)了分站間對等通信功能，提高了分站間互聯(lián)互控的響應時間，異地控制時間縮短到5s以內，提高了系統(tǒng)的可靠性及異地控制響應的實時性。

低壓電網(wǎng)故障監(jiān)測技術

礦井低壓電網(wǎng)監(jiān)測分站，采用附加低頻信號的檢測方法，通過建立切合礦井實際的電纜絕緣檢測數(shù)學模型和仿真模型，實現(xiàn)了井下低壓電網(wǎng)漏電故障監(jiān)測及故障區(qū)域判斷。

成果轉化及應用情況

煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)揮了治理隱患防范事故的作用，保障了煤礦的安全生產(chǎn)；相關安全標準的制定和強制執(zhí)行，規(guī)范了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)相關產(chǎn)品；采用適合煤礦井下惡劣環(huán)境的礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+現(xiàn)場總線技術，構建了井下信息傳輸基礎平臺，能接入各種子系統(tǒng)，實現(xiàn)了煤礦安全生產(chǎn)快速聯(lián)動及災害預警；研發(fā)的新型傳感器技術、抗電磁干擾技術，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的運行可靠性；研發(fā)的重大災害聯(lián)動預警技術，利用監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析融合，為科學處置事故災害提供了決策依據(jù)。

科學研究的關鍵，在于成果轉化。針對項目目標及現(xiàn)場急需解決的問題，通過近3年的攻關，煤炭科學研究總院完成了14種配套產(chǎn)品的開發(fā)，形成了新一代高可靠安全監(jiān)控系統(tǒng)，通過了國家質量監(jiān)督檢驗中心的性能測試，取得了安全標志證書。研發(fā)的產(chǎn)品包括：礦用隔爆兼本質安全型數(shù)據(jù)交換裝置、礦用本安型信號轉換器、礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源、高低濃度甲烷傳感器、煤礦用一氧化碳傳感器、礦用隔爆兼本安型斷電控制監(jiān)視器、煤礦用風門開閉狀態(tài)傳感器、煤礦用溫度傳感器、煤礦用負壓傳感器、礦用水位傳感器等。

項目完成后，煤炭科學研究總院在山西天地王坡煤業(yè)有限公司，進行了應用示范。2010年12月，由煤炭科學研究總院和山西天地王坡煤業(yè)有限公司共同規(guī)劃示范礦井的建設工作，2011年9月完成地面中心站的建設，同時完成井下線纜的敷設。2012年1月，在王坡煤礦井下3215掘進面，3208、3201綜采工作面，以及井下變電所等地，安裝了100余臺各類傳感器等設備。項目組在井下，還先后進行了系統(tǒng)性能穩(wěn)定性、快速異地斷電、多環(huán)冗余、傳感器狀態(tài)自識別等試驗，試驗結果符合預期要求，與檢驗單位的檢驗結果一致。截止到2014年1月，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行，狀態(tài)良好，沒有出現(xiàn)通信中斷、傳感器數(shù)值“冒大數(shù)”等現(xiàn)象。

此后，該系統(tǒng)還在內蒙古李家塔煤礦、湖煤集團塘沖煤礦、江西天河煤礦、山東滕州泉上煤礦等多個煤礦得到了應用，效果良好。

技術發(fā)展趨勢

聯(lián)動控制技術。由瓦斯災害預警系統(tǒng)觸發(fā)聯(lián)動事件，當預測到有危險時，可通過異常聯(lián)動功能，實現(xiàn)各系統(tǒng)間的聯(lián)動控制。

重大災害預警技術。現(xiàn)有系統(tǒng)能夠實現(xiàn)瓦斯超限報警斷電，部分實現(xiàn)了瓦斯災害的預警處置，但對于其他災害還缺乏預警手段，下一步還應充分利用監(jiān)控信息資源，完善礦井災害的超前預測預報。

新型傳感器技術。推廣數(shù)字式傳感器，提高抗干擾性；推廣紅外甲烷、激光甲烷傳感器、光纖式傳感器，提高傳感器穩(wěn)定性；研發(fā)光敏傳感技術實現(xiàn)饋電狀態(tài)檢測，并將斷電控制及饋電狀態(tài)監(jiān)測功能有機結合，實現(xiàn)斷電的可靠控制；集成化多功能智能傳感器；傳感器與多學科交叉融合，推動無線礦用傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展，實現(xiàn)監(jiān)測范圍最大化，接入井下無線寬帶通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)通信鏈路雙冗余，提高監(jiān)控系統(tǒng)可靠性；研發(fā)傳感器低功耗與本質安全長距離技術。

編輯 楊 璇