郭改文，許 爽

(1.河南教育學(xué)院 信息技術(shù)系,鄭州 450046;2.中州大學(xué) 信息工程學(xué)院,鄭州 450044)

1 引言

瓦斯屬于易燃、易爆氣體，伴隨煤炭開采而突出。瓦斯爆炸嚴重威脅煤礦工人的安全和煤礦安全生產(chǎn)，瓦斯災(zāi)害成為煤礦常見的四大災(zāi)害之一，它不僅造成了國家財產(chǎn)損失，還經(jīng)常導(dǎo)致大量的人員傷亡，是世界各采煤國研究和預(yù)防的重點[1]。煤炭是我國的基礎(chǔ)能源，煤炭行業(yè)屬于事故多發(fā)行業(yè)，我國統(tǒng)配煤礦總數(shù)的46%是高瓦斯含量的礦井，瓦斯爆炸是第一大煤礦災(zāi)難。

瓦斯燃燒、爆炸的發(fā)生要具備 3個條件：(1)瓦斯達到一定濃度：一般情況下瓦斯爆炸濃度為5%～16%，瓦斯?jié)舛鹊陀?%燃燒、大于16%既不燃燒也不爆炸；(2)充足的氧氣：氧氣濃度大于12% ；(3)高溫火源：溫度高于650～750℃[2]。

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定空氣中氧氣濃度不能低于20%。為了保證煤礦正常生產(chǎn)，需要及時掌握瓦斯的濃度，那么如何準(zhǔn)確監(jiān)測井下瓦斯?fàn)顩r，并及時把數(shù)據(jù)輸送到地面監(jiān)測系統(tǒng)，進行有效分析，防患于未然，必須加大瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)和瓦斯檢測傳感器的研究工作。

2 煤礦瓦斯監(jiān)控的現(xiàn)狀

2.1 煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的需求

煤礦安全監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速，系統(tǒng)綜合自動、人機交互界面簡單、各種技術(shù)先進。防止煤礦瓦斯事故的瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，是利用先進技術(shù)手段設(shè)計而成，在煤礦安全生產(chǎn)上有較大的作用。由于瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)，把科技技術(shù)手段引入傳統(tǒng)的管理模式，成為預(yù)防瓦斯事故發(fā)生的最有效方法，為各級管理人員對煤礦安全生產(chǎn)的監(jiān)管提供了及時的數(shù)據(jù)和快捷的平臺[3]。瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)可監(jiān)測井下瓦斯的活動情況，對于確保煤礦安全生產(chǎn)有著非常重大的社會與經(jīng)濟意義。瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)中采集、存儲的井下環(huán)境參數(shù)是事故發(fā)生后確定事故原因最基本、最真實的資料，可用于判斷事故的性質(zhì)及責(zé)任級，因此，瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)保證監(jiān)控數(shù)據(jù)的真實性，防止數(shù)據(jù)被隨意讀取或篡改[4]。

《煤礦安全規(guī)程》158條：高瓦斯礦井，煤與瓦斯突出礦井，必須裝備礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)。沒有裝備安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的礦井煤巷和有瓦斯涌出的巖巷掘進面，必須要安裝甲烷風(fēng)電閉鎖裝置或甲烷斷電儀或風(fēng)電閉鎖裝置；無瓦斯涌出的巖巷掘進工作面，必須裝備風(fēng)電閉鎖裝置；礦井采煤工作面，必須裝備甲烷斷電儀[5]。規(guī)程明確規(guī)定了煤礦井下生產(chǎn)區(qū)域，在各種情況下監(jiān)測監(jiān)控裝備的最低配置水平。

2.2 我國煤礦監(jiān)控的現(xiàn)狀

我國煤礦監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較晚，起步于上世紀(jì)六十年代初，那時對煤礦瓦斯監(jiān)測技術(shù)已進行研究，但到七十年代末，還沒有取得大的進展，其代表產(chǎn)品是西安煤礦儀表廠的MJC-100煤礦集中監(jiān)測系統(tǒng)和重慶煤礦安全儀器廠的AYJ-1型瓦斯遙測警報儀。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，八十年代后期微型計算機被應(yīng)用，我國從波蘭、法國、德國、英國和美國等引進了一些先進技術(shù)設(shè)備，煤礦瓦斯監(jiān)測的技術(shù)水平才有所發(fā)展和提高。在消化、吸收先進經(jīng)驗和技術(shù)情況下，結(jié)合我國煤礦的實際，先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92 等監(jiān)控系統(tǒng)，在煤礦已大量使用。為煤礦安全生產(chǎn)和管理起到了十分重要的作用。在煤礦“以風(fēng)定產(chǎn)，先抽后采，監(jiān)測監(jiān)控”十二字方針指導(dǎo)下，我國規(guī)定了高瓦斯或瓦斯突出礦井，必須裝備礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。在市場競爭和需求的刺激下，生產(chǎn)廠家不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)意識，極大推動了我國煤礦瓦斯安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。

2.3 煤礦安監(jiān)存在的問題

雖然我國在煤礦安全監(jiān)控工作方面，取得了一定的成績，三分之二的國有煤礦，五千多處高瓦斯煤礦已裝備了瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)目前因維護不善而帶傷運行，已經(jīng)普遍陳舊落后，瓦斯安全監(jiān)控存在以下亟待解決的問題。

(1)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸延遲、信號不穩(wěn)、帶寬不足。雖然目前正在改進和完善，但數(shù)據(jù)的傳輸和分析自動化程度不夠，煤礦瓦斯?jié)舛茸兓臄?shù)據(jù)不能及時監(jiān)控和預(yù)警，煤礦瓦斯爆炸事故時有發(fā)生[6]。

(2)傳感器技術(shù)落后，穩(wěn)定性還不能滿足用戶的需要，國產(chǎn)傳感器同國外同類產(chǎn)品相比還有很大差距，在使用壽命、調(diào)校周期、穩(wěn)定性和可靠性方面要加強改進。

(3)由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有廠家為了自身經(jīng)濟利益，生產(chǎn)競爭無序，瓦斯專用監(jiān)控系統(tǒng)采用各自的通信協(xié)議，通信協(xié)議不規(guī)范，相互不太兼容。信息傳輸系統(tǒng)的兼容性，制約了生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展和礦井系統(tǒng)功能的擴充。另外，由于研發(fā)后勁和經(jīng)費不足，技術(shù)支持能力不強，煤礦用戶的使用并不理想。

(4)由于缺乏專業(yè)技術(shù)人員，煤礦多數(shù)裝備不能正常使用和維護，現(xiàn)場管理和維護水平有待于加強。由于管理混亂，對系統(tǒng)配接的傳感器不能按規(guī)定時間進行調(diào)試、校正。

2.4 當(dāng)前煤礦信息安全監(jiān)控系統(tǒng)特點

(1)多數(shù)企業(yè)部分或完全具備國家要求的六大避險監(jiān)控系統(tǒng)。

(2)各避險監(jiān)控系統(tǒng)互為獨立，即每套系統(tǒng)都是垂直化管理維護。

(3)避險監(jiān)控系統(tǒng)多為專人現(xiàn)場管理。

(4)煤礦安全生產(chǎn)報告須操作多個系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

3 煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的基本要求和功能

(1)煤礦井下瓦斯監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸需要安全性和準(zhǔn)確性

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵是建立安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，為了達到此目的，數(shù)據(jù)媒介采用專用光纖技術(shù)，配合一定的無線發(fā)射基站，使傳輸平臺能夠準(zhǔn)確有效地控制各類信息。

(2)計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)該具有較好的穩(wěn)定性

利用光纖線路互聯(lián)，傳輸數(shù)據(jù)具有誤碼率小、可靠性高的優(yōu)點，能有效地保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。利用本地的SDH(Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字系列)資源進行數(shù)據(jù)傳輸，光端機容量較大，將復(fù)接、線路傳輸及交換功能融為一體，并由統(tǒng)一網(wǎng)管系統(tǒng)操作，系統(tǒng)傳輸過程中的延時降低，可用性得到極大的提升，提高了系統(tǒng)的性能。

(3)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備可擴展性

煤礦井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)大多采用模塊化設(shè)計，可以靈活地配置接口模塊，保證瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)能夠靈活地和外部網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。

(4)煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)集中網(wǎng)管控制

煤礦瓦斯監(jiān)控是基于計算機聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)，需要擁有統(tǒng)一網(wǎng)管對系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)進行維護，有利于遠端設(shè)施的帶內(nèi)網(wǎng)管。

煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備以下基本功能：

(1)準(zhǔn)確獲取煤礦現(xiàn)場的瓦斯數(shù)據(jù)

煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)要求使用可靠的數(shù)據(jù)收集設(shè)備，且能把收集到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為被計算機處理的數(shù)據(jù)方式，瓦斯傳感器獲得相應(yīng)的瓦斯數(shù)據(jù)，是一種物理參數(shù)，選擇何種瓦斯傳感器，布置多少數(shù)量，應(yīng)根據(jù)煤礦井下實際的工作特點來確定。

(2)瓦斯數(shù)據(jù)的預(yù)處理

煤礦井下瓦斯數(shù)據(jù)具有噪聲和其他氣體的數(shù)據(jù)，為獲得更有用的信息，需要進行預(yù)處理來消除數(shù)據(jù)的噪聲，當(dāng)發(fā)生瓦斯突出時，伴隨有許多干擾因素，各因素的數(shù)據(jù)在單位上各有不同，所以要進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，再采取模式識別。

(3)確定閾值并提取數(shù)字量

通常情況下，當(dāng)空氣中瓦斯的含量達到了5%～12%時，將產(chǎn)生爆炸，所以要依據(jù)空氣中含有瓦斯量的多少來選取閾值，閾值的選擇應(yīng)該小于5%，煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)把不同瓦斯傳感器所獲得的瓦斯數(shù)據(jù)信息、閾值等對比分析，將數(shù)字量信號提取出來。

(4)分類決策判斷

將通過系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)，用人工智能系統(tǒng)分析決策，獲得煤礦井下瓦斯比例是否超標(biāo)的信息，提供給有關(guān)人員采取安全防護措施。

3.2 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)中的分站與分站之間、分站與中心站之間的相互聯(lián)接關(guān)系。主要涉及井下瓦斯數(shù)據(jù)采集，井上、下數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和提取決策信息，使用的設(shè)備依據(jù)煤礦自身特點，同一般的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)相比，安全防爆才能保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足：①設(shè)備要用防爆產(chǎn)品；②瓦斯傳感器分散分布、使用量大，配電適當(dāng)采用復(fù)用方式，盡可能減少傳輸電纜用量；③設(shè)備具有抗電磁干擾能力，電磁干擾可能會產(chǎn)生電流，造成瓦斯爆炸；④當(dāng)系統(tǒng)中某些分站發(fā)生故障時，系統(tǒng)具有抗故障能力，力求不影響整個系統(tǒng)的正常工作。系統(tǒng)采用總線式組網(wǎng)方式，其結(jié)構(gòu)分為三部分：井下數(shù)據(jù)采集設(shè)備、無線信號及數(shù)據(jù)信息傳輸平臺、地面監(jiān)測監(jiān)控中心，結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1 煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能模塊包括以下內(nèi)容，見圖2所示[7]：

圖2 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

(1)實時動態(tài)監(jiān)控瓦斯?fàn)顩r。這是系統(tǒng)的核心組成部分，可對井下瓦斯檢測人員編號，對瓦斯傳感器編號，在井上巷道分布圖上能夠?qū)崟r動態(tài)顯示他們的位置，動態(tài)監(jiān)控任一瓦檢員當(dāng)前工作，準(zhǔn)確確定報警的瓦斯監(jiān)控設(shè)備所在位置。

(2)瓦斯檢測信息查詢。系統(tǒng)支持區(qū)域查詢、時間查詢，具有操作性強的可視化的圖形界面，通過系統(tǒng)界面查詢?nèi)我槐O(jiān)測點的數(shù)據(jù)信息，停開機信息，以及瓦檢員的實際工作情況等。在實際的使用中，可搜索任一人員實際位置，達到快速定位。

(3)瓦斯檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計和數(shù)據(jù)分析兩個主要功能模塊，采用相關(guān)軟件技術(shù)，對瓦斯原始數(shù)據(jù)加工、統(tǒng)計、分析，生成瓦斯信息所需的各種基本圖表?？蓪υ紨?shù)據(jù)進行科學(xué)地分類匯總、分析、加工處理，為管理者進行決策提供準(zhǔn)確信息。

(4)系統(tǒng)智能預(yù)警功能。將監(jiān)控系統(tǒng)和綜合預(yù)警數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、預(yù)警管理系統(tǒng)連接。實時動態(tài)記錄瓦斯檢測數(shù)據(jù)并作出反應(yīng)。如系統(tǒng)自動報警，及時確定位置，發(fā)送井下瓦檢員、安檢員和相關(guān)帶班領(lǐng)導(dǎo)，達到安全預(yù)警的目的[8]。

3.4 系統(tǒng)工作過程

3.4.1 信號傳輸技術(shù)

井下瓦斯信息，經(jīng)過各類傳感器的采集后，要輸送幾公里以上的距離才能到達地面主監(jiān)測中心站，傳輸線路采用高質(zhì)量光纖技術(shù)。光纖具有易彎曲、耐腐蝕、節(jié)約金屬等優(yōu)點，更適合在煤礦井下惡劣環(huán)境推廣應(yīng)用[9]。而且光纖傳輸信號容量大，不受噪聲影響，不會短路和電火花引起爆炸，且不受平行敷設(shè)電力電纜電磁干擾，是優(yōu)良的傳輸信息導(dǎo)線。

3.4.2 防爆計算機

井下數(shù)據(jù)處理采用KTN101-JSJ防爆計算機，使用Windows操作系統(tǒng)，配備防爆計算機1臺，鼠標(biāo)1套，充電器1個，連接線1根(USB轉(zhuǎn)RS232連接線)。工作軟件可以自己在系統(tǒng)上安裝(用USB數(shù)據(jù)口烤入電腦)，Windows帶有軟鍵盤可以錄入信息。

3.4.3 瓦斯監(jiān)控傳感器

瓦斯監(jiān)測與監(jiān)控系統(tǒng)的工作最重要的是，來源于工作現(xiàn)場的監(jiān)控傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)要準(zhǔn)確和可靠，只有使用準(zhǔn)確可靠設(shè)備，才能得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，才能防止誤動作和誤報警。煤礦目前常用的瓦斯傳感器有：甲烷傳感器、瓦斯傳感器、光學(xué)甲烷檢測儀、便攜式甲烷報警儀、高濃度甲烷傳感器等，分類為催化燃燒型瓦斯檢測儀和光干涉式瓦斯檢測器。每一種監(jiān)測儀器都有各自的特性和優(yōu)勢，存在技術(shù)上的不足。隨著微電子技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，依托通信技術(shù)，利用智能化技術(shù)，瓦斯檢測技術(shù)趨向智能化發(fā)展[10]。瓦斯傳感器的測量更準(zhǔn)確和易于維修，且成本大大降低。在日常工作中，各類工作人員要充分了解和掌握所使用的儀器，讓儀器發(fā)揮更大的作用，為煤礦的安全高效生產(chǎn)發(fā)揮最大的作用。

3.4.4 系統(tǒng)工作過程

當(dāng)煤礦井下某工作面或巷道瓦斯?jié)舛瘸^或達到報警值時，瓦斯傳感器把采集的數(shù)據(jù)傳入防爆計算機，經(jīng)過簡單處理，通過光纖輸送到地面信息處理平臺，地面網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器電腦使用智能系統(tǒng)緊急處理數(shù)據(jù)，通過和數(shù)據(jù)庫信息比較，得到預(yù)警信息，控制警告區(qū)域切斷工作面的電力工作設(shè)備，啟動安全保護設(shè)施，同時把信息傳到帶班領(lǐng)導(dǎo)，指揮人員進入安全區(qū)，等待地面指示。通過瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的預(yù)測預(yù)報，將瓦斯災(zāi)害控制在安全范圍內(nèi)，提高煤炭安全生產(chǎn)經(jīng)濟和社會效益。

4 結(jié)束語

基于計算機網(wǎng)絡(luò)的煤礦數(shù)字化瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確、及時監(jiān)控煤礦瓦斯突出信息，提出安全預(yù)警，預(yù)防瓦斯災(zāi)害的發(fā)生，不僅保障煤礦安全運行，更能保護工人人身安全，同時極大地提高了煤礦企業(yè)的經(jīng)濟效益。然而，煤礦安全事故的發(fā)生，是由多個不確定因素作用的，我們對煤礦事故的管理還必須從軟硬兩方面同時著手，首先要加強科學(xué)管理，完善安全管理法規(guī)，提高基層職工安全意識，其次要依靠科學(xué)技術(shù)，完善安全信息管理體系，保證設(shè)備安全、信息暢通，真正的實現(xiàn)煤礦的安全生產(chǎn)。因此，研究煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)有現(xiàn)實的積極意義。

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