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(神華神東煤炭集團有限責任公司 大柳塔煤礦，陜西 神木 719300)

安全監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦超前預防和減少事故發(fā)生的關鍵，在提升事故預防預警、應急處置和安全管理等方面發(fā)揮著重要作用。目前，國內常見的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)有：KJ86N、KJ90、KJ66、KJ95、KJ2000N、HI-MASS安全監(jiān)控系統(tǒng)和TF200頻分復用型礦井監(jiān)控系統(tǒng)等[1]。但是隨著煤礦信息化、智能化的快速發(fā)展以及安全高效礦井的加速建設，使得快速生產能力的增長與現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)之間的矛盾日益突出，嚴重影響煤礦生產的效率和效益。2016年12月29日，國家煤礦安全監(jiān)察局印發(fā)了《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術方案》[2]，對提高煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)準確性、靈敏性、可靠性、穩(wěn)定性和易維護性，增強煤礦安全保障能力提出了具體要求，并要求大型礦井、煤與瓦斯突出礦井的在用安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造工作應在2018年底前完成[2]，其他礦井應在“十三五”末完成[2]。大柳塔煤礦于2018年9月底完成安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字化升級，改造為KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)。

1 KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)結構及功能

KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)由主機、傳輸接口、本安光端機、隔爆兼本安環(huán)網(wǎng)交換機、分站、傳感器、斷電控制器、聲光報警器、電源箱、避雷器等設備組成[3]。系統(tǒng)具有模擬量、開關量、累積量的采集、傳輸、儲存、處理、顯示、打印、聲光報警、控制等功能，能用于監(jiān)測甲烷濃度、一氧化碳濃度、風速、風壓、溫度、濕度、二氧化碳、硫化氫、二氧化硫、煙霧、饋電狀態(tài)、風門狀態(tài)、風筒狀態(tài)、局部通風機開停、主通風機開停，并實現(xiàn)甲烷超限聲光報警、斷電和甲烷風電閉鎖控制[4]。KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

2 KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)技術特征及功能

2.1 實現(xiàn)數(shù)字化傳輸

KJ38X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)主通訊均使用專用的光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡，單獨對安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行傳輸，分站、傳感器均使用CAN總線傳輸，具有監(jiān)控容量大、響應時間短、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強等諸多特點。井下分站、傳感器已實現(xiàn)全數(shù)字化傳輸，主通訊還可通過礦井“四網(wǎng)合一”網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，杜絕了數(shù)據(jù)中斷和誤報警，提高了上傳數(shù)據(jù)的準確性。

2.2 抗電磁干擾能力提升

KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)及組成設備采用抗干擾(EMC)技術，地面設備靜電抗干擾試驗、脈沖群抗干擾試驗均達到4級A，電磁輻射抗擾度試驗達到3級A，各項指標已通過抗干擾(EMC)試驗，技術水平遠高于國家行業(yè)標準要求，做到傳感、傳輸、儲存、顯示、控制、執(zhí)行功能正常，設備數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，不會出現(xiàn)由其它信號干擾造成的誤報數(shù)據(jù)，各項功能均能正常使用。

2.3 先進裝備的使用

KJ83X(A)系統(tǒng)具備全量程激光甲烷傳感器、無線激光甲烷傳感器、紅外二氧化碳傳感器、粉塵傳感器、多參數(shù)傳感器、大容量鋰離子蓄電池電源等先進設備。

按規(guī)定，掘進工作面迎頭是需要安裝甲烷傳感器的，但是迎頭工作環(huán)境復雜，電纜鋪設困難，KJ83X(A)系統(tǒng)在掘進工作面迎頭安裝了無線甲烷傳感器及配套無線網(wǎng)關，無線激光甲烷傳感器穩(wěn)定性周期為90d，最長待機時間為15d，最大傳輸距離200m；激光甲烷傳感器具有全量程、低功耗、抗中毒、不受粉塵水氣影響等特點，尤其是可以做到90d免標校；同時，KJ83X(A)系統(tǒng)配備了大容量鋰離子蓄電池電源，在交流斷電后，能夠給監(jiān)控系統(tǒng)提供12h以上的續(xù)航能力，遠高于4h的國家標準。

2.4 防護等級升級

升級改造后的傳感器防護等級均達到了IP65，提高了設備的環(huán)境適應性，減少了設備故障率，設備維修量減少20%以上。KJ83X(A)系統(tǒng)接入礦生產網(wǎng)絡，通過交換機將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳入礦辦公網(wǎng)絡中，礦井用戶可直接通過Web界面瀏覽監(jiān)控設備運行狀態(tài)，同時，礦生產網(wǎng)絡安全等級達到三級，能防護服務器不被木馬攻擊。

2.5 智能傳感技術的應用

KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)自診斷、自評估功能，設備無需上位機設置，即插即用，上電即可正常工作，能夠預先發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在安裝使用中存在的問題，可以自動識別類型、量程、報警值等信息，可以實現(xiàn)傳感器、控制器的設置；可以對系統(tǒng)服務器組件及網(wǎng)絡、雙機熱備、數(shù)據(jù)庫存儲、軟件模塊通信的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，系統(tǒng)可以對傳感器標校周期進行定義，并進行自動提醒。

2.6 實現(xiàn)報警、斷電控制功能

KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)已具備分級報警、邏輯報警功能[5]。根據(jù)瓦斯?jié)舛却笮　⑼咚钩蕹掷m(xù)時間、瓦斯超限范圍等，設置不同的報警級別，實施分級響應[6]。礦井按照重要程度，劃分為四個等級，其中紅色為一級報警，涉及井下人員安全的設一級報警，例如雙風機停機；橙色為二級報警，影響安全生產的設二級報警，例如主運輸帶式輸送機停機超過10min；黃色為三級和四級報警，設備故障設黃色報警，例如綜采工作面煤機故障。

邏輯報警功能是指對于監(jiān)測到的瓦斯?jié)舛让黠@違反礦井瓦斯涌出的內在邏輯關系，肯定有違章行為或監(jiān)測裝置失效的情況而應實施的報警。如在綜采工作面監(jiān)測到進風巷的瓦斯?jié)舛雀哂诨仫L巷道的瓦斯?jié)舛葧r，系統(tǒng)就會自動報警，提醒監(jiān)測人員在進風巷發(fā)生了違章行為或者監(jiān)測設備失效。

KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)與礦井供電監(jiān)控系統(tǒng)融合，可以通過GIS圖查看供電監(jiān)控系統(tǒng)中部分設備運行狀態(tài)。完善就地斷電功能，推行區(qū)域斷電，并加強饋電狀態(tài)監(jiān)測，安全監(jiān)控系統(tǒng)通過斷饋電器控制設備斷電、監(jiān)控設備饋電狀態(tài)[7]。

2.7 多系統(tǒng)融合功能

KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)已和礦井人員定位、應急廣播、供電監(jiān)控、視頻監(jiān)測等系統(tǒng)在GIS礦圖中實現(xiàn)有機融合，將所有的分散的系統(tǒng)統(tǒng)一到一個平臺上，便于操作、調度、管理。

2.8 應急智能聯(lián)動控制

KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)應急智能聯(lián)動是借助井下“一網(wǎng)一站”系統(tǒng)實現(xiàn)了安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)、應急廣播系統(tǒng)和智能礦燈之間的應急聯(lián)動[8]。假如，井下某區(qū)域出現(xiàn)瓦斯超限、需要緊急撤人時，綜合自動化控制系統(tǒng)立刻自動切斷動力電源，周圍作業(yè)人員馬上會聽到附近廣播基站發(fā)出緊急撤人信號，同時工人攜帶的智能礦燈會出現(xiàn)遠近光切換，并伴隨有報警聲，提醒工作人員緊急撤離危險區(qū)。調度室的安全監(jiān)控系統(tǒng)也會出現(xiàn)緊急報警，方便調度員準確判斷井下實際情況，做出正確的應急方案。

2.9 大數(shù)據(jù)分析

KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)通過對監(jiān)測的各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計進行智能分析。包括偽數(shù)據(jù)標注、異常數(shù)據(jù)分析，瓦斯涌出、火災、突水等預測預警。系統(tǒng)可以根據(jù)用戶自定的預警模型，對多組傳感器進行關聯(lián)設置，系統(tǒng)自動對實時數(shù)據(jù)進行分析，當達到預警模型條件時，系統(tǒng)自動進行預測預警。同時，具有與系統(tǒng)檢查分析工具實現(xiàn)數(shù)據(jù)對接功能，系統(tǒng)在瓦斯超限、斷電緊急撤人時，可自動與應急廣播、人員定位、視頻監(jiān)測系統(tǒng)緊急聯(lián)動[9]。

2.10 系統(tǒng)性能提升

KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)巡檢周期不超過10s，優(yōu)于升級改造要求(20s)，異地斷電時間不超過5s優(yōu)于升級改造要求(40s)，配備DXJL1440/127礦用隔爆兼本安型鋰離子蓄電池電源后，備用電源能維持斷電后正常供電時間可提升到10h，分站的最大遠程本安供電距離可達9km，系統(tǒng)監(jiān)控容量為255臺分站，可同時監(jiān)測7000個測點，系統(tǒng)傳輸誤碼率為10-9，適合大型礦井。

2.11 MD5數(shù)據(jù)加密技術

KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)對全部監(jiān)控數(shù)據(jù)進行RSA算法加密存儲，對重點區(qū)域瓦斯超限、報警、斷電信息應采用MD5、RSA算法對數(shù)據(jù)加密存儲，確保不被破解篡改。

3 KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)的應用

3.1 大柳塔煤礦KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)設備配置

大柳塔煤礦由大柳塔井和活雞兔井組成，礦井生產能力3300萬t/a，井田地層平緩，構造簡單，煤層傾角為1°～3°，賦存穩(wěn)定，具有埋藏淺，各煤煤層結構簡單，為易自燃煤層，煤塵具有爆炸性[1]。大柳塔煤礦兩井均采用平硐-斜井開拓方式，其中大柳塔井主采煤層為5-2煤，布置2個綜采工作面和2個掘進工作面?；铍u兔井目前主采煤層為：1-2下煤、2-2煤，布置1個綜采工作面/1個綜放工作面和4個掘進工作面。

大柳塔煤礦大柳塔井2015年9月進行安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字化改造[10]，將系統(tǒng)更換為煤炭科學技術研究院有限公司研發(fā)的KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)。大柳塔井和活雞兔井分別于2018年3月和2018年9月將安全監(jiān)控系統(tǒng)升級為KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)。KJ83X(A)系統(tǒng)采用專用的光線環(huán)網(wǎng)傳輸，主通訊還可通過礦井“四網(wǎng)合一”網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，KJ83X(A)系統(tǒng)接入礦生產網(wǎng)絡，通過交換機將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳入礦辦公網(wǎng)絡中，礦井用戶可直接通過Web界面瀏覽監(jiān)控設備運行狀態(tài)，同時礦生產網(wǎng)絡安全等級達到三級，能防護服務器不被木馬攻擊。

大柳塔井和活雞兔井KJ83X(A)系統(tǒng)中心站均設置在大柳塔煤礦調度室樓二樓機房，各配置有安全監(jiān)控系統(tǒng)主、備服務器2臺，上傳主、備服務器2臺，地面交換機1臺。其中，大柳塔井下安裝監(jiān)控分站36臺、分站電源箱36臺、鋰離子電池箱36臺、井下交換機9臺、激光甲烷傳感器56臺、一氧化碳傳感器70臺、溫度傳感器48臺、二氧化碳傳感器4臺、氧氣傳感器16臺、風速傳感器6臺、負壓傳感器4臺、設備開停傳感器18臺、煙霧傳感器43臺、風門傳感器15套、斷電饋電監(jiān)視器28臺(斷電20臺、饋電8臺)、風筒傳感器4臺 、粉塵傳感器4臺[9]。

活雞兔井井下安裝監(jiān)控分站40臺、分站電源箱40臺、鋰離子電池箱40臺、井下交換機7臺、激光甲烷傳感器69臺、一氧化碳傳感器102臺、溫度傳感器51臺、二氧化碳傳感器3臺、氧氣傳感器9臺、風速傳感器10臺、負壓傳感器2臺、設備開停傳感器22臺、煙霧傳感器60臺、風門傳感器16套、斷電饋電監(jiān)視器24臺、風筒傳感器9臺、粉塵傳感器5臺[9]。

3.2 應用效果

KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)在大柳塔煤礦運行期間，設備數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，未出現(xiàn)由其它信號干擾造成的誤報數(shù)據(jù)，各項功能均能正常使用，可以準確地反映井下各地點的氣體環(huán)境、設備運行情況，對井下異常情況及時作出預報，有效地保障井下安全生產。

1)安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造后響應時間、穩(wěn)定性、抗干擾能力都有了極大的提高，極大地提升了監(jiān)控系統(tǒng)面對災害事故時的預警、處置能力，增加了分級報警和邏輯報警功能。人員定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時監(jiān)控、精準定位、軌跡回放、井下報警、緊急撤離、考勤統(tǒng)計、遠程管理、大屏顯示、虹膜驗證等功能。①精確定位：具有場強定位的優(yōu)點，測量距離和實際距離誤差都在5m之內，能夠準確掌握井下巷道人員的位置，和每個人任意時刻所在的位置及個時間段的軌跡，標示卡讀卡速度快，漏卡率低；②軌跡回放：系統(tǒng)詳盡記錄了所有井下人員的工作時間，由此可方便地對個人、班組、部門進行考勤統(tǒng)計，或根據(jù)工種、職務等進行統(tǒng)計，查詢人員考勤記錄，可生成日統(tǒng)計報表、月統(tǒng)計報表，可進行下井人員的上下井統(tǒng)計，考勤下井次數(shù)，可打印，數(shù)據(jù)可備份；③緊急撤離：地面人員掌握到異常情況，需要指揮井下人員迅速撤離時，可通過系統(tǒng)向所有人員發(fā)出緊急指令，發(fā)出聲光警報，提示井下工作人員緊急撤離，并可動態(tài)掌握撤離進行情況；④遠程管理：可通過互聯(lián)網(wǎng)對系統(tǒng)進行操作，實現(xiàn)遠程管理和監(jiān)控，管理人員出差在外也可隨時查看井下實況，特別是發(fā)生事故時不在現(xiàn)場也可及時掌握第一手情況，進行救援指揮；⑤大屏顯示：地面監(jiān)控終端可連接大型屏幕，用于一屏多行并列顯示下井的人員信息，更加醒目地動態(tài)顯示井下人車實況，便于監(jiān)控中心和井口的監(jiān)控人員掌握井下情況；⑥數(shù)據(jù)存儲：可實現(xiàn)信息的遠傳，直接將井下的實時數(shù)據(jù)傳到集團總部和當?shù)氐牡V山管理部門，更加方便企業(yè)與政府的實時監(jiān)管。數(shù)據(jù)庫可以長時間下井數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)的任何修改信息都一直保存，方便管理維護人員查看系統(tǒng)維護信息，對系統(tǒng)的維護檢查提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

2)實現(xiàn)了安全監(jiān)控系統(tǒng)和礦井人員定位、應急廣播、供電監(jiān)控等系統(tǒng)有機融合并達到數(shù)據(jù)聯(lián)動。當監(jiān)控系統(tǒng)甲烷傳感器超限報警時，應急廣播音響播放超限信息，人員定位編碼卡發(fā)出報警，智能礦燈發(fā)出報警，視頻監(jiān)測彈出相關區(qū)域視頻畫面，通知井下員工快速撤離。在應急聯(lián)動時，可以通過查詢讀卡器下的人員信息，來確認人員撤離情況，可以通過智能礦燈了解到視頻信息、氣體參數(shù)信息，智能礦燈同時還具有多參數(shù)氣體監(jiān)測、移動視頻監(jiān)控、精確人員定位等功能。通過選擇擴音廣播，可以看到廣播音箱的參數(shù)信息；當監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行斷電操作后，可以通過查詢相應的電力開關負荷側參數(shù)，結合饋電傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)來判斷是否已經可靠斷電；可以調取井上井下視頻監(jiān)測的攝像頭，查看實時視頻畫面；還可以通過4G手機來查看監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況，可以通過手機進行井上井下的視頻話。

3)KJ83X(A)安全監(jiān)控新系統(tǒng)可以對服務器組件及網(wǎng)絡、雙機熱備、數(shù)據(jù)庫存儲、軟件模塊通信的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控。監(jiān)測人員可以通過Web及時發(fā)現(xiàn)服務器存在問題并進行整改，舊系統(tǒng)無法做到此類監(jiān)測，只能服務器故障重啟影響數(shù)據(jù)后才能發(fā)現(xiàn)。

4)KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)及配套設備均具備故障自診斷功能，顯示傳感器故障狀態(tài)，并在軟件出現(xiàn)故障后能自檢重啟，減少設備故障率，降低了設備維護難度。

5)新系統(tǒng)傳感器使用數(shù)字總線傳輸數(shù)據(jù)，多個傳感器可共用一根信號纜線，舊系統(tǒng)使用三線制傳感器，一根信號纜線最多只能安裝2臺傳感器，新系統(tǒng)使用后降低了安裝和維護的線纜成本。設備全部使用數(shù)字化信號，全礦井使用防護等級達到IP65并具備故障自診斷功能的傳感器，推廣使用全量程激光甲烷傳感器。

6)分站、傳感器等設備支持即插即用功能，無需設置，上電即可正常工作，同時具有類型自識別功能，在Web端自動顯示安裝的設備數(shù)據(jù)。原有系統(tǒng)均需人工安全設備后，手動定義設備測點，因老式各類頻率型、電流型、開關量傳感器信號一樣，無法區(qū)分，及容易定義錯傳感器類型，新系統(tǒng)極大降低了監(jiān)控設備安裝定義難度。

3.3 存在的問題

1)現(xiàn)有激光甲烷傳感器無法進行檢測，大柳塔煤礦全部使用激光甲烷傳感器，激光甲烷傳感器送至陜西煤礦安全裝備檢測榆林分中心、神東檢測中心進行檢測時，檢測設備無法讀取CAN總線的數(shù)字信號，也無激光甲烷傳感器的檢測標準，無法完成傳感器全部功能的檢測工作。

2)新系統(tǒng)傳感器使用數(shù)字總線傳輸數(shù)據(jù)，多個傳感器可共用一根信號纜線，纜線出現(xiàn)故障后受影響的傳感器增多。

3)多系統(tǒng)應急聯(lián)動時，無具體對應標準，大柳塔煤礦已具備多系統(tǒng)應急聯(lián)動功能，對聯(lián)動數(shù)據(jù)存儲時限、存儲范圍無標準，對聯(lián)動測試周期無標準。

4 結 語

本文對KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)功能、系統(tǒng)特點以及該系統(tǒng)在大柳塔煤礦的應用情況進行了詳細介紹，該系統(tǒng)實現(xiàn)了全數(shù)字化傳輸、遠距離供電、分級報警、邏輯報警、應急智能聯(lián)動、多系統(tǒng)融合等功能，促進了安全監(jiān)控數(shù)據(jù)實時、準確傳輸和信息共享，提高了煤礦安全預測預警水平。