李 凡

(河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南省焦作市，454000)

1 引言

在煤炭開采過程中，煤與瓦斯突出礦井普遍采用頂(底)板巷穿層抽放和順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯措施，鉆孔施工工程量較大。能否真正將各個鉆孔施工到位，已經(jīng)成為瓦斯治理措施是否落實到位、效果能否達標的關(guān)鍵。然而，在瓦斯鉆孔施工過程中的監(jiān)督普遍靠人工進行，難免出現(xiàn)管理漏洞，可能導(dǎo)致瓦斯治理措施落實不到位和效果不達標，從而引發(fā)事故。

為了加強瓦斯鉆孔施工監(jiān)督管理、規(guī)范現(xiàn)場施工人員的行為、防止打假鉆和虛報進尺等情況的發(fā)生，進一步提高煤礦瓦斯治理的智能化水平，確保措施落實到位和瓦斯鉆孔的施工質(zhì)量，煤礦監(jiān)管部門要求煤炭企業(yè)煤與瓦斯突出礦井在瓦斯鉆孔施工現(xiàn)場管理中使用視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對井下瓦斯抽放鉆場進行可視化實時監(jiān)控。

針對煤礦監(jiān)管部門的這一要求，煤炭企業(yè)積極落實，鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦井下已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，然而，由于井下瓦斯抽放鉆場環(huán)境的影響以及鉆場作業(yè)的流動性，使得現(xiàn)有的煤礦井下鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)不適應(yīng)實時監(jiān)控井下瓦斯抽放鉆場，需要重新設(shè)計。

VDSL2技術(shù)的單對雙絞線傳輸特性為煤礦井下瓦斯抽放鉆場實時監(jiān)控提供了便利的解決方案。設(shè)計中將瓦斯抽放鉆場設(shè)備隨機頻繁移動這一區(qū)域的系統(tǒng)傳輸采用VDSL2技術(shù)，再接入井下環(huán)網(wǎng)，把鉆場實時視頻信號遠距離傳輸至井上監(jiān)控中心。靈活運用VDSL2技術(shù)，研制了具有VDSL2技術(shù)的便攜礦用攝像儀，使得系統(tǒng)更加靈活和方便地應(yīng)用在井下瓦斯抽放鉆場的可視化實時監(jiān)控。

2 瓦斯抽放鉆場存在的問題

在煤礦瓦斯治理過程中，由于瓦斯抽放鉆場特殊環(huán)境的影響，給鉆孔作業(yè)和鉆場管理帶來了以下幾個方面的困難。

(1)瓦斯突出礦井的瓦斯治理主要是通過鉆孔預(yù)抽煤層中的瓦斯，消除瓦斯突出的危險性。鉆孔數(shù)量較多且同時開動多臺鉆機施工，需要較多的監(jiān)鉆人員，而且鉆機作業(yè)頻繁移動需要監(jiān)鉆人員在2 km左右范圍內(nèi)來回移動。

(2)瓦斯抽放巷道狹窄，管路、線路、設(shè)備交錯在一起，鉆孔作業(yè)和鉆場移動較為困難。

(3)鉆孔過程中，施工和管理常常出現(xiàn)銜接不暢，如施工人員對噴孔、頂鉆、卡鉆等描述不準確，給管理人員的正確判斷和決策帶來不利影響。

(4)鉆孔的工程量在實際驗收中難于確定，常出現(xiàn)假打鉆、假驗孔、假進尺等現(xiàn)象，給安全生產(chǎn)埋下重大隱患，給企業(yè)效益帶來嚴重損失。

(5)鉆孔驗收及抽放成果的收集主要依靠科室管理人員定期進行單個鉆孔逐個驗收，當鉆孔施工距離長和鉆成孔后出現(xiàn)塌孔、堵孔現(xiàn)象時，鉆孔實際深度和驗孔深度不一致，不能做到全程監(jiān)控每個鉆孔過程。

3 鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)要求

煤礦監(jiān)管部門要求在瓦斯突出礦井的瓦斯治理中，鉆場必須安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，而且鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)要求滿足以下條件：

(1)每一臺鉆機配置一臺攝像儀，做到“一鉆孔一視頻”；

(2)必須做到對開孔、鉆進、退鉆全過程的視頻監(jiān)視，并對退鉆作業(yè)全過程(退出鉆桿數(shù)量)進行監(jiān)錄、拷貝，存檔備查。對未按要求使用打鉆視頻監(jiān)控的打鉆地點，打鉆進尺量不予考核；

(3)所有視頻信號均必須與調(diào)度中心聯(lián)網(wǎng)；

(4)各煤礦結(jié)合本礦實際情況，充分利用本礦井下現(xiàn)有環(huán)網(wǎng)平臺資源，合理設(shè)計鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)；

(5)在瓦斯抽放巷內(nèi)避免或盡量不使用光纜傳輸信息；

(6)需要頻繁移動的攝像儀及附屬設(shè)備、附屬線纜等應(yīng)盡量輕便和少量，以方便移動；

(7)維護方便，可靠性高；

(8)鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)中井下相關(guān)設(shè)備和傳輸線纜必須具有安全標志和防爆裝置資質(zhì)；

(9)鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備實時監(jiān)測、圖像存儲、視頻回放、矩陣切換和聯(lián)網(wǎng)等功能；

(10)視頻數(shù)據(jù)遵循“一鉆孔一拷貝”原則，備份存貯時間不少于1年。

4 鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

通過對系統(tǒng)的使用要求和應(yīng)用環(huán)境的調(diào)研和分析，對涉及系統(tǒng)組成的相關(guān)設(shè)備及材料進行市場調(diào)研和比較分析，對煤礦現(xiàn)有可利用網(wǎng)絡(luò)資源進行調(diào)研和分析。通過綜合分析，以系統(tǒng)建設(shè)性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟實用為原則，充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

4.1 系統(tǒng)主要組成

鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括地面監(jiān)控中心、網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺、移動部分三大部分。

(1)地面監(jiān)控中心主要由監(jiān)控主機、數(shù)字硬盤錄像機(NVR)、視頻解碼器和監(jiān)控大屏幕等組成。地面監(jiān)控中心主要用于在地面遠程視頻監(jiān)控井下瓦斯抽放鉆場實時作業(yè)現(xiàn)狀，監(jiān)控主機主要用于管理和控制整個系統(tǒng)；數(shù)字硬盤錄像機(NVR)存儲錄制的井下瓦斯抽放鉆場實時作業(yè)錄像，可供相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、管理部門及其工作人員實時查看，可供回放已存儲的打鉆視頻，為事后調(diào)查提供依據(jù)；視頻解碼器的主要作用在于將接收到的前端礦用本安型攝像儀編碼圖像進行解碼，然后輸出顯示到大屏幕上，大屏幕用于展示井下瓦斯抽放鉆場實時作業(yè)視頻，方便監(jiān)控中心監(jiān)控人員觀看。

圖1 鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

(2)網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺主要依托煤礦原有局域網(wǎng)及其井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)延伸器等組成。在依托煤礦自身的局域網(wǎng)和井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，在瓦斯抽放巷道口安裝網(wǎng)絡(luò)延伸器，本網(wǎng)絡(luò)延伸器具有VDSL2技術(shù)功能，用光纖連接到井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)的交換機上，形成了鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺。

(3)移動部分主要由應(yīng)用VDSL2技術(shù)的便攜礦用攝像儀、礦用隔爆兼本安電源和礦用通訊電纜等組成。便攜礦用攝像儀通過礦用通訊電纜對接到巷道口的網(wǎng)絡(luò)延伸器，這樣便攜礦用攝像儀就能在瓦斯抽放巷道內(nèi)靈活移動。

4.2 系統(tǒng)工作原理

鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過便攜礦用攝像儀采集到的打鉆現(xiàn)場的視頻信息，通過通訊電纜傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)延伸器，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺將信息傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心數(shù)字硬盤錄像機(NVR)存儲，通過視頻解碼器傳輸?shù)酱笃聊簧?，監(jiān)控主機對整個系統(tǒng)進行管理和控制。相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、管理部門及其工作人員通過網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺查看打鉆現(xiàn)場的實時視頻和回放歷史監(jiān)控信息。 移動視頻監(jiān)控站隨著打鉆現(xiàn)場的搬遷而遷移。

4.3 系統(tǒng)設(shè)計

鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中充分利用煤礦礦井現(xiàn)有資源，地面監(jiān)控中心放在煤礦統(tǒng)一調(diào)度指揮中心內(nèi)。利用煤礦局域網(wǎng)和調(diào)度監(jiān)控大屏幕，增加監(jiān)控主機、數(shù)字硬盤錄像機(NVR)和視頻解碼器等組成地面監(jiān)控中心部分。利用煤礦局域網(wǎng)及其井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)，增加具有VDSL2技術(shù)功能的網(wǎng)絡(luò)延伸器等組成了系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺。研制了應(yīng)用VDSL2技術(shù)的便攜礦用攝像儀，用礦用通訊電纜連接到網(wǎng)絡(luò)延伸器等形成了移動部分。

5 移動部分設(shè)計

綜合分析移動部分需要考慮的因素后，移動部分設(shè)計的關(guān)鍵是信息穩(wěn)定可靠的傳輸和方便靈活的移動。通過對同類煤礦使用的鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)研和分析，對市面上常用的礦用視頻監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)研和分析，對可組成鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備和線纜的調(diào)研和分析，對網(wǎng)絡(luò)延伸器進行剖析，最終選擇屏蔽礦用雙絞線電纜作為信息傳輸載體，研制應(yīng)用VDSL2技術(shù)的便攜礦用攝像儀組成移動部分。

5.1 傳輸技術(shù)及設(shè)備的選擇

監(jiān)控攝像儀采集的信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)傳輸平臺可以選擇無線和有線兩種傳輸方式。選擇無線傳輸方式時，雖然移動方便了，但是效果不理想。選擇有線傳輸方式時，如果用光纖傳輸光纜作為傳輸介質(zhì)，由于光纜存在線纜較粗、硬度大、不便移動、熔接難度大以及熔接技術(shù)措施復(fù)雜等原因，因此不便用于井下瓦斯抽放巷鉆場工作面；如果用網(wǎng)線作為傳輸介質(zhì)，最大傳輸距離約為100 m，不能滿足要求。考慮到監(jiān)控攝像儀在2 km左右狹窄的巷道內(nèi)移動方便的問題，用VDSL2技術(shù)來解決網(wǎng)絡(luò)傳輸問題是目前比較理想的解決方案，因為VDSL2技術(shù)可以用雙絞線通訊電纜作為信息傳輸介質(zhì)，其信息傳輸距離能達到2 km的要求，而且又方便移動。

5.1.1 VDSL2技術(shù)簡介

VDSL2技術(shù)類似ADSL及ADSL2+技術(shù)，采用DMT調(diào)制，頻率范圍能夠增加到30 MHz，是可以提供高達100 Mbps帶寬的一種通信技術(shù)。VDSL2技術(shù)支持語音、視頻、數(shù)據(jù)、HDTV和互動游戲等三網(wǎng)合一的業(yè)務(wù)廣泛部署。VDSL2技術(shù)主要具有能夠?qū)崿F(xiàn)100 Mbit/s數(shù)據(jù)傳送速率、傳輸距離最遠可達4.5 km左右、兼容ADSL2+技術(shù)、更為完善的PSD控制、更好的視頻業(yè)務(wù)支持、提高故障定位準確率和維修效率等特點。

5.1.2 網(wǎng)絡(luò)延伸器

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，南京北路自動化公司的網(wǎng)絡(luò)延伸器采用VDSL2技術(shù)制造，可以滿足系統(tǒng)的要求。該網(wǎng)絡(luò)延伸器是礦用本質(zhì)安全型通信設(shè)備，適合用于瓦斯突出煤礦井下有瓦斯和煤塵爆炸危險的區(qū)域使用。能進行以太網(wǎng)電信號與XDSL信號的相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)點到點遠距離通信。用雙絞線作為通信傳輸介質(zhì)，可以實現(xiàn)井下瓦斯抽放巷鉆場在2 km左右范圍內(nèi)移動作業(yè)的需要。此外，設(shè)備之間還可以級聯(lián)。

該礦用本安型網(wǎng)絡(luò)延伸器主要由網(wǎng)絡(luò)處理、MCU和模擬處理等部分組成。TCP/IP信號經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理部分處理后將數(shù)據(jù)傳送給MCU，MCU將數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換后經(jīng)模擬處理部分處理使用雙絞線進行數(shù)據(jù)傳輸。

5.2 通訊電纜的選擇

采用VDSL2技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)延伸器信息傳輸需要用到雙絞線通訊電纜，既要考慮井下瓦斯抽放巷鉆場干擾問題，又要考慮2 km左右視頻信息傳輸速率的滿足問題，選擇使用MHYV 2×2×0.97 mm2礦用屏蔽雙絞線通信電纜。

5.3 攝像儀的選擇

礦用攝像儀種類繁多，按照防爆型式分為隔爆兼本安型攝像儀和本安型攝像儀兩種，按照傳輸信號不同可分為數(shù)字攝像儀和模擬攝像儀兩類。綜合比較分析不同種類和不同傳輸方式的優(yōu)缺點后，本系統(tǒng)選擇礦用本安型數(shù)字攝像儀，因為數(shù)字攝像儀方便連接網(wǎng)絡(luò)延伸器，如果用模擬型攝像儀，需要加裝編碼器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號連接網(wǎng)絡(luò)延伸器，這樣就增加了移動設(shè)備，礦用本安型攝像儀比隔爆型攝像儀較輕且又移動方便。

6 便攜礦用攝像儀的研制

考慮選擇市場的現(xiàn)有設(shè)備，鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)初步設(shè)計方案如圖2所示。

由圖2可知，隨著瓦斯抽放鉆場設(shè)備的搬遷，需要跟隨移動的監(jiān)控設(shè)備有1個攝像儀、1個網(wǎng)絡(luò)延伸器、2個本安電源以及4根電源線和2根通訊電纜，共計4個設(shè)備和6根連接線。

通過進一步對網(wǎng)絡(luò)延伸器深入分析與研究，將VDSL2技術(shù)集成到攝像儀中，研制應(yīng)用VDSL2技術(shù)的便攜礦用攝像儀，這樣可以去掉網(wǎng)絡(luò)延伸器，減少移動設(shè)備的數(shù)量，優(yōu)化后的移動部分設(shè)計方案如圖3所示。

由圖3可知，優(yōu)化后的移動部分減少到1個便攜礦用攝像儀、1個本安電源、2根電源線和1根通訊電纜，共計2個設(shè)備和3根連接線。與圖2所示方案相比，需要移動的設(shè)備及電纜減少了1倍，不僅減輕了工人的勞動強度，而且減少了移動部分調(diào)試的時間。

6.1 便攜礦用攝像儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

便攜礦用攝像儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 便攜礦用攝像儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

該便攜礦用攝像儀主要由攝像頭、編碼器、VDSL2技術(shù)模板和電源模塊等部分組成。攝像頭采集的視頻信號通過編碼器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,通過VDSL2技術(shù)模板處理，進行以太網(wǎng)電信號與XDSL信號的相互轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過通訊電纜傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)延伸器，將鉆場監(jiān)控視頻實時傳送到監(jiān)控中心。電源模塊給其他子模塊供電。樣機實物和樣機內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示。

6.2 便攜礦用攝像儀的特點

便攜攝像儀含有VDSL2技術(shù)，可以直接用雙絞線電纜遠距離傳輸視頻信號，做到在煤礦井下瓦斯抽放巷道內(nèi)完全不使用光纜。該攝像儀具有兩個RJ11接口和兩個RJ45接口，方便攝像儀在2 km內(nèi)級聯(lián)使用，可以解決在一個巷道內(nèi)一條鏈路監(jiān)控多個鉆場作業(yè)。本攝像儀采用長方形殼體，能夠有效利用空間，本安型設(shè)計使得該攝像儀的移動和維護更加方便。

圖5 樣機實物

圖6 樣機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

6.3 樣機測試

6.3.1 帶寬測試

為了保證便攜礦用攝像儀在應(yīng)用中能夠滿足帶寬和距離的要求，在實驗室選用KJJ12礦用本安型網(wǎng)絡(luò)延伸器、礦用通信電纜、聯(lián)想電腦以及便攜礦用攝像儀樣機等設(shè)備搭建了測試環(huán)境，使用Chariot帶寬測試工具測量帶寬。便攜礦用攝像儀傳輸帶寬測試連接如圖7所示。

圖7 便攜礦用攝像儀傳輸帶寬測試連接

測試結(jié)果表明，礦用通信電纜在2 km時，帶寬可以達到53 Mbps。將礦用通信電纜增加到3.6 km時，帶寬只有9 Mbps。從測試結(jié)果可以看出來，隨著通訊電纜長度的增加，實際帶寬越來越小?？紤]到實際現(xiàn)場環(huán)境的影響，在實際應(yīng)用中，在礦用通信電纜2 km左右距離時實際帶寬可以達到20 Mbps以上，理論上可以串聯(lián)4～5個攝像儀。

6.3.2 圖像效果測試

在實驗室選用KJJ12礦用本安型網(wǎng)絡(luò)延伸器、海康威視8616數(shù)字硬盤錄像機、華三千兆網(wǎng)絡(luò)交換機、聯(lián)想電腦以及便攜礦用攝像儀樣機等設(shè)備搭建了測試環(huán)境，并在8616數(shù)字硬盤錄像機上保存新型攝像儀樣機的錄像。便攜礦用攝像儀樣機圖像效果測試連接如圖8所示。

圖8 便攜礦用攝像儀樣機圖像效果測試連接

采用便攜礦用攝像儀樣機對中國平煤神馬集團十二礦井下瓦斯抽放巷鉆場作業(yè)現(xiàn)場進行了井下實測，測試效果如圖9所示。

圖9 便攜礦用攝像儀樣機實測效果

7 應(yīng)用效果

采用VDSL2技術(shù)的鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在河南能源化工集團、中國平煤神馬集團、鄭煤集團、陽煤集團、晉煤集團等煤炭企業(yè)的幾十家煤礦。該系統(tǒng)的建設(shè)順應(yīng)了當前嚴峻的煤礦瓦斯治理的安全形勢，為礦井的安全生產(chǎn)打下了堅實的基礎(chǔ)，能夠保障礦井安全工作的順利進行，也為井下職工的生命財產(chǎn)安全提供了有力保障。

鉆場視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)充分利用了煤礦的現(xiàn)有資源，減少了成本。該系統(tǒng)優(yōu)化了煤礦瓦斯鉆孔施工現(xiàn)場管理模式，縮減了監(jiān)鉆工人，實現(xiàn)減人提效。

通過地面全程監(jiān)控井下打鉆情況，從源頭上杜絕了施工人員謊報進尺、違章操作甚至打假孔等危及安全生產(chǎn)的事件發(fā)生，做到了“預(yù)防為主”，提高了鉆場管理水平。