龐 宏

(潞安化工集團(tuán)公司 科技研發(fā)中心，山西 長(zhǎng)治 046204)

煤礦瓦斯事故監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用甲烷傳感器對(duì)井下的瓦斯含量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，在收集到相關(guān)數(shù)據(jù)后將其輸入到控制系統(tǒng)中，如數(shù)據(jù)異常將對(duì)井下工作人員發(fā)出警報(bào)，并詳細(xì)給出撤退路線。在當(dāng)前的煤礦安全生產(chǎn)中，安全監(jiān)控系統(tǒng)已能準(zhǔn)確對(duì)礦井有害氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制；井下人員作業(yè)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)對(duì)井下工作人員的工作面地點(diǎn)和人員數(shù)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但兩個(gè)系統(tǒng)要聯(lián)動(dòng)起來(lái)就比較困難，而我們提出的煤礦瓦斯事故監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)對(duì)瓦斯傳感器監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)井下人員佩戴的識(shí)別卡對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的工作人員發(fā)出指令。通過(guò)該系統(tǒng)可以在最短的時(shí)間里最大限度地保障勞動(dòng)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 煤礦瓦斯爆炸事故的監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)功能

1) 實(shí)時(shí)采集井下瓦斯數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，對(duì)異常區(qū)域發(fā)出警報(bào)。其一為自主預(yù)警系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)瓦斯含量超限時(shí)，傳感器自身會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，提示作業(yè)人員采取相關(guān)措施；其二當(dāng)瓦斯含量達(dá)到斷電的設(shè)定值時(shí)，數(shù)據(jù)傳入到控制系統(tǒng)中，由控制系統(tǒng)對(duì)相關(guān)區(qū)域的電氣設(shè)備實(shí)施斷電功能[1]。

2) 與礦井的排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，及時(shí)對(duì)巷道內(nèi)集聚的瓦斯進(jìn)行有效排除。在當(dāng)前的煤礦生產(chǎn)中，已經(jīng)建設(shè)了排風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)將直接決定對(duì)瓦斯的排除效率。在智能化系統(tǒng)快速發(fā)展的今天，將瓦斯事故監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)與排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行有效銜接能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)排風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的自主控制，解決了人工操作模式中存在的操作失誤和效率較低的問(wèn)題。

3) 對(duì)超限區(qū)域的工作人員發(fā)出撤離信號(hào)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的瓦斯含量達(dá)到設(shè)定的危險(xiǎn)預(yù)警值時(shí)會(huì)應(yīng)用無(wú)線信號(hào)系統(tǒng)向工作人員發(fā)送撤離指令，及時(shí)準(zhǔn)確地給井下人員提供撤離路線，最大限度地保障礦工的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2 煤礦瓦斯爆炸事故的監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)整體構(gòu)建思路

煤礦瓦斯事故預(yù)警系統(tǒng)主要建設(shè)思路為構(gòu)建應(yīng)用層、感知層和傳輸層，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1：

圖1 預(yù)警系統(tǒng)的三個(gè)層級(jí)示意

2.1 應(yīng)用層

從應(yīng)用層的設(shè)備和功能可以看出，該部分內(nèi)容為整個(gè)預(yù)警系統(tǒng)的核心組成部分，所以在系統(tǒng)的建設(shè)中，將應(yīng)用計(jì)算機(jī)設(shè)備對(duì)井下瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與研究，所以該部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括以下方面：

1) 硬件設(shè)備設(shè)計(jì)。硬件設(shè)備包括通信線纜、端口、計(jì)算機(jī)設(shè)備等內(nèi)容，在應(yīng)用層的設(shè)計(jì)中，各類數(shù)據(jù)傳輸線纜需要與計(jì)算機(jī)進(jìn)行有效連接，從而讓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠有效獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

2) 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)發(fā)揮的主要作用為對(duì)井下的瓦斯含量數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，所以在相關(guān)軟件的設(shè)置中，編程過(guò)程要對(duì)瓦斯含量的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行設(shè)定，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ却_定井下環(huán)境的安全程度。

2.2 傳輸層

傳輸層為對(duì)數(shù)據(jù)和信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)膶蛹?jí)，傳輸層在運(yùn)行過(guò)程中將發(fā)揮兩個(gè)作用，其一將井下瓦斯含量數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層中，其二將應(yīng)用層發(fā)出的信號(hào)傳遞到井下工作人員的終端設(shè)備和排風(fēng)系統(tǒng)的控制體系中。在前者的運(yùn)行過(guò)程中，可以通過(guò)傳感器將瓦斯含量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，應(yīng)用通信線纜將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。對(duì)于后者，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)會(huì)應(yīng)用另一線路傳遞到相關(guān)設(shè)備中。尤其是對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)的控制線路來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)強(qiáng)度不能直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，所以在具體的設(shè)計(jì)中，需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大，以達(dá)到應(yīng)有的控制效果[2]。

2.3 感知層

感知層最重要的作用為對(duì)井下數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)傳送到計(jì)算機(jī)控制中樞中。感知層的器件包括標(biāo)簽讀寫(xiě)器、傳感器和攝像頭。標(biāo)簽讀寫(xiě)器通常用于定位系統(tǒng)中，通過(guò)這些設(shè)備的應(yīng)用能夠確定井下不同區(qū)域空氣中的瓦斯?jié)舛?，并在?jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行中向相關(guān)區(qū)域工作人員發(fā)出警報(bào)信息。至于傳感器與攝像頭，這兩者共同的作用下能夠探究井下工作人員的撤離情況，并讓地面工作人員了解井下的生產(chǎn)情況。在感知層的總體設(shè)計(jì)中，需要對(duì)這三種設(shè)備進(jìn)行合理配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下工作環(huán)境的全面把控。

3 煤礦瓦斯爆炸事故的監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建方案

3.1 人員管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感器是整個(gè)預(yù)警系統(tǒng)中的重要組成部分，傳感器的作用為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下不同區(qū)域的瓦斯含量。隨著井下工作深度的推進(jìn)，傳感器系統(tǒng)也需要進(jìn)行全面鋪排，以達(dá)到采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和無(wú)死角的目的。通常情況下，在井下工作人員的工作區(qū)域更容易產(chǎn)生瓦斯超標(biāo)現(xiàn)象，所以在該區(qū)域的進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)、上隅角等重點(diǎn)區(qū)域布置瓦斯傳感器，同時(shí)為了能夠讓地面工作人員了解傳感器的運(yùn)行位置，還需要應(yīng)用RFID芯片對(duì)傳感器的位置進(jìn)行定位，這種芯片需要安裝在傳感器附近，并在安裝完成后應(yīng)用手持設(shè)備對(duì)芯片進(jìn)行掃描，將芯片的位置信息傳入數(shù)據(jù)庫(kù)，最終在數(shù)據(jù)庫(kù)中建成傳感器的分布網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)某一傳感器發(fā)出瓦斯含量警報(bào)時(shí)，可以通過(guò)對(duì)芯片信息的收集準(zhǔn)確對(duì)報(bào)警傳感器的位置進(jìn)行定位，結(jié)合工作人員佩戴的人員識(shí)別卡，系統(tǒng)能夠?qū)ο嚓P(guān)區(qū)域的工作人員發(fā)出告警信息，并發(fā)出撤退指令。

3.2 傳感器設(shè)置

在煤礦安全管理中，最重要的就是對(duì)井下作業(yè)人員進(jìn)行全面有效的管理。人員管理系統(tǒng)作為瓦斯事故監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的子系統(tǒng)，可以通過(guò)設(shè)置電子標(biāo)識(shí)了解井下作業(yè)人員的數(shù)量，在相關(guān)區(qū)域設(shè)置識(shí)別設(shè)備，同時(shí)為每名工作人員佩戴的標(biāo)識(shí)卡設(shè)立編碼。在人員管理數(shù)據(jù)庫(kù)中將所有編碼與工作人員的信息建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，在預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行中，能夠讓地面控制人員及時(shí)準(zhǔn)確地了解井下人員的信息。而且要建立井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為瓦斯事故監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的另外一個(gè)子系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的攝像頭要覆蓋整個(gè)作業(yè)區(qū)域，通過(guò)對(duì)視頻影像的觀察與分析，能夠了解不同區(qū)域的工作人員分配情況，從而讓地面調(diào)度員及時(shí)調(diào)度相關(guān)人員到達(dá)指定地點(diǎn)并完成任務(wù)。

3.3 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用的方案為架設(shè)一套專用的局域網(wǎng)，局域網(wǎng)的初始端為系統(tǒng)中最前端的傳感器，為了提高信號(hào)的抗干擾性，可以應(yīng)用光纖線纜進(jìn)行信息傳遞，將井下的實(shí)時(shí)信號(hào)傳遞到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，并由計(jì)算機(jī)對(duì)傳感器獲取的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比和分析。通信系統(tǒng)分為井下的有線通信系統(tǒng)和無(wú)線通信系統(tǒng)兩種。有線通信用于井上下語(yǔ)音通話，大巷信號(hào)傳輸?shù)龋辉谝恍┨厥獾墓ぷ鲄^(qū)域可以應(yīng)用無(wú)線通信設(shè)備，根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱，來(lái)確定無(wú)線信號(hào)設(shè)備的數(shù)量，最大程度地提高信號(hào)的傳播效果。

3.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在瓦斯事故監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)一些電氣設(shè)備的控制，主要為井下通風(fēng)系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中設(shè)置瓦斯含量的安全值，對(duì)井下的實(shí)時(shí)瓦斯含量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)瓦斯含量超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出排氣設(shè)備的運(yùn)行信號(hào)，以改善井下的空氣環(huán)境。在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以應(yīng)用PID系統(tǒng)進(jìn)行控制，該系統(tǒng)能夠發(fā)揮對(duì)作用信號(hào)的放大效果，同時(shí)也擁有較高的抗干擾性，能夠滿足井下復(fù)雜多變的環(huán)境[3]。

為了能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)完善，需要建設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中涵蓋的信息包括不同時(shí)間段內(nèi)井下不同區(qū)域的瓦斯含量，該項(xiàng)數(shù)據(jù)能夠?yàn)榧夹g(shù)人員了解當(dāng)前井下瓦斯控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)能夠記錄井下工作人員數(shù)量和工作人員的基本信息。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)建設(shè)還需要考慮數(shù)據(jù)庫(kù)信息的安全性，如架構(gòu)ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)有很高的易操作性，并且有很高的安全保障能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，煤礦瓦斯事故監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)需要將整個(gè)系統(tǒng)分為應(yīng)用層、感知層和傳輸層，在具體的設(shè)計(jì)中，內(nèi)容包括控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、人員管理系統(tǒng)和瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)應(yīng)用相關(guān)技術(shù)對(duì)傳感器和人員的位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，從而確定各個(gè)區(qū)域的瓦斯含量和工作人員分布情況，當(dāng)遇到瓦斯超限或瓦斯事故中提前預(yù)警，為井下作業(yè)人員提供安全保障，也為礦井災(zāi)害預(yù)防提供重要支撐。