王 飛

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦， 山西 霍州 031412）

引言

隨著對煤礦資源的大量開采，保障井下作業(yè)的安全性，便成為了政府及企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的方向，而實(shí)時(shí)對井下瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測成為整個(gè)礦井安全化生產(chǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。當(dāng)井下瓦斯?jié)舛冗^大時(shí)，若無法及時(shí)檢測，極易發(fā)生瓦斯爆炸[1]。而當(dāng)前雖在井下建立了瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控系統(tǒng)，卻無法滿足煤礦開采規(guī)模的逐步擴(kuò)大需求，所監(jiān)控范圍也相對較小，加上井下環(huán)境的惡性性、復(fù)雜性、電磁干擾性相對較大，導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)所檢測的瓦斯?jié)舛刃盘栞^差，系統(tǒng)總體處理能力也嚴(yán)重偏弱，對于復(fù)雜信號，更是無法準(zhǔn)確識(shí)別，高瓦斯?jié)舛鹊穆﹫?bào)、誤報(bào)異常，將給礦井的安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重影響[2]。為此，煤礦企業(yè)應(yīng)建立一套完整的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控系統(tǒng)。

1 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整套瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控系統(tǒng)包括設(shè)備層、交換層和信息層，其中，設(shè)備層選用了KG970 型瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、KGF15 型風(fēng)速傳感器、GW50 型溫度傳感器等部件，是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的底層部分，主要通過分布的各類傳感器，對井下瓦斯?jié)舛?、溫度等進(jìn)行檢測，并將采集的模擬量、開關(guān)量等信號進(jìn)行前期處理后，發(fā)送至交換層中的監(jiān)控分站進(jìn)行分析處理[3-4]。而交換層則主要設(shè)計(jì)了監(jiān)控分站、光端機(jī)、交換機(jī)、服務(wù)器、光纖等部件，負(fù)責(zé)接收設(shè)備層輸入的檢測信號進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算、處理及判斷，保證其他各部件的持續(xù)供電等功能。是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心層。信息層是監(jiān)控系統(tǒng)的頂層部分，設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)服務(wù)器、路由器、監(jiān)控中心等部分，與交換層之間采用了RS485 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可將分析處理后的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)方式，在計(jì)算機(jī)顯示界面中進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示及分析，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^安全預(yù)警值時(shí)，監(jiān)控中心將會(huì)發(fā)出安全報(bào)警提示，且在顯示界面中將當(dāng)前的瓦斯?jié)舛戎导拔ｋU(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行報(bào)警顯示，同時(shí)，自動(dòng)切斷井下供電電網(wǎng)。在整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中，設(shè)備層交換層主要安裝在井下復(fù)雜環(huán)境，在運(yùn)行過程中最易出現(xiàn)線路破損、線路老化、數(shù)據(jù)信號的電磁干擾等問題，部件的故障率相對較高，維修及安全防護(hù)壓力相對較大。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架圖如圖1 所示。

2 監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 甲烷傳感器選型設(shè)計(jì)

甲烷傳感器是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件，主要負(fù)責(zé)通過自身內(nèi)部的檢測算法，對井下的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測，所采集數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D 信號轉(zhuǎn)換后，傳輸至交換層監(jiān)測分站進(jìn)行分析處理，再傳輸至監(jiān)控終端上，形成礦井中實(shí)時(shí)的瓦斯?jié)舛茸兓瘮?shù)據(jù)及曲線[5]。為此，選用了市場上成熟的KG970 型煤礦專用甲烷傳感器，其工作電壓為6～24 V，對甲烷的檢測精度在0～3%范圍內(nèi)，有效傳輸距離達(dá)到了2.5 km，瓦斯?jié)舛葯z測時(shí)間為200 Hz 以上，具有較好的防爆隔爆功能，穩(wěn)定性相對較強(qiáng)，其實(shí)物圖如圖2 所示。

圖1 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖

圖2 KG970 型煤礦專用甲烷傳感器

2.2 監(jiān)控分站設(shè)計(jì)

該監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控分站實(shí)現(xiàn)這接收設(shè)備層檢測信息，并對信息進(jìn)行分析處理，是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的信號處理中心。在該分站設(shè)計(jì)中，采用了12 路開關(guān)量和模擬量信號輸入，2 路累計(jì)量信號及數(shù)字量信號輸入[6]。而分站中的電源箱則選用了KDF 型隔爆防爆電源箱，AC220 V 工作電壓平臺(tái)和多路的500 mA及350 mA 電流信號輸出，可滿足在不少于2 h 的正常工作時(shí)間，且能保證3 km 范圍內(nèi)的持續(xù)供電。另外，該電源箱中通過轉(zhuǎn)換后輸出了DC24 V 和DC12 V 的直流電壓，可為設(shè)備層的各類傳感器提供合理的工作電壓平臺(tái)。井下監(jiān)控分站的實(shí)物圖如圖3 所示。

2.3 系統(tǒng)及信號加載點(diǎn)設(shè)計(jì)

在整套監(jiān)控系統(tǒng)中，工控主機(jī)選用了Windows7系統(tǒng)，運(yùn)行內(nèi)存達(dá)到了4 GB，物理內(nèi)存為500 GB，能較好地保證監(jiān)控系統(tǒng)具有更快的運(yùn)行及響應(yīng)速度。同時(shí)，在信號傳輸方面，采用了RS485 通信接口，傳輸速率為2 400 bit/s，可實(shí)現(xiàn)主機(jī)及監(jiān)控分站之間的雙向?qū)崟r(shí)通訊，顯示屏分辨率達(dá)到了1 920×1 080，所有監(jiān)控及故障信息可通過此顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。另外，該監(jiān)控系統(tǒng)中的信號加載采用了DG1000型的信號發(fā)送器，所發(fā)出信號為正弦的6 mA 電流信號，加載在瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯碾姌蜉敵龆耍峦咚節(jié)舛葌鞲衅髯陨淼倪\(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，實(shí)現(xiàn)上機(jī)位對整套監(jiān)控系統(tǒng)的智能化控制。

圖3 井下監(jiān)控分鐘實(shí)物圖

3 應(yīng)用效果評價(jià)

在完成該瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將其在某煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用測試，測試周期為6 個(gè)月，主要是將該監(jiān)控系統(tǒng)中的各類傳感器安裝于礦井中，而監(jiān)控中心則安裝于監(jiān)控室。在測試過程中，該監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行良好，對井下瓦斯?jié)舛鹊臄?shù)據(jù)檢測迅速，能準(zhǔn)確的將數(shù)值通過顯示界面進(jìn)行顯示，并能將瓦斯?jié)舛鹊臄?shù)據(jù)變化情況繪制為動(dòng)態(tài)變化曲線；同時(shí)，特意檢測了井下瓦斯?jié)舛瘸邎?bào)警情況，此時(shí)該監(jiān)控系統(tǒng)能在顯示界面中及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警提示，并將井下瓦斯?jié)舛冗^高的分布區(qū)域進(jìn)行了顯示提示，達(dá)到了井下瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)監(jiān)控及報(bào)警的目的。該監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅提高了井下作業(yè)效率，也保證了井下瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩秶鷥?nèi)，有效避免了井下出現(xiàn)瓦斯?jié)舛嚷﹫?bào)、誤報(bào)的異常情況發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了井下自動(dòng)化監(jiān)控管理水平。