李占海

（華陽集團(tuán) 一礦，山西 陽泉 045000）

1 概 況

煤礦礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)主要組成部分一般包括傳感器、變電站、電源、傳輸接口、地面上位機(jī)、系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)傳輸電纜等，監(jiān)控系統(tǒng)按照順序檢測(cè)獲取監(jiān)控分站數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行分析，對(duì)異常信息進(jìn)行顯示，比如報(bào)警、停電等，相關(guān)人員根據(jù)實(shí)時(shí)信息進(jìn)行相應(yīng)處理，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控、保障煤礦安全生產(chǎn)的目的。但傳統(tǒng)的煤礦礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)常存在誤報(bào)警的問題，常見誤報(bào)警原因有很多，如傳感器傳輸易受電磁干擾、各系統(tǒng)間聯(lián)動(dòng)性差、設(shè)備智能化程度低等，誤報(bào)警對(duì)礦井安全管理帶來諸多困擾，因此對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化和誤報(bào)警的防控非常重要。

華陽一礦2021 年安全監(jiān)控系統(tǒng)共發(fā)生誤報(bào)警次數(shù)55 次，其中現(xiàn)場(chǎng)管理31 次，傳感器故障24次；從傳感器角度而言，風(fēng)速傳感器故障23 次、溫度傳感器7 次，甲烷傳感器16 次，詳見表1。

表1 傳感器誤報(bào)警統(tǒng)計(jì)Table 1 Sensor false alarm statistics

2 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)誤報(bào)警特征識(shí)別和判斷

此次對(duì)華陽一礦安全監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警軟件識(shí)別流程如圖1 所示。在誤報(bào)警判斷時(shí)，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)值的增長超過最大理論增長值或傳感器頻率增加一倍時(shí)，認(rèn)為監(jiān)測(cè)值發(fā)生異常變化（需要注意傳感器是否處于校準(zhǔn)狀態(tài)）。此時(shí)對(duì)相應(yīng)位置進(jìn)行巡檢，當(dāng)檢查結(jié)果未發(fā)現(xiàn)異常和不正確的情況，且監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)控值恢復(fù)到正常范圍，則認(rèn)為是系統(tǒng)產(chǎn)生了誤報(bào)警。

圖1 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警軟件識(shí)別流程Fig.1 Alarm software identification process of mine safety monitoring system

3 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)誤報(bào)警原因分析

華陽一礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)Fig.2 Overall structure of mine safety monitoring system

3.1 現(xiàn)場(chǎng)管理原因分析

3.1.1 傳感器安裝不規(guī)范

華陽一礦主要使用2 種風(fēng)速傳感器，第一種通過測(cè)量巷道全壓、靜壓，進(jìn)行差值計(jì)算得出動(dòng)壓，然后用檢測(cè)元件將所得值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)風(fēng)速；第二種運(yùn)用卡曼渦街原理，該傳感器需安裝在風(fēng)流穩(wěn)定區(qū)域，且與風(fēng)流方向相平行，以保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。而出現(xiàn)誤報(bào)警原因主要是第二種風(fēng)速傳感器在安裝后，風(fēng)流方向可能會(huì)出現(xiàn)不一致的情況；另外就是在移動(dòng)、擦試傳感器時(shí)，由于操作不當(dāng)，造成監(jiān)測(cè)值低值報(bào)警。

3.1.2 傳感器碰撞、受潮、進(jìn)水

（1） 甲烷傳感器碰撞。甲烷傳感器在作業(yè)中易出現(xiàn)碰撞、跌落等情況，同時(shí)巷道運(yùn)輸大型物資時(shí)，也容易擠壓、撞擊傳感器，傳感器遭到碰撞后，內(nèi)部元件可能會(huì)松動(dòng)或損壞，從而引發(fā)誤報(bào)警。

為驗(yàn)證傳感器跌落或受到撞擊是否會(huì)引起誤報(bào)警，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。選擇華陽一礦主要使用的CJG100J 型礦用激光甲烷傳感器及GJC4 載體催化元件甲烷傳感器分別進(jìn)行撞擊試驗(yàn)（自由跌落），模擬傳感器在巷道頂部垂直高度2.5 m 處墜落。實(shí)驗(yàn)中，激光甲烷傳感器第一次、第二次跌落未發(fā)生報(bào)警，第三次才出現(xiàn)誤報(bào)警；而載體催化元件甲烷傳感器發(fā)生撞擊就會(huì)誤報(bào)警。

通過查閱資料，《煤礦用低濃度載體催化式甲烷傳感器》中規(guī)定，載體催化式甲烷傳感器的跌落高度是0.5 m，因此正常使用時(shí)候的自由滑落基本沒有影響，但在華陽一礦實(shí)際應(yīng)用中，傳感器吊掛高度通常在2.0 m 以上，傳感器一旦墜落，可靠性大幅降低。針對(duì)該情況，華陽一礦在載體催化式甲烷傳感器鄰近，增設(shè)激光甲烷傳感器，以提高報(bào)警準(zhǔn)確度。

（2） 傳感器受潮、進(jìn)水。傳感器內(nèi)部各元器件通過線路連接，元器件、電路遇到水蒸氣時(shí)，可能會(huì)造成短路，導(dǎo)致誤報(bào)警。

載體催化元件甲烷傳感器工作原理是通過黑白元件化學(xué)反應(yīng)檢測(cè)甲烷濃度，氣室進(jìn)水會(huì)導(dǎo)致黑白元件反應(yīng)不準(zhǔn)確。激光甲烷傳感器工作原理是通過光監(jiān)測(cè)氣室甲烷濃度，對(duì)水汽敏感度低。

為驗(yàn)證激光甲烷傳感器對(duì)受潮、進(jìn)水是否會(huì)誤報(bào)警，選擇華陽一礦主要使用的CJG100J 激光甲烷傳感器進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)水汽進(jìn)入氣室時(shí)未發(fā)生誤報(bào)警；水流成股朝進(jìn)氣道噴射時(shí)，氣室內(nèi)未進(jìn)水，沒發(fā)生報(bào)警；水流直接朝進(jìn)氣口噴射時(shí)，水流進(jìn)入氣室，傳感器發(fā)生誤報(bào)警。因此，激光甲烷傳感器對(duì)受潮、進(jìn)水敏感度較低。

3.2 傳感器自身故障分析

3.2.1 量程不足

從表1 可以看出，風(fēng)速傳感器常因量程不足造成誤報(bào)警。究其原因，華陽一礦使用的風(fēng)速傳感器量程大多在0.4～15 m/s，但實(shí)際生產(chǎn)中，風(fēng)速正常情況下也可能會(huì)小于0.4 m/s，出現(xiàn)誤報(bào)警。

3.2.2 抗干擾能力不高

載體甲烷傳感器黑白元件內(nèi)部電橋處于平衡狀態(tài)，一旦遇到振動(dòng)、電流沖擊、電磁干擾等，易引發(fā)電橋電流失衡，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性下降，引發(fā)誤報(bào)警。

3.2.3 超期使用

華陽一礦部分傳感器存在超期使用的情況，即使進(jìn)行校準(zhǔn)、維護(hù)，傳感器自身精度、穩(wěn)定性可能也無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，傳感器數(shù)據(jù)測(cè)量精度不足、運(yùn)行穩(wěn)定性下降，引發(fā)誤報(bào)警。

3.3 變頻設(shè)備對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生干擾

華陽一礦10 采區(qū)誤報(bào)警次數(shù)較多，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)誤報(bào)警的時(shí)段和變頻絞車運(yùn)行時(shí)段相吻合，懷疑是變頻系統(tǒng)造成的。

為驗(yàn)證這一推斷，將人工檢測(cè)瓦斯與監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在變頻絞車運(yùn)行時(shí)，人工測(cè)量值和監(jiān)控系統(tǒng)值偏差較大，詳見表2。

表2 絞車運(yùn)行時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)與人工測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Comparison of monitoring system data and manual measurement data during winch operation

可見，變頻絞車運(yùn)行時(shí)，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)出不良影響。分析其原因，變頻器設(shè)備理想情況下輸出的是高壓正弦波，由于變頻器供電的異步電動(dòng)機(jī)具有電流-轉(zhuǎn)矩特性，造成變頻器輸出波形，除高壓正弦波外，伴有若干高次諧波，使得變頻器輸出線和地面質(zhì)檢及電機(jī)與地面之間出現(xiàn)分布電容，出現(xiàn)高次諧波電流（包含諸多奇次諧波成分），造成電源干擾、感應(yīng)干擾、輻射干擾。

4 防治措施

4.1 規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)管理

加強(qiáng)對(duì)作業(yè)人員的培訓(xùn)，提高技能水平。加大對(duì)傳感器的使用情況巡查力度，在條件允許的情況下調(diào)整傳感器安裝位置。井下潮濕、灑水除塵時(shí)，對(duì)傳感器采取放水保護(hù)措施。巷道運(yùn)輸、檢修作業(yè)等，應(yīng)盡量避免碰撞傳感器。必要時(shí)增設(shè)激光傳感器，提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。

甲烷傳感器安裝在濕度較大的環(huán)境中，使用1個(gè)月后必須吊起維護(hù)，干燥并校準(zhǔn)合格后方可使用。每周進(jìn)行1 次甲烷傳感器的測(cè)試、校準(zhǔn)，對(duì)氣體傳感器進(jìn)行準(zhǔn)確性測(cè)試。傳感器盡量不安裝在變頻設(shè)備附近；若無法避免，則將傳感器的通訊方式由頻率輸送改為RS-485 數(shù)字通訊，避免因干擾造成誤報(bào)警。

4.2 改進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)

軟件方面，改進(jìn)監(jiān)視定時(shí)器電路，設(shè)置軟件陷阱及地址攔截、軟件冗余設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理；硬件方面，對(duì)設(shè)備外殼進(jìn)行屏蔽，并做好可靠接地，降低空間電磁輻射干擾；提高電源抗干擾能力，增設(shè)交流穩(wěn)壓器、隔離變壓器、低通濾波器、平滑濾波器等設(shè)施。盡可能采用整段電纜，少用接頭或接線盒。嚴(yán)禁使用不合格的連接器、接線盒。

4.3 改善外環(huán)境

監(jiān)測(cè)電纜和變頻絞車電纜分開敷設(shè)，間距不小于1 500 mm 或者布置在不同巷道。工作面監(jiān)控線纜與電源線之間的距離應(yīng)大于100 mm，監(jiān)控線纜之間的距離應(yīng)大于50 mm，以避免信號(hào)干擾；變頻絞車和安全監(jiān)控系統(tǒng)分開供電，避免高次諧波直接傳導(dǎo)干擾電流途徑；變頻系統(tǒng)中，增設(shè)交流、直流電抗器，降低諧波干擾。

5 結(jié) 語

本文以華陽一礦安全監(jiān)控系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了該礦安全監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際使用中常見的誤報(bào)警情況，對(duì)其產(chǎn)生的原因研究試驗(yàn)，并提出一些改進(jìn)措施。通過對(duì)華陽一礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化，誤報(bào)警次數(shù)大幅度降低，2022 年僅出現(xiàn)3 次誤報(bào)警，是2021 年度的5.5%，達(dá)到預(yù)期效果，為煤礦安全高效生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。