煤矿瓦斯安全监控系统综述

卢志燕，李如江

（中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051）

1 煤矿安全问题

1.1 研究背景

煤炭是我国重要的基础能源和原料，我国煤炭资源总量位居世界第一，可采储量为2 040亿t，位居世界第二。上世纪80年代以来，随着我国国民经济的快速发展，煤炭消费持续快速增长。然而，由于种种原因和国情决定我国的煤炭行业走的是一条高投入、低产出和高能耗、低回报的粗放型道路。再加上市场因素影响，导致我国煤炭行业畸形发展，由此也引发了一系列矿难。

国家安全生产监督管理总局称：近年我国平均每7.4天发生一起特大煤矿事故。2010年，煤矿事故起数为1 403起、死亡人数2 433人；2011年，全国煤矿发生事故1 201起、死亡1 973人；因此，称我国的煤号为“血煤”。从统计中来看，煤矿的特大事故中，绝大多数是由于瓦斯爆炸，约占总数的70%左右。我国目前国有重点煤矿大多数属于瓦斯矿井，其中高瓦斯爆炸和突出矿井占全国矿井总数44%［1］，因此，预防、控制瓦斯爆炸事故，是实现煤矿安全生产的关键。

1.2 煤矿瓦斯安全监控系统的发展

矿井瓦斯监控技术的发展过程是从低水平到高水平，从简单到复杂。从新中国成立初期到20世纪7O年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定仪、风表等携带式仪器检测井下环境参数。20世纪6O年代初期，我国开始研制载体催化元件，随着敏感元件制造水平的提高和电子技术的发展，特别是大规模集成电路、微型计算机的广泛应用，使监控技术进入了新的发展时期。20世纪70年代瓦斯断电仪的出现使实现了对瓦斯的自动连续监测及超限时自动切断被控设备的电源。随后，陆续研制了便携式瓦斯检测报警仪、瓦斯报警矿灯。1983~1985年，从欧美国家先后引进了数10套监控系统及配套的传感器和便携式仪器装备煤矿矿井，并相应地引进了部分监控系统、传感器和敏感元件制造技术，由此推动了我国矿井安全监测监控技术的发展进程［2］。1983年以后，国内有多种型号矿井监控系统通过了技术鉴定，逐步实现了对矿井安全、生产多种参数的连续监测、监控、数据储存和数据处理。近几年，随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各主要科研单位和生产厂家推出了多种监控系统，监测管理系统由早期的地面单微机监控已发展到网络化监测监控，以及不同监测监控系统的联网监测，完成监控数据的采集、传输、处理及预警控制［3-5］。

1.3 研究意义

一直以来，困扰煤矿安全问题的最大因素就是甲烷的浓度、风井的风速、CO的浓度、矿井下的温度、风井的压力、压力差、人员定位等。随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展，拥有一套可运行的煤矿安全监控软件，对矿井网络数据进行获取、传输、分析、存储。对煤矿生产过程中的基本非安全因素进行全面地监控，并根据用户自身需求，在井安装各种监控设备，指导操作人员对事故早期报警作出迅速有效的反应，帮助操作人员分析事故发生的过程和原因以及可能造成的恶果，给出应采取的步骤和措施，及时向操作人员提出处理建议，给操作人员提供正常操作参考。并且通过超媒体显示井下矿井的实时情况，实现煤矿瓦斯预警监控系统的现代化，使煤矿灾害信息的管理和处理工作更加快捷化、系统化、科学化、规范化。一个功能健全、实时准确的煤矿井下瓦斯安全监控系统对于煤矿安全生产有着重要意义［6］。

2 煤矿瓦斯安全监控系统国内外研究现状

2.1 国外研究现状

20世纪末以来，随着计算机技术、通信技术和微电子技术的发展，先进采煤国家应用机电一体化和自动化技术，实现了煤矿生产过程自动化和集约化生产，开发了全矿井综合自动化监控系统，集语言、数据、图像于一体，融监测、控制、通信功能、无线接入技术于一网，兼容各种专用监控系统功能，覆盖全矿井各生产和生产辅助环节，实现了对综采工作面和矿井运输、通风、排水、供电等设备工况参数以及矿井瓦斯浓度等环境参数的自动化监测。代表性的产品有美国MSA公司生产的DAN6400系统；德国BEBRO公司的PRO⁃MOS系统等。但是这些监控系统运行成本较高，并且系统维护困难，对中国煤矿安全生产帮助较小。

2.2 国内研究现状

1983～1985年，我国煤矿从欧美国家先后引进了数10套不同型号的煤矿安全监控系统。1985年以后，通过消化吸收，先后研制出Ⅺ4、KJ66、KJ70、KJ75、KJ80、KJ90、KJ92等不同型号的监控系统，目前装备的安全监控系统大约有30多种，存在着通用性差、兼容性差、智能程度低等问题。［7,8］

1）现有煤矿安全监控系统大多针对某一监控对象(如环境安全、提升运输、设备开停等)开发，各设备生产厂家缺乏统一标准，从而造成设备、配件互不通用，系统扩展和升级能力差。

2）现有煤矿安全监控系统的通信协议和传输设备物理层协议缺乏统一的标准，上层软件对下层软件的依赖性较大。

3）现有监控软件均为某一监控目的而开发，用户难以通过简单的操作实现多方面监控的目的，只停留在对被监测量的实时采集、存储、超限报警及断电和以曲线、图形和报表形式输出的水平，只实现了对数据的最基本处理和利用。多数监控系统局限于参数的监测，缺少监控能力，更无监管功能，很难实现煤矿安全集中监控和全矿区的监管。对于用户可定制化的需求基本无法满足。

3 目前瓦斯监控系统存在的不足及解决方法

1）当前我们广泛使用的甲烷传感器是由载体催化元件构成。它存在可靠性较差，寿命短，故障率较高、工作稳定性差、调校不方便等问题，严重制约着矿井瓦斯的正常检测。

2）通讯协议不规范，系统各自处于封闭状态，系统无法实现信息资源共享，很难实现更高级别联网及实行监控和管理。

3）目前我国的瓦斯传感器只能对点进行检测，不能对线、面进行检测，且受人为因素影响较大，检测范围具有局限性。

4）传输设备物理接口协议不规范，导致井下分站各不兼容。

5）监控系统的现场管理和维护水平较差。

6）市场秩序亟待规范。针对这些问题我们提出了如下几点解决方法：

（1）研制高可靠性、智能化的瓦斯传感器。利用智能化的系统设备向系统提供更为详细的数据信息，以便防止火灾事故的发生。

（2）应该由相关部门带头，要煤矿企业共同研究制定出监控系统的专业技术标准，应尽快寻找一种解决系统兼容性的途径，或制定相应的专业技术标准。解决了通信协议和传输设备物理协议不统一的问题。

（3）我们除了要实现监控，还应研发出能根据被监测环境地点的参数进行有效危险性判别、分析，并提出专家决策方案的新软件；同时，系统应用软件向网络化发展，按统一格式提供监测数据。

（4）研制智能化的高压开关。高压开关依次向系统提供多参数的信息，如电流、电压、单相/三相漏电电流、开关运行状态、开关机械/电气闭锁状态等。

（5）提高现场管理和对监测系统的维护水平，强化技术培训。

4 瓦斯安全监控系统应该注意的几点问题

1）优化通风网络及通风系统。合理可靠的通风系统是防止瓦斯事故和控制灾害扩大的重要措施，合理的供风量是煤矿安全的重要保障，矿井必须有合理的风量来稀释瓦斯等有害气体。

2）井上、下停电停风的管理。对于掘进工作面停风出现的瓦斯超限的管理工作，采用三专两闭锁、局部通风机独立供电、主备局部通风机自动切换等目前比较成熟的技术，是保证掘进工作面安全供风的有效方法。

3）加强瓦斯管理工作。煤矿企业必须严格控制瓦斯积聚、瓦斯超限，及时解决现场发生的各种瓦斯超限现象。对于经常出现瓦斯超限的地点，在增加风量无效的情况下，必须从源头治理瓦斯。如采用瓦斯抽放、开采解放层等技术。

4）加强煤矿企业自律，严禁瓦斯超限作业。加强煤矿企业自律，严禁瓦斯超限等“三违”现象的发生。煤矿企业自律是保证矿井安全生产的治本之策。美国安全管理工程师海因里希的安全法则提出的一个伤亡事故发生规律为：重伤：轻伤：无伤=1：29：300。根据该法则推测目前煤矿的“三违”现象还十分普遍。“三违”的外在表现是行为，根本在思想。只有煤炭企业自身真正抓安全，安全才有保障。

5 结束语

综上所述，一个功能完善的煤矿瓦斯安全监控系统是实现安全生产的重中之重。煤矿安全监控系统为预防煤矿瓦斯事故发挥了重要作用。拥有一个良好的瓦斯安全监控系统，并且在瓦斯报警信号接收、传感器技术和监控网络三部分做足工作，就能有效预防瓦斯事故的发生。

[1] 刘西青.论国内煤矿瓦斯监测监控系统现状与发展[J].山西焦煤科技，2006(3):37-38.

[2] 董璐.煤矿瓦斯安全监测监控系统的应用探讨[J].科技与生活，2010(14):148-149.

[3] 孙业明.基于TeeChartForNet的分布式煤矿监管系统曲线模块设计[J].煤矿机械,2009(5):197-200.

[4] 杨志强，赵千里，高谦．地下采矿生产事故预报专家系统[J]．岩石力学与工程学报，2000，9(6)：736-741．

[5] 刘祖德.煤矿瓦斯监控系统趋势预测技术[J].煤矿安全,2007,38(3):57-59.

[6] 邓杰.煤矿瓦斯监控系统在使用中存在的问题及解决对策探究[J].硅谷，2011(15):103-104.

[7] 高本江.浅谈矿用隔爆型真空馈电开关的保护原理[J]．煤炭技术，2003，12（8）：43-46.

[8] 李胜．煤与瓦斯突出区域预测的模式识别方法研究[D]．阜新：辽宁工程技术大学，2004：26-30.