煤矿瓦斯监测报警系统的研究与设计

高启

铁法能源公司小康矿保安区监测队 辽宁铁岭 112000

中国作为煤炭生产大国，开采量日益增大，但随之而来的煤矿事故也越发频繁与严重。根据国家煤矿安全监测局的统计，在发生的所有煤矿事故中，因瓦斯所造成的煤矿事故占总事故数的50%以上。通过对所有的瓦斯事故进行分析，可将其分为三大类，分别是瓦斯窒息、瓦斯爆炸和瓦斯突出，所以，针对井下瓦斯浓度等信息及时对井下安全状态做出判断是十分重要的[1]。

1 监测系统设计的要求与组成

1.1 系统要求与功能

在井下对瓦斯浓度等信息的监测主要依靠各类传感器与监测仪表，它们的灵敏度、精度、功耗与适用范围等对整个监测系统的精确性有着重要影响。其主要性能指标要满足，灵敏度为0．01%，功耗低于100mW，工作温度范围-25 至+70℃，仪表需满足防爆，装配有接地、漏电保护、过流保护，结构简单，加工方便的要求。

1.2 系统总体设计方案

结合井下实际情况，对瓦斯气体的监测主要包括瓦斯气体浓度、巷道内部通风速度、CO 浓度、掘进工作面移动距离等，将这些采集到的数据进行整理，并经过井下分工作站处理器的处理计算后，上传至井下集中的交换机，通过交换机将所有处理后的数据传输给地面监测中心，通过监测中心的软件处理分析，便可以实时动态监测瓦斯气体的状态。根据系统总体结构图，可将其分为多传感器采集系统和监测站系统两部分。多传感器系统主要完成对瓦斯气体浓度、CO 气体浓度、风速和掘进面移动距离等基础数据的采集。监测分站则主要完成对传感器采集数据的处理分析，过滤排除无关信息，解析所需数据后将其汇总上传至监测中心。为了实现对瓦斯气体的实时监测，系统至少需布置3 个监测分站，最多扩展32 个分站。

2 网络通信

监控系统由3 个层面组成，分别是现场应用监测层，网络传输层以及监测主站层。现场应用监测层传感器与微处理器通过A/D接口连接。CC2430 使用FIFO、FIFOP、CCA 和SFD 四个引脚表示收发数据的状态，而微处理器与无线收发模块CC2430 之间使用SPI（串行外设接口）连接交换数据。SPI 是一种高速、全双工、同步通信的4 线总线，只需占用芯片4 个引脚，采用主从方式工作，简单易用。微处理器作为主设备通过SPI 接口访问CC2430 模块的寄存器以及存储器，CC2430 作为从设备接收微处理器SCLK（时钟）与CS（片选）信号并接收控制。各现场应用监测分站之间、监测分站与监测主站基于IEC802．15．4 协议通过ZigBee 无线通信网络实现通讯。监控主站与上位机监测层通过RS-485 串行接口连接，实现两个层的信息交互[2]。

3 软件程序设计

因为井下瓦斯监测系统软件编译复杂，本系统采用分层设计的方式，通过主程序调用子程序实现。主程序的主要任务是不断检验串口的有效位，调用采集数据子程序进行数据的采集与存储。当进入主程序后，系统会先监测串口是否有标志位，当检测到存在有效标志位时便会启动数据采集子程序，将采集的数据存储后，进行逻辑处理与判别，看是否达到所设定报警的阈值，如果达到报警阈值，则进入报警子程序进行报警处理；如果监测到状态良好，则对系统进行复位，通过逻辑循环不断重复此过程，从而实现对井下瓦斯的实时监测。

4 煤矿安全监控系统的措施

4.1 增强系统监控稳定性，确保信号传输

在煤矿监控系统，安装过程中应当对该系统进行电磁干扰实验，防止电磁场对监控系统产生影响，这样能够维持监控系统的有效运行以及稳定运行，保障高效率的数据分析。在进行干扰实验时可以利用模拟传感器进行数字实验，发挥模拟传感器的最大效能，减少所监控范围内其他数据的信号干扰，确保数据分析的准确性以及接收信号的准确性。在进行电磁场干扰实验的同时，也要对煤矿监控系统进行安全防护实验，防止病毒的侵入，防止储存数据的丢失，与此同时，对数据库当中所储存的秘密数据进行严格的监控，必要时可进行加密处理。

4.2 进一步完善井下在线瓦斯监测监控系统

井下在线瓦斯监测监控系统直接关系到煤矿安全监测监控系统的可靠性和灵敏度，对瓦斯监测监控起着决定作用，是数字化瓦斯远程监测监控系统的基础。因此，要督促煤矿企业认真贯彻落实国务院《关于预防煤矿生产安全事故的特别规定》（国务院第446号令）文件精神，进一步完善井下在线瓦斯监测监控系统。否则，数字化瓦斯远程监测监控系统及时建立起来，也形同虚设。

4.3 增强应急联动有效性，应对紧急状况

如果线路发生故障，必须要进行断电时，在现场的相关工作人员必须进行撤离，撤离到安全区域，防止出现人员伤亡，必要时可以进行警报处理。如果瓦斯超出限额范围，那么就会产生有毒气体，如果甲烷超过限制范围，也会产生危险性气体，形成极大的安全隐患。所以针对这种情况，可以进行集中的广播以及数据定位，在大范围内进行全方面的安全监控，尽最大限度保障人员安全，还可以对危险因素进行广播播报，让处于危险地区的人员意识到，已经发生危险，或者已经有危险因素的存在，及时告知当地人员尽早撤离[3]。

5 结语

从实际看该系统具有灵活性高、可靠性好，自动化程度高的特点，可实现对煤矿井下测点位置瓦斯浓度的在线实时监测，并可根据设定值进行危险报警，保障煤矿生产的安全经济运行，保护煤矿的财产安全与工人的生命健康[4]。