煤矿安全监控系统的升级改造

杨 帅

（山西高平科兴米山煤业有限公司，山西高平 048400）

0 引言

煤炭作为我国重要的能源，其需求量随现代化建设速度的加快越来越大，煤炭行业也发展迅速[1]。近年来，国内煤矿开采作业过程中瓦斯、火灾等事故时有发生，已成为煤矿行业的关注焦点，对矿井内瓦斯、设备等致灾因子实时监测系统的可靠性提出了更高的要求[2－3]。传统煤矿安全监控系统设计标准较为落后，不能够达到多系统融合的目的，所用传感器的抗干扰能力不足、数据检测波动大、易损易坏，现已不足以满足当前煤矿安全生产的要求[4－6]。随着现代计算机技术的发展，为矿井安全监控系统的升级改造提高了先进的技术支持，因此，本文结合矿井安全监控系统应用现状及存在的问题，参照新安全监控系统标准要求，开展安全监控系统的改造设计。

1 安全监控系统现状

矿井当前在用的安全监控系统是型号为KJ90NB的综合监控系统，地面监控室配置2套监控主机、中控屏以及相关信息处理设备，矿井内部配置光纤交换装置、监控分站、各种检测传感器。安全监控系统能够完成工作面内瓦斯、风速、烟雾、一氧化碳浓度、负压、馈电等监控工作，满足旧标准的相关要求。

由于安全监控系统工作环境较为复杂，重型机械设备繁多，各类传感器使用过程中极易因电磁场的干扰出现误报警情况；单一的通信接口和协议，使得安全监控系统的融合程度较差，数据共享困难，数据利用不充分；新标准重点强调矿井的应急管理，因现有的安全监控系统是根据旧标准设计的，其设计要求较低，技术性能与应急反应能力较差；传感器工作原理落后，不仅是传感器误报警的重要因素，也会增加传感器的维护工作量，尤其是传感器的标定，严重制约了煤矿安全监控管理水平的提高。

2 安全监控系统总体方案

针对现有安全监控系统存在的不足之处，对其进行升级改造工作，新安全监控系统主要包括井下智能感知网络系统、数据传输网络系统和地面煤矿安全监控系统等。

井下智能感知网络系统组成结构如图1所示，由智能传感器、智能监控分站和环网交换机构成，全部按照IP65防护等级和4级增强抗电磁干扰等级进行选型设计，以提高智能感知网络系统的工作可靠性。

图1 智能感知网络系统组成结构

传输网络系统主要包括光纤环网交换机、环网交换机及通信线缆辅件等组成，具体结构组成如图2所示。该系统主要负责将井下智能感知网络系统采集得到的检测数据及时传输至地面安全监控系统的工控机内，工作人员根据中控屏显示的数据参数，及时制定自动控制指令，之后传输至井下控制分站，实现井下安全的实时监控与远程控制。

图2 传输网络系统结构

3 安全监控系统设计

3.1 硬件设计

（1）数据库服务器

新型安全监控系统中最关键的设备当属数据库服务器，其内部配置的高低直接关系着监控系统数据处理的速度和效率，决定安全监控应急处置的时效性和可靠性。该处数据库服务器的设置采用了双机热备份方式，其最突出的优势就是一旦数据库服务器主机设备出现故障，备用主机将会自动启动接管主机接收的数据，进行数据的存储和处理，避免安全监控数据的中断和丢失，甚至导致整个矿井作业停滞，影响煤矿企业的煤炭产量和效率。

（2）多应用服务器

新型安全监控系统中的多应用服务器主要涉及应急联动、视频接入、多业务分析等，其设计选型的依据主要是考虑抗干扰能力、抗震动能力、恶劣环境适应性、工作的可靠性等因素，采用性能最稳定、抗病毒干扰能力更强的操作系统，将其进行加固处理之后运用于新型安全监控系统，完成应急业务联动、视频接入、Web访问等功能，其中多应用服务器均按照IP65防护等级和4级增强抗电磁干扰等级进行选型设计，确保监控数据的安全和稳定。

（3）全面提升后备电源供电能力

按照新标准《煤矿安全规程》的要求，为了提高矿井安全监控系统的稳定和数据的及时处理存储，需要延长监控系统备用电源的供电能力。此处要求系统的备用电源能够满足不小于4 h的连续供电，预防煤矿开采作业过程中出现突然断电问题，导致检测得到的数据不能及时存储而丢失。延长备用电源供电时间也能够保证整个系统在断电情况下继续进行矿井内部环境的监控，避免煤矿再次开采时井下环境情况未知的情况，降低产生安全事故产生的可能。

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（4）监控主机设置

监控主机是完成矿井内安全监控系统检测数据监视的重要设备，工作人员通过操作监控主机能够得到矿井内部实时状态，并且可以根据实时数据分析确定下一步的控制计划，因此将监控主机设置在煤矿的监控中心。需要时监控主机能够配置多种基于C/S或B/S的安全业务监管软件，具有很好的兼容性，实现矿井内部安全因素的全方位监控。

3.2 软件设计

新型煤矿安全监控系统软件设计主要依据煤矿生产作业实际需求完成，为了提高系统的通用性，预留了多个数据接口，采用了通用协议进行数据传输，具有很好的兼容性。同时系统中建立了科学合理的监控分析与判断准则模型，能够完成矿井内部引起瓦斯、火灾等事故因素的实时监控、数据分析和超标报警等功能。通过对原有安全监控系统的升级改造，补充完善了以下功能。

（1）智能诊断分析

新安全监控系统不仅能够实现煤矿井下各个监测位置的数据采集，而且增加了智能诊断分析功能，系统能够智能判断井下观测点数据之间的相关性，根据各监测数据点之间的实测数据及其关联性大小，完成井下设备运行、通风状况、致灾因子之间的异常诊断，确定数据异常可能产生的原因及位置，提高矿井作业过程中异常问题的及时处理，保证生产作业的安全。

（2）构建安全监控系统综合业务平台

新型安全监控系统建立了一套综合业务平台，能够实现多维度直观监视矿井内部作业环境中的关键参数和控制指标数据，达到了矿井内部作业监控数据的全面性，弥补了单因素监测出现了数据不确定的不足，通过综合监测数据完成矿井内部安全监控与远程控制，提升了煤矿企业的安全管理和问题处置能力。

新型安全监控系统借助先进的物联网技术，对煤矿开采设备建立电子档案，实现对其全寿命周期内的安全监控，并且能够根据设备的电子档案及其实际运行情况，指导煤炭企业制定适宜的设备管理规程和相关制度，做到采煤设备的高效管理，保证设备运行的安全可靠。

（4）自诊断系统

新型安全监控系统设置了自校验、自评价体系，当矿井内部监测数据出现异常时，系统自动进行数据的分析处理，确定数据异常产生的可能原因，结合系统完善的报警断电机制，发出数据异常报警信号，包括瓦斯涌出报警、火灾报警等，自动做出断电处理，保证矿井工作面的安全。

3.3 安全监控多系统融合与联动设计

安全监控多系统融合与联动作为新型安全监控系统最为突出的特点，既满足了我国《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》的要求，又是对于传统安全监控系统单一化数据采集处理模式的更新，顺应了现代化煤矿安全作业模式的需要。该系统融合了矿井工作人员定位系统、通信联络系统、应急广播系统，并且相互之间联动控制，具体的相应流程如图3所示，很好地实现了安全监控的全方位管理与控制，确保整个煤矿安全管理工作的全面落实。

图3 安全监控多系统融合与联动响应流程

4 系统应用效果评价

为了验证安全监控系统的改进效果，将其应用于某矿井安全监控工作当中，在安全监控连续运行的3个月内，给出了甲烷传感器改进前后的数字信号实测值，可以看出改进之前数据存在明显的波动，并且出现了异常变化值，可能原因是传感器存在信号干扰或者出现了外界扰动，但是改进之后的系统采集得到的数据稳定性很好，未出现较大的波动峰值，成功解决了传感器误报警的问题。同时新系统使用过程中能够很好地完成煤与瓦斯突出报警、自动诊断评估，多系统融合应急联动等功能，改进效果显著。

图4 甲烷传感器改进前后的数字信号实测值

5 结束语

本文针对矿井安全监控系统应用现状及存在的问题，参照安全监控系统新标准要求，开展了新型矿井安全监控系统的改造升级工作。在现有安全监控系统基础上新增了智能感知网络系统、数据传输网络系统和地面煤矿安全监控系统等，完成了总体方案的设计，实现了多系统融合监控的目的。之后开展了安全监控系统硬件和软件的设计工作，应用结果表明，新型安全监控系统提高了传感器采集数据的稳定性，提高了安全监控系统的抗干扰能力，达到了多系统协同监控的目的，取得了很好的改进效果。