智能化“一通三防”与安全监控系统的工程应用

张仲达 张华磊 鲁海文

（1.安徽理工大学矿业工程学院，安徽 淮南 232000；2.淮北矿业股份有限公司信湖矿业，安徽 亳州 236000）

随着煤炭开采量的增加，提升煤矿安全管理工作质量已经迫在眉睫。“一通三防”更是煤炭安全生产工作的重中之重。矿井通风应当满足人员氧气需求，创造出良好的井下气候条件和工作环境[1]，是煤矿安全生产和灾害防治工作的基础。针对信湖煤矿通风系统监控不够高效问题，建立起一套实现对矿井通风、瓦斯、顶板、水文、火灾、粉尘等主要灾害进行全方位实时监测及预控的“一通三防”智能管控体系是关键。

1 智能化通风系统

信湖煤矿智能通风系统建设，通过对KJ90X 系统升级改造来完成。系统升级改造后增加矿井智能化通风管理辅助决策系统、矿井风网解算模块和通风参数监测装置，实现对风门、风窗的智能调控、远程控制，对风阻、风量、风压等参数进行实时监测、智能分析，实时监测与解算通风网络阻力。同时，建立灾害预警专家支持数据库，具有对矿井通风系统进行故障诊断与预警功能[2]。

通风系统由地面主通风机和井下局部通风机组成。系统采用西门子系列PLC，实现风机房和调度室就地、集中远程控制方式。

1.1 无人值守和集中远程控制

主通风机智能化控制系统实现了通风机的一键启停、一键倒机、双电源自动切换，做到了通风机房无人值守、定期巡检、调度控制室集中远程监控。

1.2 工况参数的采集、显示及故障诊断

在通风机电机、风门处安装了温度、震动、风压等传感器，在线实时监测主通风机的功率、风量、风压、转速等工况参数，具有集中采集、显示、历史数据查询和异常报警功能。通风机控制系统中可对各种运行参数设置报警阈值，传感器采集到的数据传输至后台，经运算后，系统会自动诊断故障类型并发出智能报警。

1.3 主通风机房设置

为了确保矿井通风机的安全可靠运行，将视频监控系统设置于控制室和主通风机房。

矿井主要通风机实现一键式启动、反风、倒机功能。工作面的局部通风机实现双风机、双电源，并能自动切换，根据环境监测结果实现风电闭锁、瓦斯电闭锁。三维主通风控制系统如图1。

图1 三维主通风控制系统图

1.4 局部通风机集控系统

局部通风机集控系统集成于矿井电力监控系统中，实现了煤矿地面远程集中状态监测及控制、智能切换和无人值守。

1.5 通风设施

1）远程监测风门状态与报警

将GFK60 矿用本安型风门开闭状态传感器安装在风门处，可持续监测井下风门的开合状态并且具有声光预警报警功能。

矿井主要巷道风门均安装了风门开关传感器，并接入KJ90X 煤矿安全监控系统。风门开启时，风门两边的声光报警装置将提示风门开启；两扇风门一起打开时，自动发送风门同时打开的危险报警信息，地面监控随之报警。

2）通单轨吊机车的风门实现自动开启、关闭

井下通单轨吊机车的风门，单轨吊机车经过风门前，风门红外线感应装置发出触发信号，通过电控装置传输信号至气控装置，风门气压缸工作，打开风门。风门上的位置传感器会在开门时为语音箱提供触发信号，语音箱开始语音提示。当第一道风门打开时，声光语音箱语音提示注意安全[3]，同时闭锁第二道风门。第二道风门打开时，语音提示“请您稍候”。待单轨吊机车最后一节车辆通过红外线感应装置后，经过适当延时（0～10 s，可以根据需要设定），第一道门的气压缸关闭风门，红灯关闭，绿灯常亮。

风门自动启闭控制装置采用红外感应装置实现电动控制和气动控制双系统控制。双系统控制可实现无缝切换，即电控、气控、手动模式的自动切换。智能通风系统可实现风门的智能防夹功能[4]。员工或矿井运输设备尚未完全通行风门时，风门将一直保持开启状态。

1.6 通风解算

通过对二维通风系统网络节点监测数据自动转换为三维系统，实现二维系统监测数据解算和三维系统动态显示通风网络信息。

随着井田开拓和巷道延伸，井下用风地点需风量增大时，可由智能综合管控平台依据数据模型和大数据分析，实现主扇变频、主扇风量调整指令的自动下发，井下自动风窗等通风设施的连锁控制，最终实现通风系统的自动化、智能化动态调节。

模拟分析通风状态，从理论上得出主通风机转速降10%的时候，会带来28%的功率下降，转速降50%的时候，会带来87%的功率下降。由于功率的大幅度下降，可获得显著的节电效果[5]。

2 防尘系统

KJ1113 降尘系统图形及控制终端设在监控机房，通过光纤连接井下交换机，每处智能喷雾点由一台监测分站集中管理。井下分别在81 采区轨道石门、主运胶带机巷中部、矸石装车站、818 机巷小眼口、818 机巷、815 外机巷、815 里机巷共安装了7 处喷雾点，均采用GUR5 热释红外传感器监测喷雾点是否有人经过，有人过时自动停喷，人过恢复喷洒。其中主运胶带机巷中部、818 机巷小眼口、818 机巷、815 外机巷、815 里机巷采取ZP-12C 矿用触控传感器以及相应控制软件方式控制降尘喷雾，皮带有煤流时自动喷雾作业，抑制皮带扬尘。

喷雾方式采用环保节能的风水联动干雾抑尘降尘技术，雾化效果比普通喷雾好，达到节约用水、雾化降尘彻底的目的。为了信息传输的稳定性，干线网络连接方式为光纤传输，系统容量大、接线方便[6]。

1）粉尘浓度的实时监测数据分析及超限报警系统采用多台KJ1113-F 矿用本安型监测分站构成井下多个除尘系统单元，分站连接粉尘传感器，实时监控环境粉尘浓度，并对粉尘浓度进行数据分析，在粉尘浓度超限时自动报警，并联动喷雾系统，实现自动喷雾功能。

2）采煤工作面根据采煤机的位置和支架动作实现割煤、降柱、移架或者放煤时同步自动喷雾。支架喷雾根据采煤机位置和支架动作实现割煤、降柱、移架、放煤时同步自动喷雾。机风巷配备除尘装置，满足现场除尘要求。

3）采掘工作面安装的智能降尘系统，通过粉尘浓度传感器实时监测巷道风流中的粉尘浓度，测定超过规定值后，喷雾自动开启。在有皮带运行的巷道中，皮带运行时，皮带上的煤流启动触控传感器，喷雾开启。在喷雾开启状态下，巷道内人员通过，红外感应装置感知，自动停止洒水，防止淋湿人员，人员通过后，设置一定时间喷雾自动开启[7]。

3 防灭火系统

3.1 防火在线监测系统

监测机房能实时在线监测井下采空区、巷道及工作面等关键区域环境参数，智能分析变化趋势并及时预警。

防火在线监测系统能够实时在线监测井下采空区的温度、CO、CH4等数据，生成曲线图。并根据变化的趋势进行实时预警。

3.2 注浆站实现远程视频监控

地面灌浆站安装有高清摄像头，实时监控现场画面，对每日的制浆情况进行实时监测。DM-5000地面移动式膜分离制氮装置，为采空区及回采工作面提供计划性灌注氮气保障，有效防止采空区及回采工作面发生火灾。

在监测机房设置组态画面，通过现场视频监控可实现无人值守、远程控制。

4 防治瓦斯系统

1）瓦斯抽采混合量和纯瓦斯量的累计量监测、显示。防治瓦斯系统实现智能监测矿井瓦斯浓度及管道压力、管道温度等管道参数；根据管道参数自动计算出管道标况瓦斯纯流量，并统计出管道标况混合流量和管道标况瓦斯纯流量的年、月、日累计量。

2）瓦斯抽采系统集中控制，在线监测抽采泵的运行参数。实时监测抽采泵的开停、抽采泵真空度、冷却塔开停、水泵开停、防回火装置两端压差；电机轴温度、电机三相绕组温度、阀门工作状态（开、停、开到位、关到位、开度）等工况参数。各数据可实时上传。

3）抽采泵启停一键式操作。通过远程、集中、就地控制方式，实现抽采泵站电机的启停控制，相关阀门的启停、开度控制，冷却塔的启停，循环水泵的启停等控制。通过工艺控制，实现智能化抽采系统的自动运行、无人值守。

泵站监控系统全面感知泵站环境参数、设备状态参数、抽采参数、供电参数、其他配套设施参数；通过数据分析发现系统异常，对设备进行故障诊断，及时发出报警、预警并自动启动相应闭锁、联动控制流程；根据需求实现一键启停、一键轮换、故障轮换、设备检修等预设自动控制流程；具有数据统计、数据展示、视频监视、人员出入管理等功能；可远程操控泵站所有被控设备，实现抽采泵站远程全掌控[8]。

4）抽采数据、设备工况的数据采集、分析预警。瓦斯抽采泵房设置视频监控瓦斯泵站集控系统，实现对瓦斯泵开停状态、进/出气蝶阀开闭状态、进/出水闸阀开闭状态、瓦斯泵负压、电机电流/电压、瓦斯泵前轴/后轴承温度、减速器油温、电机前轴/后轴/定子温度、瓦斯泵水平及垂直振动、减速器水平及垂直振动、电机水平及垂直振动、瓦斯泵进水状态（是否缺水）、循环水泵工作状态、循环水池水位、冷却塔工作状态、水处理系统工作状态、补水泵工作状态、补水箱水位高低的在线监控与控制，实现甲烷等超限声光报警，通过系统软件实现瓦斯泵站远程集中控制，具备在线实时监测设备运行情况及相关数据、分析和超限报警的功能。辅助以视频监控，实现远程操作。

5 安全监控系统

1）各类传感器和分站之间的数字信号传输。传感器到分站支持RS-485、CAN 等总线方式与无线方式的数字化传输；分站到主干网络支持RS-485、CAN、RJ45、光纤等数字化传输[9]。采用CAN 和RS-485 总线通信把传感器升级改造为数字化传导，将安全监控系统从传统的人工操作监控改造升级为数字化智能传输监测。

2）系统自诊断和自评估。安全监控系统包含智能诊断、智能评估及故障保护功能，当系统出现故障时报警系统将及时发出声光报警信号。系统具备工作面类型关联和传感器类型关联功能和故障查询功能,当某一采掘工作面定义的传感器不符合规程要求时，能自动检验出该采掘工作面缺失的传感器个数及类型，同时能自动检验出设置的报警值、断电值、复电值是否符合规范要求，断电控制口及馈电传感器是否有效定义等[10]。

通过设置传感器调校间隔时间，实现维护与定期标校自动提示。可通过多个分组，每个分组不同的调校间隔时间来实现各种类型传感器调校周期不同。

系统具有双机热备心跳中断提示功能，当主备机网络中断或者系统异常时，双机热备会实时提示心跳中断。系统具有数据库异常监测功能，当数据库出现服务停止、网络不通、空间不足、权限错误等异常时，系统会自动提示数据库异常并实时报警。系统具有模块通信监测功能，当出现模块中断时，系统会自动弹出异常显示窗进行实时报警。

3）系统能够智能统计报警、断电、故障、突变等异常次数与持续时长，形成各类专题图表，相关信息可按设备、异常次数、异常时长进行组层钻取分析，并调阅出相关异常时间段的实时采样数据，实现关键信息精准分析。

设置分级报警，对瓦斯超限时间和瓦斯浓度大小最高可设置为五级，各级别的报警浓度、持续时间任意设置。当瓦斯超限，达到设置的分级报警条件后，系统主界面会自动显示报警的相关信息，并对报警级别以不同颜色区分显示。

系统自动统计报警、断电、故障、突变等异常次数与持续时长，分析同比与环比升降趋势，形成各类专题图表，相关信息可按设备、异常次数、异常时长进行组层钻取分析，并调阅出相关异常时间段的实时采样数据，实现关键信息精准分析。

4）系统联动。能够实现通信、员工定位、应急广播、GIS 一张图、视频监控的联动，包括有人员实时位置、超限人员报警、区域超员报警、人员呼叫报警、人员工作异常报警。

6 结论

1）建设灾害智能分析管控系统，对矿井瓦斯、顶板、水文、火灾、粉尘等主要灾害进行全方位实时智能监测及预控。

2）通过对矿井多种监测数据集中传输、采集和分类存储，实现灾害数据在控制平台中的高度融合、迅速联动。

3）实现智能监测煤环境参数、实现智能评估及预警矿井井下重点区域安全状态，实现避灾路线自动规划及语音播报等功能。

4）建立灾害监测大数据分析及智能化区域灾害评估模型，对安全状态进行实时评估，自动制定相应的灾害防治措施。