郭改文，許 爽

(1.河南教育學院 信息技術系,鄭州 450046;2.中州大學 信息工程學院,鄭州 450044)

1 引言

瓦斯屬于易燃、易爆氣體，伴隨煤炭開采而突出。瓦斯爆炸嚴重威脅煤礦工人的安全和煤礦安全生產，瓦斯災害成為煤礦常見的四大災害之一，它不僅造成了國家財產損失，還經常導致大量的人員傷亡，是世界各采煤國研究和預防的重點[1]。煤炭是我國的基礎能源，煤炭行業(yè)屬于事故多發(fā)行業(yè)，我國統配煤礦總數的46%是高瓦斯含量的礦井，瓦斯爆炸是第一大煤礦災難。

瓦斯燃燒、爆炸的發(fā)生要具備 3個條件：(1)瓦斯達到一定濃度：一般情況下瓦斯爆炸濃度為5%～16%，瓦斯?jié)舛鹊陀?%燃燒、大于16%既不燃燒也不爆炸；(2)充足的氧氣：氧氣濃度大于12% ；(3)高溫火源：溫度高于650～750℃[2]。

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定空氣中氧氣濃度不能低于20%。為了保證煤礦正常生產，需要及時掌握瓦斯的濃度，那么如何準確監(jiān)測井下瓦斯狀況，并及時把數據輸送到地面監(jiān)測系統，進行有效分析，防患于未然，必須加大瓦斯監(jiān)控系統和瓦斯檢測傳感器的研究工作。

2 煤礦瓦斯監(jiān)控的現狀

2.1 煤礦監(jiān)控系統的需求

煤礦安全監(jiān)測技術發(fā)展迅速，系統綜合自動、人機交互界面簡單、各種技術先進。防止煤礦瓦斯事故的瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統，是利用先進技術手段設計而成，在煤礦安全生產上有較大的作用。由于瓦斯安全監(jiān)控系統，把科技技術手段引入傳統的管理模式，成為預防瓦斯事故發(fā)生的最有效方法，為各級管理人員對煤礦安全生產的監(jiān)管提供了及時的數據和快捷的平臺[3]。瓦斯監(jiān)控系統可監(jiān)測井下瓦斯的活動情況，對于確保煤礦安全生產有著非常重大的社會與經濟意義。瓦斯監(jiān)控系統中采集、存儲的井下環(huán)境參數是事故發(fā)生后確定事故原因最基本、最真實的資料，可用于判斷事故的性質及責任級，因此，瓦斯監(jiān)控系統應保證監(jiān)控數據的真實性，防止數據被隨意讀取或篡改[4]。

《煤礦安全規(guī)程》158條：高瓦斯礦井，煤與瓦斯突出礦井，必須裝備礦井安全監(jiān)控系統。沒有裝備安全監(jiān)測監(jiān)控系統的礦井煤巷和有瓦斯涌出的巖巷掘進面，必須要安裝甲烷風電閉鎖裝置或甲烷斷電儀或風電閉鎖裝置；無瓦斯涌出的巖巷掘進工作面，必須裝備風電閉鎖裝置；礦井采煤工作面，必須裝備甲烷斷電儀[5]。規(guī)程明確規(guī)定了煤礦井下生產區(qū)域，在各種情況下監(jiān)測監(jiān)控裝備的最低配置水平。

2.2 我國煤礦監(jiān)控的現狀

我國煤礦監(jiān)測監(jiān)控技術應用較晚，起步于上世紀六十年代初，那時對煤礦瓦斯監(jiān)測技術已進行研究，但到七十年代末，還沒有取得大的進展，其代表產品是西安煤礦儀表廠的MJC-100煤礦集中監(jiān)測系統和重慶煤礦安全儀器廠的AYJ-1型瓦斯遙測警報儀。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，八十年代后期微型計算機被應用，我國從波蘭、法國、德國、英國和美國等引進了一些先進技術設備，煤礦瓦斯監(jiān)測的技術水平才有所發(fā)展和提高。在消化、吸收先進經驗和技術情況下，結合我國煤礦的實際，先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92 等監(jiān)控系統，在煤礦已大量使用。為煤礦安全生產和管理起到了十分重要的作用。在煤礦“以風定產，先抽后采，監(jiān)測監(jiān)控”十二字方針指導下，我國規(guī)定了高瓦斯或瓦斯突出礦井，必須裝備礦井監(jiān)測監(jiān)控系統。在市場競爭和需求的刺激下，生產廠家不斷提高產品質量和服務意識，極大推動了我國煤礦瓦斯安全監(jiān)測監(jiān)控系統的發(fā)展。

2.3 煤礦安監(jiān)存在的問題

雖然我國在煤礦安全監(jiān)控工作方面，取得了一定的成績，三分之二的國有煤礦，五千多處高瓦斯煤礦已裝備了瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統，但這些系統目前因維護不善而帶傷運行，已經普遍陳舊落后，瓦斯安全監(jiān)控存在以下亟待解決的問題。

(1)系統數據的傳輸延遲、信號不穩(wěn)、帶寬不足。雖然目前正在改進和完善，但數據的傳輸和分析自動化程度不夠，煤礦瓦斯?jié)舛茸兓臄祿荒芗皶r監(jiān)控和預警，煤礦瓦斯爆炸事故時有發(fā)生[6]。

(2)傳感器技術落后，穩(wěn)定性還不能滿足用戶的需要，國產傳感器同國外同類產品相比還有很大差距，在使用壽命、調校周期、穩(wěn)定性和可靠性方面要加強改進。

(3)由于缺乏統一的標準，現有廠家為了自身經濟利益，生產競爭無序，瓦斯專用監(jiān)控系統采用各自的通信協議，通信協議不規(guī)范，相互不太兼容。信息傳輸系統的兼容性，制約了生產企業(yè)發(fā)展和礦井系統功能的擴充。另外，由于研發(fā)后勁和經費不足，技術支持能力不強，煤礦用戶的使用并不理想。

(4)由于缺乏專業(yè)技術人員，煤礦多數裝備不能正常使用和維護，現場管理和維護水平有待于加強。由于管理混亂，對系統配接的傳感器不能按規(guī)定時間進行調試、校正。

2.4 當前煤礦信息安全監(jiān)控系統特點

(1)多數企業(yè)部分或完全具備國家要求的六大避險監(jiān)控系統。

(2)各避險監(jiān)控系統互為獨立，即每套系統都是垂直化管理維護。

(3)避險監(jiān)控系統多為專人現場管理。

(4)煤礦安全生產報告須操作多個系統數據。

3 煤礦瓦斯監(jiān)控系統設計

3.1 瓦斯監(jiān)控系統的基本要求和功能

(1)煤礦井下瓦斯監(jiān)控數據傳輸需要安全性和準確性

瓦斯監(jiān)控系統的關鍵是建立安全可靠的數據傳輸系統，為了達到此目的，數據媒介采用專用光纖技術，配合一定的無線發(fā)射基站，使傳輸平臺能夠準確有效地控制各類信息。

(2)計算機網絡系統應該具有較好的穩(wěn)定性

利用光纖線路互聯，傳輸數據具有誤碼率小、可靠性高的優(yōu)點，能有效地保障數據傳輸的可靠性。利用本地的SDH(Synchronous Digital Hierarchy，同步數字系列)資源進行數據傳輸，光端機容量較大，將復接、線路傳輸及交換功能融為一體，并由統一網管系統操作，系統傳輸過程中的延時降低，可用性得到極大的提升，提高了系統的性能。

(3)瓦斯監(jiān)控系統應具備可擴展性

煤礦井下瓦斯監(jiān)控系統大多采用模塊化設計，可以靈活地配置接口模塊，保證瓦斯監(jiān)控系統能夠靈活地和外部網絡聯接。

(4)煤礦瓦斯監(jiān)控系統集中網管控制

煤礦瓦斯監(jiān)控是基于計算機聯網的系統，需要擁有統一網管對系統內的設施和網絡進行維護，有利于遠端設施的帶內網管。

煤礦瓦斯監(jiān)控系統應具備以下基本功能：

(1)準確獲取煤礦現場的瓦斯數據

煤礦瓦斯監(jiān)控系統要求使用可靠的數據收集設備，且能把收集到的數據信息轉化為被計算機處理的數據方式，瓦斯傳感器獲得相應的瓦斯數據，是一種物理參數，選擇何種瓦斯傳感器，布置多少數量，應根據煤礦井下實際的工作特點來確定。

(2)瓦斯數據的預處理

煤礦井下瓦斯數據具有噪聲和其他氣體的數據，為獲得更有用的信息，需要進行預處理來消除數據的噪聲，當發(fā)生瓦斯突出時，伴隨有許多干擾因素，各因素的數據在單位上各有不同，所以要進行數據的預處理，再采取模式識別。

(3)確定閾值并提取數字量

通常情況下，當空氣中瓦斯的含量達到了5%～12%時，將產生爆炸，所以要依據空氣中含有瓦斯量的多少來選取閾值，閾值的選擇應該小于5%，煤礦瓦斯監(jiān)控系統把不同瓦斯傳感器所獲得的瓦斯數據信息、閾值等對比分析，將數字量信號提取出來。

(4)分類決策判斷

將通過系統獲取的數據，用人工智能系統分析決策，獲得煤礦井下瓦斯比例是否超標的信息，提供給有關人員采取安全防護措施。

3.2 瓦斯監(jiān)控系統的結構

煤礦瓦斯監(jiān)控系統的結構是指系統中的分站與分站之間、分站與中心站之間的相互聯接關系。主要涉及井下瓦斯數據采集，井上、下數據傳輸、數據處理和提取決策信息，使用的設備依據煤礦自身特點，同一般的數字通信網絡相比，安全防爆才能保證系統的安全性和可靠性。系統的網絡結構應滿足：①設備要用防爆產品；②瓦斯傳感器分散分布、使用量大，配電適當采用復用方式，盡可能減少傳輸電纜用量；③設備具有抗電磁干擾能力，電磁干擾可能會產生電流，造成瓦斯爆炸；④當系統中某些分站發(fā)生故障時，系統具有抗故障能力，力求不影響整個系統的正常工作。系統采用總線式組網方式，其結構分為三部分：井下數據采集設備、無線信號及數據信息傳輸平臺、地面監(jiān)測監(jiān)控中心，結構布局如圖1所示。

圖1 煤礦瓦斯監(jiān)控系統結構圖

3.3 瓦斯監(jiān)控系統實現的功能

煤礦瓦斯監(jiān)控系統的主要功能模塊包括以下內容，見圖2所示[7]：

圖2 瓦斯監(jiān)控系統的功能結構

(1)實時動態(tài)監(jiān)控瓦斯狀況。這是系統的核心組成部分，可對井下瓦斯檢測人員編號，對瓦斯傳感器編號，在井上巷道分布圖上能夠實時動態(tài)顯示他們的位置，動態(tài)監(jiān)控任一瓦檢員當前工作，準確確定報警的瓦斯監(jiān)控設備所在位置。

(2)瓦斯檢測信息查詢。系統支持區(qū)域查詢、時間查詢，具有操作性強的可視化的圖形界面，通過系統界面查詢任一監(jiān)測點的數據信息，停開機信息，以及瓦檢員的實際工作情況等。在實際的使用中，可搜索任一人員實際位置，達到快速定位。

(3)瓦斯檢測數據統計分析。系統包括數據統計和數據分析兩個主要功能模塊，采用相關軟件技術，對瓦斯原始數據加工、統計、分析，生成瓦斯信息所需的各種基本圖表。可對原始數據進行科學地分類匯總、分析、加工處理，為管理者進行決策提供準確信息。

(4)系統智能預警功能。將監(jiān)控系統和綜合預警數據庫服務器、預警管理系統連接。實時動態(tài)記錄瓦斯檢測數據并作出反應。如系統自動報警，及時確定位置，發(fā)送井下瓦檢員、安檢員和相關帶班領導，達到安全預警的目的[8]。

3.4 系統工作過程

3.4.1 信號傳輸技術

井下瓦斯信息，經過各類傳感器的采集后，要輸送幾公里以上的距離才能到達地面主監(jiān)測中心站，傳輸線路采用高質量光纖技術。光纖具有易彎曲、耐腐蝕、節(jié)約金屬等優(yōu)點，更適合在煤礦井下惡劣環(huán)境推廣應用[9]。而且光纖傳輸信號容量大，不受噪聲影響，不會短路和電火花引起爆炸，且不受平行敷設電力電纜電磁干擾，是優(yōu)良的傳輸信息導線。

3.4.2 防爆計算機

井下數據處理采用KTN101-JSJ防爆計算機，使用Windows操作系統，配備防爆計算機1臺，鼠標1套，充電器1個，連接線1根(USB轉RS232連接線)。工作軟件可以自己在系統上安裝(用USB數據口烤入電腦)，Windows帶有軟鍵盤可以錄入信息。

3.4.3 瓦斯監(jiān)控傳感器

瓦斯監(jiān)測與監(jiān)控系統的工作最重要的是，來源于工作現場的監(jiān)控傳感器監(jiān)測數據要準確和可靠，只有使用準確可靠設備，才能得到準確的數據信息，才能防止誤動作和誤報警。煤礦目前常用的瓦斯傳感器有：甲烷傳感器、瓦斯傳感器、光學甲烷檢測儀、便攜式甲烷報警儀、高濃度甲烷傳感器等，分類為催化燃燒型瓦斯檢測儀和光干涉式瓦斯檢測器。每一種監(jiān)測儀器都有各自的特性和優(yōu)勢，存在技術上的不足。隨著微電子技術、無線傳感網絡的發(fā)展，依托通信技術，利用智能化技術，瓦斯檢測技術趨向智能化發(fā)展[10]。瓦斯傳感器的測量更準確和易于維修，且成本大大降低。在日常工作中，各類工作人員要充分了解和掌握所使用的儀器，讓儀器發(fā)揮更大的作用，為煤礦的安全高效生產發(fā)揮最大的作用。

3.4.4 系統工作過程

當煤礦井下某工作面或巷道瓦斯?jié)舛瘸^或達到報警值時，瓦斯傳感器把采集的數據傳入防爆計算機，經過簡單處理，通過光纖輸送到地面信息處理平臺，地面網絡服務器電腦使用智能系統緊急處理數據，通過和數據庫信息比較，得到預警信息，控制警告區(qū)域切斷工作面的電力工作設備，啟動安全保護設施，同時把信息傳到帶班領導，指揮人員進入安全區(qū)，等待地面指示。通過瓦斯監(jiān)控系統的預測預報，將瓦斯災害控制在安全范圍內，提高煤炭安全生產經濟和社會效益。

4 結束語

基于計算機網絡的煤礦數字化瓦斯監(jiān)控系統，可以準確、及時監(jiān)控煤礦瓦斯突出信息，提出安全預警，預防瓦斯災害的發(fā)生，不僅保障煤礦安全運行，更能保護工人人身安全，同時極大地提高了煤礦企業(yè)的經濟效益。然而，煤礦安全事故的發(fā)生，是由多個不確定因素作用的，我們對煤礦事故的管理還必須從軟硬兩方面同時著手，首先要加強科學管理，完善安全管理法規(guī)，提高基層職工安全意識，其次要依靠科學技術，完善安全信息管理體系，保證設備安全、信息暢通，真正的實現煤礦的安全生產。因此，研究煤礦瓦斯監(jiān)控系統有現實的積極意義。

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