煤矿安全监控系统升级改造方案设计与应用

陈兴明 岳 鹏 邢 冬

（兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿，山东 济宁 272069）

2016年12月30日，《国家煤矿安监局关于印发〈煤矿安全监控系统升级改造技术方案〉的通知》（煤安监函〔2016〕5号文）指出，目前煤矿安全监控系统应用中存在的主要问题是传感器性能、供电不稳定，传输线路易受干扰，系统技术水平有差异，相关标准不完善等[1]。主要通过新技术、新装备的应用，提高安全监控系统技术性能和安全可靠性，适应煤矿安全生产的需要，促进安全监测监控多元融合和信息共享，提高矿井安全预测预警水平，实现安全监测监控信息的深度分析和综合利用。

1 济宁三号煤矿原有监控系统的不足

济宁三号煤矿原KJ95N煤矿安全监控系统已累计运行多年，系统总体运行稳定，能够满足煤矿的安全生产需要，但与《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》的要求相比尚存在如下不足：

（1）部分传感器防护等级未达到IP65要求。

（2）系统具有预警、报警功能，但未达到升级改造方案所要求的多级要求。

（3）系统多网、多系统融合程度低，未实现井下多系统设备共缆通信，即井下设备级数据融合。

（4）部分性能指标不满足升级改造要求。

2 升级改造方案设计

在充分调研的基础上，结合矿井实际，依据《国家煤矿安监局关于印发〈煤矿安全监控系统升级改造技术方案〉的通知》（煤安监函〔2016〕5号文）、《山东煤矿安全监控系统升级改造技术方案实施标准》（鲁煤监技装〔2017〕70号文）等系列文件要求，在原有KJ95N煤矿安全监控系统基础上设计升级改造方案，全面升级改造为KJ95X型安全监控系统。通过组建安全监控系统环网、更换监控分站、电源和部分传感器等，对支持总线的传感器进行程序更新，系统软件进行全新升级，使系统具有更高的安全性、可靠性。

2.1 主干传输网络升级改造设计

升级后的系统传输采用典型工业环网+现场总线传输架构，采用目前煤矿应用比较成熟的RS485总线。该总线抗干扰能力强，网络拓扑符合煤矿现场应用，系统工作原理采用多主结构、事件主动上传、传输压缩算法机制，缩短系统的巡检周期和异地断电时间，实现窄带优先传输和断线续传。济宁三号煤矿利用矿井原有光缆，在井下各变电所安装环网接入器，组建一套百兆环网，来满足新安全监测系统使用，减少费用投入。

2.2 现场分站、电源升级改造设计

监控分站是监控系统中的重要组成部分，无论在功能上还是安装位置上，在系统中都起到了承上启下的作用。它主要完成数据采集及预处理、逻辑控制输出和与上下级设备通讯的功能。为了满足新一代监控系统的要求，满足相关行业标准、国家文件的要求，本次改造需更换全新分站和电源，确保监控分站数字化传输、断点续传等功能，保证电源信息在线监测、电池供电不小于4h。

2.3 传感器升级改造设计

将传感器（模拟量）更换为数字传感器。风门状态传感器直接在分站中接入开关量接口，无需更换。安装部分GJG100J矿用激光甲烷传感器、多参数传感器满足国家对推广应用先进传感技术及装备的要求。对近两年供应的KGA5矿用一氧化碳传感器、KGJ16B低浓度甲烷传感器固件程序进行升级，满足数字化改造要求。

2.4 多系统融合与联动

系统升级后实现安全监控、人员位置监测、应急广播、工业视频等系统的地面信息融合，并将各业务系统数据通过图形显示实现系统“一矿一图”信息展示，即在一张图上实现不同业务系统的综合显示，从而方便煤矿用户更直观、便捷的了解井下情况，并实现井下联动报警、应急救援与指挥等。

2.5 升级方案实施

系统升级改造实施过程，本着经济、稳定、分步实施最终实现平滑过渡的原则，分步进行系统升级改造，采用新旧两套系统并行运行的方式进行升级改造，确保新旧系统的无缝交割。先组建百兆监测环网，再进行示范采区升级试点，再次对其他地点进行升级，其次进行系统多系统地面融合与联动，最后进行测试、验收，不同的实施阶段，逐一在规定时间内完成升级。

3 系统运行效果

（1）巡检周期明显缩短。矿井使用专用光缆，组建独立环网，分采区接入监控分站，传感器数据发生变化后立即上传，单位时间内传感器数据采集更密集，更便于进行数据分析与快速断电。

（2）系统更加稳定可靠。示范采掘工作面使用低功耗激光甲烷传感器数据监测实现毫秒级变化采集，传感器周期稳定性更长；高温高湿等复杂环境下，误报警频次大幅降低。

（3）实现多级报警。根据矿井煤层发火情况，按照瓦斯浓度大小、瓦斯超限持续时间设置甲烷传感器报警值等，设置不同的报警级别如图1，实施分级响应；系统具有逻辑报警功能。

图1 分级报警配置

（4）传感器实现智能化、数字化。低功耗数字传感器实现远距离传输，多台传感器电源供电、信号传输共用一根电缆，大幅减少井下布线数量，减少系统维护量。传感器、电源等设备即插即用、智能识别，传感器地址重复检测及传感器与分站接通报警，简化了设备安装调试过程。

（5）实现系统诊断、断点续传功能。传感器、电源、分站远程信息诊断功能，帮助维护人员快速判断故障原因，缩短排查、解决问题时间。系统断点续传功能的应用，提高了停电、检修等分站网络不通情况下数据连续性。

（6）异地断电时间大幅缩短。异地断电采用分布式控制方法，无需系统主备机参与实现可靠异地断电，大幅缩短断电控制时间。以53下16胶顺异地断电为例，2018年7月28日风机切换异地断电时间为1秒536毫秒，远远小于异地断电时间不超过40秒要求。

4 经济与社会效益

4.1 经济效益

（1）新系统采用的环网结构及具备的自诊断功能，减少了故障 处理时间和维护人员，提高了工作效率；采用的激光甲烷传感器，降低了标校维护工作量。

（2）数字信号传输减少了线缆的重复敷设，降低了矿井生产成本。数字化传感器的使用，减少了甲烷误报警次数和断电次数，降低了停电事故影响时间，提高了生产效率。

4.2 社会效益

（1）新技术和新装备的使用，使安全监测系统数据更加真实可 靠，促进了矿井安全技术装备水平的提升，为矿井安全生产提供了科学有效的数据。

（2）多系统融合、报警联动功能，实现了数据的综合分析和利 用，为应急救援提供了参考依据，进一步提高了矿井的灾害预防能力及应急救援水平。

5 结 语

本文介绍了煤矿安全监控系统升级改造方案设计，随着升级方案的现场实施，证明了方案的正确性。系统测试运行稳定，达到了升级改造的技术性能指标，实现了多系统融合与联动的目的，保证了矿井作业人员的安全。