郭屯煤矿安全监测监控系统升级改造经验及未来展望

李进海 张海超 王 兵

（山东能源临沂矿业集团菏泽煤电有限公司郭屯煤矿，山东 临沂 276017）

1 监控系统概况

郭屯煤矿原安全监控系统采用江苏三恒科技股份有限公司生产的KJ70N系统，系统于2009年9月投入使用，2013年11月对监测监控系统中心站、软件及分站进行了同型号更换升级，该系统工作稳定，性能可靠，各项功能及参数符合《煤矿安全规程》和煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范的技术要求。2017年11月经山东鼎安检测技术有限公司检验合格。安全监控中心站设在矿安全生产调度指挥中心实现在线监测，各种数据使用江苏三恒科技有限公司的上传软件，能准确地传送到矿领导、通防科、通防工区值班室的监控客户端，同时与集团公司信息中心、山东能源集团公司、山东煤矿安全监察局联网进行数据上传。

2 安全监控系统升级改造项目背景

2016年12月29日，国家煤矿安全监察局印发了《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》（煤安监函〔2016〕5号）。2017年2月20日，山东煤矿安全监察局下发《关于转发国家煤矿安监局〈煤矿安全监控系统升级改造技术方案〉的通知》（鲁煤监技装〔2017〕13号）。2018年3月22日，山东煤矿安全监察局下发《关于做好煤矿安全监控系统升级改造工作的通知》（鲁煤监技装〔2018〕24号）要求通过对安全监控系统改造，不断提高煤矿安全监控系统的准确性、灵敏性、可靠性、稳定性和易维护性，进一步发挥科学技术的保障作用，提升事故防控预警和应急处置能力。

3 安全监控系统升级改造主要内容

郭屯煤矿安全监控系统升级改造方式是在原KJ70N系统基础上升级为江苏三恒科技股份有限公司生产的KJ70X系统。新系统基于工业以太环网+现场总线通信架构，采用分布式控制、多系统数据融合、断线续传、电磁兼容、设备故障诊断等技术，性能及功能指标满足《山东煤矿安全监控系统升级改造技术标准》、AQ6201《煤矿安全监控系统通用技术要求》及相关行业标准。郭屯煤矿采取按月上报物资计划，逐月对井下分站及传感器进行升级更换，采用江苏三恒KJJ110工业交换机（德国赫兹曼）建设安全监控系统专用工业以太环网的方式实现安全监控系统平稳升级。

3.1 地面中心站改造

（1）地面中心站充分利用原有监控机房的监控设备、数据服务器、UPS电源等硬件设备，对监控系统数据库进行升级，升级新版KJ70X系统软件，完善监控系统软件分级报警、断电等控制功能、多网和多系统融合、自诊断和自评估功能、数据分析等功能。对监控系统数据库进行升级，增加关键数据加密功能。

（2）对监控系统通讯机制进行改造，提高系统实时性。

（3）监控软件预留有接口，可通过软件接口与其他系统实现联动和数据交换。

3.2 传输通道改造

传输通道由原电缆传输模式改为工业以太网+现场总线方式传输，具体示意如图1所示。

图1 工业以太网+现场总线方式传输模式

（1）安装1台地面环网交换机，用于地面风机房、洗煤厂等监控区域的信息传输，和井下的交换机形成一体式冗余环网方式。

（2）安装地面核心交换机1台，用于工业以太网实时对网络设备的配置、监控、诊断，提供整合式管理平台，能够自动侦测网络设备。

（3）井下主传输全部由信号电缆传输升级为光缆传输，在一采区变电所、二采区进风巷、四采区进风巷、-670m辅助水平变电所分别安设井下环网交换机，组建安全监控专用环网，分站就近接入安全监控专用环网，分站到传感器采用通讯电缆传输，满足相关要求。

3.3 井下设备改造

井下设备的改造，以实现传输信号达到全数字化、抗电磁干扰能力、IP65防护等级、自诊断自评估、系统性能提升为目的，主要改造监控分站、供电电源、传感器等设备。

（1）监控分站

郭屯煤矿目前在用KJ70N-F型分站，均不能实现数字传输，本次升级逐月实施KJ770-F5总线型分站计划，对在用分站进行更换，更换后的分站具有多种接口类型，使用后可达到下列功能：

① 可接入16台模拟量传感器，传输采用总线式全数字化，提高传输环节的可靠性。

② 监控分站具有断电续传功能，能够把通讯中断时的传感器数据保存在分站内，在通讯恢复正常后续传到中心站，确保监控数据的连续性。

③ 分站通过严酷等级为2级的射频电磁辐射抗扰度试验，严酷等级为3级电快速瞬变脉冲群抗扰度试验，严酷等级为3级的浪涌抗扰度试验，严酷等级为3级的静电放电抗扰度试验，当出现干扰时分站仍能工作。

（2）监控分站电源

郭屯煤矿目前在用监控分站电源为KDW17型，电池续航能力不能满足4h,本次升级更换为KDW660/24BJ智能电源。KDW660/24BJ智能电源通过四项EMC试验，其中2项高于标准要求，可提供三路本安输出，每一路有18V/24V/30V三种电压可选，提供8h备电池使用时间。支持以太网通讯，有两路光口可实时、远程了解电源运行状况，实时显示电源交直流工作状态，同时可以对电源进行远程充放电管理。

（3）传感器升级

逐月更换传感器，实现防护等级均达到IP65，采用RS485传输。

（4）多系统融合联动

根据国家对煤矿“六大系统”的建设要求，目前大多数煤矿已完成了通信联络系统（程控电话、无线通信、扩音广播）、安全监测系统和人员定位系统的建设，但是各系统相对独立、自成一派，成为系统“孤岛”，系统之间没有相互联络和互动，同时也没有统一的调度指挥平台。

在安全生产调度指挥中心安装1台多系统融合联动工作站，通过统一的平台，实现融合通信系统与人员定位系统、安全监控系统、生产自动化系统和大数据分析预警系统的联动控制。平时生产时，能够实现程控电话、无线通信、应急广播、局部广播的统一调度，实现人员定位系统、安全监测系统、自动化系统、大数据分析预警系统等与通信联络系统的联动；当事故发生时，能进行“区域呼”、“一键呼”，快速通知井下人员，提高救援工作的效率。如图2所示。

图2 各系统联动示意图

4 安全监控系统升级改造后主要性能

4.1 传输数字化

在分站至中心站数字化传输的基础上，将传感器至分站升级为数字传输，所有传感器至分站的传输全部采用RS485数字传输。采用具有在线标校、即插即用、地址重复提醒功能的智能传感器，具有故障自诊断等功能，当传感器发生故障时，可将诊断信息实时传输至地面主机，显示故障信息。

4.2 增强抗电磁干扰能力要求

增强了安全监控系统设备相关抗干扰能力，地面设备3级静电抗扰度试验，评价等级为A。2级电磁辐射抗扰度试验，评价等级为A。2级脉冲群抗扰度试验，评价等级为A。交流电源端口3级、直流电源与信号端口2级浪涌（冲击）抗扰度试验，评价等级为B。

4.3 采用先进传感技术及装备

由于升级前使用的载体催化燃烧式甲烷传感器存在易中毒、测量范围窄（0%～4%CH4）、寿命短（1年左右）、存在误报、跳大数、调校频繁（每15d需调校一次）等缺点，将在用甲烷传感器升级为低功耗激光甲烷传感器。激光甲烷传感器具有双光路自校准功能，调校周期长；全量程高精度检测，不受其他水汽及其它烷类、CO2等背景气体影响，不存在中毒现象；元件寿命长，是目前测量最准确稳定的传感器。在2个避难硐室安装多参数传感器，方便日常维护，降低了使用成本。

4.4 提升传感器的防护等级

升级改造前所使用的传感器防护等级多为IP54，插接头的密封性能也仅能适用于溅水环境，升级后的传感器防护等级为IP65，全面提升了传感器防尘、防水能力，保障传感器在恶劣工作环境下的工作可靠性。

4.5 完善报警、断电等控制功能

（1）系统实现了甲烷及一氧化碳浓度分级报警，根据浓度大小、超限持续时间、超限范围等，设置不同的报警级别，实施分级响应。传感器可根据分级报警级别发出不同等级声光报警，以更准确通知井下人员当前危险程度。

（2）系统已在部分区域按照巷道布置实现逻辑报警，逻辑关系配置为1-3组。根据巷道布置及瓦斯涌出等内在逻辑关系，实施逻辑报警，促进各类传感器的正确安装、设置、维护，监控系统的正常使用。如：进风巷的瓦斯浓度高于回风巷的瓦斯浓度，有违正常逻辑，应报警。

（3）完善了就地断电功能，提高了断电的可靠性，并加强馈电状态监测，完善了区域断电。

4.6 支持多网、多系统融合

系统具备有线和无线传输网络融合的功能。系统基于GIS技术，具有三维空间地理信息服务功能。多系统的融合采用地面方式在地面统一平台上与环境监测、人员定位监测、调度通信、应急广播等融合。

4.7 格式规范化

系统主干网应采用工业以太网，将地面交换机与井下交换机进行环网连接。系统主干线缆分设两条，从副井保持一定间距的不同位置进入井下。分站至主干网之间采用工业以太网传输；模拟量传感器至分站的有线传输采用RS485。采用统一的数据格式与集团公司、山东煤矿安全监察局联网上传。

4.8 实现自诊断、自评估功能

系统实现传感器、控制器的设置以及定义诊断和评估，当检测到传感器报警、断电、复电门限设置不满足相关标准及规定时能发出报警信息提示。按要求设置甲烷、一氧化碳传感器标校提醒功能。实现井下各监测点的所有类型的传感器以及分站、电源箱的状态检测和故障信息上传功能。系统数据库密码不正常、数据库连接失败、软件模块异常关闭以及工作异常时系统能发出异常信息提示。

4.9 加强数据应用分析

系统升级改造后，具备多路数据上传功能。必须具备数据分析与应用功能，对传感器间的关联性进行分析，对伪数据进行标注，对异常数据进行分析，并实现数据分类汇总统计。

4.10 应急联动

在瓦斯超限、火灾、断电等需立即撤人的紧急情况下，应自动与应急广播、通信、人员位置监测等系统进行应急联动。通过井下应急广播系统通知危险区域人员撤离；通过人员位置监测系统双向紧急呼叫功能，自动通知危险区域人员进行撤离等。

4.11 提升系统性能指标

（1）系统巡检周期不超过20s。

（2）异地断电时间不超过40s。

（3）系统及分站备用电源能维持断电后正常供电时间由2h提升到4h，更换电池要求由仅能维持1h时必须更换，提高到仅能维持2h时必须更换。

（4）系统应具有双机热备自动切换功能。

（5）模拟量传输处理误差不超过0.5%。

（6）分站的最大远程本安供电距离（在设计工况条件下）实行分级管理，分别为2km、3km、6km。

（7）分站应具有断线续传功能。

4.12 增加加密存储要求

采用同态加密、SHA256、SHA512、DES、RSA等混合加密算法，提高了监控系统数据安全，系统对数据传输、历史数据进行高效、可靠的加密存储，以防止违规删除、篡改监控系统报警、断电等重要数据。

5 经验做法

（1）选择监测线时必须考虑传输距离，考虑电压降，一般选取0.52mm直径以上的线缆，否则会存在传输距离短、三个以上传感器无法正常工作或者传感器时断时传的故障。

（2）在使用大功耗传感器时，如粉尘传感器，在分站接线时应当考虑将分站输出的两路电源并联接入，接入一路电源存在时断时传的故障闭锁。因此分站接线应当考虑传感器功耗。

（3）新系统软件相对原系统的软件占用内存大，服务器的好坏直接关系到监控系统各操作界面切换速度甚至影响到巡检周期，建议服务器内存不宜低于8G。

（4）安全监控系统升级改造工作方案的确定很重要，对于大型矿井，由于分站及传感器较多，分批采购更换的设备、仪器采购到货不集中、生产批次不一致，容易造成升级改造进度缓慢等问题。建议不采用在原系统逐步更换升级的方案，应采用原系统正常运行，重新安装新系统，待新系统稳定正常后淘汰原系统的方案进行。

6 存在的不足

（1）新的检测系统预留了子系统接入的传输数据端口，能够分析处理子系统的数据，生产适合安全监测系统的数据。但是安装的人员定位系统、应急广播系统等厂家不愿意开放数据协议，即使开放也存在不兼容的状况。需要厂家之间进行沟通，让有权威的部门进行统一协调，在固定检测系统升级厂家的同时，筛选出配合监控系统升级改造的人员定位厂家、应急广播厂家，让其共同参与。

（2）传感器功耗不同传输距离不尽相同。例如：粉尘传感器功耗较大，一条线路上只能带起1台甲烷和1台粉尘传感器，且传输距离不能超过2km。为满足要求，在介入大功率传感器时，首先需要使用直径更大的监测线，然后将分站的4路输出端中的两路并联共同为大功率传感器进行供电。

（3）分站采用数字传输方式后，由于增加光口交换机功耗，耗电量较大，影响分站挂接传感器的数量。据统计，1台分站光口的耗电量与挂接3台甲烷传感器的功耗基本相同。基于以上原因，为确保分站传输距离，需要单独为分站光口供电，以满足要求。

（4）采用以太网传输的分站，由于分站上一级的交换机已经形成环网，若将分站与分站之间形成环网，必将形成网络风暴，造成全部系统故障。若将分站与分站之间串联，如上一级分站故障，被串分站也会全部故障。基于以上两点，在安装分站时，每台分站只能单独使用独立光纤，增加了光纤的使用量及敷设光缆的工作量。

7 安全监控智能化未来展望

（1）安全监控系统采用地面集中供电方式，杜绝井下电气失爆现象，在遇到爆炸事故时避免监控设备电源受影响不能正常监测现象。系统传感器采用无线传输，与井下手机设计为一体，具备多参数监测功能，实时上传及数据采集分析，现场工作人员随身携带，促进管理效率及科学化决策，提高风险管控能力。

（2）通过安全监控系统与井下局部通风变频技术管理平台的融合。根据监测数据自动分析，完成自动配风。通过监控系统与矿井火灾预测系统的融合，实现自动开启主井注氮设备。通过安全监测系统与制冷降温管理系统的融合，通过监测温度变化，自动控制制冷量。通过粉尘浓度及环境湿度监测实现自动综合防尘技术。

（3）通过安全监控系统与矿井放炮监测系统的融合，实现十个不能：① 警戒人员没有到位，不能放炮；② 放炮安全距离不够，不能放炮；③ 不进行三人连锁，不能放炮；④ 网络电阻超限可能有瞎炮，不能放炮；⑤ 瓦斯超限，不能放炮；⑥ 粉尘超限，不能放炮；⑦ 风量不足，不能放炮；⑧喷雾设施没有打开，不能放炮；⑨ 有人在危险区域，不能放炮；⑩ 没有停电，不能放炮。各级领导能够通过网络对放炮全过程进行实时监控。

（4）多系统融合及应急联动平台，配合井下4G网络覆盖和手机客户端的使用，实现可视化与自动化，实现真正的“无人值守”功能，大大减少井下作业人员。高效的数据采集和传输，可将各生产环节的数据实时传送，更加有利于管理和控制。人员定位系统与安全监控系统、通讯系统联动，紧急情况下可以高效组织人员撤离。

（5）不断提高矿井自动化、智慧化水平。实施掘进机自动截割功能，应用激光雷达定位技术、断面自动成像技术，配合各类传感器，实现掘进机的远程自动截割。

（6）装备智能无人工作面，建立支架、泵站、煤机、溜子、转载机、破碎机、皮带集中控制平台，实现工作面自动化运行，完成工作面减人少人的目标。

（7）实施运输系统智慧化升级，装备顺槽皮带巡查机器人，研究实施斜巷绞车、架空乘人装置自动化运行，研发大巷电机车、采区单轨吊自动驾驶技术，实现辅运系统自动化运行、无人值守。

（8）以智慧采区建设为基础，充分汲取建设经验，由点及面，逐步推广，将矿井建设成为绿色、高效、透明的智慧化矿井。

（9）将监控系统融合整合调度、安全、经营、地测图文、综合自动化、环境监测、视频监控等人机物环管信息，抽取、清理、加工、汇总至数据仓库，建成数据中心，当数据发生重要变化时可通过手机APP软件进行推送预警，实现对矿井各类灾害进行预警与超前防治、对各类生产系统的设备进行故障诊断与超前维护，方便大数据采集。

8 结束语

随着通讯技术、计算机技术和自动控制技术的迅速发展，煤矿企业向网络化、自动化方向发展的趋势已日趋明显，煤矿企业向网络化、智能化和管理控制一体化的方向演变是企业发展的必然，也是满足煤矿生产环境、生产过程特点的需要。因此，煤矿安全监测监控系统升级改造及矿井多系统融合联动是一种企业发展的需要，以保证煤矿安全生产，为企业带来更大的经济效益。