VDSL2技术在煤矿井下瓦斯抽放钻场视频监控系统中的应用

李 凡

(河南理工大学电气工程与自动化学院，河南省焦作市，454000)

1 引言

在煤炭开采过程中，煤与瓦斯突出矿井普遍采用顶(底)板巷穿层抽放和顺层钻孔预抽煤层瓦斯措施，钻孔施工工程量较大。能否真正将各个钻孔施工到位，已经成为瓦斯治理措施是否落实到位、效果能否达标的关键。然而，在瓦斯钻孔施工过程中的监督普遍靠人工进行，难免出现管理漏洞，可能导致瓦斯治理措施落实不到位和效果不达标，从而引发事故。

为了加强瓦斯钻孔施工监督管理、规范现场施工人员的行为、防止打假钻和虚报进尺等情况的发生，进一步提高煤矿瓦斯治理的智能化水平，确保措施落实到位和瓦斯钻孔的施工质量，煤矿监管部门要求煤炭企业煤与瓦斯突出矿井在瓦斯钻孔施工现场管理中使用视频监控系统，对井下瓦斯抽放钻场进行可视化实时监控。

针对煤矿监管部门的这一要求，煤炭企业积极落实，钻场视频监控系统在煤矿井下已经得到了广泛的应用，然而，由于井下瓦斯抽放钻场环境的影响以及钻场作业的流动性，使得现有的煤矿井下钻场视频监控系统不适应实时监控井下瓦斯抽放钻场，需要重新设计。

VDSL2技术的单对双绞线传输特性为煤矿井下瓦斯抽放钻场实时监控提供了便利的解决方案。设计中将瓦斯抽放钻场设备随机频繁移动这一区域的系统传输采用VDSL2技术，再接入井下环网，把钻场实时视频信号远距离传输至井上监控中心。灵活运用VDSL2技术，研制了具有VDSL2技术的便携矿用摄像仪，使得系统更加灵活和方便地应用在井下瓦斯抽放钻场的可视化实时监控。

2 瓦斯抽放钻场存在的问题

在煤矿瓦斯治理过程中，由于瓦斯抽放钻场特殊环境的影响，给钻孔作业和钻场管理带来了以下几个方面的困难。

(1)瓦斯突出矿井的瓦斯治理主要是通过钻孔预抽煤层中的瓦斯，消除瓦斯突出的危险性。钻孔数量较多且同时开动多台钻机施工，需要较多的监钻人员，而且钻机作业频繁移动需要监钻人员在2 km左右范围内来回移动。

(2)瓦斯抽放巷道狭窄，管路、线路、设备交错在一起，钻孔作业和钻场移动较为困难。

(3)钻孔过程中，施工和管理常常出现衔接不畅，如施工人员对喷孔、顶钻、卡钻等描述不准确，给管理人员的正确判断和决策带来不利影响。

(4)钻孔的工程量在实际验收中难于确定，常出现假打钻、假验孔、假进尺等现象，给安全生产埋下重大隐患，给企业效益带来严重损失。

(5)钻孔验收及抽放成果的收集主要依靠科室管理人员定期进行单个钻孔逐个验收，当钻孔施工距离长和钻成孔后出现塌孔、堵孔现象时，钻孔实际深度和验孔深度不一致，不能做到全程监控每个钻孔过程。

3 钻场视频监控系统的建设要求

煤矿监管部门要求在瓦斯突出矿井的瓦斯治理中，钻场必须安装视频监控系统，而且钻场视频监控系统要求满足以下条件：

(1)每一台钻机配置一台摄像仪，做到“一钻孔一视频”；

(2)必须做到对开孔、钻进、退钻全过程的视频监视，并对退钻作业全过程(退出钻杆数量)进行监录、拷贝，存档备查。对未按要求使用打钻视频监控的打钻地点，打钻进尺量不予考核；

(3)所有视频信号均必须与调度中心联网；

(4)各煤矿结合本矿实际情况，充分利用本矿井下现有环网平台资源，合理设计钻场视频监控系统；

(5)在瓦斯抽放巷内避免或尽量不使用光缆传输信息；

(6)需要频繁移动的摄像仪及附属设备、附属线缆等应尽量轻便和少量，以方便移动；

(7)维护方便，可靠性高；

(8)钻场视频监控系统中井下相关设备和传输线缆必须具有安全标志和防爆装置资质；

(9)钻场视频监控系统应具备实时监测、图像存储、视频回放、矩阵切换和联网等功能；

(10)视频数据遵循“一钻孔一拷贝”原则，备份存贮时间不少于1年。

4 钻场视频监控系统设计

通过对系统的使用要求和应用环境的调研和分析，对涉及系统组成的相关设备及材料进行市场调研和比较分析，对煤矿现有可利用网络资源进行调研和分析。通过综合分析，以系统建设性能稳定、质量可靠、经济实用为原则，充分利用现有网络传输系统。钻场视频监控系统结构示意图如图1所示。

4.1 系统主要组成

钻场视频监控系统包括地面监控中心、网络传输平台、移动部分三大部分。

(1)地面监控中心主要由监控主机、数字硬盘录像机(NVR)、视频解码器和监控大屏幕等组成。地面监控中心主要用于在地面远程视频监控井下瓦斯抽放钻场实时作业现状，监控主机主要用于管理和控制整个系统；数字硬盘录像机(NVR)存储录制的井下瓦斯抽放钻场实时作业录像，可供相关领导、管理部门及其工作人员实时查看，可供回放已存储的打钻视频，为事后调查提供依据；视频解码器的主要作用在于将接收到的前端矿用本安型摄像仪编码图像进行解码，然后输出显示到大屏幕上，大屏幕用于展示井下瓦斯抽放钻场实时作业视频，方便监控中心监控人员观看。

图1 钻场视频监控系统结构示意图

(2)网络传输平台主要依托煤矿原有局域网及其井下工业环网和网络延伸器等组成。在依托煤矿自身的局域网和井下工业环网系统基础上，在瓦斯抽放巷道口安装网络延伸器，本网络延伸器具有VDSL2技术功能，用光纤连接到井下工业环网的交换机上，形成了钻场视频监控系统的网络传输平台。

(3)移动部分主要由应用VDSL2技术的便携矿用摄像仪、矿用隔爆兼本安电源和矿用通讯电缆等组成。便携矿用摄像仪通过矿用通讯电缆对接到巷道口的网络延伸器，这样便携矿用摄像仪就能在瓦斯抽放巷道内灵活移动。

4.2 系统工作原理

钻场视频监控系统通过便携矿用摄像仪采集到的打钻现场的视频信息，通过通讯电缆传输到网络延伸器，经过网络传输平台将信息传输到地面监控中心数字硬盘录像机(NVR)存储，通过视频解码器传输到大屏幕上，监控主机对整个系统进行管理和控制。相关领导、管理部门及其工作人员通过网络传输平台查看打钻现场的实时视频和回放历史监控信息。 移动视频监控站随着打钻现场的搬迁而迁移。

4.3 系统设计

钻场视频监控系统设计中充分利用煤矿矿井现有资源，地面监控中心放在煤矿统一调度指挥中心内。利用煤矿局域网和调度监控大屏幕，增加监控主机、数字硬盘录像机(NVR)和视频解码器等组成地面监控中心部分。利用煤矿局域网及其井下工业环网，增加具有VDSL2技术功能的网络延伸器等组成了系统中的网络传输平台。研制了应用VDSL2技术的便携矿用摄像仪，用矿用通讯电缆连接到网络延伸器等形成了移动部分。

5 移动部分设计

综合分析移动部分需要考虑的因素后，移动部分设计的关键是信息稳定可靠的传输和方便灵活的移动。通过对同类煤矿使用的钻场视频监控系统的调研和分析，对市面上常用的矿用视频监测监控系统的调研和分析，对可组成钻场视频监控系统的相关设备和线缆的调研和分析，对网络延伸器进行剖析，最终选择屏蔽矿用双绞线电缆作为信息传输载体，研制应用VDSL2技术的便携矿用摄像仪组成移动部分。

5.1 传输技术及设备的选择

监控摄像仪采集的信息传输到网络传输平台可以选择无线和有线两种传输方式。选择无线传输方式时，虽然移动方便了，但是效果不理想。选择有线传输方式时，如果用光纤传输光缆作为传输介质，由于光缆存在线缆较粗、硬度大、不便移动、熔接难度大以及熔接技术措施复杂等原因，因此不便用于井下瓦斯抽放巷钻场工作面；如果用网线作为传输介质，最大传输距离约为100 m，不能满足要求。考虑到监控摄像仪在2 km左右狭窄的巷道内移动方便的问题，用VDSL2技术来解决网络传输问题是目前比较理想的解决方案，因为VDSL2技术可以用双绞线通讯电缆作为信息传输介质，其信息传输距离能达到2 km的要求，而且又方便移动。

5.1.1 VDSL2技术简介

VDSL2技术类似ADSL及ADSL2+技术，采用DMT调制，频率范围能够增加到30 MHz，是可以提供高达100 Mbps带宽的一种通信技术。VDSL2技术支持语音、视频、数据、HDTV和互动游戏等三网合一的业务广泛部署。VDSL2技术主要具有能够实现100 Mbit/s数据传送速率、传输距离最远可达4.5 km左右、兼容ADSL2+技术、更为完善的PSD控制、更好的视频业务支持、提高故障定位准确率和维修效率等特点。

5.1.2 网络延伸器

调研发现，南京北路自动化公司的网络延伸器采用VDSL2技术制造，可以满足系统的要求。该网络延伸器是矿用本质安全型通信设备，适合用于瓦斯突出煤矿井下有瓦斯和煤尘爆炸危险的区域使用。能进行以太网电信号与XDSL信号的相互转换，实现点到点远距离通信。用双绞线作为通信传输介质，可以实现井下瓦斯抽放巷钻场在2 km左右范围内移动作业的需要。此外，设备之间还可以级联。

该矿用本安型网络延伸器主要由网络处理、MCU和模拟处理等部分组成。TCP/IP信号经网络处理部分处理后将数据传送给MCU，MCU将数据进行格式转换后经模拟处理部分处理使用双绞线进行数据传输。

5.2 通讯电缆的选择

采用VDSL2技术的网络延伸器信息传输需要用到双绞线通讯电缆，既要考虑井下瓦斯抽放巷钻场干扰问题，又要考虑2 km左右视频信息传输速率的满足问题，选择使用MHYV 2×2×0.97 mm2矿用屏蔽双绞线通信电缆。

5.3 摄像仪的选择

矿用摄像仪种类繁多，按照防爆型式分为隔爆兼本安型摄像仪和本安型摄像仪两种，按照传输信号不同可分为数字摄像仪和模拟摄像仪两类。综合比较分析不同种类和不同传输方式的优缺点后，本系统选择矿用本安型数字摄像仪，因为数字摄像仪方便连接网络延伸器，如果用模拟型摄像仪，需要加装编码器转换为数字信号连接网络延伸器，这样就增加了移动设备，矿用本安型摄像仪比隔爆型摄像仪较轻且又移动方便。

6 便携矿用摄像仪的研制

考虑选择市场的现有设备，钻场视频监控系统初步设计方案如图2所示。

由图2可知，随着瓦斯抽放钻场设备的搬迁，需要跟随移动的监控设备有1个摄像仪、1个网络延伸器、2个本安电源以及4根电源线和2根通讯电缆，共计4个设备和6根连接线。

通过进一步对网络延伸器深入分析与研究，将VDSL2技术集成到摄像仪中，研制应用VDSL2技术的便携矿用摄像仪，这样可以去掉网络延伸器，减少移动设备的数量，优化后的移动部分设计方案如图3所示。

由图3可知，优化后的移动部分减少到1个便携矿用摄像仪、1个本安电源、2根电源线和1根通讯电缆，共计2个设备和3根连接线。与图2所示方案相比，需要移动的设备及电缆减少了1倍，不仅减轻了工人的劳动强度，而且减少了移动部分调试的时间。

6.1 便携矿用摄像仪的内部结构

便携矿用摄像仪的内部结构示意图如图4所示。

图4 便携矿用摄像仪的内部结构示意图

该便携矿用摄像仪主要由摄像头、编码器、VDSL2技术模板和电源模块等部分组成。摄像头采集的视频信号通过编码器转换成数字信号,通过VDSL2技术模板处理，进行以太网电信号与XDSL信号的相互转换后，经过通讯电缆传输到网络延伸器，将钻场监控视频实时传送到监控中心。电源模块给其他子模块供电。样机实物和样机内部结构如图5和图6所示。

6.2 便携矿用摄像仪的特点

便携摄像仪含有VDSL2技术，可以直接用双绞线电缆远距离传输视频信号，做到在煤矿井下瓦斯抽放巷道内完全不使用光缆。该摄像仪具有两个RJ11接口和两个RJ45接口，方便摄像仪在2 km内级联使用，可以解决在一个巷道内一条链路监控多个钻场作业。本摄像仪采用长方形壳体，能够有效利用空间，本安型设计使得该摄像仪的移动和维护更加方便。

图5 样机实物

图6 样机内部结构

6.3 样机测试

6.3.1 带宽测试

为了保证便携矿用摄像仪在应用中能够满足带宽和距离的要求，在实验室选用KJJ12矿用本安型网络延伸器、矿用通信电缆、联想电脑以及便携矿用摄像仪样机等设备搭建了测试环境，使用Chariot带宽测试工具测量带宽。便携矿用摄像仪传输带宽测试连接如图7所示。

图7 便携矿用摄像仪传输带宽测试连接

测试结果表明，矿用通信电缆在2 km时，带宽可以达到53 Mbps。将矿用通信电缆增加到3.6 km时，带宽只有9 Mbps。从测试结果可以看出来，随着通讯电缆长度的增加，实际带宽越来越小。考虑到实际现场环境的影响，在实际应用中，在矿用通信电缆2 km左右距离时实际带宽可以达到20 Mbps以上，理论上可以串联4～5个摄像仪。

6.3.2 图像效果测试

在实验室选用KJJ12矿用本安型网络延伸器、海康威视8616数字硬盘录像机、华三千兆网络交换机、联想电脑以及便携矿用摄像仪样机等设备搭建了测试环境，并在8616数字硬盘录像机上保存新型摄像仪样机的录像。便携矿用摄像仪样机图像效果测试连接如图8所示。

图8 便携矿用摄像仪样机图像效果测试连接

采用便携矿用摄像仪样机对中国平煤神马集团十二矿井下瓦斯抽放巷钻场作业现场进行了井下实测，测试效果如图9所示。

图9 便携矿用摄像仪样机实测效果

7 应用效果

采用VDSL2技术的钻场视频监控系统已经应用在河南能源化工集团、中国平煤神马集团、郑煤集团、阳煤集团、晋煤集团等煤炭企业的几十家煤矿。该系统的建设顺应了当前严峻的煤矿瓦斯治理的安全形势，为矿井的安全生产打下了坚实的基础，能够保障矿井安全工作的顺利进行，也为井下职工的生命财产安全提供了有力保障。

钻场视频监控系统的建设充分利用了煤矿的现有资源，减少了成本。该系统优化了煤矿瓦斯钻孔施工现场管理模式，缩减了监钻工人，实现减人提效。

通过地面全程监控井下打钻情况，从源头上杜绝了施工人员谎报进尺、违章操作甚至打假孔等危及安全生产的事件发生，做到了“预防为主”，提高了钻场管理水平。