井下安全监控系统的设计与应用

汪圣良

摘要：目前，煤矿都会配备安全监控系统，以确保矿井安全。在分析煤矿对安全监控系统具体需求的基础上，对其总体方案进行了设计，安全监控系统主要可以划分为井下环网、主机房和集中调度中心3大部分。系统具备丰富的功能模块，其中最核心和关键的功能模块主要包括数据采集模块、控制模块、报警模块和显示模块。详细阐述了系统的组态化功能和网络拓补结构设计情况。将设计的安全监控系统应用到井下实践中，效果良好，能够很好地监测井下各项状态数据信息，为保障井下安全奠定了坚实基础。

关键词：煤矿井下;安全监控;系统设计;瓦斯浓度

中图分类号：TD76 文献标志码：A 文章编号：1009—9492（2021）03—0253—03

0引言

当前，我国社会经济发展对煤炭资源的依赖程度居高不下，每年都需要开采大量的煤炭资源，以顺应社会发展需求，促进了煤炭行业的快速发展，采煤效率不断提升。此外，国家也越来越重视煤炭开采过程中的安全问题。在此背景下，煤矿井下安全监控系统所发挥的作用日益凸显。崔丽玲研究设计了煤矿空气压缩机监控系统，通过变频器和控制器的使用，使压缩机运行可靠性和效率显著提升;王晓艳研究了主变电所无人值守监控系统在煤矿中的实践应用情况，通过技术改造，显著提升了煤矿生产的安全性和供电的可靠性。可以看出，安全监控系统是当前煤矿企业关注的热点问题。目前已有的关于监控系统的研究主要集中在矿井各个独立的系统，并没有做到统筹兼顾，缺乏全面性。

本文在充分考虑矿井实际情况的基础上，兼顾多方面因素，研究设计了安全监控系统，可以实时检测井下的状态，使井下各项参数均保持在安全范围以内。如果井下部分状态参数超过了安全范围，系统会在第一时间发现并发出警报，工作人员可以及时排除安全隐患，从而提升矿井的安全程度。该研究对于更好地掌握矿井运行状态，提升矿井运行的可靠性和安全性具有重要的实践意义。

1煤矿安全监控系统需求分析

随着国家对煤矿安全重视程度的不断提升，井下安全监控系统已经成为煤矿的标准配置之一。结合煤矿实际情况，监控系统的主要作用是实现对井下各种环境状态参数以及采煤设备运行参数的实时监测。系统可以运用专业传感器感知井下各类参数，并通过工业网络传输至地面监控中心，自动研判井下安全状态，从而降低井下安全人员的工作量和负担。位于地面监控中心的安全人员能够实时掌握井下各项状态数据，一旦发现存在安全隐患，就可以及时采取措施对隐患进行排除。

2安全监控系统总体方案设计

2.1总体结构

图1所示为井下安全监控系统总体方案。从图中可以看出，监控系统总体上可以划分成为3大部分，分别为井下环网、主机房和集中调度中心。其中井下环网的作用是基于各类专业传感器对井下的环境状态参数以及主要采煤设备运行状态参数进行监测;集中调度中心的作用就是接收井下环网采集得到的状态数据信息，并基于设定的算法程序对数据进行处理分析，进而研判井下安全状态，并将相关结果通过打印机进行展示。一旦分析发现井下存在安全隐患，系统就会通过语音播报器发出警报。集中调度中心处理后的数据信息需要传输至主机房中，存储在服务器中。后续可以根据实际需要从服务器中调取相关的数据信息进行进一步处理。

2.2主要功能设计

图2所示为井下安全监控系统的主要功能框。从图中可以看出，系统整体上包含10个功能模块，其中最为核心和关键的模块主要是数据采集模块、控制模块、报警模块以及显示模块等。以下对几种关键的功能模块进行简要介绍。

（1）数据采集模块

对井下各项状态数据信息进行采集是实现矿井安全监控的基础和前提。该模块主要由控制器和传感器构成，通过控制器对传感器进行控制，实现状态数据信息的采集。可以对下述3类数据进行采集：一是甲烷浓度、烟雾浓度、一氧化碳浓度、温度、风速和风压等;二是矿井供电系统运行状态、通风机启停状态、风筒和风门等的运行状态;三是矿井瓦斯抽放量的实时监测数据。

（2）控制模块

当安全系统检测发现矿井存在安全隐患时，需要通过控制模块做出必要的安全保护动作。比如当矿井瓦斯浓度超过安全限度时，控制模块需要通过下达指令对井下设备进行断电处理，特殊情况下也可以直接由地面监控中心通过手动方式切断井下设备供电。可对瓦斯泵的启动与停机进行自动控制，当发现井下瓦斯浓度相对较低时，则可以停止运行瓦斯泵以节省电能。相反的，当瓦斯浓度较高时，则需要控制瓦斯泵启动，以降低井下瓦斯浓度大小，确保矿井安全。

（3）报警模块

安全监控系统通过对采集得到的状态数据信息进行分析和处理后，发现井下某些数据信息超过了安全范围时，基于报警模块可以利用扩音器向外发出警报，以提示工作人员及时进行处理，避免小隐患引发大的安全事故。

（4）显示模块

该模块主要是对采集得到的数据信息通过显示器进行实时显示，可以显示的内容主要包括时间、地点、名称等。操作人员可以选择某项数据进行连续观测，进而绘制该项数据随时间的演变曲线。

3系统组态化功能及网络拓扑结构设计

3.1系统组态化功能

组态化功能是指系统用户按照自身实际使用需要，对系统的部分界面和功能进行设置，并且将设置好的基本情况进行保存。在后续使用过程中，操作人员就可以根据保存的界面和功能对数据信息进行浏览或者查阅。该功能可以满足用户的个性化需求，使系统更加适合操作人员的使用习惯。图3所示为安全监控系统组态化功能设计。从图中可以看出，安全监控系统的管理员可以基于组态化功能设计，实现对元素属性和编辑环境的修改，同时还可以根据自身使用习惯，对图片组件、打开和保存方式、预览功能等进行自定义。

3.2系统网络拓扑结构

进行安全监控系统在设计过程中应该充分利用矿井现有的网络资源，以降低系统建设的成本投入，同时还需要遵循一些基本的原则，比如易用性原则、拓展性原则、先进性原则等。在充分分析安全监控系统功能的基础上，可以将网络系统划分为两个层面，分别为集团层面和煤矿层面，整个网络呈现出分布式框架结构，两个层面之间通过先进的网络技术进行连接。集团内部不同矿井之间可以通过高速网络系统实现数据信息的相互传输与共享。本文设计的系统主干网络采用的是光纤，完全能够保障数据传输的速度及其可靠性和稳定性。图4所示为安全监控系统网络拓扑结构。从图中可以看出，设计的网络拓扑结构中最底层主要由两大部分构成，分别为工业网络以及井下监测系统。其中井下监测系统的核心就是各类专业传感器，传感器采集得到的数据信息通过工业网络传输至地面监控中心。由于矿井环境相对比较复杂，为了确保数据传输过程的可靠性和稳定性，井下基于单向数据传输技术实现数据信号的传输。监控网络涉及到局域网和工业网络，两种网络之间通过FTP技术和DDE技术实现连接。

4实践应用效果分析

将本文设计的安全监控系统应用到煤矿工程实践中，取得了良好的应用效果。该系统可以对矿井中关键部位的通风情况进行连续监测，基于矿井内不同位置的通风状态实时监测结果，对矿井通风量和风速进行实时调整，提升了通风系统调节的实时性和准确性，实现了对矿井内瓦斯浓度的实时监测，基于不同位置瓦斯浓度的演变情况，可以分析判断矿井内部不同区域瓦斯浓度的涌出规律，系统可提前预测潜在的瓦斯风险，并采取措施进行处理。对温度和一氧化碳浓度的连续监测，系统可以研判矿井内潜在的自然发火位置，因为当一氧化碳浓度和环境温度达到一定程度时，就有出现自然发火的风险，这样井下人员就可及时采取措施进行处理，将潜在的井下火灾扼杀在萌芽阶段。对通风机系统运行状态的实时监控，能够保证通风系统的可靠和稳定运行，当通风机系统出现故障问题时能够在第一时间发现并处理，避免通风机系统出现突发故障威胁矿井安全。基于以上分析可以看出，将安全监控系统利用到煤矿实践中，能够及时发现矿井存在的潜在安全风险，并立即发出警报以提示工作人员及时进行处理。在安全监控系统的作用下能够避免小隐患引发大的煤矿安全事故，在保障矿井安全方面发挥着非常重要的作用。

5结束语

在国家日益重视煤矿安全的大背景下，井下安全监控系统已然成为各矿井企业的标准配置之一，在保障矿井安全方面发挥着不可或缺的作用。本文在分析煤矿实际需求的基础上，研究设计了安全监控系统。该系统总体上可以划分成为3大部分，分别为井下环网、主机房和集中调度中心，各部分发挥着不同的作用。系统采用的是模块化设计，具有丰富的功能，其中最主要的模块包括数据采集模块、控制模块、报警模块和显示模塊;详细介绍了安全监控系统组态化功能以及网络拓扑结构设计情况;将设计的安全监控系统应用到煤矿工程实践中，能够对井下各项状态数据参数进行实时连续监控，为矿井在第一时间发现问题并处理问题奠定了坚实的基础。