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1、矿井瓦斯监控和通风系统集成规划方向 摘要：应用煤矿安全生产监控系统对煤矿的生产状况进行监控，将在很大程度上减少生产事故的发生。但对于数量上占绝对多数的矿井而言，大型监控系统未能较好地发挥其作用。针对这一情况，近年来一些科研院所推出了面向矿井的“煤矿安全生产监控系统” ，但它仍不能从根本上解决矿井管理不到位、技术人员缺乏、工作效率低等问题。 归其原因，长期以来的这种各矿自成体系的监管模式不适合矿井的具体情况，为此，本文探讨了一种新型监管模式集群监管模式，并以该模式为基础，研发了与之相配套的更适合于矿井的通风瓦斯集群监控系统。 本论文做了如下几方面研究工作： 1、提出了矿井通风瓦斯集群监管模式 对
2、于单个矿井而言，由于其开采规模与自身能力有限，难以将煤矿安全生产监控工作落实到位。而集群监管模式的提出，就是通过将多个矿井的实力联合起来，将有限资源重新整合，达到改善矿井安全生产状况的目的。该模式采用多个煤矿共一套监控系统，由远程监控中心负责对各矿集中监控。它能有效地避免单个煤矿的管理水平低，运转不正常，系统不兼容，监测监控人员配备不足等问题，形成区域范同内的集中联网调度指挥，从而实现矿井大管理，这种全新的管理模式必将促成矿井安全生产管理体制的一场重大变革。 2、研发了矿井通风瓦斯集群监控系统 该系统的特点是在各矿只配备智能分站和相应的显示报警装置，分站为无人值守的工作方式；作为监控核心的监控
3、主机放置在远程监控中心，中心的技术人员通过远程监控的方式对各矿集中监管、调度。 对于监控系统而言，现场数据采集的准确性是确保系统有效发挥作用的关键而又基础的一环。为此，本文对瓦斯传感器的自校正技术进行了探讨。瓦斯传感器自校正技术分为硬件自校正和软件自校正两大类，而基于神经网络、遗传算法等方法的软件自校正技术已经取代硬件自校正技术成为传感器自校正技术的主流方向。尽管基于神经网络、遗传算法的软件自校正技术有着良好的校正精度，但却存在着系统开销大、硬件实现困难等问题。对此。本文提出了基于灰色预测理论的 GM(1，1)模型的瓦斯传感器自校正技术，它是采用查表法的思想，该方法所需的原始数据少，有效避免了
4、需要通过大量的测试获取分段函数的麻烦，易于单片机实现，也易于校正曲线的重构。通过对 KJ-1 型甲烷检测元件的校正测试，得出该方法的校正精度满足要求。 选择合适的通信方式有利于数据传输的准确可靠，同时也能节约成本。关键词：煤矿通风；瓦斯监测；预警系统0 引言目前，在我国一次能量消费结构中，煤炭占 75%以上。煤炭不仅是我国的基本燃料，又是重要的工业原料，电力、钢铁、石油加工、水泥、化学原料五大行业都离不开煤炭，因此，煤炭工业的发展直接关系到国计民生。为使我国能源战略持续稳定的发展，必须稳步高效地发展煤炭工业。第一、煤矿生产是地下作业，自然条件复杂，工作环境恶劣。地面空气在进入井下并流经各作业场
5、所的过程中，将掺入有毒有害气体和矿尘，成分逐渐发生变化。同时，由于地热作用，人体和机械的散热、水分的蒸发等，都会显著提高井下空气的温度和湿度，造成不良的气候条件。解决这些问题就需要矿井通风系统。同时煤矿的瓦斯灾害也时有发生，不仅威胁井下人员生命，摧毁矿井设施，迫使矿井停产，而且需要投入大量人力物力抢险救灾。要高效处理矿井中的各种问题，就要解决系统不兼容，监测监控人员配备不足等问题，形成区域范围内的集中联网调度指挥。这不仅为小矿管理的全面升级提供一个发展的平台，也为其它行业类似情况的安全管理提供一种有益的借鉴。第二、开发了基于集群监管模式下的矿井安全生产监控系统。这种系统是针对矿井监测过程中的常
6、见问题进行分析后，将现有矿井用的“小系统”的若干关键技术进行改进，使得它更加符合矿井的特点。矿井通风瓦斯集群监控系统的应用极大地提高了监控系统的利用率和技术人员的工作效能，减少了矿井在安全监控方面的成本支出，使得监控系统在矿井中广泛普及成为可能。同时，它能有效避免因技术人员的缺乏而导致监控系统无法正常发挥其作用，这将在很大程度上改善矿井安全生产的现状，从根本上解决矿井安全生产事故居高不下的问题。第三、有利于实现政府对矿井的有效监管。煤矿数字化远程监控网络的建立让各级监察部门通过网络对所辖范围内矿井的安全生产状况进行监督成为可能，这种监管模式比派人到下属矿井巡查的传统模式更加有效，能及时发现矿井
7、的安全隐患并提出整改方案，为实现煤矿企业安全生产打下良好基础。1 国内外研究现状1.1 煤矿安全生产监控系统国内外概况1.1.1 煤矿安全生产监控系统的组成煤矿监测技术是一门融通信技术、控制技术、计算机技术和电子技术为一体的综合性很强的学科，是信息产业和工业领域的一种先导性技术。 “监测”是指对煤矿环境与生产参数进行自动监测。 “监控”是指系统根据监测所得到的数据来进行分析，并依据所得结果对生产进行反馈控制。煤矿安全生产监控系统的监控内容分为对生产环境安全和生产过程的监测与控制，但是系统的工作还是侧重于监测，即对环境与各种生产参数进行收集处理，控制的内容很少，一般是实施断电功能。目前，各种型号
8、的煤矿安全生产监控系统产品尽管千差万别，但就其系统的整体结构和技术特征而言却是大体相同的(图 1-1)，大多采用分布式结构，通信方式为时分制。这种结构的系统一般由四大部分组成:1)传感器及执行器:负责采集现场环境及工况参数，最终执行地面监控中心或分站发出的控制指令。目前国内生产和用于煤矿监测监控系统的传感器系统配接的各种传感器控制器主要有瓦斯、一氧化碳、风速、负压、温度、煤仓煤位、水仓水位、电流、电压和有功功率等模拟量传感器，以及机电设备开停、机电设备馈电状态、风门开关状态等开关传感器。2)智能分站:一种带微处理器的智能可编程装置，负责传感器的集中供电、完成实时信息的采集及预处理、与监控中心的
9、数据通信。采用智能分站结构的优点主要有:全矿井系统的任何故障不会影响分站正常工作;由于分站可以独立工作，因而可在矿井主系统前或后装备，灵活掌握，这样可以避免系统的重复设置;分站根据实际情况把主要的信息传输到中心站，大大减少全矿井信息的传输负担，提高了实时性。3)监控中心:系统的信息处理中心，由工控机、打印机、电源、智能终端等组成，监控中心完成系统的实时数据采集、分析处理、存储显示、查询打印、控制、维护等功能。4)信息传输:由传输电缆(光缆)、通信控制器、Internet 及相应的传输协议构成，负责向上级监察部门传送监测信息。图 1-1 煤矿安全生产监控系统的组成新一代煤矿安全生产监控系统在基本
10、组成结构大致相同的同时，充分利用各种当前的先进技术手段，进一步加以改进完善。例如网络的便利性，通过分站经由 Internet 或局域网( LAN)与监控中心进行通信，中心可以实现对若干矿区实行集约管理，达到对矿井的分布式监控。1.1.2 煤矿安全生产监控系统的国内外概况本文讨论的煤矿安全生产监控系统主要侧重于生产环境安全的监控。根据通讯制式的划分，煤矿安全生产监控系统的发展经历了五个阶段(表 i-s :50 年代开始，世界上许多产煤国家把煤矿安全监测技术应用到安全生产管理上，因而大大推动了各类型矿用传感器、本质型矿用生产设备以及矿用监测系统的研制开发，有效地改善了煤炭生产行业的生产安全状况。其
11、最有代表性的是在 60 年代中期法国推出的 CTT63/40，以及波兰的 CMM-20, CMC-l 煤矿环境监测系统，这是第一代煤矿环境监测系统，它的特点是信息传输是靠空分制，也就是 1 个测点用 1 对电缆芯线来传输。表 1-5 煤矿安全生产监控系统的划分通讯制式 代表产品 特点第一代 空分制 CTT63/40 1 个测点用 1 对电缆芯线来传输第二代 频分制 TF200 系统 传输信道电缆芯线减少第三代 时分制 MINOS 系统 2 芯线传输与测点数无关第四代 分布式网络技术 森透里昂600开放性、集约化和网络化第五代 人工智能、数据库技术 远程监测监控信息系统、动态预替技术煤矿监控技术
12、发展到第 2 代产品的主要特征是频分制传输，也就是采用频率划分信道。这样传输信道电缆芯线大大减少，很快将第 1 代空分制系统取代，最有代表性的是西德 H+F 公司的 TF200 系统。随着大规模集成电路的出现，以时分制传输和分布式微处理器技术为标志的第三代煤矿监控系统相继出现，最具代表性的是英国的 MINOS 系统和美国的DAN6400 系统。由于时分制系统具有通信规程比较严格、抗干扰能力强、2 芯线传输与测点数无关、结构简洁及配置灵活等许多优点，使煤矿监控技术的发展上了一个大台阶。80 年代，随着计算机技术、数字通信技术、网络技术和自动化技术的飞速发展，煤矿监控技术也在不断提高，以开放性、集
13、约化和网络化为技术特征的第四代煤矿监控系统逐渐涌现，最有代表性的是加拿大森透里昂 600 型煤矿监控系统。我国煤矿监控技术起步较晚，自 1974 年以来，仅有几种单一的瓦斯检测仪投入使用。80 年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等(如 DAN6400, TF200, MINOS 和 Senturion-200)引进了一批安全监控系统，装备了部分煤矿;在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出 KJ2, KJ4, KJ8, KJ10, KJ13, KJ19, KJ38,KJ66, KJ75, KJ80, KJ92 等监控系统，在我国煤矿已大量使用。实践表明，安全监控系统
14、为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用，己作为一项重大安全装备在各局矿广泛配备。但由于相当一部分监控系统技术水平低、功能和扩展性能差、现场维护和技术服务跟不上等原因，或者已淘汰、或者已停产，造成了相当一部分矿井无法继续正常使用已装备的系统。特别是近年来由于老系统服务年限将至，已无继续维修维护的必要，系统面临更新改造的机遇。随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了 KJ90, KJ95, KJ 101, KJF2000, KJ4/KJ200()和 KJG2000 等监控系统，以及 MSNM 等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。
15、最近，一套基于第五代 GIS 数据库技术的煤矿安全远程监测监控信息系统解决方案诞生，它将数据库、GIS、无线传输、数据通信等技术融合，成功实现了远程实时数据采集终端、数据库存储、组态控制、大型门户集成平台、超常延时免充后备电源系统等全套解决方案，可以实时采集煤矿井下传感器上的原始数据，动态监控瓦斯超限、风机开停状态及风量，在线提供远程报警地理信息，初步实现了危险源的在线监测和事故隐患的动态跟踪。该系统为建立多级煤矿生产安全预警体系，为各级煤矿安全监察部门提供了一种预防性的煤矿安全生产监察手段。目前，国内外煤矿安全监测系统发展主要体现出以下三个特点:1)综合化:监测参数类型多，系统容量大，生产、
16、环境和安全监测集成一体，实行综合化管理;2)智能化:传感器零漂、灵敏度实现自校正;不仅进行有害信息监测，而且注重发展信息分析和事故预测功能;3)网络化:安全监测系统连接局域网或因特网，有害信息变化透明度高，政府监管力度加大。1.1.3 我国矿井安全生产监控系统的研究状况在国内监控系统的市场上，煤矿安全监控系统经过几十年的发展，历经几代系统，现己形成了较为完善的产品。然而在矿井的安全监控系统方面却建树不多，许多监控系统生产厂家都为矿井提供所谓的“小型监测系统” ，但该系统并非完全针对矿井的特点来设计的，尽管大多数矿井能够买得起这种监控系统，可是要让系统正常的运转起来却存在着很大的困难，它们实际上形同虚设，这也是我们常看到不少配备了监控系统的煤矿依然事故不断的一个重要原因。针对矿井的特点，提出了分布式监控的方案和远程监控的思想，涉及到多个矿井的监测信息交流和监管。这些文献大多是在现有的小型监测系统上进行二次开发，并没有真正对系统进行改进。 “日本煤矿的集中监控体制及监控新技术”一文17介绍了日本煤矿集中监控体制的集中监控、信息收集和
