煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展淺析

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摘要：煤炭資源地下開采存在著一些安全隱患，為了盡可能地降低地下開采帶來的危害，煤礦企業(yè)采用了安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)。通過對煤礦井下一些重要的物理量進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)了對礦山災(zāi)害的預(yù)防和預(yù)報。介紹了中國煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的現(xiàn)狀及存在的問題，探討了煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)未來的發(fā)展趨勢，可以為煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：煤礦安全；監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)；智能化；發(fā)展趨勢

煤炭是中國重要的工業(yè)燃料，多是在地下開采，露天開采量很少。由于中國煤層多經(jīng)歷過地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動，煤層賦存條件極其復(fù)雜，在開采過程中各種災(zāi)害頻發(fā)。在煤礦各種災(zāi)害中，瓦斯災(zāi)害較為嚴(yán)重。為了實現(xiàn)更安全的開采，應(yīng)該對煤礦井下的危險狀況進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)災(zāi)害的預(yù)防和預(yù)報。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)被應(yīng)用到煤礦安全生產(chǎn)中，極大地保證了煤礦的開采，例如瓦斯?jié)舛仍诰€監(jiān)測技術(shù)、礦山壓力實時監(jiān)測技術(shù)等[1-3]。然而，煤礦井下安全生產(chǎn)具有一定的復(fù)雜性，現(xiàn)有的監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)也具有一定的復(fù)雜性，因此還需要對現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

1煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的重要性

在煤礦井下開采時，一旦發(fā)生安全事故，輕則造成重大財產(chǎn)損失，重則導(dǎo)致人員傷亡。中國煤層賦存條件極其復(fù)雜，主要體現(xiàn)在煤層極不穩(wěn)定、煤層滲透率低、瓦斯抽采極為困難等方面。經(jīng)過大量的煤礦事故統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)造成事故的主要原因有以下幾個方面：a)煤礦瓦斯超限，引發(fā)瓦斯中毒或瓦斯爆炸；b)一些通風(fēng)系統(tǒng)難以快速有效地降低粉塵及有毒有害氣體的濃度；c)設(shè)備監(jiān)管不力，發(fā)生故障后引發(fā)嚴(yán)重的后果；d)人員違規(guī)操作，不能進(jìn)行有效的管理。為此，非常有必要在煤礦生產(chǎn)過程中采用安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)。該技術(shù)的重要性主要體現(xiàn)在三方面：a)對機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)生危險情況，則應(yīng)該立即警報；b)對生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，主要監(jiān)測井下有害氣體的濃度和巷道的變形狀況，從而保證整個生產(chǎn)環(huán)境的安全性；c)對井下人員的行為進(jìn)行監(jiān)控，杜絕違規(guī)操作行為，避免因人為因素引發(fā)煤礦安全事故。無論是從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，還是從短期發(fā)展來看，構(gòu)建煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)都是十分必要的。

2煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題

2.1煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

經(jīng)過多年的發(fā)展，煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要可以分為兩類，分別是參數(shù)化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)[4-5]。參數(shù)化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過采集煤礦生產(chǎn)中的一些參數(shù)并形成實時曲線，一旦發(fā)生異常情況，就可以報警，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。例如：在煤礦生產(chǎn)過程中，通過安裝在巷道上方的CO傳感器和H4傳感器，對風(fēng)流中兩種氣體的濃度進(jìn)行實時在線監(jiān)測；通過安裝在機(jī)電設(shè)備上的各種傳感器對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，主要包括功率、溫度、轉(zhuǎn)速及振動情況等。這種系統(tǒng)從一些參數(shù)出發(fā)，對生產(chǎn)過程中的安全情況進(jìn)行監(jiān)測，其主要依賴于安裝在井下巷道或設(shè)備上的傳感器。經(jīng)過多年的發(fā)展，這種監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟，而且安裝起來十分方便，其中典型的就是KJ系列的安全監(jiān)控系統(tǒng)，例如KJ73型、KJ169型。實際上，可以根據(jù)煤礦的需要選擇合適的擴(kuò)展模塊，而且整體成本相對較低。所謂的“視頻監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)”，就是通過采集現(xiàn)場視頻來實現(xiàn)對煤礦安全的監(jiān)測監(jiān)控。這種系統(tǒng)獲取的是現(xiàn)場的畫面，并沒有特定的參數(shù)，其結(jié)構(gòu)相對比較簡單，如圖2所示。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，這種監(jiān)控系統(tǒng)主要是由各種類型的攝像機(jī)、交換機(jī)及顯示器組成。與參數(shù)化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)相比，這種系統(tǒng)能更直觀地觀測到現(xiàn)場的一些真實情況，而且監(jiān)測的范圍比較廣，主要用于監(jiān)測工人行為、巷道變形，服務(wù)于煤礦災(zāi)害的救援。在早期，視頻監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要采用模擬信號傳輸，即閉路電視，不僅成像清晰度低，而且畫面不穩(wěn)定，不利于在井下大面積應(yīng)用。隨著數(shù)字信號技術(shù)的發(fā)展，目前視頻監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要采用數(shù)字信號傳輸，不僅傳輸?shù)难訒r短，而且傳輸?shù)漠嬅娓臃€(wěn)定，很少出現(xiàn)畫面抖動的情況，很適合在煤井下大面積使用。視頻監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)最的優(yōu)點(diǎn)在于可以捕捉到一些災(zāi)害的出現(xiàn)過程，利于進(jìn)行事故分析；可以監(jiān)測工人的行為，一旦發(fā)現(xiàn)危險操作，可以在地面上通過傳呼機(jī)制止。此外，隨著5G技術(shù)的出現(xiàn)，視頻監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)將會得到更好的發(fā)展，這是因為5G技術(shù)不僅傳輸能力強(qiáng)，而且抗干擾能力也強(qiáng)，非常適用于煤礦井下的安全監(jiān)測。

2.2煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控存在問題分析

目前，雖然很多煤礦已經(jīng)或正在應(yīng)用煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，但是，該系統(tǒng)仍存在許多問題亟需解決，主要包括以下幾個方面：a)電子設(shè)備的可靠性受到挑戰(zhàn)。煤礦井下具有較強(qiáng)的電磁輻射，雖然一些設(shè)備已經(jīng)做了一定的防電磁干擾處理，但在相對密閉的環(huán)境中設(shè)備發(fā)熱非常嚴(yán)重。b)整個系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)非常不便。系統(tǒng)在構(gòu)建時應(yīng)用了很多信息化技術(shù)，在維護(hù)時需要信息化方面的人才，然而煤炭行業(yè)這方面的人才相對較少，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則需通知廠家來維修。c)監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動能力比較差。各個傳感器之間采用的通信協(xié)議存在一定的差異，這導(dǎo)致很難實現(xiàn)各個傳感器之間的數(shù)據(jù)交換，即使成功進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，也需要大量的轉(zhuǎn)換設(shè)備。d)信息傳輸?shù)乃俣炔荒軡M足日益增長的需要。雖然煤礦在信息傳輸時采用了大容量的光纖，但是在光纖傳輸時需要實時鋪設(shè)大量的線路，整體工程量巨大。若采用無線傳輸，則需要建立大量的基站。e)礦山的電氣防爆設(shè)備不兼容?，F(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議彼此不兼容，產(chǎn)品之間缺乏兼容性、集成性和操作性；系統(tǒng)功能不可擴(kuò)展，可維護(hù)性不高。

3煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)發(fā)展方向

在未來，煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)應(yīng)該朝著智能化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。

3.1智能化

隨著人工智能時代的到來，煤炭行業(yè)也要順應(yīng)潮流實現(xiàn)智能化。與目前的自動化技術(shù)相比，智能化技術(shù)將更加高級，可以滿足更多的需求。目前，煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是對安全生產(chǎn)狀況進(jìn)行監(jiān)測，對生產(chǎn)的控制還很少，例如瓦斯超限時工作面的電源被切斷就是一種生產(chǎn)控制。在未來，系統(tǒng)不僅要用于監(jiān)控，還要廣泛用于控制煤礦生產(chǎn)。目前的智能化開采技術(shù)就是基于現(xiàn)有的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的一種特殊系統(tǒng)，如圖3所示。構(gòu)建智能化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是實現(xiàn)煤礦智能化開采的前提，這是因為在生產(chǎn)控制過程中需要用到一些控制信號，而這些信號可以通過監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中的傳感器獲得。為了應(yīng)用監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)對煤礦生產(chǎn)進(jìn)行控制，需要對目前的系統(tǒng)進(jìn)行升級，安裝更多的控制元件。這些控制元件需要根據(jù)現(xiàn)場的需要安裝，且需要經(jīng)過大量的現(xiàn)場實踐積累經(jīng)驗。

3.2規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化

為了促進(jìn)煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，應(yīng)該實現(xiàn)系統(tǒng)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。目前，一些廠商在制造設(shè)備或設(shè)計軟件時采用自己定制的通信協(xié)議，這導(dǎo)致在使用過程中設(shè)備的通信困難，不兼容問題十分突出。為此，國家應(yīng)該出臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件朝著兼容性方向發(fā)展。與此同時，由于社會分工越來越細(xì)，標(biāo)準(zhǔn)化接口和通信協(xié)議應(yīng)該成為一種共識。監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)不應(yīng)再是廠商單獨(dú)開發(fā)，而是由煤礦工程師、專家共同開發(fā)，這樣有助于提高監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的適用性和性能。隨著科技的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)存儲基礎(chǔ)設(shè)施平臺將由網(wǎng)絡(luò)相互連接，構(gòu)建計算機(jī)資源庫統(tǒng)一管理，轉(zhuǎn)變?yōu)楦鶕?jù)用戶實際需求提供遠(yuǎn)程服務(wù)的云計算。在云計算環(huán)境下，一臺服務(wù)器的應(yīng)用模式被打破，數(shù)據(jù)實現(xiàn)集中管理，方便監(jiān)管，確保數(shù)據(jù)的有效性，以實現(xiàn)高可用性。

4結(jié)語

為了保證煤礦的安全生產(chǎn)，應(yīng)該應(yīng)用煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)。目前，煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要可以分為兩類，分別是參數(shù)化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。參數(shù)化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過采集煤礦生產(chǎn)中的一些參數(shù)并形成實時曲線，一旦發(fā)生異常情況，就可以報警；視頻監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是通過采集現(xiàn)場視頻來實現(xiàn)對煤礦安全的監(jiān)測監(jiān)控。未來煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)應(yīng)該朝著智能化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。

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作者:續(xù)繼俊 單位:山西介休義棠青云煤業(yè)有限公司