煤矿安全监控系统升级改造及应用

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摘要：为不断完善和提升安全监控系统的整体性能，达到国家煤矿安全监察局对安全监测监控系统的最新要求，东怀煤矿分析了目前系统存在的不足，因地制宜地实施了KJ70X系统的升级改造。改造后系统性能显著提升，满足要求，为今后的安全生产提供借鉴。

关键词：煤矿安全；监测监控；大数据；升级改造

1东怀煤矿安全监控系统简介

东怀煤矿位于广西百色，是广西第一大生产矿井，分一、二两个水平开采，年生产能力150万吨。目前东怀煤矿全矿绝对瓦斯涌出量为12.61m3/min，相对涌出量3.81m3/t，采煤工作面最大瓦斯涌出量为3.87m3/min，掘进工作面最大瓦斯涌出量为0.24m3/min，为低瓦斯矿井。东怀煤矿从2006年就使用江苏三恒科技股份有限公司的KJ70煤矿安全监控系统，2009年升级为KJ70N，2015年再次升级为KJ770，由地面中心站、干线扩展器、备用电源箱、区域控制器、各种传感器、监控器等设备组成。目前共安设监控分站40个，瓦斯传感器120台，负压传感器7台，风速传感器22台，开停传感器25台，CO传感器54台，温度传感器30台，烟雾传感器20台。监控系统运行稳定，数据可靠。

2东怀煤矿安全监控系统升级的背景

2.1实施安全监控系统升级的必要性

（1）根据《国家煤矿安监局关于印发〈煤矿安全监控系统升级改造技术方案〉的通知》（煤安监函〔2016〕5号）和《国家安全监管总局国家煤矿安监局关于进一步加强煤矿重大灾害防治有效防范重特大事故的通知》（安监总煤装〔2016〕10号）的精神，煤矿必须推广应用安全监测监控新技术新装备，提高安全监控系统技术性能和安全可靠性，促进安全监测监控多元融合和信息共享，提高煤矿安全预测预警水平，实现安全监测监控信息的深度分析和综合利用。（2）根据近来全国范围内发生的一系列瓦斯爆炸事故，事故矿井多为低瓦斯矿井，因此对于低瓦斯矿井的瓦斯防治工作尤为重要。并且，随着采掘深度的增加，瓦斯含量呈增加趋势，积极应对瓦斯防控，特别是对低瓦斯矿井瓦斯监测监控及防治措施管理十分必要，必须加大投入及升级改造的力度，有效杜绝瓦斯爆炸事故的发生，确保安全生产。

2.2现用安全监控系统存在的主要问题

（1）数据传输采用树状网络结构，巡检速度慢；数据传输采用主从通信结构，数据传输率低。系统巡检速度慢，井下测点数据传输到地面需要30秒至1分钟，这样的传输效率受传输方式的影响很大。（2）数据共享方面不能实现多网融合，与其他系统无法实现联动控制，安全监控系统数据交换不够迅速，实时性方面有待提升。（3）数据传输数采用传统电缆模式传送，可靠性不高，井下电缆电线众多，信号传输易受到电磁干扰的影响，使监控数据偶有出现误差造成误报警断电的现象，特别是瓦斯传感器、CO传感器等误传对生产管理造成不便。（4）供电电源续航能力差，仅2小时左右，可靠性低。

3KJ70X系统升级改造方案及实施

3.1改造方案

根据东怀煤矿目前所用的KJ770系统应用实际情况，考虑到经济性和实用性，决定采用“新系统搭建→示范采区试推→全矿井推行→新旧系统并行→撤除旧系统”的方式循序开展升级改造工作。经对比，决定继续采用江苏三恒科技股份有限公司的KJ70X系统，该系统以工业以太环网＋现场总线作为系统的信息传输平台，利用工业以太网平台的快速通道实现多主并发通讯技术，能使系统在设备抗干扰、实时性、可靠性、稳定性、扩展性、数字化、数据分析应用、数据融合、新技术应用等方面技术水平进一步提升，达到安全生产和相关规定要求。首先，升级改造地面中心站。在原有设备基础上进行升级，提升监控主、备机热备功能，升级软件为KJ70X，完善分级报警、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。其次，对监控环网进行改造。增加中心站核心交换机、地面和井下环网交换机，分别在井下一水平井布有3个千兆节点，二水平2个千兆节点。形成一体式冗余环网方式，组建独立、稳定的传输网络。最后，对井下传感器、供电电源、分站等设备的升级。实现传输信号达到全数字化，提升抗电磁干扰能力、IP65防护等级、自诊断自评估功能。

3.2实现传感器数字化，增强抗电磁干扰能力

在工作面回风巷、专用回风巷及总回风巷使用更为先进的激光、红外全量程传感器，增强传感器的灵敏性及反应速度，数据准确且稳定性高，便于管理维护；传感器和分站防护等级均达到IP65要求，运行稳定，质量可靠，根据传感器和分站的性能适当升级模块或程序实现监控数据数字化的传输及接收，实现了所有模拟量传感器数字化传输（RS485），有效增强抗电磁干扰能力。

3.3完善报警、断电等控制功能

（1）设置甲烷及一氧化碳传感器根据瓦斯浓度大小、超限持续时间、瓦斯超限范围等分为四级报警，实施分级响应。（2）利用KJ70X安全监控系统的组合报警功能，根据巷道布置及瓦斯涌出等实际生产情况，实施逻辑报警。（3）测试并完成系统本地、异地断电情况。断电设置与馈电状态相关联，发生断电动作相应馈电状态无变化时会有馈电异常显示。（4）在地面中心站配置区域，本区域内的任意甲烷传感器报警都可以断区域内的所有开关。

3.4完善多网多系统融合、应急联动

建立多网融合平台，融入矿井安全监控视频系统，应急广播系统及人员定位系统。以甲烷超限为试验，测试系统根据事故地点及人员定位系统进行分析并通过应急广播向相关区域发送指令的情况。

3.5增加自诊断、自评估功能

（1）完善传感器、控制器的设置及定义。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。（2）具备模拟量传感器维护、定期未标校提醒。按要求设置甲烷、一氧化碳传感器标校提醒功能，软件上并有报警信息提示。（3）具备模拟量传感器、控制器、电源箱等设备及通信网络的工作状态。系统能够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。（4）具备中心站软件自诊断功能，包括双机热备、数据库存储、软件模块通信。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。

3.6增强数据应用分析功能

（1）实现传感器标校期间的数据分析功能和异常数据分析功能。（2）系统根据瓦斯涌出量测试数据预测预警功能（火灾按照一氧化碳传感器及温度传感器进行配置；瓦斯涌出按照瓦斯浓度和风速及巷道横截面积进行配置）；通过大数据对比分析，预测瓦斯涌出及CO含量变化情况规律。（3）系统软件具备系统融合以及数据分析显示查询功能。测试监控系统、语音广播、人员定位的融合数据在联动平台上进行显示情况。3.7增强加密存储功能系统监测数据及断电信息已采用RSA加密算法进行存储，防止数据被篡改。非法篡改后，系统自带篡改显示。采用RSA加密法，仍可以还原被修改数据。

4KJ70X系统升级改造后应用效果

4.1达到国家煤监局相关标准

升级改造后，各项功能均达到《国家煤矿安监局关于印发〈煤矿安全监控系统升级改造技术方案〉的通知》（煤安监函〔2016〕5号）的要求，满足安全生产的需要。

4.2系统运行高速、稳定

新、旧系统并行及完全使用新系统前后效果对比显示，新系统运行更为稳定，传感器及信号传输网络运行平稳，系统巡检周期小于10s，异地断电时间小于5s，分站到传感器之间的传输距离最远可达6km，双机热备自动切换功能，热备切换试验10秒内自动切换，供电电源延长供电时间1倍，达到4h。系统信号准确，抗干扰能力强，没有误报警断电等情况。

4.3架构简化、设备可靠性高，有效降低维护劳动强度

KJ70X系统有效简化信号传输结构，设备使用数量下降为原来的60%左右，数字化传输减少了电缆的使用；配套的高性能传感器、分站等设施功能强大、防护等级高，质量可靠，大大减轻了监控维护人员的劳动强度。

4.4系统自动化、智能化水平明显提升

KJ70X系统实现的数据多网融合，应急情况下多系统联动，自评估、自诊断功能，大数据应用分析及加密功能大大增强了安全监控系统的自动化和智能化技术水平，快速准确的数据分析处理及系统联动有效缩短了应急情况下发送指令的时间，为事故预测预警及灾害抢险救援提供了重要保证。

作者:曹志华 黄潇 孙国锋 单位:吉利百矿集团有限公司东怀煤矿