煤矿安全监控系统改造方案.docx

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煤矿安全监控系统改造方案

山西煤炭运销集团保安煤业有限公司KJ95N煤矿安全监控系统

升

级

改

造

方

案

中国煤炭科工集团常州研究院有限公司

天地（常州）自动化股份有限公司

2017年3月

1背景

1.1国家要求

针对目前国内煤矿安全监控系统存在的问题，2016年12月29日国家煤矿安监局印发了《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，通知要求：

“大型矿井、煤与瓦斯突出矿井的在用安全监控系统升级改造工作应在2018年底前完成；其他矿井应在“十三五”末完成”。

煤矿安全监控系统升级改造技术方案所要求的升级改造主要内容包括：

（1）传输数字化

在分站至中心站数字化传输的基础上，将传感器（模拟量）至分站升级为数字传输，实现安全监控系统的数字化，促进智能传感器发展。

（2）增强抗电磁干扰能力

安全监控系统及组成设备采用抗干扰（EMC）技术设计，通过以下试验：

地面设备3级静电抗扰度试验，评价等级为A；2级电磁辐射抗扰度试验，评价等级为A；2级脉冲群抗扰度试验，评价等级为A；交流电源端口3级、直流电源与信号端口2级浪涌（冲击）抗扰度试验，评价等级为B。

试验条件：

形成完整的系统架构，组成设备的类型齐全；至少一台分站达到满载要求；交换机及接口的每个电口至少带载一台设备。

试验加载方法：

系统中不同类型组成设备均分别进行试验；试验在系统正常工作状态下进行，即系统传感、传输、显示、控制、执行的功能正常。

（3）推广应用先进传感技术及装备

推广使用架构简单系统以及激光、红外等低功耗传感器、自诊断型传感器，鼓励使用多参数传感器。

突出矿井的采煤工作面进、回风巷，煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷掘进工作面回风流中，采区回风巷，总回风巷瓦斯传感器推荐使用激光、红外等全量程传感器。

突出、高瓦斯矿井的回风隅角建议采用无线传感器。

建议加装粉尘监测设备。

（4）提升传感器的防护等级

将采掘面传感器的防护等级由IP54提升到IP65。

（5）完善报警、断电等控制功能

系统实现分级报警，根据瓦斯浓度大小、瓦斯超限持续时间、瓦斯超限范围等，设置不同的报警级别，实施分级响应。

各级别报警浓度值的设置可由煤矿企业根据相关法规标准和实际情况决定。

推行逻辑报警，根据巷道布置及瓦斯涌出等的内在逻辑关系，实施逻辑报警，促进各类传感器的正确安装、设置、维护，监控系统的正常使用，防止违法行为。

具体逻辑关系可由煤矿企业根据实际情况进行设置。

完善就地断电功能，提高断电的可靠性，并加强馈电状态监测。

推行区域断电，可由煤矿企业根据井下供电系统的实际情况进行设置。

（6）支持多网、多系统融合

实现井下有线和无线传输网络的有机融合、监测监控与GIS技术的有机融合。

多系统的融合可以采用地面方式，也可以采用井下方式。

鼓励新安装的安全监控系统采用井下融合方式。

在地面统一平台上必须融合的系统：

环境监测、人员定位、应急广播，如有供电监控系统，也应融入。

其它可考虑融合的系统：

视频监测、无线通信、设备监测、车辆监测等。

（7）格式规范化

系统主干网应采用工业以太网。

分站至主干网之间宜采用工业以太网，也可采用RS485、CAN、LonWorks、Profibus。

“十三五”末应采用工业以太网。

模拟量传感器至分站的有线传输采用工业以太网、RS485、CAN；无线传输采用WaveMesh、Zigbee、Wi-Fi、RFID。

系统改造后支持联网并按要求数据格式上传。

（8）增加自诊断、自评估功能

实现系统定期的自诊断、自评估，能够预先发现系统在安装使用中存在的问题。

自诊断的内容至少应包括：

1）传感器、控制器的设置及定义；

2）模拟量传感器维护、定期未标校提醒；

3）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；

4）中心站软件自诊断，包括双机热备、数据库存储、软件模块通信。

（9）加强数据应用分析

安全监控系统应具有大数据的分析与应用功能，至少应包括以下内容：

1）伪数据标注及异常数据分析；

2）瓦斯涌出、火灾等的预测预警；

3）大数据分析，如多系统融合条件下的综合数据分析等；

4）可与煤矿安全监控系统检查分析工具对接数据。

（10）应急联动

在瓦斯超限、断电等需立即撤人的紧急情况下，可自动与应急广播、通信、人员定位等系统的应急联动。

（11）提升系统性能指标

1）系统巡检周期不超过20s；

2）异地断电时间不超过40s；

3）备用电源能维持断电后正常供电时间由2h提升到4h，更换电池要求由仅能维持1h时必须更换，提高到仅能维持2h时必须更换；

4）具有双机热备自动切换功能；

5）模拟量传输处理误差不超过0.5%；

6）分站的最大远程本安供电距离（在设计工况条件下）实行分级管理，分别为2km、3km、6km。

（12）增加加密存储要求

为有利于安全监管监察和企业安全管理，对采掘工作面等重点区域的瓦斯超限、报警、断电信息应进行加密存储，采用如MD5、RSA加密算法对数据进行加密，确保数据无法被破解篡改。

（13）方便用户使用、维护、培训

软件界面友好，方便调用，强化帮助功能。

根据《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》的要求，我单位新一代KJ95N煤矿安全监控系统的各类设备及监控软件均由天地（常州）自动化股份有限公司研制、生产。

系统具有容量大、速度快、更稳定、更可靠、更安全、融合深、改造成本低、安装维护使用方便等鲜明特点，在关键技术及功能、性能指标上处于行业领先地位。

完全满足了《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》中所提出的传输数字化、抗电磁干扰、逻辑报警、分级报警、区域断电、自诊断、自评估功能等要求，部分性能及功能指标高于国家升级改造要求和同行业水平。

1.2煤矿在用系统现状

山西煤炭运销集团保安煤业有限公司位于郊区旧街乡境内，石太铁路和太旧高速公路从井田南部区外通过，距太旧高速公路3公里,距阳泉市区25公里,交通条件较为便利。

保安煤业有限公司是山西煤炭运销集团阳泉郊区公司投资兴建的现代化矿井。

位于郊区旧街乡境内，是阳泉市"百项重点工程"之一。

批准井田面积14平方公里，地质储量1.866亿吨，可采储量1.02亿吨。

主采8#、9#、15#煤层。

批准生产能力为90万吨/年，矿井服务年限为84年。

工业厂区占地面积为13公顷。

煤种为优质无烟煤，可广泛用于电力、冶金、化工等行业。

矿井从2005年5月正式开工建设，一期工程设计生产能力90万吨/年，年销售收入7亿元，创利税2.1亿元。

到2012年二期工程达到生产能力150万吨，到2015年三期工程将实现生产能力210万吨。

经过各大系统建设，保安煤矿已建设完成煤矿安全监控系统，具体情况如下：

（1）环网情况：

保安煤矿于2011年建成监测监控系统专用工业以太环网，目前已经运行6年。

网络以单模光纤为主要传输介质,建成井下一个相对独立的环形网络。

环网采用东土交换机做为内核，其中，井下换机共计4台，型号为：

KJJ135，分别布置在井下中央变电所、上仓皮带机头、15#煤轨道巷第一配电室、采区变电所。

地面1台,分布在调度机房。

（2）安全监测监控系统

保安煤矿于2006年安装并使用天地（常州）自动化股份有限公司的KJ95N安全监测监控系统，系统设备主要布置于总回风、顺槽、地面、变电所、设备列车、高抽巷、采区变电所、皮带巷、锅炉房、瓦斯抽放泵站及避难硐室等区域。

目前运行情况基本稳定，该系统的设备安装情况如下：

1）监测监控主备机及服务器：

3台研华610LCPUE5200，配置为硬盘总容量：

500G，操作系统：

windowsXP，内存总容量：

2G，显存：

集成显卡，处理器：

其他.

2）分站及电源：

共32套，具体安装位置为：

上仓皮带机头、15106回风顺槽、15#煤皮带巷、地面风机房分站、中央变电所、15105进风顺槽、15106进风顺槽、15105高抽巷、15108进风顺槽、15#煤皮带机头、15#煤采区变电所、15107高抽巷、15110进风顺槽、15106进风顺槽、15#煤轨道巷、燃气锅炉房、井底永久避难硐室、15103高抽巷、瓦斯抽放泵站、二采区变电所、5#煤仓上口、15107进风顺槽、15#煤轨道巷第二变电所、15109进风顺槽等。

3）传感器：

高低浓度甲烷传感器63台，低瓦斯传感器6台，矿用一氧化碳传感器27台，温度传感器12台，矿用风速传感器11台，双向风速传感器4台，矿用风筒风量开关传感器8台，矿用风门开闭状态传感器17台，矿用氧气传感器3台，矿用红外二氧化碳传感器6台，矿用负压传感器2台，硫化氢传感器1台，烟雾传感器13台，远程控制开关33台，机电设备开停传感器46台，声光报警器14台等。

目前保安煤矿使用KJ95N煤矿安全监控系统，系统累计运行10年，系统总体使用稳定，能够满足煤矿的安全需要，但与《煤矿安全监控系统升级改造方案》要求相比尚存在如下不足：

传感器能够适用于采掘工作面应用场所，防护等级已达IP65要求，但取证时未按IP65等级要求进行检验；

（1）系统具有预警、报警功能，但未达到升级改造方案所要求的多级要求；

（2）系统可接入瓦斯抽放、矿井压力监测、采空区监测等系统，但多网、多系统融合程度低，未实现井下多系统设备共缆通信，即井下设备级数据融合；

（3）部分性能指标不满足升级改造要求：

1）异地断电时间为2倍巡检周期，在煤与瓦斯突出等极端情况下不能快速断电，无法满足煤矿安全生产要求；

2）备用电源能维持断电后正常供电时间2h，不满足4h的指标要求；

3）模拟量传输处理误差不超过1%，不满足不超过0.5%的指标要求。

（4）无加密存储功能。

（5）系统可靠性、稳定性有待提高

a）传感器性能不稳定

井下环境恶劣，湿度及粉尘大，甚至伴有腐蚀性气体，导致传感器电路、感应元件、接插件等容易氧化，接触不良，造成工作不可靠。

传感器在进水、受到振动和猛烈撞击时，输出数据会发生失真。

井下狭小空间，存在复杂的强电场、磁场干扰源，导致部分传感器出现误报甚至不能工作。

目前采用的传感技术落后，甲烷、一氧化碳等环境参数传感器仍采用催化、电化学技术，导致寿命短、工作稳定性差，且存在零点漂移。

部分传感器元件一致性差，检测易受干扰气体影响，测量精度低。

b）传感器供电不稳定

AQ6201-2006规定甲烷传感器到分站的传输距离不得小于2km。

随着工作面推进距离的增大，现场需要甲烷传感器到分站的本质安全供电距离已经超过6km，距离远、线路上的压降及干扰增大，造成传感器无法正常启动，且存在频繁复位等现象。

c）传输线路易受干扰

传感器与分站之间采用200~1000Hz模拟信号单向无校验传输方式，抗干扰能力弱，易受传输线路干扰，且无法分辨。

目前大多数安全监控系统的矿用传感器和分站的抗干扰设计考虑不充分，未从接口防护、布线方式等方面进行抗干扰设计和严格试验，且在技术方面，抗干扰设计与本质安全设计相互矛盾，这是目前传输线路易受干扰的内因。

安全监控系统具有测点多、分布广、传输距离长等特点，传感器到分站的距离从几十米到数千米不等，极易受到外部信号的干扰，主要包括：

在井下狭小的空间内，本质安全型传感器弱电信号线与动力电缆多为平行铺设，形成一个耦合回路；大型电气设备启动和停止时会产生浪涌干扰；井下变频设备、大功率设备工作时会释放强烈的电磁干扰，这些外部干扰会对信号传输造成较大影响，导致系统极易产生误报警，严重时通信中断，设备无法工作。

d）系统建设成本高

传感器与分站之间采用200~1000Hz模拟信号，由于信号不能复用，所以每个传感器必须通过一条独立的电缆与分站进行信号传输，由于传感器的数量多，因此系统建设所需要的电缆数量大，增加了系统的建设成本。

e）设备外壳防护等级低

目前大部分传感器外壳防护等级仍为IP54，无法满足采掘