臨縣華燁煤業安全監控系統技術改造方案設計

第一作者武奴順                                 2021.08

（山西臨縣華燁煤業有限公司,山西 呂梁 033200； 2 呂梁學院，山西 呂梁 033200）

摘  要：為了解決我礦安全監控系統采用RS485單鏈路串聯傳輸容易出現數據傳輸中斷、傳輸速度慢等問題，我礦根據國家煤礦安監局《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》要求對礦井安全監控系統環網傳輸方式進行了技術改進，采用了雙鏈路冗余環網組網的傳輸模式。極大地提高了網絡穩定性，減少了因安全監控系統傳輸故障而引發的安全事故，保障了煤礦安全生產。

1.引言

針對山西臨縣華燁煤業有限公司安全監控系統的現狀和需求，根據臨縣華燁煤業安全監控系統技術特點，本文提出了山西臨縣華燁煤業有限公司安全監控系統技術改造方案設計，針對改造前山西臨縣華燁煤業有限公司面臨問題：安全監控系統傳輸光纜與礦井巷道范圍內所控制的安全監控分站進行單鏈路串聯傳輸，這種單鏈路串聯傳輸的方式，如果有一點傳輸線路故障或者增加刪除監控分站，就會導致整個數據傳輸鏈路中斷，保障整個線路不出現故障點是非常困難的，導致這種單線串聯方式可靠性低，系統不穩定，臨縣華燁煤業安全監控系統技術改造方案設計依據《煤礦安全監控系統通用技術要求（AQ6201-2019）》和《煤礦安全監控系統及檢測儀器使用管理規范（AQ1029-2019）》要求，極大地提高了安全監控系統數據傳輸的可靠性。

2.技術改造背景

山西臨縣華燁煤業有限公司位于臨縣林家坪鎮滴水局村南，北距臨縣縣城57km，行政區劃屬臨縣林家坪鎮管轄。礦區臨近有離（石）—磧（口）公路通過，礦區距離石市區30km，于離石市區附近與臨（縣）—太（原）干線公路連接，至離石市西南3km交口可與孝柳鐵路交接。礦井井田南北寬3.75km，東西長2.38km，井田面積6.971Km2。煤礦產能：120萬噸/年；瓦斯等級：高瓦斯。

華燁煤礦目前在用的安全監控系統為中煤科工集團重慶研究院有限公司生產的KJ90NB型安全監控系統。該系統于2002年在華燁煤業安裝使用，系統型號為KJ90NA型，KJ90NB型安全監控系統2013年進行了第一次升級改造，第一次升級改造后的安全監控系統符合當時的老版的《煤礦安全監控系統通用技術要求（AQ6201-2006）》和《煤礦安全監控系統及檢測儀器使用管理規范（AQ1029-2007）》要求。系統自2018升級以后，全部設備防護等級已達到IP65，并具備數字化傳輸要求，并具有融合人員定位系統與廣播系統的接口，但目前分站之間串聯傳輸，任何一點故障都會導致系統癱瘓，系統穩定性很差。目前系統數據采用通訊線纜傳輸不符合《煤礦安全監控系統升級改造技術方案（煤安監函[2016]5號）》[1]通知要求的主干傳輸采用環網傳輸的要求。

山西臨縣華燁煤業有限公司根據國家能源局、國家礦山安全監察局有關智能化煤礦建設的有關要求[2，4]，中華人民共和國應急管理部4號令《煤礦重大事故隱患判定標準》[5]及《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》的通知煤安監函〔2016〕5號文的要求，在2021年對礦井安全監控系統進行了全面環網傳輸方式技術改進。

在改造前期，延用了傳統安全監控系統的環網設備進行數據傳輸。井下環網交換機到安全監控分站之間采用RS485傳輸光纜傳輸方式，一條光纜連接多臺分站。傳輸光纜一旦發生故障或者增加刪除監控分站，將影響多臺安全監控分站數據傳輸。

我礦在井下三個變電所設置了三臺重慶煤科院生產的KJJ103型環網交換機，三臺環網交換機互相通過光纜連接，再由中央變電所環網交換機支出兩條光纜從不同井口傳輸至地面中心站，從而形成井下安全監控環網。井下環網交換機通過RS485轉換模塊，利用傳輸光纜與區域內每臺安全監控分站進行單鏈路串聯傳輸。在實際使用中發現，這種傳輸方式存在可靠性低的弊端，雖然井下三臺環網交換機中可以實現某一交換機斷開不影響實際數據傳輸，但是采用RS485單鏈路串聯傳輸的安全監控分站，只要其中一段傳輸光纜出現或者增加刪除監控分站，那么故障光纜后面所接的全部安全監控分站就處于中斷傳輸狀態。這就造成了各類傳感器數據不能及時傳輸到地面中心站，不僅影響范圍大、還不能及時掌握井下各類傳感器的實時數據，從而不能保證煤礦的安全生產。在這種狀況下，就必須解決這單一故障而影響多臺瓦斯監控分站正常傳輸的問題。在確保數據傳輸穩定的前提下，我們打破常規，對井下安全監控系統環網傳輸方式進行了技術改進。

改造前井下數據傳輸示意圖

華燁煤業監控系統升級改造工作。在分站至中心站數字化傳輸的基礎上，實現模擬量傳感器至分站數字化傳輸；監控系統及組成設備達到靜電抗擾度3級、電磁輻射抗擾度2級、脈沖群抗擾度2級、浪涌抗擾度3級；通過地面統一平臺實現多系統的有機融合；傳感器的防護等級由IP54提升到IP65；系統網傳輸速率全部達到100M；完善報警、斷電等控制功能；數據存儲采用RSA加密算法，防止數據被破解篡改；系統性能指標得到大幅提升，巡檢周期不超過15S，異地斷電時間不超過30S，備用電源斷電后正常供電時間提升到4h,雙機熱備實現自動切換，模擬量傳輸處理誤差不超過0.5%，分站本安電源實現分級管理，實現多系統融合與聯動等功能，華燁煤業監控系統升級改造滿足了2016年版《煤礦安全規程》[6]和相關安全生產行業標準[7，8]對煤礦安全監控系統的相關要求。

3.升級改造要求

（1）升級改造后須達到《煤礦安全規程》2016版及《安全監控系統升級改造技術方案》煤安監函〔2016〕5號文件的要求；

（2）在分站至中心站數字化傳輸的基礎上，實現傳感器（模擬量）至分站升級為數字傳輸，實現安全監控系統的數字化；

（3）增強抗電磁干擾能力，實現傳感器RS-485總線的數字化通信，以及類型、狀態、故障自診斷等智能化功能的實現和信息上傳；

（4）傳感器的防護等級由IP54提升到IP65；

（5）系統實現分級報警，根據瓦斯濃度大小、瓦斯超限持續時間、瓦斯超限范圍等，設置不同的報警級別，實施分級響應；

（6）實現瓦斯監控、人員定位、應急廣播系統數據的融合，可對數據進行集中展示，對多系統數據進行融合分析，并可實現應急救援聯動；

（7）系統主干網采用穩定可靠的工業以太環網，滿足系統融合需求；

（8）實現系統定期的自診斷、自評估，能夠預先發現系統在安裝使用中存在的問題。自診斷的內容應包括：傳感器、控制器的設置及定義；模擬量傳感器維護、定期未標校提醒；模擬量傳感器、控制器、電源箱等設備及通信網絡的工作狀態；中心站軟件自診斷，包括雙機熱備、數據庫存儲、軟件模塊通信；

（9）安全監控系統具有大數據的分析與應用功能，至少包括：異常數據判別及偽數據標注；大數據分析，如多系統融合條件下的綜合數據分析等，以實現瓦斯涌出、火災等的預測預警；可與煤礦安全監控系統檢查分析工具對接數據；

（10）系統對外提供標準規范的數據接口，并具有安全驗證功能；

（11）在瓦斯超限、斷電等需立即撤人的緊急情況下，自動與應急廣播、通信、人員定位等系統的應急聯動；

（12）性能指標應達到：系統巡檢周期不超過20s；異地斷電時間不超過40s；備用電源能維持斷電后正常供電時間由2h提升到4h，具有雙機熱備自動切換功能；模擬量傳輸處理誤差不超過0.5%；分站的最大遠程本安供電距離（在設計工況條件下）實行分級管理，分別為2km、3km、6km；

4.技術改進：

改進前：井下環網交換機到安全監控分站之間采用RS485傳輸光纜傳輸方式，一條光纜連接多臺分站。傳輸光纜一旦發生故障或者增加減少分站時，將影響多臺安全監控分站數據傳輸。

改進后：井上下環網交換機到安全監控分站之間采用雙鏈路冗余環網組網的先進傳輸模式進行數據傳輸。分別為KJ90-F16(B)和KJJ18(A)， KJJ18(A)交換機主干網為千兆傳輸，KJJ18(A)交換機與分站組網為百兆傳輸，KJ90-F16(B)交換機置于分站網為百兆傳輸。

我礦在井上設置了2臺網絡交換機，井下中央變電所設置2臺,4#煤一采區變電所設置1臺,4#煤二采區設置1臺重慶煤科院生產的KJJ18（A）型環網交換機，6臺環網交換機互相通過光纜連接，再由井下中央變電所2臺環網交換機支出兩條光纜從不同井口傳輸至地面中心站，從而形成井上下安全監控系統環網。

4#煤一采區瓦斯監控分站距離比較近比較集中，由4#煤一采區變電所KJJ18A交換機引出一條網線連接變電所KJJ90-F16(B)型分站在由變電所KJJ90-F16(B)型引出一條光纜走4#煤一采區軌道巷采用“手拉手式”方式連接4105回風、4105運輸、4106運輸、4106回風走4#一采區運輸巷回到中央變電所KJJ18A交換機用網線連接組成小環網互聯互通，使用這種方式如果有任意一線路或者一點發生故障都會走備線路正常傳輸瓦斯監控分站數據，不影響網絡正常傳輸。

4#煤二采區瓦斯監控分站比較分散距離又遠，由4#二采區變電所KJJ18A交換機用光纜連接4#煤二采區KJJ90-F16(B)、再由4#煤二采區變電所KJJ90-F16(B)用光纜走4#煤二采區運輸巷采用“手拉手式”方式連接4#煤二采區水倉、5201回風、5201運輸、4#煤二采區移動救生艙回到4#煤二采區變電所KJJ18A交換機組成小環網互聯互通。使用這種方式如果有任意一線路或者一點發生故障都會走備線路正常傳輸瓦斯監控分站數據，不影響網絡正常傳輸。

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改造后井下數據傳輸原理圖

5.安全監控系統分站的布置

根據華燁煤礦實際情況，共設置18個監控分站。

地面部分設置在監控中心站，主通風機房（１號分站）、地面筒倉（２號分站）、地面瓦斯抽放泵站（3號分站）等共3臺監控分站。

井下設置中央變電所（2號分站）、4#煤一采區變電所（4號分站）、4#煤二采區變電所（9號分站）、4#煤二采區水泵房（23號分站）、永久避難硐室（12號分站）、永久避難硐室（13號分站）、4#煤倉上部（17號分站）、4#煤倉下部（19號分站）、2#煤倉上部（13號分站）、4#煤二采區移動救生艙（24號分站）、4105回風掘進（27號分站）、4105運輸掘進（6號分站）、5201回風掘進（17號分站）、5201運輸掘進（18號分站）、4106綜采工作面（21號分站）、等共15臺監控分站。

井下監控分站必須安裝在便于人員觀察、調試、檢驗及支護良好、無滴水、無雜物的進風巷道或硐室中，安設時應墊支架，或吊掛在巷道中，使其距巷道底板不小于300mm。

6.結論

（1）通過以上環形式網絡連接可以規避傳統級聯式網絡連接帶來的“一點斷全網斷” 的隱患，極大地提高了網絡穩定性。

（2）增加了瓦斯監控分站組網的備用環網鏈路，完全杜絕了由于瓦斯監控分站單條傳輸鏈路故障或者增加刪除監控分站，而導致的分站數據傳輸中斷問題，解決了安全監控系統運行不正常就是重大隱患。

（3）實現井下采掘工作面及其它地點涉及的各類傳感器實時數據持續穩定上傳，全面保障了礦井的安全生產。

（4）改進安全監控環網傳輸方式后，既使用新技術又使用了新工藝，光纜保護介質穩定、不易損壞，完全杜絕了井下瓦斯監控分站因傳輸鏈路故障引起數據中斷的時間。

（5）保障了井下采掘工作面及其它地點涉及的各類傳感器實時數據能夠及時有效的傳輸到地面中心站，減少了因安全監控系統故障導致煤礦停產而造成的經濟損失。

（6）為井下安全生產安全提供了可靠的,保障一方面保障了礦井的安全生產，另一方面杜絕了井下安全監控分站鏈路的故障率，提高生產效益，減少因安全監控系統故障失控而引發的安全事故,

參考文獻

1. 《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》,煤安監函[2016]5號.國家煤礦安全監察局.2016年12月29日

2. 《煤礦智能化建設指南（2021年版）》，國家能源局，國家礦山安全監察局，2021

3. 《智能化煤礦(井工)分類、分級技術條件與評價(T／CCS001-2020)》，中國煤炭學會，煤炭工業出版社，2020年

4. 《智能化采煤工作面分類、分級技術條件與評價指標體系(T／CCS 002-2020)》，中國煤炭學會，煤炭工業出版社，2020年

5. 中華人民共和國應急管理部4號令《煤礦重大事故隱患判定標準》，http://www.mem.gov.cn/gk/tzgg/bl/202011/t20201127_372244.shtml

6. 《煤礦安全規程》，煤炭工業出版社，2016年

7. 《煤礦安全監控系統通用技術要求（AQ6201-2019）》，煤炭工業出版社，2019

8. 《煤礦安全監控系統及檢測儀器使用管理規范（AQ1029-2019）》，煤炭工業出版社，2019