案例2煤炭安全生產檢測與預警系統(tǒng)解決方案A2.1引言A2.2煤炭企業(yè)安全生產監(jiān)管與預警系統(tǒng)A2.3煤礦綜采工作面支架阻力動態(tài)遙測子系統(tǒng)A2.4煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)A2.5煤礦地面子站系統(tǒng)的六大特點

我國是世界上最大的煤炭消費國和生產國。隨著國民經濟的快速增長及煤炭需求量的不斷攀升，超負荷生產已成為采煤行業(yè)增加產出的主要手段之一。國家安全生產監(jiān)管局的數據顯示，約有1/3的國有煤礦生產負荷過重，這不僅增加了事故隱患，也為煤炭企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來了壓力。A2.1引言近兩年來，煤炭供應緊張，隨之而來的是各個煤礦生產的超負荷運轉，高速發(fā)展的生產突顯出煤礦安全生產各環(huán)節(jié)中對于生產隱患治理監(jiān)測技術水平的落后，相應所導致的各級安全事故也不斷發(fā)生。如何利用現(xiàn)代化的科技手段有效監(jiān)測煤礦安全隱患問題，保障煤礦穩(wěn)定高產的良好發(fā)展態(tài)勢，成為煤礦采掘業(yè)現(xiàn)代化進程的重中之重。

本章介紹的煤礦安全生產監(jiān)測與預警系統(tǒng)解決方案，是集合先進科技技術手段，結合一線煤礦安全生產需求而開發(fā)的面向煤礦綜合水、井下巷道圍巖變形、綜采工作面支架阻力等生產安全隱患監(jiān)測智能生產輔助系統(tǒng)，各子系統(tǒng)均采用模塊化開發(fā)，集成在統(tǒng)一的系統(tǒng)管理平臺。圖A2.1為煤礦安全生產動態(tài)遙測系統(tǒng)結構示意圖。

圖A2.1煤礦安全生產動態(tài)遙測系統(tǒng)結構示意圖煤礦安全生產動態(tài)遙測系統(tǒng)的架構，是在中心平臺的基礎上開發(fā)出不同應用面的功能子系統(tǒng)。它具有以下的優(yōu)勢：

煤礦可以根據實際需求，在中心平臺上選擇配置相應功能的子系統(tǒng)。同時，管理中心可以在局域網絡內設置多個，用以滿足煤礦安全生產各級監(jiān)管部門的使用要求。本方案結構靈活，使煤礦企業(yè)在開展安全生產監(jiān)測系統(tǒng)建設工作時能分步進行、逐項實施，精細應用；能使各子系統(tǒng)功能快速投入使用，避免整體實施的長周期，做到各項功能加載的快速及監(jiān)測效果的立竿見影。模塊化系統(tǒng)可以按照特別應用需求，在子系統(tǒng)功能上做適度調整，達到更貼近應用的目的，煤礦安全生產動態(tài)遙測系統(tǒng)常規(guī)可設置多級星型節(jié)點和管理中心。

針對當前煤礦安全監(jiān)測手段落后，缺乏足夠的科技監(jiān)督手段，本次研發(fā)的煤礦安全生產動態(tài)遙測系統(tǒng)分為井上、井下兩個部分。該系統(tǒng)能夠對煤礦綜合水監(jiān)測、長觀孔水位監(jiān)測、綜采工作面支架阻力(液壓)監(jiān)測以及巷道工作面的圍巖監(jiān)測等各項涉及煤礦安全生產的工作，實現(xiàn)自動化、信息化、準確快速的監(jiān)測及遙測，是保證煤礦安全生產行之有效的科技手段。圖A2.2給出了煤礦安全生產動態(tài)遙測系統(tǒng)拓撲結構圖。

圖A2.2煤礦安全生產動態(tài)遙測系統(tǒng)拓撲結構圖通過煤礦安全生產動態(tài)遙測系統(tǒng)可以使煤礦管理層快速、及時、準確地獲取安全生產相關數據，提高決策科學性，從而避免或減少因監(jiān)測不力而引發(fā)的安全生產事故和經濟損失。本系統(tǒng)可以通過集團公司以太網絡將各礦監(jiān)測監(jiān)控信息傳送到總部，也可以對各礦監(jiān)測監(jiān)控信息進行分析匯總，為整體企業(yè)生產活動提供輔助決策的科學依據。

煤礦安全生產動態(tài)遙測系統(tǒng)集成所涉及的技術有通信、光纖傳感、擴散硅數字傳感、計算機網絡、數據庫開發(fā)、JSP、微功耗等。隨著信息化技術的不斷推廣應用，不僅企業(yè)級要通過信息技術來提升煤炭行業(yè)的信息管理水平、提高安全生產的技術防范水平，整體集團也要跟上信息技術應用水平。

圖A2.3給出了某煤炭集團企業(yè)信息化運營支撐平臺層次結構示意圖。從圖中可以看出，整個系統(tǒng)分為集團總部層，煤礦層，井上、井下監(jiān)測系統(tǒng)層。在網絡環(huán)境支撐下，實現(xiàn)了三級網絡信息調度和監(jiān)管等功能。同時，通過不同色彩區(qū)域標注出生產平臺、ESB、外圍系統(tǒng)、OPC接口和現(xiàn)存的自控數據采集接口。

圖A2.3某煤炭集團企業(yè)信息化運營支撐平臺層次結構示意圖

煤炭企業(yè)安全生產監(jiān)管與預警系統(tǒng)(見圖A2.4)利用信息技術來提高煤炭企業(yè)安全生產的檢測機器化、數據分析智能化、預警決策分析自動化。A2.2煤炭企業(yè)安全生產監(jiān)管與預警系統(tǒng)

圖A2.4企業(yè)安全生產監(jiān)管與預警系統(tǒng)示意圖

圖A2.5某煤炭企業(yè)安全生產管理信息系統(tǒng)層次結構圖

煤礦井下綜采工作面生產的安全及順利與否與液壓支架的支護狀態(tài)等有著密切的關系，回采工作面頂板突水等災害的發(fā)生往往與頂板來壓存在著密切關系，綜采工作面支護阻力的變化特征以及頂板來壓顯現(xiàn)規(guī)律等也是頂板水情預警系統(tǒng)所不可缺少的重要預警指標之一。A2.3煤礦綜采工作面支架阻力動態(tài)遙測子系統(tǒng)通過對綜采工作面液壓支架的工作阻力等進行動態(tài)遙測，不僅可以及時掌握液壓支架的工作狀態(tài)、采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和采場頂板來壓，為采場管理及壓架原因分析提供技術數據，還可以通過綜合分析實現(xiàn)對頂板水害等情況的預測預報，從而為煤礦安全生產服務。

我國礦井錨桿支護設計多以經驗方法為主，原始資料較少、相對簡單，設計結果可靠程度不高，很難滿足生產安全上的高要求。建立完善的動態(tài)遙測系統(tǒng)，通過先進的動態(tài)遙測技術對工作面支架阻力進行動態(tài)遙測，可以及時、有效地獲取有關數據信息。因此，通過對綜采工作面錨桿支撐阻力變化來實現(xiàn)對煤礦綜采工作面安全預警具有十分重要的現(xiàn)實意義。圖A2.6給出了煤礦綜采工作面支架阻力動態(tài)遙測子系統(tǒng)平臺結構圖。

圖A2.6某煤礦綜采工作面支架阻力動態(tài)遙測子系統(tǒng)平臺結構圖

1．光纖光柵傳感網絡分析儀

PI05光傳感網絡分析儀秉承了PI系列分析儀的優(yōu)異性能，并提高了采樣頻率，兼顧了實驗室及實際工程中對動態(tài)性能要求較高的應用場合，可以廣泛應用于煤礦、橋梁、大壩、隧道、遠距離輸油管道等大型結構的物理特性數據監(jiān)測。圖A2.7給出了煤礦綜采工作面支架阻力動態(tài)遙測子系統(tǒng)網絡結構圖，其參數指標如表A2.1所示。

圖A2.7某煤礦綜采工作面支架阻力動態(tài)遙測子系統(tǒng)網絡結構圖表A2.1某煤礦綜采工作面支架阻力動態(tài)遙測子系統(tǒng)的參數指標20Hz高速采樣實時光譜儀的主要功能如下：

(1)

TFT液晶顯示屏。

(2)本機數據存儲及分析功能。

(3)支持溫度、應變、加速度、位移等多種類型傳感器混合組網的監(jiān)測，可用于與波長及功率相關的光譜分析、光纖器件測量、光纖光柵生產過程中的在線監(jiān)測、光纖光柵傳感器的研制及標定、工程現(xiàn)場問題的定位分析等。

隨機分析軟件包的功能主要包括：

(1)自動調整工作點漂移，具備信號調理功能；

(2)直接傳輸測量參數(不要傳輸光譜)，采樣周期遠程可調；

(3)具備TCP/IP和CDMA兩種數據傳輸模式，具備遠程設備診斷功能；

(4)具備主動采樣和被動采樣兩種采樣模式。

2．FBGP系列壓力傳感器

FBGPXXX11型光纖光柵壓力計通過端頭導壓孔將壓力傳遞到敏感元件，通過檢測敏感元件——光纖光柵反射的光信號波長的移動量得出實際壓力值。FBGPXXX11型光纖光柵壓力計具有全光測量和信號傳輸、現(xiàn)場不供電、不受雷擊、不受電磁干擾、超長使用壽命等特點，其參數指標如表A2.2所示。表A2.2FBGPXXX11型光纖光柵壓力計的參數指標

FBGPXXX11型光纖光柵壓力計可用于管道和壓力容器內油、水、氣等不同介質的壓力測量。它的應用領域主要有工業(yè)生產過程控制，壓力容器測量，油、水、氣壓力測量，油罐內油氣壓力監(jiān)測。

FBGPXXX11型光纖光柵壓力計的特點有高精度，長期可靠，全光檢測不受電磁干擾，可進行差壓及絕對壓力測量。

圖2.8給出了煤礦綜采工作面支架阻力動態(tài)遙測子系統(tǒng)平臺軟件結構圖，從圖中可以看出該系統(tǒng)的結構與組成。

圖A2.8煤礦綜采工作面支架阻力動態(tài)遙測子系統(tǒng)平臺軟件結構圖

為保障煤礦安全生產，有效提高煤礦防治水工作成效，采用計算機技術及通信技術基礎研發(fā)的煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對各水文孔水位、水溫變化以及井下水文孔水位、水壓、流量、涌水突變、水溫等進行動態(tài)遙測，便于煤礦地質水文工作實時獲取第一手礦區(qū)水文監(jiān)測數據。圖A2.9給出了煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)結構。A2.4煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)

圖A2.9煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)結構圖利用監(jiān)測中心收到實時、準確的各水文監(jiān)測點變化數據，可掌握煤礦采區(qū)整體水文動態(tài)，在出現(xiàn)煤礦井下大量涌水之前通過數據分析進行相應的預警作用；在發(fā)生井下涌水水患時能及時監(jiān)視地下水位的實時變化數據，為煤礦防治水緊急處理提供決策依據；長期地下水文數據的積累也可為地區(qū)的地下水資源管理提供歷史數據積累。動態(tài)遙測子站分地面水文孔及井下水文孔兩類。系統(tǒng)主要硬件安裝結構示意圖如圖A2.10所示。

圖A2.10煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)安裝示意圖

1．遙測終端機(見圖A2.11)

型號：CTTD—DATA—2000；

電源：9V～16V直流；

功耗：小于50μA(自報值守工作模式或掉電模式)；

電流小于150mA(工作狀態(tài)，不含通信設備)；

工作環(huán)境：溫度-25℃～+55℃，

濕度100%無凝結；

時鐘精度：1.53分鐘/月，并可完成與中心時鐘同步(或GPS時鐘)；

圖A2.11遙測終端機平均無故障時間(MTBF)：30000小時；

固態(tài)存儲內存：256KB；

模擬量輸入/輸出口：可編程電壓、電流量輸入/輸出范圍，0～24mA、-5V～+5V，模擬量輸入/輸出分辨率，16位；

測量精度：0.05%；

模擬量輸出精度：0.1%；

弦式儀器頻率分辨率：0.01Hz；

通信接口1：波特率300、600、1200、2400可編程(支持V.21、V.22、V.22bis、V.23及Bell202)，

調制電平5mV～100mV(VMS)，

解調靈敏度＜50mV(VMS)，

變壓器隔離電壓600V，

發(fā)送電平-3dBm，

接收靈敏度-40dBm；

通信接口2：波特率300～9600可編程，

RTS/CTS流控；

2．水文傳感器(見圖A2.12～圖A2.15)

1)水位傳感器特性(數字)

DX-120水位傳感器的性能及特點：

測量范圍：0～20m水深；

液位精度：0.1%F·S；

溫度精度：±1℃；

環(huán)境壓力：表壓、絕壓；

輸出信號：RS485ASCII命令格式；

圖A2.12水位傳感器(數字)

圖A2.13水位傳感器(光纖)

圖A2.14水流量傳感器

圖A2.15水溫傳感器各項性能：不銹鋼外殼，帶導氣孔的防水電纜；電源反極性保護；靜態(tài)電流小于4mA；12V～24V寬電源供電，最低可到5V；內嵌CPU；數字補償和處理技術；全溫度范圍補償；RS485雙絞線總線連接方式，可接32個相同負載的DX計；防護等級IP68。

2)電源系統(tǒng)(見圖A2.16～圖A2.17)

圖A2.16電源系統(tǒng)部件實物圖

圖A2.17地面遙測子站實物圖免維護蓄電池及太陽能板的性能及特點：

型號：TP12—12；

規(guī)格：12V12Ah；

安全性能：正常使用下無電解液漏出，無電池膨脹及破裂；

放電性能：放電電壓平穩(wěn)，放電平臺平緩；

耐振動性：安全充電狀態(tài)的電池完全固定，以3mm的振幅、16.7Hz的頻率振動一小時，無漏液,無電池膨脹及破裂，開路電壓正常；

耐沖擊性：完全充電狀態(tài)的電池從20cm高處自然落至1cm厚的硬木板上3次無漏液,無電池膨脹及破裂，開路電壓正常；

耐過放電性：25℃，完全充電狀態(tài)的電池進行定電阻放電3星期，恢復容量在75%以上。

耐充電性：25℃，完全充電狀態(tài)的電池0.1CA充電48小時，無漏液，無電池膨脹及破裂，開路電壓正常，容量維持率在95%以上；

耐大電流性：完全充電狀態(tài)的電池2CA放電5分鐘或10AC放電5秒鐘，無導電部分熔斷，無外觀變形；

不同溫度下的放電容量：40℃102%，25℃100%，0℃85%，-15℃65%；防護等級：IP68。

5W太陽能電池板在日間照度良好情況下向子站充電回路供電。

3．煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)中心站(見圖A2.18～圖A2.19)

中心前置機及控制中心的特性如下：

型號：SIEMENSMC35T；

體積：65mm

×

74mm

×

33mm；

重量：130g；

工作溫度：-20℃～55℃；

存儲溫度：-40℃～80℃；

其他特性：支持數據、語音、短信和傳真服務；支持GPRS

Class

8協(xié)議；采用電路交換方式的最大傳送速率14.4kb/s；標準的工業(yè)接口；支持8V～30V的電壓范圍、低功耗。

圖A2.18中心控制機

圖A2.19數據服務器(專用工控機)下面我們給出了煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)的部分工作界面(見圖A2.20～圖A2.27)，從中可以看出系統(tǒng)的一些特點，具體有煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)長觀孔界面，煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)井下菜單界面，煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)井下實時界面，煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)井下實時界面，煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)長觀孔實時數據表，煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)長觀孔日、月、年報表，煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)長觀孔水位多曲線對比圖，等等。

圖A2.20煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)長觀孔界面

圖A2.21煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)井下菜單界面

圖A2.22煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)井下實時界面

圖A2.23煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)長觀孔實時數據表

圖A2.24煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)長觀孔日、月、年報表

圖A2.25煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)長觀孔水位多曲線對比圖

圖A2.26煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)長觀孔水位多曲線同坐標系對比圖

圖A2.27煤礦綜合水動態(tài)遙測子系統(tǒng)井下明渠流量多曲線對比圖

1．系統(tǒng)的低功耗處理

地面子站系統(tǒng)采用穩(wěn)定可靠的5W太陽能電池板加配12AH的浮沖式蓄電池，作為子站設備的供電裝置。掉電狀態(tài)下，遙測子站的工作電流僅為50μA，穩(wěn)定可靠，同時，3～5年內免去工作人員為維護遙測子站供電而帶來的野外作業(yè)煩惱。井下子站采用光柵傳感技術，光纖探測并直接進行