煤矿井下安全避险“六大系统”建设1

王运福山东鲁能菏泽煤电开发有限公司安全教育培训中心[e-mail]煤矿安全避险六大系统•煤矿井下安全避险“六大系统”是指监测监控、人员定位、压风自救、供水施救、通信联络和紧急避险系统，其建设完善将实现井下人员自救、逃生、避灾等整体功能，与灾害事故预防和事故应急救援共同构成防范事故发生、减少人员伤亡、降低事故危害的有机整体。总体进展顺利，取得了阶段性成果•国家煤矿安全监察局局长赵铁锤今年在中煤集团平朔公司召开的全国煤矿井下安全避险“六大系统”建设推进会上说•全国国有重点煤矿已全部按时限要求完成了除井下紧急避险系统外的其他安全避险系统建设；•国有地方煤矿和乡镇煤矿监测监控、压风自救、供水施救和通信联络等四大系统建设已分别完成９４．３％和８３．８％、人员定位系统分别完成７７．２％和５１．４％，预计今年年底前全部完成。２５９对“六大系统”示范矿井，也将于年底前全部建成。Profibus(Cu)FSK本质安全区（一）煤矿安全监测监控系统ZM20ZM12+I/O分站服务器操作站TCP/IP(Fiber)1、系统组成及工作原理1.1定义煤矿安全监控系统用来监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二化碳浓度、氧气浓度、风速、风压、温度、烟雾、馈电状态、风门状态、风筒状态、局部通风机开停、主通风机开停等，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等。1.2组成系统一般由传感器、执行机构、分站、电源箱（或电控箱）、主站（或传输接口）、主机（含显示器）、系统软件、服务器、打印机、大屏幕、UPS电源、远程终端、网络接口电缆和接线盒等组成。1.3工作原理传感器将被测物理量转换为电信号，并具有显示和声光报警功能（有些传感器没有显示、或没有声光报警）。执行机构（含声光报警及显示设备）将控制信号转换为被控物理量。分站接收来自传感器的信号，并按预先约定的复用方式远距离传送给主站（或传输接口），同时，接收来自主站（或传输接口）多路复用信号。分站还具有线性校正、超限判别、逻辑运算等简单的数据处理能力、对传感器输入的信号和主站（或传输接口）传输来的信号进行处理，控制执行机构工作。电源箱将交流电网电源转换为系统所需的本质安全型直流电源，并具有维持电网停电后正常供电不小于2小时的蓄电池。传输接口接收分站远距离发送的信号，并送主机处理；接收主机信号、并送相应分站。传输接口还具有控制分站的发送与接收，多路复用信号的调制与解调，系统自检等功能。主机一般选用工控微型计算机或普通微型计算机、双机或多机备份。主机主要用来接收监测信号、校正、报警判别、数据统计、磁盘存储、显示、声光报警、人机对话、输出控制、控制打印输出、联网等。1.4特点煤矿井下是一个特殊的工作环境，有易燃易爆可燃性气体和腐蚀性气体，潮湿、淋水、矿尘大、电网电压波动大、电磁干扰严重、空间狭小、监控距离远。因此，矿井监控系统不同于一般工业监控系统，矿井监控系统同一般工业监控系统相比具有如下特点：(1)电气防爆。一般工业监控系统均工作在非爆炸性环境中，而矿井监控系统工作在有瓦斯和煤尘爆炸性环境的煤矿井下。因此，矿井监控系统的设备必须是防爆型电气设备，并且不同于化工、石油等爆炸性环境中的工厂用防爆型电气设备。(2)传输距离远。一般工业监控对系统的传输距离要求不高，仅为几千米，甚至几百米，而矿井监控系统的传输距离至少要达到10千米。(3)网络结构宜采用树形结构。一般工业监控系统电缆敷设的自由度较大，可根据设备、电缆沟、电杆的位置选择星形、环形、树形，总线形等结构。而矿井监控系统的传输电缆必须沿巷道敷设，挂在巷道壁上。由于巷道为分支结构，并且分支长度可达数千米。因此，为便于系统安装维护、节约传输电缆、降低系统成本宜采用树形结构。县煤管局菏泽市煤矿安全监管山东煤矿安全监察局TokenRingTokenRing发射机站监测监控系统信息传输示意图煤矿(4)监控对象变化缓慢。矿井监控系统的监控对象主要为缓变量，因此，在同样监控容量下，对系统的传输速率要求不高。(5)电网电压波动大，电磁干扰严重。由于煤矿井下空间小，采煤机、运输机等大型设备启停和架线电机车火花等造成电磁干扰严重。(6)工作环境恶劣。煤矿井下除有甲烷、一氧化碳等易燃易爆性气体外，还有硫化氢等腐蚀性气体，矿尘大、潮湿、有淋水、空间狭小。因此，矿井监控设备要有防尘、防潮、防腐、防霉、抗机械冲击等措施。(7)传感器（或执行机构）宜采用远程供电。一般工业监控系统的电源供给比较容易，不受电气防爆要求的限制。矿井监控系统的电源供给，受电气防爆要求的限制。由于传感器及执行机构往往设置在工作面等恶劣环境，因此，不宜就地供电。现有矿井监控系统多采用分站远距离供电。(8)不宜采用中继器。煤矿井下工作环境恶劣，监控距离远，维护困难，若采用中继器延长系统传输距离，由于中继器是有源设备，故障率较无中继器系统高，并且在煤矿井下电源的供给受电气防爆的限制，在中继器处不一定好取电源，若采用远距离供电还需要增加供电芯线。因此，不宜采用中继器。通过上面对矿井监控系统的分析，可以看出，矿井监控系统不同于一般工业监控系统。因此，直接用一般工业监控的理论和技术解决矿井监控的问题是行不通的。不是不符合电气防爆要求，就是传输距离太近，或网络结构不适合用于矿井监控系统，或不能进行总线供电，或节点容量太小等等。因此，有必要研究适合矿井监控系统的理论和技术。1.5系统功能及问题功能监测监控系统的功能一是“测”，即检测各种环境安全参数、设备工况参数、过程控制参数等；二是“控”，即根据检测参数去控制安全装置、报警装置、生产设备、执行机构等。若系统仅用于生产过程的监测，当安全参数达到极限值时产生显示及声、光报警等输出，此类系统一般称为监测系统；除监测外还参与一些简单的开关量控制，如断电、闭锁等，此类系统一般称为监测监控系统。（1）当瓦斯超限或局部通风机停止运行或掘进巷道停风时，煤矿安全监控系统自动切断相关区域的电源并闭锁同时报警：①避免或减少由于电气设备失爆、违章作业、电气设备故障电火花或危险温度引起瓦斯爆炸；②避免或减少采、掘、运等设备运行产生的摩擦碰撞火花及危险温度等引起瓦斯爆炸；③提醒领导、生产调度等及时将人员撤至安全处。④提醒领导、生产调度等及时处理事故隐患，防止瓦斯爆炸等事故发生。（2）还可通过煤矿安全监控系统监控瓦斯抽放系统、通风系统、煤炭自燃、瓦斯突出等。（3）煤矿安全监控系统在应急救援和事故调查中也发挥着重要作用，当煤矿井下发生瓦斯（煤尘）爆炸等事故后，系统的监测记录是确定事故时间、爆源、火源等重要依据之一。1.6现存问题煤矿应按照《煤矿安全规程》和《AQ1029-2007煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》安装、使用、维护和管理系统。但部分煤矿传感器装备数量和地点不满足上述规程和标准的要求，更没有按照规程和标准调校和维护，甚至将传感器报警浓度调高，不使用断电控制功能等。1.7使用与维护要点（1）选用符合《AQ6201-2006煤矿安全监控系统通用技术要求》等，取得矿用产品安全标志准用证和防爆合格证的系统。（2）按照《煤矿安全规程》和《AQ1029-2007煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》设计、安装、使用、管理与维护系统。（3）甲烷、风速、风压、风筒、风门、局部通风机开停、主通风机开停、馈电状态等传感器要按规定的数量和地点正确安装与维护。（4）根据被控对象的不同，正确连接甲烷断电闭锁和风电闭锁。（5）根据工作面和回风巷等不同地点，正确设置报警浓度、断电浓度、复电浓度和断电区域。（6）每隔10天使用校准气样和空气气样对甲烷传感器进行正确调校，同时对甲烷断电闭锁和风电闭锁功能进行测试。（7）甲烷超限报警、断电、馈电异常、停风报警后，要及时采取停电、撤人等安全措施。（二）井下人员定位系统人员定位系统是集井下人员考勤、跟踪定位、灾后急救、日常管理等一体的综合性运用系统。煤矿井下人员定位系统能够及时、准确的将井下各个区域人员及设备的动态情况反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员、设备的分布状况和每个矿工的运动轨迹，以便于进行更加合理的调度管理，当事故发生时，救援人员也可根据井下人员及设备定位系统所提供的数据、图形，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。2.1特点煤矿井下是一个特殊而又恶劣的环境，无线电信号传输衰减大、GPS信号不能覆盖煤矿井下巷道、有甲烷等易燃易爆气体。因此，GPS不能用于煤矿井下。目前煤矿井下人员位置监测系统主要采用RFID技术。部分系统采用漏泄电缆，还可采用WIFI、ZigBee等技术，除具有人员位置监测功能外，还具有单向或双向紧急呼叫等功能。2.2系统组成及工作原理煤矿井下人员位置定位系统一般由识别卡、位置监测分站、电源箱（可与分站一体化）、传输接口、主机（含显示器）、系统软件、服务器、打印机、大屏幕、UPS电源、远程终端、网络接口、电缆和接线盒等组成，如图所示。识别卡由下井人员携带，保存有约定格式的电子数据，当进入位置监测分站的识别范围时，将用于人员识别的数据发送给分站。位置监测分站通过无线方式读取识别卡内用于人员识别的信息，并发送至地面传输接口。电源箱将交流电网电源转换为系统所需的本质安全型直流电源，并具有维持电网停电后正常供电不小于2小时的蓄电池。传输接口接收分站发送的信号，并送主机处理；接收主机信号、并送相应分站；控制分站的发送与接收，多路复用信号的调制与解调，并具有系统自检等功能。主机主要用来接收监测信号、报警判别、数据统计及处理、磁盘存储、显示、声光报警、人机对话、控制打印输出、与管理网络联接等。系统人员定位分站的无线收发数据板将低频的加密数据载波信号经发射天线向外发送；人员随身携带的标识卡进入低频的发射天线工作区域后被激活（未进入发射天线工作区域标识卡不工作），同时将加密的载有目标识别码的信息经卡内高频发射模块发射出去；接收天线接收到标识卡发来的载波信号，经分站主板接收处理后，提取出目标识别码通过远距离通讯线送地面监控计算机，完成矿井人员自动跟踪定位管理。系统人员定位分站的无线收发数据板将低频的加密数据载波信号经发射天线向外发送；人员随身携带的标识卡进入低频的发射天线工作区域后被激活（未进入发射天线工作区域标识卡不工作），同时将加密的载有目标识别码的信息经卡内高频发射模块发射出去；接收天线接收到标识卡发来的载波信号，经分站主板接收处理后，提取出目标识别码通过远距离通讯线送地面监控计算机，完成矿井人员自动跟踪定位管理。2.3系统作用煤矿井下人员位置监测系统在遏制超定员生产、事故应急救援、领导下井带班管理、特种作业人员管理、井下作业人员考勤等方面发挥着重要作用。（1）遏制超定员生产。通过监控入井人数，进入采区、采煤工作面、掘进工作面等重点区域人数，遏制超定员生产。（2）防止人员进入危险区域。通过对进入盲巷、采空区等危险区域人员监控，及时发现误入危险区域人员，防止发生窒息等伤亡事故。（3）及时发现未按时升井人员。通过对人员出/入时刻监测，可及时发现超时作业和未升井人员，以便及时采取措施，防止发生意外。（4）加强特种作业人员管理。通过对瓦斯检查员等特种作业人员巡检路径及到达时间监测，及时掌握检查员等特种作业人员是否按规定的时间和线路巡检。（5）加强干部带班管理。通过对带班干部出入井及路径监测，及时掌握干部下井带班情况，加强干部下井带班管理。（6）煤矿井下作业人员考勤管理。通过对入井作业人员，出/入井和路径监测，及时掌握入井工作人员是否按规定出/入井，是否按规定到达指定作业地点等。（7）持证上岗管理。通过设置在人员出入井口的人脸、虹膜等检测装置，检测入井人员特征，与上岗培训、人脸、虹膜数据库资料对比，没有取得上岗证的人员不允许下井，特殊情况（如上级检查等）需经有关领导批准，并存储纪录。（8）应急救援与事故调查技术支持。通过系统可及时了解事故时入井人员总数、分布区域、人员的基本情况的等。若事故时，系统不被完全破坏，还可在事故后2小时内（系统有2小时备用电源），掌握被困人员的流动情况。在