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序言煤炭工业是国民经济的基础和重要组成部分。但煤矿也是我国当前安全生产事故多发的重点行业，安全生产形势十分严峻。近年来，由于种种原因，我国的矿难事故频繁发生，给国家和人民带来了严重的生命财产损失。特别是中小型乡镇煤矿和私人煤矿，由于安全生产设备落后、安全生产意识不够、没有建立一套完整的安全生产管理体系，安全生产状况令人担忧。据国家煤矿安全监察局发布的全国煤矿生产和安全情况统计，2005年全国原煤产量21.1亿吨，死亡5983人，百万吨死亡率2.81。这样的数据是西方发达国家的几十倍甚至上百倍，令人触目惊心。这种局面若不能有效控制，势必影响我国经济的可持续健康发展和全面建设和谐社会宏伟目标的实现。因此，从管理和技术两方面分析导致我国煤矿尤其是中小型乡镇煤矿安全状况难以好转的原因，提出解决问题的有效途径，对改善乡镇煤矿安全状态，促进其健康、有序的发展，将具有积极的指导意义。国内目前已经投入生产和使用的矿井安全监控系统和矿井人员定位系统有很多种，但现有产品无论是使用还是维护上都需要较高的技术支撑，并要配备足够的专职工作人员。由于监测主机和井下的监控分站为24小时运转，即使是小型的安全监测系统，也要配备4～5名专职人员，而且其中至少要有一名工作人员懂系统的维护和校正。这对大多数缺少必要技术力量的乡镇小煤矿是难以支撑的。由于缺乏必要的安全动态监测系统，构不成高效的安全监控网络，监察部门的巡检难分轻重缓急，无法及时、准确、快速地对矿井发生的灾害信息做出反应，直接影响到控制事故发生的能力。因此从实际情况出发，研发出使用方便、维护简单和可靠性高的本质安全型煤矿安全监控系统有着重要的现实意义。第1章基于泄漏电缆的井下监控系统概述1.1泄漏电缆概述泄漏电缆是集信号传输、发射与接收等功能于一体，同时具有同轴电缆和天线的双重作用，特别适用于覆盖公路、铁路隧道、城市地铁等无线信号传播受限的区域。泄漏电缆结构与普通的同轴电缆基本一致，由内导体、绝缘介质和开有周期性槽孔的外导体三部分组成。电磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波；外界的电磁场也可通过槽孔感应到泄漏电缆内部并传送到接收端。在山区隧道和地铁、矿井等场合进行通信，无线电波要受到阻碍，尤其是短波和超短波受到的传输衰减更大。测试表明，一台在中等开阔地能通上5千米的无线电台，放到井下或坑道里只能通20来米。增大无线电台的发射功率固然可以增大通信距离，但通信效果并不明显。有专家作过试验，即使将无线电台的发射功率加大100倍，它的传播距离也不过只能增加1/5罢了。何况，在矿井下是不允许随意增大发射功率的，不然容易因电火花引发爆炸事故。泄漏电缆通信是以电缆作无线电台的天线，用它进行通信，可在一定范围内产生均匀的信号场强，而不受周围环境的影响，通信可靠性高，也不存在通信盲区，接收电平稳定，不容易受到外来信号干扰。泄漏同轴电缆系统可以提供多信道服务，例如，使用400兆赫频段，频率间隔25千赫时，可以提供24个通信信道，可以用来传输话音(调度电话和公用电话)，也可进行数据传输。泄漏电缆通信的基本设想，最初是由英国人于1948年提出来的。20世纪60年代以后，伴随着电子信息技术的不断发展，在英、法、日等国相继研制成功，到60年代末期，国外开始进行矿井巷道泄漏馈线通信技术研究，在70年代中期达到高潮，先后研制出多基台组网、单向中继器组网和双向中继器组网等实用化系统。第一部综合介绍泄漏馈线通信技术的专著在1982年问世，标志着矿井下泄漏电缆组网移动通信技术趋于成熟和完善。目前，泄漏电缆的频段覆盖在450MHz-2GHz以上，适应现有的各种无线通信体制，应用场合包括无线传播受限的矿井、地铁、铁路隧道和公路隧道等。在国外，泄漏电缆也用于室内覆盖。直至今日它已开始应用于矿井、隧道通信等领域。泄漏电缆相对现代隧道中的其他电缆直径和体积较小，容易处理和安装铺设。通常350米/卷，并沿着电缆的防火外壳标明米长度。16根外导体均匀地分布在不完全屏蔽的保护层外。其独特的结构使无线电信号可以进出泄漏电缆。泄漏电缆结构如图1所示。（束绞铜线）3编织铜线2泡沫聚乙烯绝缘1内导体125阻燃聚氯乙烯外护套图1结构示意图4聚乙烯内护套3451.2井下监控系统概述井下监控系统是指对煤矿的瓦斯、风速、一氧化碳、烟雾、温度、湿度等环境参数；人员定位；设备监控；矿井生产、运输、提升、排水等环节的机电设备工作状态进行监测和控制，用计算机分析处理并取得数据的一种系统。近年来，随着现代化管理意识的增强和以计算机为核心的煤矿监测监控技术的日益成熟，安全监测监控系统在全国各类矿井中已得到广泛的应用。在煤矿生产中影响矿井生产的因素很多，主要有以下两方面：（1）环境参数：如瓦斯、一氧化碳、风量、温度、湿度、井下粉尘、烟雾、水位、风压等参数。（2）机电设备的运行参数：皮带机、割煤机、转载机、煤仓煤位的高低，支路的电压、电流。这些参数任何一个出现异常，都会影响矿井的生产，发生灾害。瓦斯爆炸、水灾和井下起火是最常见的三个灾害，其中瓦斯爆炸是三灾中最严重的。它的破坏作用极大，是一种瓦斯、煤尘、大火混合型的爆炸灾害。掘进面、工作面，瓦斯涌出的大小随地理情况、煤的生成情况不同而异，情况异常复杂，且无规律。所以，解决这个问题的有效办法就只有随时测出其地域点的瓦斯含量。当超限时，报警提醒工作人员注意，区域断电停止生产，避免产生点燃瓦斯爆炸的火花，等待瓦斯随风排出后再行生产。由此可见，避免发生事故的关键是能及时发现瓦斯超限，并在超限时及时发出声光报警和切断相关工作区域的电源，避免产生火花。在没有安全监控系统的情况下，该项工作一般由瓦斯检测员每隔一段时间用便携式瓦斯测定仪在规定区域测试瓦斯浓度，并汇报到地面管理人员。而在瓦斯检测员不在规定区域的这段时间内，瓦斯含量情况以及是否发生事故，地面管理人员就无法知道，这是一个严重的问题。而监测系统所安装的传感器、工作站、报警断电执行机构是连续工作方式，随时会测出瓦斯含量，并在出现异常时，同时声光报警和执行区域断电，可避免事故发生，并随时定时地将测量数据送到地面调度室和调度室计算机网络中，调度人员会随时知道何处出现异常并根据情况采取相应的措施，缓解危情，如调度风量大小、决定是否撤出人员、如何撤出等。安全监控系统在生产设备运行的管理上也起着十分显著的作用。地面调度人员根据煤的生产情况进行合适的调度，可提高设备的运行效率和节能。综上所述，监控系统是保障煤矿安全生产的重要手段。在矿井的防灾、减灾方面以及提高生产效率方面起着重要作用，是矿井生产实现现代化管理的一个重要标志。1.3目前使用的井下监控系统的结构井下监控系统是传感器技术、通信传输技术、计算机应用技术、电气防爆技术和控制技术等多种技术在矿井安全生产领域应用的产物，对保障煤矿安全生产，提高生产效率和机电设备的利用率都具有十分重要的作用[3]。矿井安全监控系统通常由井下现场测控分站和井上监控中心主站组成。分站可以脱离主站自动实现就地监测和控制功能。一般由传感器和执行器、信息传输装置等组成。监控主站由计算机、服务器、打印机、显示屏、霹雷针等组成。主要负责监测数据的收集、存储、显示、报警、处理、分析和报表打印等。1.4井下监控系统的发展及现状1.4.1国内外矿井监控系统的发展及现状国外研制矿井计算机监控系统始于20世纪60年代，为保证煤矿安全生产，世界主要产煤国（如美国、英国、德国、波兰、前苏联等）从上世纪50年代起便把监测、监控技术应用到安全生产管理上，陆续开发出了SCADAM创05系统、TF20系统、CTT63l4等系统。由于我国煤矿计算机监测监控系统的研制起步较晚，初期监测监控系统(20世纪80年代初)主要由传感器、断电仪、载波机、计算机和调度盘等设备组成。为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐，我国先后从美国、英国、德国、法国、加拿大分别引入数十套监控系统。借鉴这些系统，我国自主开发研制出了许多种矿井安全监控系统。如，KJ4、KJ2、KJ95、KJ96等系统。其中，KJ96型煤矿安全监测监控系统基本上反映了目前我国监控系统总体发展水平，在全国许多大中型煤矿得到了广泛的应用。上述系统均是综合型监测系统，侧重于安全参数的检测和控制，没有对下井人员进行实时监控。随着射频识别技术RFID（RadioFrequencyIdentificationTechnology）兴起，目前国内外正积极地将该技术运用到井下的无线定位和安全管理上来。射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。国外专家还借助PED（PersonalEmergencyDevice），构架利用超低频信号穿透岩层进行传输的无线急救通讯系统，极大地提高了事故后的搜救效率。2003年7月24日宾西法尼亚州煤矿矿道坍塌，9名矿工在井下被困，三天后全部获救。宾西法尼亚州煤矿正是利用了PED系统的紧急信息发布功能，矿工在事故发生时才得以迅速撤离，而通过井下个人跟踪系统的准确定位功能，又将被困的9名矿工及时抢救出来。基于以上射频识别技术以及自动控制、通信等相关技术，国内也投入生产了一些比较先进的井下人员及车辆跟踪系统，如煤炭学研究院重庆分院开发的KJ90型矿井人员跟踪定位及考勤管理系统1.4.2国内井下监控系统存在的问题随着我国科学技术的飞速发展，矿井安全监控系统有了很大的进步，整体技术含量的提高为煤矿安全带来了本质性的飞跃。现有的矿井安全监控系统虽在保证煤矿安全生产方面发挥了重要，但仍然有很大的不足，难以满足煤矿安全生产的需要主要表现在以下几方面：（1）价格昂贵，不适于中小煤矿企业。由于没有统一的行业标准，各厂商的系统互不兼容，各厂家不得不从头开发自己的系统，造成大量的人力物力浪费，大大提高了开发成本。国内很多矿井安全生产监控系统功能类似，是在同一水平上的重复开发，浪费了大量的人力物力，因此导致的高价格使得这些系统很难在小煤矿得到推广使用。（2）维护成本高。现有的矿井安全监控系统常由环境参数监控子系统、风机控制子系统等系统组成。而这些子系统多为封闭系统，系统中使用的通信协议和信息交换标准都是由厂商自己制定的，严格保密，互不兼容。而且，网络结构和通信模式多样，不同子系统间联网困难，难以做到数据共享，造成设备的重复投资，由于每种子系统都需要建立自己的通信网络，电缆的重复敷设、维修人员的重复设置，造成企业资源配置不合理，大大提高了煤矿企业的生产成本。（3）缺少人员监控功能。系统监控对象是井下环境参数（瓦斯、CO、温度、湿度、风速、气压等）和机电设备的运行参数（转载机、皮带机、割煤机、乳化泵、煤仓煤位的高低，支路的电压、电流等），不能对井下人员进行跟踪定位。系统的应用目的主要在灾难的预防和生产效率的提高上，一旦发生矿难，由于井上人员不知道井下人员的位置，很难组织高效的矿工疏散、搜救等工作。（4）兼容性差。没有统一的行业标准，各厂商的系统在软硬件上互不兼容。如各厂商系统的通信协议均自己定义，没有一个符合矿井电气防爆等特殊要求的总线标准，从而造成不同厂家的设备无法接入，互不兼容，无法共享传输通道。（5）实时性、稳定性差。系统通信方式多为主从传输方式，如有的系统采用RS-485总线进行通信。主从通信方式中从站只有当主站有数据请求时才能与主站通信，期间若有紧急情况发生，不能及时通知主站采取相应措施，系统实时性不好；主从通信方式对主站要求很高，若主站发生故障，整个系统就会瘫痪，系统可靠性较低。因此，开发造价低、工作可靠、兼容性强、应用灵活、易扩展及升级的矿井安全监控系统，已成为我国煤矿安全监控系统今后发展的重要目标。1.4.3井下监控系统的发展趋势当前计算机、网络和多媒体等技术日新月异，加上计算机应用在我国煤矿的大量普及、一些先进生产设备的投入使用，使得煤矿行业的现代化生产和管理水平进一步提高，对煤矿监控系统的性能和功能也提出了新的要求。我国煤炭企业数量多，分布广，规模多样。因此，开发研制出一系列满足大、中、小煤矿不同层次需求的矿井监测监控系统是十分必要的。