孙继平
中国矿业大学（北京）  北京  100083

摘要：提出安全高效矿井应采用先进可靠的监控技术，实现供电、排水、通风、压风、运输、提升、瓦斯抽采等固定岗位无人值守，地面远程控制；综采、综放等采煤工作面少人作业，地面远程控制；提出供电、排水、通风、压风、运输、提升、瓦斯抽采等监控系统应具有地面远程控制功能；提出具有远程控制、报警联动、调度指挥等功能的煤矿调度指挥控制中心；提出整合计算机网络机房、程控交换机机房、调度交换机机房、监控系统机房等的数据中心；提出基于煤层瓦斯压力和瓦斯含量、综合指标、钻屑瓦斯解吸指标、复合指标、R值指标、瓦斯涌出量（根据瓦斯浓度和风量计算）、巷道位置、微震、地音、温度等及其变化的煤与瓦斯突出预警方法；提出基于WIFI的矿用无线传输接口，以便于互通互联；提出通过分布式光纤测温预警煤炭自然发火，较通过CO等煤炭自然发火标志气体更直接、更及时、更可靠；提出根据运煤量实时调整输送带速度：当煤量较小时，降低皮带运行速度；当煤量较大时，提高皮带运行速度，以提高运输效率，减少设备磨损；提出基于光纤综合保护的供电监控系统具有防越级跳闸、地面远程整定和地面远程控制功能，提高了煤矿供电的可靠性，可实现煤矿井下机电硐室无人值守；提出具有煤岩识别与滚筒自动调高，采煤机、刮板机、液压支架3机联动，记忆割煤，地面远程、顺槽近程、手动控制和紧急停机，放顶煤量和煤矸控制、采煤机和刮板机等大型机电设备故障诊断等功能的采煤工作面监控系统。
    1 引言
    煤炭是我国的主要能源，约占一次能源的70%。中国是世界第1产煤大国，煤炭产量约占世界50%。2011年全国煤炭产量35.2亿吨，占世界煤炭总产量的49.5%。2011年全国煤矿发生死亡事故1201起，死亡1973人，百万吨死亡率0.564，事故总量、较大事故、重特大事故和百万吨死亡率均大幅下降，安全生产形势明显好转。但煤矿安全形势依然严峻，重特大事故时有发生，百万吨死亡率远高于美国、南非、俄罗斯等其他主要产煤国家[1]。
    因此，有必要研究安全高效煤矿监控关键技术，实现供电、排水、通风、压风、运输、提升、瓦斯抽采等固定岗位无人值守，地面远程控制；综采、综放等采煤工作面少人作业，地面远程控制等；减少煤矿井下作业人员，实现煤矿安全高效生产[2]。 
    煤矿监控系统主要包括安全监控系统、人员位置监测系统、产量监测系统、供电监控系统、带式输送监控系统、排水监控系统、压风监控系统、胶轮车运输监控系统、轨道运输监控系统、火灾监控系统、矿压监测系统等。煤矿监控系统除应具有模拟量、开关量等监测、显示、报警、存储、打印等功能外[2]，还应根据煤矿安全高效生产的需要，具有预警、地面远程控制等功能。
    2 调度指挥控制中心
    目前煤矿调度室主要用于煤矿安全生产信息显示、电话调度指挥等，煤矿井下供电、排水、通风、压风、运输、提升、采掘、瓦斯抽采等主要生产环节有大量的作业人员。一旦发生瓦斯爆炸、透水、火灾等事故，就会造成大量人员伤亡。因此，有必要采用先进可靠的监控技术，实现供电、排水、通风、压风、运输、提升等固定岗位无人值守，地面远程控制；综采、综放等采煤工作面少人作业，地面远程控制等[3]。
    因此，需要建立煤矿调度指挥控制中心，不但具有煤矿安全生产信息显示、电话调度指挥等功能，还具有供电、排水、通风、压风、运输、提升、采煤等远程控制功能，减少煤矿井下作业人员；并具有联动报警功能，当监测到异常状况时，具有声光报警、图像抓拍与记录、语音广播与记录、应急预案响应等功能。
    为便于管理，降低维护成本，煤矿应将计算机网络机房、程控交换机机房、调度交换机机房、监控系统机房等统筹考虑，建立统一的数据中心，并临近煤矿调度指挥控制中心。
    3 煤矿安全监控系统
    煤矿安全监控系统应具有甲烷浓度、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、主通风机开停等监测功能，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等[4-9]。
    为满足煤矿安全高效生产的需求，煤矿安全监控系统除应具有上述功能外，还应具有煤与瓦斯突出预警、瓦斯超限预控等功能。
    瓦斯超限预控就是根据实时监测的瓦斯浓度，调节采煤机割截速度，控制瓦斯超限，减少瓦斯断电对煤炭生产的影响：（1）当瓦斯浓度接近断电浓度且继续上升时，降低采煤机割截速度；（2）当瓦斯浓度较低且继续降低时，在采煤机最大允许割截速度下，提高采煤机割截速度。
    煤与瓦斯突出预警就是根据煤层瓦斯压力和瓦斯含量、综合指标、钻屑瓦斯解吸指标、复合指标、R值指标、瓦斯涌出量（根据瓦斯浓度和风量计算）、巷道位置、微震、地音、温度等及其变化，对煤与瓦斯突出预警。
    4 煤矿井下人员位置监测系统
    煤矿井下人员位置监测系统应具有人员位置、携卡人员出入井时刻、重点区域出入时刻、限制区域出入时刻、工作时间、井下和重点区域人员数量、井下人员活动路线等监测、显示、打印、存储、查询、异常报警、路径跟踪、管理等功能；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[10-11]。
    为满足煤矿安全高效生产的需求，煤矿井下人员位置监测系统除应具有上述功能外，还应具有精确定位、双向紧急呼叫、唯一性检测、搜寻等功能。
    为减少设备投入、便于系统安装和维护，煤矿井下人员位置监测系统应与矿井移动通信系统、胶轮车运输监控系统、轨道运输监控系统、放炮监控系统等采用WIFI等技术，统一无线接口、统一传输平台。
    5 矿井火灾监控系统
    火灾束管监测系统通过监测CO、O2、CO2、N2等煤炭自然发火标志气体，进行采空区等煤炭自燃火灾监测预警，在矿井内因火灾防治工作中发挥着重要作用。但火灾束管监测系统，存在着束管堵塞、漏气、实时性差、不便于使用与维护等问题[12]。
    分布式光纤测温系统利用光纤拉曼散射效应和光时域反射技术、采用单根光纤实现温度监测和信号传输；具有分布式、连续、实时测温，可靠性高，便于使用与维护等特点。
    敷设在采空区的感温光缆，可实时监测采空区不同位置的温度，并根据温度及其变化，实现煤炭自燃火灾监测与预警。通过监测温度预警煤炭自然发火，较通过CO等煤炭自然发火标志气体更直接、更及时、更可靠。
    敷设在电缆、接线盒、开关、变压器等电气设备的分布式光纤测温系统，可实时监测电气设备、接头、触点温度，当温度异常时及时报警或断电，避免或减少矿用电气设备火灾发生。
    敷设在带式输送机沿线的分布式光纤测温系统，可实时监测机头、机尾、托辊、皮带等温度，当温度异常时及时报警或断电，避免或减少皮带火灾发生。
    6 煤矿带式输送监控系统
    煤矿带式输送监控系统应具有输送带速度、温度、烟雾、跑偏、撕裂、打滑、堆煤、运煤量、功率平衡、强力输送带钢丝断丝、电机工作电压、工作电流、功率、运行状态等监测、显示、报警功能；具有逆煤流起动、顺煤流停止控制功能；具有紧急停机控制和闭锁功能；具有缩带、收带、伸带、放带控制功能；具有多电机速度同步控制和功率自动平衡功能；具有超温报警、洒水控制和闭锁功能；具有烟雾报警、洒水控制和闭锁功能；具有堆煤报警、停机控制和闭锁功能；具有跑偏报警、停机控制和闭锁功能；具有撕裂报警、停机控制和闭锁功能；具有煤仓煤位报警、控制和闭锁功能；具有自动、手动、就地、远程、多机联锁及单机控制功能[13]。 
为提高运输效率，减少设备磨损，系统应能根据运煤量实时调整皮带速度：当煤量较小时，降低皮带运行速度；当煤量较大时，提高皮带运行速度；长时间无煤时，自动停机；有煤时，自动开机。
    为减少煤矿井下皮带运输工，系统应具有地面远程控制功能，并配以视频监视系统和矿井移动通信系统，实现地面调度指挥控制中心远程控制。
    7 煤矿供电监控系统
    煤矿供电监控系统应具有电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、温度、电网绝缘、电磁起动器、馈电开关分/合、有功电量等采集、显示、报警功能；具有过流（短路、过负荷等）、过压、欠压、断相、接地、漏电、误操作保护功能[14]。
    基于光纤综合保护的供电监控系统具有防越级跳闸、地面远程整定和地面远程控制功能，提高了煤矿供电的可靠性，配以视频监视系统和矿井移动通信系统，可实现地面调度指挥控制中心远程控制，煤矿井下机电硐室无人值守。
    8 采煤工作面监控系统
    采煤工作面监控系统应具有模拟量和开关量采集、显示及报警功能：（1）采煤机位置、割截速度、采高、牵引速度，采煤机各电机电压、电流、功率、温度，采煤机开停状态等；（2）刮板机各电机电压、电流、功率、温度，刮板机开停状态等；（3）转载机电机电压、电流、功率、温度，转载机开停状态等；（4）破碎机电机电压、电流、功率、温度，破碎机开停状态等；（5）液压支架压力、支撑高度、位置、累计推移行程等；（6）内、外喷雾压力，清水泵开停状态；（7）电液系统压力，乳化液泵开停状态等[15]。
    采煤工作面监控系统应具有自动闭锁控制功能：（1）顺序启动，延时时间可调：顺槽带式输送机→破碎机→转载机→刮板输送机→采煤机；（2）顺序停机，延时时间可调：采煤机→刮板输送机→转载机→破碎机→顺槽带式输送机；（3）乳化液自动配比、乳化液箱自动补液、乳化液泵过压自动卸载溢流、清水泵箱自动补液、失压保护等；（4）液压支架移架与支撑；（5）过负载保护等。 
    采煤工作面监控系统应具有煤岩识别与滚筒自动调高，采煤机、刮板机、液压支架3机联动，记忆割煤，地面远程、顺槽近程、手动控制和紧急停机，放顶煤量和煤矸控制、采煤机和刮板机等大型机电设备故障诊断等功能。
    9 矿井轨道运输监控系统
    矿井轨道运输监控系统应具有列车位置、机车编号、运行方向、运行速度、车皮数、信号机状态、电动转辙机状态、供电电压、架空线绝缘等采集功能；具有人员上下车时，切断上、下车地点架空线电源功能[13]。
     矿井轨道运输监控系统应具有信号机、电动转辙机等闭锁控制功能，且符合下列要求：（1）列车应按规定进路运行，每条进路只允许有一组列车，进路的最短距离应大于一列车长；（2）防护进路的信号机开放前，应先满足进路中所有电动道岔位置正确、区段空闲、敌对进路未建立等条件。防护进路信号机开放时，应先闭锁敌对进路及进路内所有电动道岔，再开放信号机；（3）进路区段解锁可采用一次解锁或分段解锁；进路应具有系统授权控制的人工解锁功能；（4）列车进入信号机内方，应及时关闭信号；信号机关闭后，不经办理，不应再次开放；区间信号机可当整列列车进入信号机内方后，再关闭信号，但不应造成追尾事故；信号机发生故障时，应自动转为关闭状态，或故障指示状态；具有信号机、电动转辙机故障报警和列车进入未解锁区段报警等功能。
    10 瓦斯抽采监控系统
    瓦斯抽采监控系统应具有模拟量采集、显示及报警功能：（1）抽采（放）管路中甲烷浓度、流量、压力、温度、一氧化碳浓度、阀门开度等管道参数；（2）瓦斯抽采（放）泵站室内甲烷浓度、井下临时抽采（放）瓦斯泵站下风侧栅栏外甲烷浓度等环境参数；（3）电机温度、抽采（放）泵真空度、抽采（放）泵轴温等设备参数；（4）水量、水压、冷却水池水温、水位等供水参数；（5）电流、电压、功率因素等供电参数；（6）供气管道正压、温度、甲烷浓度、流量、供气阀开度等供气参数；（7）罐高、罐压、罐内甲烷浓度、密封水位、密封水温等储气罐参数。
    瓦斯抽采监控系统应具有瓦斯抽采（放）泵状态、阀门状态、供水状态等开关量采集、显示及报警功能；具有瓦斯抽采（放）混合量和纯瓦斯量等累计量监测、显示功能；具有瓦斯抽采（放）泵、阀门等控制功能；具有阀门开度等自动、手动、就地、远程和异地调节功能。
    11 矿井排水监控系统
    矿井排水监控系统应具有水仓水位、流量、压力（含管路压力、真空泵负压等）、设备温度（水泵轴承温度、电机绕组及轴承温度等）、电流、电压、功率等模拟量采集、显示及报警功能；具有水泵、阀门、真空泵、防水门状态等开关量采集、显示及报警功能；具有排水量、有功电量、水泵运行时间等累计量采集、显示及报警功能；具有水泵、电机轴承振动等采集、显示、故障诊断及报警功能；具有过流（短路、过负载等）、过压、欠压、断相、接地、漏电、误操作等保护功能。
    矿井排水监控系统应具有地面远程控制功能，实现水泵等启/停地面遥控；具有自动控制功能，根据水位、用电峰谷等自动启/停水泵；具有人工就地控制功能，实现水泵等启/停就地人工控制；具有按设定顺序启停多台水泵功能；具有远程控制、自动控制、就地控制、检修等功能设置，并可设定优先级，检修时闭锁其他控制状态。
    12 煤炭产量远程监测系统
    煤炭产量远程监测系统应具有煤炭产量监测、处理、存储、查询、显示、打印等功能；具有严重超产报警功能；具有系统工作状态监测、处理、显示、打印、存储、查询、报警等功能：（1）计量仪器外壳开启状态；（2）计量仪器调整参数状态；（3）计量仪器供电状态；（4）输煤异常状态；（5）计量异常状态；（6）通信异常状态等[16]。
    13 矿山压力监测与预报系统
    矿山压力监测与预报系统应具有液压支架和单体液压支柱工作阻力及下缩量，锚杆拉力，钻孔应力，巷道顶底板位移，顶板离层位移，顶板下沉速度，声发射总事件、大事件、能率，微震等监测报警，顶板大面积来压等预警功能。
    14 结论
    煤炭行业是高危行业，煤炭开采会发生瓦斯、水灾、火灾、顶板、煤尘、爆破、机电等事故。因此，通过机械化、自动化、信息化，减少煤矿井下作业人员，是煤炭安全高效生产的必然选择。实现供电、排水、通风、压风、运输、提升、瓦斯抽采等固定岗位无人值守，地面远程控制；综采、综放等采煤工作面少人作业，地面远程控制；既是煤炭安全高效生产的需要，也是是煤矿监控系统的发展方向。本文全文发表在《工矿自动化》2012年第12期[孙继平.安全高效矿井监控关键技术研究.工矿自动化，2012,38（12）：1-5]