煤矿瓦斯监测监控系统的设计与实现

煤矿瓦斯监测监控系统的设计与实现

中国的矿产资源保护条件复杂，自然灾害严重，大型煤矿行业的生产力水平普遍较低。为了保证矿山的安全生产，中国煤矿配备了监控装置，极大地改善了采矿安全生产。西山煤电集团于2003年建立了瓦斯监测监控系统,2009年进行了全面的升级改造。是矿—集团—山西焦煤—省局四级全方位对煤矿井下作业现场环境的全面动态实时监测监控系统。它是利用网络信息技术在煤矿安全生产中筑起一道重要防线,也是领导现场管理决策、指导安全生产的重要依据。同时为井下瓦斯、CO、局扇、主扇情况进行分析,为预防瓦斯事故并及时、超前、正确地决策提供了第一手详实、准确的技术数据信息。通过系统可实时监控各矿井各工作点瓦斯动态变化及井下各设备的运行情况,并能及时将瓦斯超限信息通过手机短信自动通知相关领导,极大地增强了各级管理人员对井下瓦斯情况掌握的及时性和透明度,真正做到了“超前预防,安全生产”的重要作用。1监控硬件和网络配置1.1集中存储保护,完善备份措施西山煤电集团公司瓦斯监测中心使用4台服务器运行瓦斯监测监控系统,1台为Web服务器,各级管理人员可以在不同的地点对Web服务器进行访问,实时监测各生产矿井监控数据;1台为Ftp服务器,各生产矿井通过Ftp将矿井实时监测数据上传到集团中心;2台数据库服务器,采用双机容错系统构成服务器集群,由2台独立的主机和共享磁盘阵列柜的方式,提供不间断的服务给前端的使用者,容错软件通过2条以上的容错侦测信号线定期自动侦测,当任一主机有故障发生时,容错软件会迅速加以判断和分析,确认该主机的错误状况,一旦主机出现停机、网络接口异常、数据存储介质异常、系统程序异常等情况,容错软件会自动结束异常主机的工作,由另一台主机按设定的程序来接管异常主机的所有任务,从而极大地提高服务系统的可用性。所有单位采集到的数据都集中在集团数据库服务器中,数据的集中存储保护和完善的备份措施可以把因人为的误操作、物理损坏、自然灾害所引起的数据丢失的危害性降到最低程度。此模式最大化地实现了监控数据的不丢失,故障归“零”的技术创新。1.2多系统联动,确保信息安全矿井瓦斯监测监控系统网络的结构,分为不同的安全域,各个安全域的级别不同,具有的权限也不相同,通过防火墙来隔离各个安全域,通过严密包过滤和访问控制技术来保护各个安全域,使用VPN和加密的用户认证技术来保证远程用户信息联动,集团公司与各矿井建立了双通道联网,避免了人为破坏及自然灾害导致光缆中断监控系统的传输中断。网络拓扑图见图1。2软件安装架构西山煤电瓦斯监测监控系统全部采用B/S的网络结构,只需在服务器端安装一套软件,无需在各工作站安装。系统在功能需求和系统分析的基础上分为:数据采集、显示;数据分析、监管模块;瓦斯报警信息发布;综采开机率;管理信息查询模块等。2.1区域放电监测监控系统主要功能数据收集、显示、查询模块是基于《AQ6201-2006》、《AQ1029-2007》标准的监控系统联网,数据采集通信系统在原有数据采集通信协议基础上,新增各种操作记录上传、安全措施上传、采掘工程图与通风系统图、监测隐患处理、避灾路线图等相关功能,进一步优化了数据通信传输方法、数据格式和数据库存储结构。安全监控系统误报警技术,可剔除不可靠和误报警数据,如传感器的校验、超限断电试验、变频设备干扰数据以及人为因素等,保证了监控数据的可靠性与效能发挥。主要特点如下:1)所有操作都采用普通浏览器窗口操作,包括复杂的数字矿图编辑更新,系统操作简便,避免了以往同类系统复杂的软件管理,大大减少了系统维护工作量。2)数字矿图创建与动态编辑、图形转换接口、图层管理、图层查询显示、放大、缩小、移动、信息图形可视化查询显示、信息查询、汇总、统计分析、专题图制作,图形打印输出等,可直接利用CAD格式数字矿图。3)区域断电网络实时监测、监控、监管系统。针对不同的隐患类型实现区域断电实时自动跟踪定位监测监管是系统的核心技术。基于煤矿测控单元网络化互联互控关联设置,实现的核心技术是实时海量监测数据与网络环境下的搜索算法。相关系统包括通风系统、测控单元布局、测控单元互联互控区域断电设置和区域断电自动跟踪监测监管。主要功能包括:a)利用远程联网监测网络,能够自动跟踪并实时图形定位全面监测区域断电状态,所有未断电状态用图形直观展示,为解决各种超限而不断电的重大安全隐患实时监测监管提供了先进有效的技术手段。系统能够根据瓦斯超限、停风、煤与瓦斯突出、风流反向、风流逆转、灾变影响区域等各种隐患设置预案,自动跟踪监测目标区域超限与断电状态,能够自动跟踪及实时图形定位并报警显示。b)系统与煤矿地面远程手动断电配合使用,可弥补现有煤矿监测监控系统测控单元难以实现互联互控的缺陷。c)可直观显示区域断电测控单元短缺问题、检测出不间断电控制装置的违章问题、检测出煤矿监测人员关于断电相关设置方面的错误。在目前技术水平下实现整个区域安全,特别是涉及异地断电情况下,需要增加监测监控分站和测控传感器,本系统区域断电自动跟踪定位技术,可发现目标区域的设备布局;有的单位为了逃避超限断电影响生产,故意不接断电装置,使得超限断电形同虚设。系统能够检测出是否安装了馈电装置,如果瓦斯超限而馈电装置显示有电或馈电装置根本不存在,则显示报警。d)直观可视化功能有全面的分类报警、分级报警、历史报警、图形定位、曲线跟踪、查询显示、分类汇总、趋势分析、报表等功能。e)完善的数据安全与权限管理功能,每个煤矿、每个用户甚至每个功能都有独立操作权限控制,从而保证了数据安全与共享的合理应用。4)网络可视化通风瓦斯信息管理系统。煤矿通风系统图动态编辑与通风系统属性数据录入、编辑、查询、汇总、统计分析等。通风系统图是区域断电设置与跟踪监测的基础,通过通风系统图可得到超限瓦斯流经的区域,从而划定隐患区域。5)超限、断电、撤人一体化监测监管系统。在区域断电超限、断电跟踪基础上增加人员网络监测,从而实现超限、断电、撤人联动监测监管。6)煤矿通风瓦斯流动数值模拟与综合预测系统(含通风网络解算模拟、采场流态模拟、瓦斯综合预测、可燃性气体爆炸危险性判定等子系统)。该系统首次将采空区漏风渗流场流态模拟这些十分复杂的解算问题,变成用户通过在流览器上输入漏风数据即可实现,为解决尾巷通风、顶板巷道抽放、工作面通风方式模拟、防止上隅角瓦斯超限和防治采空区自然发火等提供了数字模拟工具。采用先进的数学地质优化趋势面方法、距离密次反比法、分源预测法等先进的预测方法,提供了瓦斯区域预测技术。可包括瓦斯含量、抽放量、涌出量和突出预测参数等各种涉及区域分布的预测参数,通过给定有限个基础参数,系统自动给出分布等值线图和区域分布专题图。7)数字矿图格式转换接口。目前支持CAD格式和MapInfo格式图的自动转入。8)基于系统的信息化系统建设自动生成系统。信息化系统建设应用往往随时间和需求变化而不断变化,本系统提供了自动化实现功能,一些专业应用,譬如采掘生产管理、通风管理、机电设备管理等各种应用子系统,仅仅需要用户建立基础数据库结构,其它应用功能系统能够自动完成,如录入编辑界面、查询、汇总、统计分析、曲线分析、专题图分析、报表等应用都能够自动实现。用户可以创建自己的应用系统,如果应用发生变化用户通过更改基础数据库结构即可实现。9)一通三防知识库网络在线查询支持系统。提供煤矿一通三防技术的网络在线查询,可在隐患发生时查询对策和在日常查询有关技术,方便应用并可实现网络培训,能显著提高煤矿人员的技术水平。10)网络可视化地质测量信息管理系统。可实现地质测量图形与属性信息的管理,创建图层、编辑、查询显示、分析、汇总打印输出等。11)网络可视化机电设备管理信息系统。可实现机电设备在采掘图上的布局分布功能,设备管理、租赁管理、设备查询、汇总统计分析等等。12)网络可视化供电管理信息系统。基于数字矿图的供电系统图创建与动态编辑、各种供电设备的分布查询、显示、汇总统计、供电线路跟踪、故障跟踪分析、断电控制范围查询等。13)网络可视化采掘管理信息系统。可实现采掘位置与采掘相关设备、计划、进度、产量等图形化查询管理等。2.2利用智能监测系统的原理数据分析模块是通过网络自动化手段实现通风系统可靠与稳定的监测。对井下总回风、采区回风、主要供风巷道进行瓦斯监测。对各地点的核定风量供应不足、风流路线不稳定、无计划停风或微风作业、风流短路的地点、线路、区域预警断电。配合短信报警系统,技术人员可在第一时间根据预警信息迅速作出判断,节省时间,尽早发现问题,保证通风系统的稳定性,可靠性。利用监控系统实时、连续、不间断地采集环境参数、对瓦斯是否异常进行分析判断。在日常生产过程中,采掘工作面等各测点的瓦斯浓度在0～1的范围内小幅波动。每当发生瓦斯超限或异常涌出后,各测点的瓦斯值在特定的时间范围内瞬时成倍升高,随即执行瓦斯电闭锁,由此根据系统数据和曲线的异常变化可判定作业地点瓦斯异常情况。利用监测系统可以实时的监测各矿主扇、局扇运行情况。由于故障及人为破坏、突然停电,引起主扇停风,与主扇相通的各工作面局扇随即停风。这时,监测可以直接地反映出各个停风点瓦斯情况,为及时排除故障提供了重要的依据。2.3实时移动监测监管瓦斯报警短信信息发布模块包括短信管理和无线交互控制系统,本系统除了提供微机浏览器操作外,也能够提供基于手机或掌上电脑的实时移动监测监管,而且无需在用户设备上安装任何应用软件,全部采用浏览器操作,也支持数字矿图功能。同时支持上Internet网络,可实现移动监测监管与移动办公。集团领导可以随时随地利用手机终端动态地监测当前各矿的瓦斯浓度,曲线变化情况及历史数据。自动接收监控中心发现的各种报警信息,全面实现了“时刻报警、时刻分析、时刻决策”的管理目标。2.4瓦斯治理和安全生产规章制度的完善管理信息查询模块收集了有关煤炭方面的法律法规及AQ标准,以及各矿井瓦斯治理和安全生产的规章制度,规程措施全部规范化、制度化,做到有章可循,并根据井下条件的变化和随时出现的新情况、新问题,不断修改,充实和完善规章制度。确保国家安全生产法律法规及上级指示指令贯彻落实。3实时监测生产设备综采开机率可实现综放工作面的生产过程自动化,以减轻劳动强度、提高生产效率。利用现有监测联网系统实现煤矿工作面综采开机率实时监测与统计分析,为生产管理提供先进的技术手段。实现对主要生产设备工况的实时在线监测,及时发现故障隐患、及时采取措施避免设备损坏,提高设备正常率和开机率。将工作面的相关信息及时传输到地面,并通过计算机网络实现共享,达到生产管理的信息化。4瓦斯浓度快速升温,形成安全生产保障网1)根据安全监测监控系统提供的环境安全参数分析确定瓦斯探头故障或超限报警。2010年8月27日19∶07分,西铭矿胡沙帽发生一起落雷引起的停电停风事故。胡沙帽1#、2#主扇全部停止运转,集团调度指挥中心安全监控系统实时显示:胡沙帽1#、2#主扇停风、49208副巷瓦斯超限报警,最高浓度1.35%;48204综采面瓦斯超限报警,最高浓度2.75%,见图2。发生超限报警后安全监测监控系统自动切断工作面全部非本质安全型电器设备。调度管理人员根据井下瓦斯检查员汇报,随即下达对该综采面断电、撤人、停产的命令,启动了《西铭矿事故应急救援预案》,并派技术人员到现场查看、抢修。经与井下核实,瓦斯浓度与系统采集相吻合,为预防发生进一步的重大隐患事故提供了宝贵时间和准确可靠信息。2)依据CO传感器采集的数据判别易自燃煤层发火情况。2010年8月9日马兰矿井下综三10503工作面发生瓦斯燃烧事故,综三10503工作面T0最高浓度2.09%,见图3。T1瓦斯浓度高达4%,持续时间长,见图4。瓦斯电闭锁全部断电并切断工作面全部非本质安全型电器设备电源。CO浓度持续升高。自动短信报警装置即时把有关信息数据传给相关领导,调度指挥中心立即下令撤人,并立即通知专业技术人员进行处理。为及时排除事故隐患提供了宝贵的时间。3)依据通风监测,开停传感器监测主扇停风原因。2010年9月20日下午14∶15分,屯兰矿后风坪岭35kV电站停电,由于1回路405线路终端室外临时电缆头有放电、冒烟现象,断1回路进线545开关时,两回进线全部停电,造成后风坪岭35kV站全站停电