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井下无线移动瓦斯监测系统
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系统概述  System overview

    煤炭是我国的基础资源,占我国能源总供给的70%以上,因此煤炭行业在我国国民经济中起着举足轻重的作用。近几年,随着国家经济的高速发展,煤炭产量也逐年快速递增,随之而来的矿难也不断发生。而在煤矿重特大死亡事故中,瓦斯事故又占到70%以上,因此瓦斯治理与监测一直是煤矿行业安全管理的重中之重。几年来国家和煤矿企业投入几十亿元用于瓦斯治理、防范和相关技术装备更新改造。科技部发布的《固体矿产资源技术政策要点》就发展煤矿信息技术提出要求:重点发展先进无线遥控,具有通讯(包括无线)功能、故障自动检测功能、优化控制和智能优化功能的井下移动设备等自动化技术。

 

    煤矿行业目前所使用的瓦斯监测设备主要是两种,即固定的在线式瓦斯监测监控系统和分散的移动便携式瓦检仪,但这两种设备都有一定的局限性。固定的在线式瓦斯监测监控系统监测范围有限,在某些瓦斯爆炸事故中未起作用;而便携式瓦检仪虽然监测范围大,但存在分散、无法联网、数据无法自动实时上传以及大量人为不利因素、信息孤岛、无法闭锁控制等问题。

 

    井下无线移动瓦斯监测系统,可以将井下所有移动的便携式瓦检仪联网,无线瓦检仪随着人员的移动,不断监测各个地点的瓦斯浓度,并将监测结果和相关位置信息实时自动上传,并由计算机实时记录分析,当出现瓦斯超限时,可由计算机自动采取闭锁等控制或报警。瓦斯浓度监测和数据上传自动完成,不仅扩大了瓦斯监测范围,而且避免了各种认为因素的干扰。将固定在线式系统的自动监测处理、数据实时上传功能与便携式瓦检仪的大范围移动监测功能有效结合在一起,实现了技术创新和应用创新。

 

    无线移动瓦斯监测系统是创新性的升级换代产品,已取得相关行业认证,技术实用、成熟、可靠。它的应用必将大大提高煤矿行业瓦斯监测和事故预防技术、管理水平,也必将在预防瓦斯事故、减少事故人员伤亡、事故救援等多方面发挥积极、有效的作用,对煤矿行业具有特别重大的意义。


系统介绍  System Introduction

    煤矿瓦斯监测一直是煤矿安全管理工作的重中之重。传统的固定式瓦斯监测系统的监控范围有限,而作为辅助补充的移动瓦检仪则存在无法集中统一管理、信息无法共享及实时上传的缺陷,使其监测的实时性和有效性受到影响,并且无法避免由于人为疏忽造成管理上的漏洞。煤矿井下无线移动瓦斯监测系统采用无线通讯技术将井下所有便携式无线瓦检仪联网,无线瓦检仪随着人员移动,不断监测各个地点的瓦斯浓度,并将监测结果和相应位置信息实时上传,并由计算机记录分析。瓦斯浓度移动监测和数据上传自动完成,不仅扩大了瓦斯监测范围,而且避免了各种人为因素的干扰,将固定在线式系统的自动监测处理、数据实时上传功能与便携式瓦检仪的大范围移动监测功能有效结合在一起,实现了技术创新和应用创新。


系统功能  System function

1.   便携式瓦检仪+双向无线数据通信

2.   井下无线信号区域全覆盖、全矿井全覆盖

3.   便携式瓦检仪井下无线联网

4.   便携式瓦斯监测报警

5.   便携式瓦检仪精确定位

6.   便携式瓦检仪当前位置、瓦斯浓度实时上传

7.   双向汉字寻呼、呼救

8.   作为固定在线式瓦斯监测监控系统的有效补充


1便携式瓦检仪+双向无线数据通信实现井下无线联网

    实现瓦斯联网,实时上传环境瓦斯及位置信息至地面控制中心,并可与移动瓦检仪实现双向汉字寻呼、呼救,提供高效的管理手段。


2、井下无线信号区域全覆盖、全矿井全覆盖

    利用泄露通讯技术,使单台分站可覆盖5公里以上巷道,实现井下巷道大面积连续覆盖,拓展系统的监控范围。


3、便携式瓦斯监测报警

   井下瓦斯数据超标时,便携式瓦检仪实时报警,并且井上计算机中心的控制软件会发出声光电报警,提示相关部门采取处理措施。



4、便携式瓦检仪精确定位

    实现井下最小±10米的精确定位,对井下瓦检员的位置跟踪监测,提供有效的监控手段,防止因人为失误造成监测失效。


5、便携式瓦检仪当前位置、瓦斯浓度实时上传

    独特的定位器技术可实现对瓦检仪精确定位,并实时上传瓦斯数据,从而解决环境瓦斯数据与精确地址信息相关联的问题。


6、作为固定在线式瓦斯监测监控系统的有效补充

    灵活有效的拓展了瓦斯实时监测的范围,弥补了固定瓦斯监测系统监测范围内的有限缺陷,是对其有效的补充。


7、无线双向短信寻呼

    系统管理人员可通过计算机编辑汉字短信息,发送给无线瓦检仪,可单发,也可群发;瓦检仪携带者遇情况亦可向系统发送瓦检仪内置的某条短信息,实现信息双向传达。



系统特点   System characteristic   

        

1.独特的信号覆盖技术,单台分站可连续覆盖5公里以上巷道,实现井下无线信号大范围连续覆盖,有效拓展系统的监控范围

2.独特的定位器技术,实现最小±10米的精确定点、定位,解决环境瓦斯数据与精确位置信息相关联的问题

3.便携式瓦检仪配备双向无线数据通信功能,实现井下便携式瓦检仪联网,实时上传瓦斯数据及位置信息

4.可实现双向汉字寻呼、呼救通讯功能

5.作为固定在线式瓦斯监测系统的有效补充,将瓦斯监测范围扩大到煤矿井下的每一个角落,同时可解决传统便携式瓦检仪分散、无法联网、数据无法实时上传以及大量人为因素、信息孤岛等问题


系统优势   System advantage


1应用创新

   目前煤矿行业在用的瓦斯监测系统是固定在线式的,即瓦斯传感器(瓦斯探头)固定安装在一些监测点上,探头通过电缆与分站连接,分站将信号上传给地面计算机。探头的安装位置和数量由相关的安装使用规程规定,比如回采工作面一般安装35个探头等。

 

    在线式的瓦斯监测系统有一定的局限性。探头的位置固定,数量也有限,因此瓦斯监测的范围和能力很有限,在很多人员工作区域或设备安装区域没有安装探头;探头需要在井下定期进行校准和维护,如果校准和维护不到位,会使瓦斯探头失效,导致瓦斯监测失效;井下某些素质较差的矿工为了少停产、多出煤(这与其收入有直接关系),存在蓄意破坏探头使其失效的行为,如用布将探头包住、往探头上糊泥巴或浇水、把探头放入箱子或水管内等等,使得瓦斯监测失效;井下工作面是不断延伸、不断变化的,要求瓦斯探头位置及时调整以适应工作面变化,如果调整不及时,也会使瓦斯监测失效。

 

    由于上述固定在线式瓦斯监测系统的局限性,导致其实际使用效果有时无法达到预期目标。最近的一个典型的例子就是2009年2月22日山西屯兰煤矿瓦斯爆炸事故,死亡78人。屯兰煤矿是西山煤电的明星矿、标杆矿,各方面都比集团其他煤矿做的到位,包括在瓦斯监控系统方面,不仅选用了国内最先进的瓦斯监控系统,而且在规程要求之外又多安装了很多瓦斯探头。然而即便如此,仍然有些地点没有安装瓦斯探头,由于瓦斯积聚造成瓦斯爆炸。由于爆炸地点没有安装瓦斯探头,因此在爆炸前瓦斯监控系统没有发出任何报警,也看不出任何异常。因此,在此次瓦斯爆炸事故中,固定在线式的瓦斯监控系统完全失效。

 

   其实大家对固定在线式瓦斯监测系统的局限性早有认识。为了弥补固定式的瓦斯监测系统的不足,各个煤矿都配有一定数量(几十台~几百台)的便携式瓦斯检测报警仪(简称便携式瓦检仪),由矿领导、区队长、班组长、安检员等管理人员和其他技术人员携带下井,各矿还配有专业的瓦检员,携带便携式瓦检仪下井按既定路线流动检测。便携式瓦检仪在一定程度上扩大了瓦斯检测范围。

 

    然而目前的便携式瓦检仪也存在严重的局限性。首先这些瓦检仪是分散在每个携带者手上的,下井后无法集中统一管理;每一个分散的瓦检仪成为一个个信息孤岛,数据无法共享和有效利用;无法联网,也就无法实现闭锁控制;数据无法实时上传,监测的实时性、有效性受影响;由于分散在个人手上,因此使用效果受很多人为因素影响:比如瓦检员是否按照既定路线在指定时间到达指定地点,是否进行了有效的检测和记录,实际情况可能是瓦检员在瓦斯监测牌上随便写个数,然后到某个地方睡觉;瓦检仪超限报警时,携带者可能由于麻痹或侥幸心理而未理会,或怕影响生产而未上报,也未撤人,或因为上报需要走很远的路去打电话(井下打电话很不方便)而没有去,或去了但时间已经耽误了,或者上报了,但接电话的人未采取措施或措施不当;一个瓦检仪报警了只有其携带者和其旁边的人知道,其他人不知道,采取措施往往较迟缓,不如系统自动控制来的及时有效等等。所以便携式瓦检仪虽然相对固定式扩大了监测范围,但实际使用效果依然有限,无法在煤矿瓦斯防范中发挥更好的作用。

 

    无线移动瓦斯监测系统,可以将井下所有移动的便携式瓦检仪联网。无线瓦检仪随着人员的移动,不断监测各个地点的瓦斯浓度,并将监测结果和位置信息实时自动上传,并由计算机实时记录分析。当出现瓦斯超限时,可由计算机自动采取闭锁等控制或报警。瓦斯浓度监测和数据上传自动完成,不仅扩大了瓦斯监测范围,而且避免了上述各种人为因素的干扰。将固定式系统的自动监测处理和便携式瓦检仪的大范围移动监测二者的优点有效结合在一起,实现应用创新。


2、技术创新

    将便携式瓦检仪与无线通讯技术相结合,使得瓦斯监测数据能够实时上传,瓦斯检测和记录自动完成,充分发挥便携式瓦检仪大范围流动监测的优势,同时减少各种人为因素的影响。

 

    要想实现瓦检仪数据的实时上传,首先必须解决井下无线信号的覆盖问题。煤矿井下巷道结构错综复杂,有各种类型的分支、拐弯、上山、下山、起伏、风门、联络巷道、回采工作面、掘进面,还有各种机电硐室、火药库等,此外巷道中还会有各种设备、车辆,因此无线信号要在井下实现连续覆盖很困难。

 

    我们根据井下巷道条件,设计了独特的系统结构以实现巷道信号连续覆盖。

    首先在大巷中布设一定数量的分站,这些分站的位置相对固定,很少移动,分站之间采用光缆连接,做为信号的主传输通道。

 

    从每个分站上接出1~8台无线信号收发器,进入分站周围的各种分支巷道、工作面、掘进面、顺槽、机电硐室等处。无线信号收发器与分站之间采用电缆连接,以方便收发器的移动、接续和维护。

 

    为了最终实现巷道信号的连续覆盖,从每个无线收发器上接出1~3根漏泄电缆作为信号天线。每根漏泄电缆长度可达300米,沿巷道铺设,这样漏泄电缆铺设到哪里,信号就覆盖到哪里,而且是连续覆盖,不受巷道结构的影响,比如巷道拐弯,则漏泄电缆也跟着拐弯,信号不会因巷道拐弯而中断。有漏泄电缆的地方就会有信号,而一般来说,只要人能够到达的地方,漏泄电缆也都能铺设进去。这样1台分站,配合8台无线收发器,就可以连续有效覆盖5km以上的巷道。一个煤矿使用几台、最多十几台分站,就可以连续覆盖井下绝大多数巷道。

 

    解决了信号覆盖问题后,还要解决定点、定位的问题。瓦斯数据上报时,相应所处的地点信息非常必要,如果不与地点相关联,那么单纯的瓦斯数据是没有意义的。一台无线收发器覆盖的几百米范围内,可能有多台瓦检仪同时上报数据,那么必须区分每一台瓦检仪所处的不同位置。同一地点不同时间瓦斯浓度的变化趋势也是非常重要的信息。

 

本系统中采用定位器来实现定位和定点。定位器是一台使用电池供电的小型无线设备,它不断向外发送其特有的位置信息,当无线瓦检仪到达该定位器附近时将会收到相应的位置信息,然后瓦检仪将这个位置信息与当前的瓦斯数据一同上报。在一些重要的瓦斯监测点布置定位器,当便携式瓦检仪到达该监测点时,相应的瓦斯数据可以自动上报。在回采工作面等比较危险的地点需要进行连续的精确定位,因此每隔一定距离布置一台定位器。定位精度取决于定位器布放的密度,定位器越密,定位精度越高。这样在工作面的多台便携式瓦检仪可以实时上报工作面各处的瓦斯浓度数据。

 

    上述信号覆盖和定位方式已获得国家发明专利。

 

    解决了信号覆盖和定位问题后,就可以对传统的便携式瓦检仪进行改造。在瓦检仪中增加无线通讯模块,使其具备无线数据收发功能。该模块与定位器进行无线通讯以获得当前的位置信息;与无线收发器通讯以将瓦斯数据和位置信息上传。将传统瓦检仪的数码管显示改为汉字液晶显示,以实现更多的显示功能。在实现了基本的无线通讯功能后,还可以为无线瓦检仪增加附加功能,比如收发和显示汉字短信息的功能。地面有事需要通知时,可以通过地面操作终端编辑好短信息,然后在几秒钟内下发到井下的无线瓦检仪上并在液晶显示屏上显示出来,可以单发也可以群发;当井下瓦检仪携带者遇到紧急情况时,可以将瓦检仪中内置的中文短信息发送给地面控制室,从而实现了实时的信息沟通。


3 本系统关键技术成熟性

    本系统所涉及到的几项关键技术中,井下无线信号延伸、连续覆盖技术,井下巷道中移动终端的精确定位技术,目前在我公司已经成熟。该项技术已经取得国家发明专利,同时在我公司前期所开发的产品――KJ133矿用人员定位安全管理系统中得到成功应用。该人员定位系统是一套矿井全覆盖、精确定位系统,已经开发了2代,技术和应用都已经成熟。该定位系统已经在包括神华集团在内的国内数十个大中小型矿井成功应用,使用效果满意。因此将KJ133矿用人员定位安全管理系统中的信号覆盖和精确定位技术应用到无线移动瓦斯监测系统中,是没有什么技术障碍的,技术是成熟的。

 

    瓦斯数据实时上传的相关技术,主要是将瓦斯检测技术和井下无线数据传输技术相结合。瓦斯检测技术和井下无线数据传输这两项技术各自都是成熟的。传统的便携式瓦检仪已经在煤矿应用多年,技术已经成熟。井下无线传输技术也在我公司前期开发的KJ133矿用人员定位安全管理系统中成功应用。因此将2项成熟技术结合,没有大的技术难点。所以,本项目所涉及的各项关键技术都已成熟。


4、用途

    便携式无线瓦检仪,做为升级换代产品,取代煤矿现有的便携式瓦检仪,并将井下所有便携式无线瓦检仪联网,形成无线移动瓦斯监测系统。该系统可以作为煤矿固定在线式瓦斯监控系统的有效补充,将瓦斯监测范围扩大到煤矿井下的每一个角落。同时解决了传统便携式瓦检仪分散、无法联网、数据无法自动实时上传、存在大量人为因素、信息孤岛、无法闭锁控制等等问题,将便携式瓦检仪的作用充分发挥出来。

 

    便携式无线瓦检仪具有定位功能,可以方便对瓦检员的工作管理,可以跟踪记录瓦检员的井下移动轨迹,与预订的巡检路线进行比对,有效防止瓦检员睡岗等不正常工作状态。

 

    便携式无线瓦检员还具有双向汉字寻呼呼救功能,为其携带者提供了一种有效的通讯工具。地面可将信息通知到井下人员,井下人员遇到紧急情况时,也可以向地面控制室发出汉字呼救信息,以获得及时的救助。


    无线移动瓦斯监测系统的应用,必将大大提高煤矿行业瓦斯监测和事故预防技术、管理水平,也必将在预防瓦斯事故、减少事故人员伤亡、事故救援等多方面发挥积极、有效的作用,对煤矿行业具有特别重大的意义。


5、产品性能比较优势

    目前还没有其他成熟的无线移动瓦斯监测系统和相关产品在煤矿应用。

    与目前煤矿行业使用的固定在线式的瓦斯监控系统相比,无线移动瓦斯监测系统的监测范围大,甚至可以到达井下巷道的每一个角落。人员携带无线瓦检仪实现流动监测,可以到达固定式系统无法到达的地方。在工作面等比较危险而人员有比较密集的地点,配备一定数量的无线瓦检仪,可以对井下作业人员周围的气体环境进行有效监测,当出现瓦斯超限等危险情况时,监测数据能及时自动上传,并及时采取措施,有效保护了人员的安全。

 

    与目前煤矿行业使用的传统的便携式瓦检仪相比,无线瓦检仪虽然也分散在井下,但通过无线通讯系统联网在一起,实现了集中、统一管理,便携式瓦检仪不再是一个个信息孤岛,而是形成了一个统一的整体,实现了数据共享、统一处理,甚至可以实现闭锁控制,如瓦斯超限自动断电等。各个监测点的瓦斯数据或在超限情况下的数据可以实时、自动上传,没有人为因素干扰,避免了各种人为因素而造成的监测失效。每一个无线瓦检仪还是一个双向汉字通讯终端,为井下人员提供了有效的通讯工具,实现地面控制室与井下人员之间实时的信息沟通,为紧急事件处理提供了快捷的条件。无线瓦检仪每天要拿到井上,校准、维护比较容易。

 

瓦斯监测监控系统、便携式瓦检仪、便携式无线瓦检仪比较

 

31 井下无线移动瓦斯监测系统.jpg 


系统组成和原理  System Composition AndPrinciples

    依托专利技术应用射频卡在长大封闭空间跟踪目标的系统,在K133型矿用人员定位安全管理系统有效解决井下信号覆盖、精确定位的基础上,利用无线通讯技术.将井下便携式无线瓦检仪检测到的瓦斯数据实时上传给地面计算机系统。

    在井下需要覆盖信号、实时上传瓦斯数据的区域安装一定数量的读卡分站,所有分站通过光缆或电缆与地面计算机系统连接。每台分站通过电缆外接18台无线收发器,用于与便携式无线瓦检仪通讯。为了在井下巷道中连续不间断地覆盖信号.在每台无线收发器上连接23根漏泄电缆.漏泄电缆沿巷道铺设,实现信号连续覆盖,1台分站在连接8台无线收发器的情况下,可以连续覆盖5km以上的巷道实时上传的每一个瓦斯数据必须是与位置相关的,为了确定检测点的位置.在信号覆盖范围内,安装一定数量的定位器,无线瓦检仪到达该位置并收到位置信息后,与当前的瓦斯数据一起上传,计算机即可显示、记录该位置的瓦斯数据。

    便携式瓦斯检测报警仪内部集成了瓦斯传感器及相应的检测、显示、报警电路,以及无线收发电路。瓦检仪不间断检测周围环境中的瓦斯浓度,当到达监测点(即收到相应的定位器信号)时,或瓦斯浓度超限时,瓦检仪将瓦斯浓度信息和位置信息同时发送给无线收发器,再由无线收发器通过分站上传给地面计算机显示和存储。地面管理人员可通过计算机操作界面编辑汉宇短信息,发送给无线瓦检仪,可以单发,也可以群发。瓦检仪收到后通过声、光、振动提示携带者,并通过瓦检仪上的液晶屏显示出来。当瓦检仪携带者遇到紧急情况时,可向地面发送瓦检仪内置的某条汉字信息,同时将瓦检仪身份号、当前位置和相应的瓦斯浓度信息上传,地面人员可据此采取相应的救助措施。

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井下无线移动瓦斯监测系统

 

系统主要产品 System  Main Products

   

 KJJ52A数据通信接口

·              防护等级:不低于IP21

·              配有光纤和RS485双端口

·              传输距离:不小于10km

·              传输误码率:小于10-8

·              巡检周期:小于30s

·              一台数据通信接口可以连接32台读卡分站

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 KJF82A矿用本安型读卡分站

·              防护等级:不低于IP54

·              传输距离:不小于2km

·              传输误码率:小于10-8

·              支持光纤/RS485两种通讯模式

·              内置光中继/RS485中继

·              一台读卡分站可连接8无线收发器

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 KJF82A.1矿用本安型无线收发器

·              防护等级:不低于IP54

·              传输误码率:小于10-8

·                    寸:58×213×160mm

·              通讯距离:单根漏泄电缆300米,最多可连接3根漏泄电缆

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KGE41A矿用射频定位器

·              防护等级:不低于IP54

·              定位精度标准定位精度±25m,可达±10m之内

·                 寸:174×115×52(mm)

·                 量:1.5kg

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JCB4便携式甲烷检测报警仪

·              防护等级:不低于IP54

·              报警仪的响应时间:不大于20S

·              一次充电连续工作时间:>.10小时

·              测量范围:0.00~4.00%CH4

·              测量误差:0.00~1.00%CH4时,≤±0.1%CH 4

·              1.00~3.00%CH4真值的10%

·              3.00~4.00%CH4≤±0.3%CH4 

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冀中能源集团公司领导向国家安监总局骆琳局长(右一)介绍我公司井下移动瓦斯无线检测仪的现场使用情况

系统功能  System function

1.   便携式瓦检仪+双向无线数据通信

2.   井下无线信号区域全覆盖、全矿井全覆盖

3.   便携式瓦检仪井下无线联网

4.   便携式瓦斯监测报警

5.   便携式瓦检仪精确定位

6.   便携式瓦检仪当前位置、瓦斯浓度实时上传

7.   双向汉字寻呼、呼救

8.   作为固定在线式瓦斯监测监控系统的有效补充


1便携式瓦检仪+双向无线数据通信实现井下无线联网

    实现瓦斯联网,实时上传环境瓦斯及位置信息至地面控制中心,并可与移动瓦检仪实现双向汉字寻呼、呼救,提供高效的管理手段。


2、井下无线信号区域全覆盖、全矿井全覆盖

    利用泄露通讯技术,使单台分站可覆盖5公里以上巷道,实现井下巷道大面积连续覆盖,拓展系统的监控范围。


3、便携式瓦斯监测报警

   井下瓦斯数据超标时,便携式瓦检仪实时报警,并且井上计算机中心的控制软件会发出声光电报警,提示相关部门采取处理措施。



4、便携式瓦检仪精确定位

    实现井下最小±10米的精确定位,对井下瓦检员的位置跟踪监测,提供有效的监控手段,防止因人为失误造成监测失效。


5、便携式瓦检仪当前位置、瓦斯浓度实时上传

    独特的定位器技术可实现对瓦检仪精确定位,并实时上传瓦斯数据,从而解决环境瓦斯数据与精确地址信息相关联的问题。


6、作为固定在线式瓦斯监测监控系统的有效补充

    灵活有效的拓展了瓦斯实时监测的范围,弥补了固定瓦斯监测系统监测范围内的有限缺陷,是对其有效的补充。


7、无线双向短信寻呼

    系统管理人员可通过计算机编辑汉字短信息,发送给无线瓦检仪,可单发,也可群发;瓦检仪携带者遇情况亦可向系统发送瓦检仪内置的某条短信息,实现信息双向传达。



系统特点   System characteristic   

        

1.独特的信号覆盖技术,单台分站可连续覆盖5公里以上巷道,实现井下无线信号大范围连续覆盖,有效拓展系统的监控范围

2.独特的定位器技术,实现最小±10米的精确定点、定位,解决环境瓦斯数据与精确位置信息相关联的问题

3.便携式瓦检仪配备双向无线数据通信功能,实现井下便携式瓦检仪联网,实时上传瓦斯数据及位置信息

4.可实现双向汉字寻呼、呼救通讯功能

5.作为固定在线式瓦斯监测系统的有效补充,将瓦斯监测范围扩大到煤矿井下的每一个角落,同时可解决传统便携式瓦检仪分散、无法联网、数据无法实时上传以及大量人为因素、信息孤岛等问题


系统优势   System advantage


1应用创新

   目前煤矿行业在用的瓦斯监测系统是固定在线式的,即瓦斯传感器(瓦斯探头)固定安装在一些监测点上,探头通过电缆与分站连接,分站将信号上传给地面计算机。探头的安装位置和数量由相关的安装使用规程规定,比如回采工作面一般安装35个探头等。

 

    在线式的瓦斯监测系统有一定的局限性。探头的位置固定,数量也有限,因此瓦斯监测的范围和能力很有限,在很多人员工作区域或设备安装区域没有安装探头;探头需要在井下定期进行校准和维护,如果校准和维护不到位,会使瓦斯探头失效,导致瓦斯监测失效;井下某些素质较差的矿工为了少停产、多出煤(这与其收入有直接关系),存在蓄意破坏探头使其失效的行为,如用布将探头包住、往探头上糊泥巴或浇水、把探头放入箱子或水管内等等,使得瓦斯监测失效;井下工作面是不断延伸、不断变化的,要求瓦斯探头位置及时调整以适应工作面变化,如果调整不及时,也会使瓦斯监测失效。

 

    由于上述固定在线式瓦斯监测系统的局限性,导致其实际使用效果有时无法达到预期目标。最近的一个典型的例子就是2009年2月22日山西屯兰煤矿瓦斯爆炸事故,死亡78人。屯兰煤矿是西山煤电的明星矿、标杆矿,各方面都比集团其他煤矿做的到位,包括在瓦斯监控系统方面,不仅选用了国内最先进的瓦斯监控系统,而且在规程要求之外又多安装了很多瓦斯探头。然而即便如此,仍然有些地点没有安装瓦斯探头,由于瓦斯积聚造成瓦斯爆炸。由于爆炸地点没有安装瓦斯探头,因此在爆炸前瓦斯监控系统没有发出任何报警,也看不出任何异常。因此,在此次瓦斯爆炸事故中,固定在线式的瓦斯监控系统完全失效。

 

   其实大家对固定在线式瓦斯监测系统的局限性早有认识。为了弥补固定式的瓦斯监测系统的不足,各个煤矿都配有一定数量(几十台~几百台)的便携式瓦斯检测报警仪(简称便携式瓦检仪),由矿领导、区队长、班组长、安检员等管理人员和其他技术人员携带下井,各矿还配有专业的瓦检员,携带便携式瓦检仪下井按既定路线流动检测。便携式瓦检仪在一定程度上扩大了瓦斯检测范围。

 

    然而目前的便携式瓦检仪也存在严重的局限性。首先这些瓦检仪是分散在每个携带者手上的,下井后无法集中统一管理;每一个分散的瓦检仪成为一个个信息孤岛,数据无法共享和有效利用;无法联网,也就无法实现闭锁控制;数据无法实时上传,监测的实时性、有效性受影响;由于分散在个人手上,因此使用效果受很多人为因素影响:比如瓦检员是否按照既定路线在指定时间到达指定地点,是否进行了有效的检测和记录,实际情况可能是瓦检员在瓦斯监测牌上随便写个数,然后到某个地方睡觉;瓦检仪超限报警时,携带者可能由于麻痹或侥幸心理而未理会,或怕影响生产而未上报,也未撤人,或因为上报需要走很远的路去打电话(井下打电话很不方便)而没有去,或去了但时间已经耽误了,或者上报了,但接电话的人未采取措施或措施不当;一个瓦检仪报警了只有其携带者和其旁边的人知道,其他人不知道,采取措施往往较迟缓,不如系统自动控制来的及时有效等等。所以便携式瓦检仪虽然相对固定式扩大了监测范围,但实际使用效果依然有限,无法在煤矿瓦斯防范中发挥更好的作用。

 

    无线移动瓦斯监测系统,可以将井下所有移动的便携式瓦检仪联网。无线瓦检仪随着人员的移动,不断监测各个地点的瓦斯浓度,并将监测结果和位置信息实时自动上传,并由计算机实时记录分析。当出现瓦斯超限时,可由计算机自动采取闭锁等控制或报警。瓦斯浓度监测和数据上传自动完成,不仅扩大了瓦斯监测范围,而且避免了上述各种人为因素的干扰。将固定式系统的自动监测处理和便携式瓦检仪的大范围移动监测二者的优点有效结合在一起,实现应用创新。


2、技术创新

    将便携式瓦检仪与无线通讯技术相结合,使得瓦斯监测数据能够实时上传,瓦斯检测和记录自动完成,充分发挥便携式瓦检仪大范围流动监测的优势,同时减少各种人为因素的影响。

 

    要想实现瓦检仪数据的实时上传,首先必须解决井下无线信号的覆盖问题。煤矿井下巷道结构错综复杂,有各种类型的分支、拐弯、上山、下山、起伏、风门、联络巷道、回采工作面、掘进面,还有各种机电硐室、火药库等,此外巷道中还会有各种设备、车辆,因此无线信号要在井下实现连续覆盖很困难。

 

    我们根据井下巷道条件,设计了独特的系统结构以实现巷道信号连续覆盖。

    首先在大巷中布设一定数量的分站,这些分站的位置相对固定,很少移动,分站之间采用光缆连接,做为信号的主传输通道。

 

    从每个分站上接出1~8台无线信号收发器,进入分站周围的各种分支巷道、工作面、掘进面、顺槽、机电硐室等处。无线信号收发器与分站之间采用电缆连接,以方便收发器的移动、接续和维护。

 

    为了最终实现巷道信号的连续覆盖,从每个无线收发器上接出1~3根漏泄电缆作为信号天线。每根漏泄电缆长度可达300米,沿巷道铺设,这样漏泄电缆铺设到哪里,信号就覆盖到哪里,而且是连续覆盖,不受巷道结构的影响,比如巷道拐弯,则漏泄电缆也跟着拐弯,信号不会因巷道拐弯而中断。有漏泄电缆的地方就会有信号,而一般来说,只要人能够到达的地方,漏泄电缆也都能铺设进去。这样1台分站,配合8台无线收发器,就可以连续有效覆盖5km以上的巷道。一个煤矿使用几台、最多十几台分站,就可以连续覆盖井下绝大多数巷道。

 

    解决了信号覆盖问题后,还要解决定点、定位的问题。瓦斯数据上报时,相应所处的地点信息非常必要,如果不与地点相关联,那么单纯的瓦斯数据是没有意义的。一台无线收发器覆盖的几百米范围内,可能有多台瓦检仪同时上报数据,那么必须区分每一台瓦检仪所处的不同位置。同一地点不同时间瓦斯浓度的变化趋势也是非常重要的信息。

 

本系统中采用定位器来实现定位和定点。定位器是一台使用电池供电的小型无线设备,它不断向外发送其特有的位置信息,当无线瓦检仪到达该定位器附近时将会收到相应的位置信息,然后瓦检仪将这个位置信息与当前的瓦斯数据一同上报。在一些重要的瓦斯监测点布置定位器,当便携式瓦检仪到达该监测点时,相应的瓦斯数据可以自动上报。在回采工作面等比较危险的地点需要进行连续的精确定位,因此每隔一定距离布置一台定位器。定位精度取决于定位器布放的密度,定位器越密,定位精度越高。这样在工作面的多台便携式瓦检仪可以实时上报工作面各处的瓦斯浓度数据。

 

    上述信号覆盖和定位方式已获得国家发明专利。

 

    解决了信号覆盖和定位问题后,就可以对传统的便携式瓦检仪进行改造。在瓦检仪中增加无线通讯模块,使其具备无线数据收发功能。该模块与定位器进行无线通讯以获得当前的位置信息;与无线收发器通讯以将瓦斯数据和位置信息上传。将传统瓦检仪的数码管显示改为汉字液晶显示,以实现更多的显示功能。在实现了基本的无线通讯功能后,还可以为无线瓦检仪增加附加功能,比如收发和显示汉字短信息的功能。地面有事需要通知时,可以通过地面操作终端编辑好短信息,然后在几秒钟内下发到井下的无线瓦检仪上并在液晶显示屏上显示出来,可以单发也可以群发;当井下瓦检仪携带者遇到紧急情况时,可以将瓦检仪中内置的中文短信息发送给地面控制室,从而实现了实时的信息沟通。


3 本系统关键技术成熟性

    本系统所涉及到的几项关键技术中,井下无线信号延伸、连续覆盖技术,井下巷道中移动终端的精确定位技术,目前在我公司已经成熟。该项技术已经取得国家发明专利,同时在我公司前期所开发的产品――KJ133矿用人员定位安全管理系统中得到成功应用。该人员定位系统是一套矿井全覆盖、精确定位系统,已经开发了2代,技术和应用都已经成熟。该定位系统已经在包括神华集团在内的国内数十个大中小型矿井成功应用,使用效果满意。因此将KJ133矿用人员定位安全管理系统中的信号覆盖和精确定位技术应用到无线移动瓦斯监测系统中,是没有什么技术障碍的,技术是成熟的。

 

    瓦斯数据实时上传的相关技术,主要是将瓦斯检测技术和井下无线数据传输技术相结合。瓦斯检测技术和井下无线数据传输这两项技术各自都是成熟的。传统的便携式瓦检仪已经在煤矿应用多年,技术已经成熟。井下无线传输技术也在我公司前期开发的KJ133矿用人员定位安全管理系统中成功应用。因此将2项成熟技术结合,没有大的技术难点。所以,本项目所涉及的各项关键技术都已成熟。


4、用途

    便携式无线瓦检仪,做为升级换代产品,取代煤矿现有的便携式瓦检仪,并将井下所有便携式无线瓦检仪联网,形成无线移动瓦斯监测系统。该系统可以作为煤矿固定在线式瓦斯监控系统的有效补充,将瓦斯监测范围扩大到煤矿井下的每一个角落。同时解决了传统便携式瓦检仪分散、无法联网、数据无法自动实时上传、存在大量人为因素、信息孤岛、无法闭锁控制等等问题,将便携式瓦检仪的作用充分发挥出来。

 

    便携式无线瓦检仪具有定位功能,可以方便对瓦检员的工作管理,可以跟踪记录瓦检员的井下移动轨迹,与预订的巡检路线进行比对,有效防止瓦检员睡岗等不正常工作状态。

 

    便携式无线瓦检员还具有双向汉字寻呼呼救功能,为其携带者提供了一种有效的通讯工具。地面可将信息通知到井下人员,井下人员遇到紧急情况时,也可以向地面控制室发出汉字呼救信息,以获得及时的救助。


    无线移动瓦斯监测系统的应用,必将大大提高煤矿行业瓦斯监测和事故预防技术、管理水平,也必将在预防瓦斯事故、减少事故人员伤亡、事故救援等多方面发挥积极、有效的作用,对煤矿行业具有特别重大的意义。


5、产品性能比较优势

    目前还没有其他成熟的无线移动瓦斯监测系统和相关产品在煤矿应用。

    与目前煤矿行业使用的固定在线式的瓦斯监控系统相比,无线移动瓦斯监测系统的监测范围大,甚至可以到达井下巷道的每一个角落。人员携带无线瓦检仪实现流动监测,可以到达固定式系统无法到达的地方。在工作面等比较危险而人员有比较密集的地点,配备一定数量的无线瓦检仪,可以对井下作业人员周围的气体环境进行有效监测,当出现瓦斯超限等危险情况时,监测数据能及时自动上传,并及时采取措施,有效保护了人员的安全。

 

    与目前煤矿行业使用的传统的便携式瓦检仪相比,无线瓦检仪虽然也分散在井下,但通过无线通讯系统联网在一起,实现了集中、统一管理,便携式瓦检仪不再是一个个信息孤岛,而是形成了一个统一的整体,实现了数据共享、统一处理,甚至可以实现闭锁控制,如瓦斯超限自动断电等。各个监测点的瓦斯数据或在超限情况下的数据可以实时、自动上传,没有人为因素干扰,避免了各种人为因素而造成的监测失效。每一个无线瓦检仪还是一个双向汉字通讯终端,为井下人员提供了有效的通讯工具,实现地面控制室与井下人员之间实时的信息沟通,为紧急事件处理提供了快捷的条件。无线瓦检仪每天要拿到井上,校准、维护比较容易。

 

瓦斯监测监控系统、便携式瓦检仪、便携式无线瓦检仪比较

 

31 井下无线移动瓦斯监测系统.jpg 


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