环境安全监控_环境监控系统
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矿井环境安全监测监控技术
【摘要】本文主要介绍了矿井环境安全监测监控系统的组成以及几种主要的矿井环境安全监控技术，包括瓦斯监控技术、突水监控技术、风速和风量监控技术等，并对矿井安全监测技术进行了展望。
【关键字】安全监测瓦斯突水风速风量
煤炭行业是我国的高危行业。随着煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要，煤矿安全环境监测监控系统研发、装备、使用成为大势所趋。煤矿安全环境监测监控系统在煤矿安全生产中有着重要地位。随着煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要，我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井陆续在装备矿井监测监控系统。矿井安全监控系统是保障煤矿实现高产量、高效率、高安全的一项重要措施。随着社会的发展，各个国家都十分重视煤矿的安全，陆续研制、生产和推广使用了环境安全、轨道运输、胶带运输、提升运输、供电、排水、矿山压力、火灾、水灾、煤与瓦斯突出、大型机电设备健康状况等监控系统，提高了生产效率和设备利用率，遏制了矿井安全事故的发生。
1.矿井安全监控系统的概述
煤矿井下的工作环境是比较特殊的，地下环境存在易燃、易爆、腐蚀性气体，湿度大，工作空间小，矿尘多，严重的电磁干扰，电网电压波动范围大，工作场所目_分散的远。因此，矿井安全监控系统与地面上的监控系统存在很大的区别。
矿井安全监控系统是煤矿安全生产的重要保障手段之一。矿井安全监控系统是利用传感器技术、数据传输技术和计算机技术，对井下各种有毒、有害气体，温度、风速、负压等参数和机电设备及风门开/停状态进行实时监控。通过检测实现数据测量、数据采集、数据分析、数据传输、数据处理。该系统是对局部生产环境和过程进行监测和控制的一种矿井安全装备，具有数据存储、显示、打印和信息共享等特点。并能够在紧急情况下发出报警，进行区域断电控制，如瓦斯、一氧化碳等参数出现超限情况。
2.矿井安全监控系统的组成根据所述及概念，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。
煤矿安全生产监测控系统层次上一般是分为两级或三级管理的计算机集散系统，一般包含测控分站级和中心站级。每个测控分站负责某几路传感器信号的采集和某个执行机构的控制，实现了采集、控制分散;中心站负责数据的处理、储存、传输，实现了管理的集中。中心站与分站和计算机网络之间的通信、传感器到测控分站的数据传输、测控分站到执行或控制装置信号的传输，是通过传输信道实现的。
监测系统一般由地面中心站，井下工作站，传输系统三部分组成。地面中心站一般有传输接口装置和若干台计算机，电源，数据处理及系统运行软件，存贮、打印、显示等装置组成。为了计算机稳定工作，一般还配备了机房恒温调节，不间断电源等辅助设施。井下分站和传感器构成井下工作站。井下分站的作用是，一方面对传感器送来的信号进行处理，使其转换成便于传输的信号送到地面中心站;另一方面，将地面中心站发来的指令或从传感器送来应由分站处理的有关信号经处理后送至指定执行部件，以完成预定的处理任务，如报警、断电、控制局扇开启等;并向传感器提供电源。
传输系统是用来将井下信息传输至地面和将地面中心站监控指令传输至井下分站的信息媒介。信道，信息传输的通道，监测系统大多采用专用通讯电缆作为信道。
传感器与分站之间一般采用直接传输方式。我国国家标准规定传感器的输出信号应满足以下几种信号：模拟量信号有三种，频率输出(5～15HZ);电流输出为0～5mA;电压输出为0～100mV;开关量信号输出一般有±0.1mA、±5mA和200～1000HZ等。
3.几个主要的环境安全监控技术
3.1瓦斯监控技术
3.11 瓦斯监控技术的概述
我国煤矿开采条件复杂，自然灾害严重，煤炭企业生产力水平整体偏低，为保障煤矿的安全生产，我国煤矿均已装备了瓦斯监测监控系统，极大地改善了煤矿安全生产状况。瓦斯检测实际上是指甲烷检测，主要检测甲烷在空气中的体积浓度。矿井瓦斯检测方法有实验室取样分析法和井下直接测量法两种。使用便携式瓦斯检测报警仪，可随时检测作业场所的瓦斯浓度，也可使用瓦斯传感器连续实时地监测瓦斯浓度。
煤矿常用的瓦斯检测仪器，按检测原理分类有：光学式、催化燃烧式、热导式、气敏半导体式等，可以根据使用场所、测量范围和测量精度等要求，选择不同检测原理的瓦斯检测仪器。
3.12瓦斯监控技术的发展
我国矿井瓦斯监控技术经历了从简单到复杂、从低水平到高水平的发展过程。从新中国成立初期到20世纪70年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定仪、风表等携带式仪器检测井下环境参数。20世纪60年代初期，我国开始研制载体催化元件，随着敏感元件制造水平的提高和电子技术的发展，特别是大规模集成电路、微型计算机的广泛应用，使监控技术进入了新的发展时期。20世纪70年代瓦斯断电仪问世，装备在采掘工作面、回风巷道等井下固定地点，实现了对瓦斯的自动连续监测及超限时自动切断被控设备的电源。随后，陆续研制了便携式瓦斯检测报警仪、瓦斯报警矿灯。1983年至1985年，从欧美国家先后引进了数10套监控系统及配套的传感器和便携式仪器装备煤矿矿井，并相应地引进了部分监控系统、传感器和敏感元件制造技术，由此推动了我国矿井安全监测监控技术的发展进程。1983年以后，国内有多种型号矿井监控系统通过了技术鉴定，逐步实现了对矿井安全、生产多种参数的连续监测、监控、数据储存和数据处理。近几年，随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各主要科研单位和生产厂家推出了多种监控系统，监测管理系统由早期的地面单微机监控已发展到网络化监测监控，以及不同监测监控系统的联网监测，完成监控数据的采集、传输、处理及预警控制。
3.13 煤矿瓦斯监控系统的结构组成（1）中心站
中心站由监控主机工控服务器、系统监控软件、网络附件系统、电源系统、网络打印机、中心监控大屏系统、大屏幕控制软件、大屏幕控制开关电源等组成。
中心站的监控主机服务器可以进行数据存储、报警、显示、打印，同时可以在监控中心设置“各矿瓦斯数据监视大屏”，对井下各分站进行监测监控。主要功能有：①简单配置功能。地面可对井下分站、传感器的数量、类型、参数、安装地点等进行设置。②丰富的图形
功能。各种瓦斯监测数据动态图形、柱状图、实时曲线、历史曲线显示。③用户根据实际情况自行设计实用的报表功能。软件可自动生成报表，报表内容、起止时间可由用户设定。④可靠的存储功能。软件可根据具体要求定时存储一组数据。⑤进行实时数据、实时曲线、实时报警数据、实时断电数据查看，历史数据显示，历史曲线、历史报警数据、历史断电查看，其它历史故障、传感器标定、传感器设置、数据传输设置。
（2）井下分站
尽管各厂的监控系统井下分站形式多样，但基本上具备以下功能:①开机自检和本机初始化；②通信测试；③分站设程控(实现断点仪、风电瓦斯闭锁、瓦斯管道监测和一般的环境监测)；④死机自复位且通知中心站；⑤接收地面中心站初始化本分站参数设置(如传感器配接通道号、量程、断电点、报警上限和报警下限等)；⑥分站自动识别配接传感器类型(电压型、电流型或频率型等)；⑦分站本身具备超限报警；⑧分站接收中心站对本分站指定通道输出控制继电器实施手控操作和异地断电。
监控系统的软件设计主要解决煤矿井下采区现场监控设备的注册，具有数据的接收、转发、管理、发布和远程控制等功能。监控软件的结构和功能分以下几个模块:注册模块、数据接收模块、数据转发模块、数据存储处理模块、数据管理模块、数据发布模块、远程控制模块。
（3）通信接口
井下瓦斯等信息采用分时多路复用技术传输，信息的传输是井下监控分站的信息交换过程。信息传输的主要表现为:信息下发是由地面主机产生的，传输到井下的监控仪处理后，执行各种反馈任务。井上、井下信息传输设备接口通常采用RS485通信协议和CAN总线通信。RS485采用差分平衡式无地线传输方式，数据传输质量高，抗干扰能力强，符合欧洲工业标准。随着CAN总线技术的发展，分站通过CAN总线中心站计算机进行数据通讯，能够满足矿井监控系统对监控分站的要求。
（4）瓦斯传感器
传感器的稳定性和可靠性，是煤矿监测监控系统能否正确反映被测环境和设备参数的关键。催化的燃烧型瓦斯传感器是当前煤矿使用最广泛、最普通的瓦斯传感器，是煤矿用来监控矿井瓦斯动态的有效工具。随着其技术的发展与完善，该类型仪器近年来发展迅猛，产品种类繁多，从报警矿灯、便携式瓦斯报警仪到安全监控系统中的低瓦斯传感器，现已占据了煤矿瓦斯检测的主导地位。
3.14煤矿瓦斯监控系统存在的问题及其解决措施
在安全监控系统方面，计算机硬件采购投入大，软件投入少；信息平台已建立，但没有有效利用各类信息。目前，在我国煤矿安全监测行业，煤矿安全监控系统并没有统一的通信协议，系统各自处于封闭状态，系统间无法实现信息资源共享，很难实现更高级别联网及实行监控和管理。
因此，煤矿瓦斯监控系统不应仅仅限于能实现监测监控，还应研发出能根据被监测环境地点的参数进行有效危险性判别、分析并提出专家决策方案的新软件。同时系统应用软件应向网络发展，按统一格式提供监测数据，针对通信协议不规范和传输设备物理协议不规范的情况，应尽快寻找一种解决系统兼容性的途径，或制定相应的专业技术标准。这对促进矿井监控技术发展和系统推广应用均具有重要意义，同时研制高可靠性瓦斯传感器、强化技术培训等等、提高现场管理和对监测系统的维护水平等等，都能很好的确保系统的正常运转。
3.2突水监控技术
3.21突水监控技术的概述
在我国矿山事故中，水害事故占了很大比例，而矿山发生水害必须具备的3个条件是水源、水量和导水通道。在这3个条件中，作为对水源和水量起决定作用的含水层，其补给和排泄条件具有区域性和面状分布的特点，因此往往是易于查明和预测分析的，但导水通道(断层、陷落柱)具有极强的局部性和隐蔽性，因此大多数突水灾害具有导水通道不可预知的特点，具体表现在：原生导水通道的不可预知性；受采动影响新生导水通道的不可预知性；已探明的断层、陷落柱等地质构造活化与否的不可预知性。
矿井水害的形成和发生都有一个从孕育、发展到发生的变化过程，在这一变化过程中的不同阶段都有其对应的前兆。微震监测就是要找到导水通道的具体参数，包括时空位置、能量和通道类型，并根据水源、水量、水温等因素的变化情况，结合矿山压力、水文地质等多学科理论，进行突水的超前预测预警。
3.22矿山突水监测技术的发展及研究现状
早在20 世纪80 年代，煤炭科学研究院西安分院在淮南新庄孜煤矿进行了大规模的煤层底板实验，实验的内容包括：矿压、位移观测，采矿对断层扰动观测和地板破坏但很多观测（注水实验）等。得到了底板深部超前破坏和采矿扰动深度等重要数据，实验和理论证实了煤层底板突水预测的可能性。20 世纪90 年代初煤炭科学研究总院西安分院又通过工业性实验的形式在多个大水煤矿进行了矿山控制测量、注水实验、矿压测试的大量的底板实验；90 年代中期，煤炭科学院的系统又测量了底板突水前的位移、钻孔中水压的变化和弹性波的变化，发现了突水前的物理量的变化指标，研制了煤层底板突水前兆监测仪器，开发了相应的岩水耦合的突水判别模型。目前国内矿山对于突水监测做了大量的工作，采用抗地电干扰的瞬变电磁仪、红外探测仪、三维高分辨率目标地震勘探仪、综合物探和超前钻探法等综合方法探测突水点，取得了较好的效果。但是主要工作还是围绕应力、水压等信息的变化对高压富水区、导水断层和岩溶陷落柱进行探测，缺乏对岩体破坏突水通道形成过程的动态监测和预报监测。
美国等发达国家在石油开采中广泛应用测震技术分析水压致裂过程，认为跟传统的测试方法比较，可以实时监视岩层破裂带扩展过程并能以高精度测量破裂带几何参数，如破裂带的长、宽和高，而且能估计破裂带扩展方向及速率。同理（突水与水压致裂机制一致），目前矿山突水灾害的监测、预测，不能只监测岩体涌水量、水压力这些表象特征，必须寻找突水量增大的本质机制和前兆规律—— 岩层破坏导水通道的形成，加强突水过程中对岩层破坏微震活动性规律及定位的监测分析。
目前，高性能的微震监测技术、网络传输技术、并行计算技术、渗流耦合力学理论方法的发展为矿山突水等灾害分析预报方法的研究提供了技术手段。同时，突水灾害具有震源区可接近性（如采空区），空间上具有多发性、高重复性、区域固定性、地质构造的明确性和在时间上的可控性（如调整开采进度或顺序）等特点，因此，开展矿山突水灾害的预测预报在空间、时间上都具有许多便利条。
3.23高精度微震监测技术
为了监测导水通道(断层、陷落柱等)在采动影响下的动力学活动和失稳过程，以及对其造成的突水危险性进行实时预测预报，利用高精度微震监测技术进行煤矿突水危险监测的工程实践。采用全局寻优定位技术，充分考虑内、外场震源定位的不同影响因素，结合速度结构、检波器一致性等校正技术，实现微震震源的高稳定、高精度定位；优化布置微震监测台
网，对大断层、陷落柱等隐伏构造进行实时监测，通过对定位结果的三维展示和分析，得到地质构造的活化规律、底板破裂深度、顶板破裂高度、合理煤柱尺寸等实测参数，实现对突水危险性的预测预报。工程实践证明，微震监测能够准确诊断出断层和陷落柱等构造活化的强度、烈度以及相关的时空参数，是实现突水预警预报的强有力的地球物理监测手段。建立基于定位结果的岩体空间破裂场的定量描述模型、实现定位结果的多角度、多层次的展示技术，从防治水、矿山压力等多学科角度出发实现突水监测的超前预警预报，是突水监测预警的重要的发展方向。微震监测与传统的监测手段截然不同，因此在突水预测预警方法上与传统的方法有着本质的区别。但总体来说，既要统筹全局，又要重点描述局部。水源、水量、导水通道三大因素相辅相成，共同构成了突水的必要条件，因此建立不同因素的定量描述模型以及权重分配模型，是准确预报突水的基本思路。
近年来，断裂力学、损伤力学等基础理论的出现，为建立渗流力学模型奠定了基础，并且把“能量”的概念引入到了描述岩体破裂的研究中。但如何建立能量耗散与岩体失稳的定量关系模型是一个亟待解决的重大研究课题，目前已有学者进行该领域的研究。事实上，微震监测的过程就是对微震波的反演分析过程，微震波蕴含了大量的震源和传播介质的信息，包括震源位置、类型、能量、岩层密度、裂隙等。由此可见，上述理论方法与微震监测手段的结合，将使突水通道形成、发展和灾变在时间和空间上的定量描述成为可能，这是监测预警突水通道的必由之路。
3.3风速和风量监控技术
风量是矿井通风管理中经常性监测项目之一，巷道风量通过利用风表测量风速间接进行监测。传统的测风方法为“迎面法”和“侧身法”，采用这些方法测风时，人为因素的影响和人员在测风过程中对巷道风流的扰动是不可避免的。近年来，随着煤矿安全技术与装备的迅速发展，通风参数监测系统已在煤矿中得到广泛使用。由于空气在巷道中流动一般属于湍流流动，因流体质点速度存在脉动，故通常用时均值表示湍流流动参数。实验表明，湍流巷道断面上时均速度分布是不均匀的，即巷道断面上某点风速与空间位置有关，因此风速传感器布置在某一巷道断面上不同的位置可能有不同的监测数据。若要根据巷道中某点的风速监测值准确获得巷道平均风速值，必须进行巷道风流场实验或模拟研究，才能分析确定出风速传感器合理悬挂位置和平均风速监测校正公式。目前，风速传感器在巷道中悬挂位置主要是凭经验来判断，然后将风速监测值与人工测得的平均风速值加以比较，确定出相应的修正系数。这种基于人工测量修正处理监测值的方法，显然要受到人工测量精度的影响。在有障碍物或大断面的巷道中由于人工测风不便，往往导致较大的误差，从而严重影响了监测系统的有效性。风速测定可以用风表测定风速。常用风表有杯式和翼式两种。也可以用用热电式风速仪和皮托管压差计测定风速。热电式风速仪分热线和热球式两种，热电式风速仪操作比较方便，但现有的热电式风速仪易于损坏，灰尘和湿度对它都有一定的影响，有待进一步改进以便在矿山广泛使用。对很低的风速或者鉴别通风构筑物漏风时，可以采用烟雾法或嗅味法近似测定空气移动速度。应用较普遍的是利用风速传感器测定。常用的风速传感器有：超声波涡街式风速传感器、超声波时差法风速传感器、热效式风速传感器等。
4.矿井环境安全监控技术的展望
近年来, 随着国家对煤矿安全生产的要求不断提高和企业自身现代化建设的需要, 我国各大、中、小型矿井都陆续安装了煤矿安全监测监控系统。安全监测监控系统为各级生产指挥者和业务部门提供了环境安全参数动态信息, 通过对被测参数的比较和分析, 为预防灾害事故提供技术数据, 便于提前采取防范措施;通过对被测参数实时有效的控制, 及时实现自动报警、断电和闭锁,便于防止事故的发生或扩大;在发生事故的情况下, 能及时指示最佳救灾和避灾路线, 为抢救和疏散人员、器材等提供决策信息。煤矿安全监测监控系统的应用对改善我国煤矿的安全状况, 提高煤矿生产效率和现代化水平起到了重要作用。矿井环境安全监控系统的发展趋势, 是向多媒体化方向发展。具体表现在以下几方面:
1)发展覆盖面更广, 监测监控参数更多的软硬件系统, 为实现煤矿生产综合自动化奠定良好基础;2)充分利用微处理器的优点研制新型传感器, 做到自诊断、自校正、自调零、配置标准远传接口, 统一传感器的输出信号制, 以提高传输的可靠性、数据出来的简单性和传感器的互换性;3)制定统一的专业技术标准, 对促进矿井监控技术发展和系统的推广应用具有十分重要的意义;4)构成统一完整、功能先进的计算机网络系统, 真正实现更大范围的煤矿资源共享, 实现全面化的网络管理。近年来我国煤矿安全监测监控系统的研制开发、推广使用、维护管理经验和存在的问题, 对系统的软件技术和功能、硬件及接口技术的可靠性和兼容性、传感器技术的稳定性和可靠性、企业安全生产信息化管理技术的发展提出了展望。随着煤炭工业的发展和相关工业的进步, 煤炭工业将会逐步进入一个新的阶段, 现代化会逐渐走向煤矿。在安全管理上也将有很大的进步,安全监测监控技术也将有以下改进: 1)煤矿安全监测监控技术理论将会更加成熟, 更先进更实用的监测监控设备将会被开发出来。2)煤矿安全监测监控设备的生产将逐渐进入正规化, 在扩大生产规模、降低价格的同时更注意现场环境及其应用对象, 尽量做到生产出的设备是面向对象的而不是面向功能的。3)除了在硬件上和监测理论上有很大的进步外, 在软件上也须有较大的发展, 这将在很大程度上简化矿井安全管理, 保证矿井的安全生产。
