无线传感技术在煤矿瓦斯监测系统中的应用

无线传感技术在煤矿瓦斯监测系统中的应用

吴文彤

中煤科工集团常州研究院有限公司江苏常州213015

摘要：瓦斯事故是煤矿五大灾害之一，在煤矿各类重大、特大事故中所占的比重最大。一次瓦斯爆炸事故，不仅造成大量的人员伤亡而且造成巨大的经济损失。因此加强煤矿瓦斯的监测对实现安全生产、保障职工安全、提高生产效率具有重要意义。基于此，本文详细探讨了无线传感技术在煤矿瓦斯监测系统中的应用，旨在实现煤矿企业安全一体化管理，避免了不必要的人员和财产损失。

关键词：无线传感技术；煤矿瓦斯监测系统；应用

瓦斯是我国煤炭生产面临的主要问题之一，瓦斯监控可以实现对矿井瓦斯的实时监测，在瓦斯事故预防工作中起着重要作用，在煤矿进行布置瓦斯传感器可以实现对采煤工作面、掘进工作面等瓦斯重点防治区域的监测，同时可以实现对井下机电硐室、避难硐室、材料库等重点位置的瓦斯监控，井上监控中心监控主机中可以将井下设定的瓦斯监测点的瓦斯浓度进行显示，但是现阶段采用的瓦斯监控以及预警体系存在传感器校准不及时、信息传递丢失、监测数据利用不充分等问题。随着物联网技术、无线网络传输技术以及移动动态监测技术的推广发展，为矿井瓦斯监控提供了更多的可以选择方向。

1无线传感技术简介

目前研究较多的井下无线传感器网络都采用无线传感器网络技术（ZigBee）。ZigBee的优势是自组无线网络，表面上看不需要布线，可以通过无线自组网方式来传输数据，但在实际使用中，它需要很多传感器节点，形成多路由，然后选择其中一个最佳路由多跳传输，最后到达主节点。由于在煤矿井下巷道结构非常复杂，存在很多分支、拐弯、上下山、起伏、硐室等，不可能布设大量的无线传感器节点，而且井下环境很差，供电也不方便，因此在井下布置很多无线传感器节点很难维护，不现实。并且无线信号在井下传输困难，容易受到人员、车辆、物体的遮挡，遇到很多分支、拐弯、起伏、进入硐室等情况时信号就会中断，因此靠自组网技术在井下复杂的巷道条件下传输无线信号是很难实现的，也是极其不可靠的。最后ZigBee采用2.4G频率漏泄电缆，大约是433M漏泄电缆价格的10倍以上，且无安标证，无法在煤矿井下使用。因此，ZigBee等自组网的无线传感器网络不适用于煤矿井下。目前，能够实用的、简单、可靠、价格适合实际应用的煤矿井下无线瓦斯传感器系统还基本上没有。我们研究的矿井无线瓦斯监测管理系统，在利用433M无线通讯技术和井下千兆工业以太环网平台的基础上，有效解决井下信号大范围连续覆盖、目标精确定位的问题。

2无线传感技术原理

系统组成：矿井无线瓦斯监测系统，由数据通信接口、读卡分站、无线收发器及防爆直流电源、定位器、识别卡、无线瓦检仪、传输电缆或光缆、工业以太环网、通道防雷保安器、计算机、UPS等设备组成。硬件系统由井下分站设备、发射天线、人员标识卡、以太网交换机、无线瓦检仪组成。井下分站设备用于完成信息采集和识别。分站、人员标识卡、无线瓦检仪设计均采用智能射频芯片，无线数据传输有极高的纠错机制，使用灵活，人员标识卡、无线瓦检仪体积小巧可随身携带，低功耗、工作电压范围宽、取电方便、使用寿命长。瓦检仪和识别卡不断向外发送包含自身身份信息的射频信号，当识别卡进入矿用本安型读卡分站、收发器和定位器检测范围时，分站和收发器将收到识别卡信息，并通过数据传输通道将信息转发给控制计算机。当需要呼叫瓦检仪时，由控制计算机将提示信息发送给指定的分站和收发器，再由分站和收发器发给附近的瓦检仪。瓦检仪接收到呼叫信息后，同时以声、光、振动方式通知携带者。计算机收到的全部信息将保存到服务器数据库。当计算机与某个分站或收发器通信故障时，在操作终端给出报警提示。

3无线传感监测系统功能分析

3.1数据传输

采用分体式设计理念，将数据的采集以及数据的传输工作分成两个独立的部分，系统的硬件结构有便携式瓦检仪以及固定地点的巡检仪组成，便携式瓦检仪可以实现对井下多种气体参数的测定工作，如：测定瓦斯、氧气、一氧化碳以及硫化氢等有毒有害气体，巡检仪可以与井下传输通讯系统进行蓝牙配对，将瓦检仪测定的数据通过无线传输网络上传至地面监控中心的服务器之上，通过服务器的计算处理，下发相关的控制指令。并将监测到的瓦斯浓度情况在监控中心显示器上进行显示。

3.2动态监测

动态的移动监测时进行瓦斯监测管控的重要组成。动态的移动监测时根据巡检人员随身携带的数据采集装置，该装置不仅可以实现对井下环境中气体浓度进行监测，而且还可以将同一位置不同检测设备检测的数据进行对比分析，保证监测系统监测到数据的真实性，为井下瓦斯传感器的校对提供一定的参考。

在井下具体应用过程中，布置一系列的瓦斯巡检地点，如图2所示，瓦斯巡检人员达到某个固定地点之后在此位置进行刷卡，表示巡检人员已经到位，刷卡信息与地面存储的数据进行对比，实现瓦斯检测人员的巡检监控，同时可以将巡检测定的瓦斯浓度与监测系统测定的瓦斯浓度数据进行对比，以便增强监测系统监测到的数据的真实性。

3.3预警

在实现瓦斯浓度的动态移动监测之上，通过在地面监控中心主机中设定的瓦斯预警监测模型，对监测到的数据进行处理分析，处理之后的数据传到井下工作人员携带的便携终端之上，同时在信息发布终端进行显示，出现瓦斯浓度异常情况及时进行预警。

4无线传感技术在煤矿瓦斯监测系统中的应用前景

（1）传感器网络有大量的节点，而且节点的分布密度很大，每一个节点又能进行一定的数据融合。所以，如果采用无线传感网络技术，既可以将整个网络的能量消耗降到最低，又能保证所获取信息的准确性。

（2）如果节点有数量的增减和位置的变动，或者个别的节点有故障出现，网络都能够进行自我修复。网络能够对各种变化做出反应，对拓扑结构做出相应的调整，从而使网络的功能正常运转。这样，在没有人工干预的情况下，系统就有了动态的可重构能力。

（3）无线传感器的节点有着一定的信息储存能力和数据运算能力，这样，就能对环境物理性质的变化进行较为复杂的监测。即使矿井的结构被破坏，网络依然能够通过自我修复将信息及时传递出来。

（4）如果将传感器节点放置在矿工的身上或者是机械上，就可以对采掘面进行监测，收集到相关信息，从而避免了监测盲区的出现，进而使得监测系统的信息全面性有保障。

5结束语

综上所述，无线瓦斯监测系统的应用，可以明显提高矿山安全生产管理水平，增加管理手段，提高管理效率。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。大大提高煤矿行业瓦斯监测和事故预防技术、管理水平，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。

参考文献

[1]徐瑞华，王凯敏.面向矿井瓦斯监测的ZigBee无线传感网系统设计[J].工矿自动化，2017，43（05）：68-71.

[2]魏连江，梁伟，高金晓，罗新荣，胡建坤.矿井瓦斯监测数据趋势预测研究进展[J].煤矿安全，2016，47（10）：149-152.