摘要

首先介绍了安全监测系统的功能原理，然后介绍了安全监测系统在三联隧道高瓦斯工区各个阶段的应用情况及安全监控系统在应用过程中存在的问题，如传输误差、淋水、雷电、传感器的缺陷等，结合现场实际提出改进意见和解决办法，对安全监测系统在瓦斯隧道施工的推广应用和安全生产具有积极的意义。

关键词:隧道；高瓦斯；安全监测系统

引言

国内新修的瓦斯隧道越来越多，在施工过程中，采用安全监测系统对瓦斯等有害气体进行监控是实现瓦斯隧道安全生产、预防事故的主要措施之一［１］，在修建的云台山隧道［２］、圆梁山隧道［３］、华蓥山隧道［４］、云顶隧道［５］等的过程中均采用了安全监测系统，但在使用过程中到底存在什么样的问题，对隧道的适用性如何，没有做进一步的研究。《铁路瓦斯隧道技术规范》中，对安全监测系统的安设也提到的非常少。因此，对监测系统在隧道中的应用情况做进一步的研究是很有必要的。

一、工程概述

改建贵昆线六沾铁路三联隧道进口里程为Ｄ１Ｋ３００＋４６５，出口里程Ｄ１Ｋ３１２＋６０１，全长１２１３６ｍ，最大埋深约２８０ｍ。洞身围岩处于ＩＶ，Ｖ级围岩段，围岩为玄武岩、砂岩、泥岩夹页岩、煤层。隧道Ｄ１Ｋ３０５＋９８０～Ｄ１Ｋ３０７＋０６０共１０８０ｍ为煤层段，该段含煤６～１３层，煤层厚０.１３～１.８ｍ，一般厚０.３９～１.１３ｍ，煤层间距３.４４～２４.８４ｍ。现场勘察实测的煤层瓦斯压力除深度较浅的Ｃ１煤层较低以外，其余压力值为１.８３１～３.１９５ＭＰａ，按瓦斯压力梯度计算的隧道洞身段煤层瓦斯压力为２.５３３～３.２９９ＭＰａ，煤层瓦斯含量为７.５４～１２.８７ｍ３／ｔ，煤层瓦斯涌出量４.６０６～１５.８１６ｍ３／ｍｉｎ，属高瓦斯隧道。

根据《铁路瓦斯隧道技术规范》［６］的要求，应安设瓦斯自动检测报警断电装置。三联隧道高瓦斯工区安装了安全监测系统，对瓦斯进行自动监测和报警断电，并展开相应研究。

二、安全监测系统的功能原理

2.1

安全监测系统的功能

监测系统能集通风安全环境监测和生产监测监控于一体，既能监测ＣＨ４、ＣＯ、ＣＯ２、粉尘、温湿度、风速等环境参数，又能监测水仓水位，主扇、局扇、射流风机各种机电设备开停等生产参数和电压、电流、功率等电量参数，以及综合监控各种机电设备的运行情况，具有很好的联网扩展功能。

2.2

安全监测系统的原理

中心站主控计算机连续不断地轮流与各个分站进行通信，每个分站控制主机询问后，立即将该分站接收到的各测点信号传给主控计算机，各个分站又不停地对收到的各传感器信号进行监测交换和处理，等待主控计算机的询问，以便把监测的参数送到地面。需要对隧道内的设备进行控制时，主控计算机将控制命令与分站巡检信号一起传给分站，再由分站输出信号使被控制设备动作。主控计算机将接收到的实时信息进行处理和存盘，并通过本机显示器、大屏幕等显示出来，也可通过打印机打印各种报表，绘制各种图表和曲线等。

三、安全监测系统在三联隧道高瓦斯工区的应用

三联隧道高瓦斯工区最多可形成３个开挖工作面，高瓦斯工区施工长度２５００ｍ，斜井口距办公区２００ｍ。通过成本、安全、现场情况和对多种监测系统比较，选择ＫＪ７０Ｎ煤矿安全监控系统。

ＫＪ７０Ｎ系统地面配有２台监控主机，通过智能数据传输接口可与隧道内、地面分站进行数据通讯。隧道内设有ＫＨＪ６．１型分站３台，分别连接７类传感器，其中，瓦斯传感器１２个，断电执行器６台，ＫＧＷ５温度传感器３个，ＫＧＦ２风速传感器３个，ＫＧＴ９设备开停传感器６个，ＫＧＴ１６馈电开关传感器６个，风门开关传感器５个。

监控服务器设在办公区，在洞口设有液晶显示器，显示所有监测数据，同时设专人在工作站２４ｈ值班，发现问题及时汇报处理。传感器的调校及所有软硬件系统故障的处理、维护等工作，全部由系统安装维护人员承担。

安全监测系统在三联高瓦斯工区的布置分４个阶段，各阶段的布置都有风电闭锁及瓦斯电闭锁功能［７］。

3.1

第1阶段

主副斜井同时开挖，当正洞和中部平导之间没有横通道连通之前，系统布置如图１所示。主斜井与正洞交叉口处，由于两断面突变，容易产生瓦斯积聚，此处安装一甲烷传感器。

3.2

第2阶段

当正洞和中部平导之间通过９－１横通道连通之后，系统布置如图２所示。小里程正洞模板台车处容易产生瓦斯积聚，在台车的迎风向装瓦斯、一氧化碳和温度传感器各１台，传感器随模板台车的前移而移动。９号横通道与正洞交叉口处同样存在瓦斯积聚问题，此处装设瓦斯、一氧化碳和温度传感器各１台。１１号横通道进正洞后的系统布置与此相同。

3.3

第3阶段

传感器的布置与第２阶段基本相同。随着正洞的掘进，回风距离越来越长，此时，正洞内每隔５００～１０００ｍ装设一甲烷传感器［８］。由于正洞隧道断面太大，高度太高，甲烷传感器应用滑轮吊装至拱顶。系统布置如图３所示。

3.4

第4阶段

当正洞开挖至煤层时，由于正洞断面太大，为了保证施工安全，工作面拱顶应装２台甲烷传感器。系统布置如图４所示。

四、安全监测系统存在的问题及处理措施

监测系统在使用过程中发现各类传感器受隧道内施工工艺（喷浆、吹孔、爆破冲击、仰拱）、温度、湿度、粉尘、淋水、高压线路等外界环境的影响，存在信号干扰、传输误差等问题。

4.1

系统传输数据误差问题

分站到传感器的信息采用频率方式标准来传送，分站电脑芯片则采用脉冲计数方式工作。信号通路时断时续会将一个宽方波信号分割成许多细碎的窄脉冲信号，电脑芯片会将这些窄脉冲信号当作监测信息，就造成随机出现的异常大数现象。隧道内机电设备启停时发出的电磁干扰也会造成传输数据的误差。

针对以上２种原因，采用如下几种方法处理数据传输误差问题：

１）经常检修传感器电缆的连接，定期更换传感器接插件，消灭接头氧化故障，杜绝使用伪劣的信号电缆。

２）在日常管理中，要注意在空气湿度大的隧道中使用完整无接头的长电缆，尽量不留或少留接头，减少故障点。

３）所有传输系统直流电源和信号的电缆尽量与电力电缆沿隧道两侧敷设，若必须在同一侧平行敷设时，它们与电力电缆的距离不宜小于０．５ｍ。

４）条件允许情况下，瓦斯传感器通信电缆推荐使用带屏蔽层的，并且屏蔽层要连接传感器外壳，并两端都要单独接地，可有效避免变频干扰。

4.2

喷浆与淋水对传感器的影响问题

喷浆很容易造成传感器进气孔出现堵控现象，从而使传感器失效。大量的粉尘吸附于催化元件表面，与水结合后形成糊状混合物，使传感器的监测精度大大降低。通过给传感器加防护罩解决了喷浆与淋水对传感器的影响问题，这种方法要注意以下几点：

１）防护罩不能堵住传感器进气口；

２）经常对防护罩进行清扫，防止上面的气孔堵塞，同时保证传感器显示数据的清晰；

３）防护罩使用一段时间会老化，防护罩应定期更换。

4.3

雷电对系统的影响问题

云南是雷暴高发区，监测系统易遭雷击而造成不同程度的损坏。自开工以来，雷电击坏传感器３个、电脑１台、数据传输接口１台等，严重的雷击还会引发瓦斯隧道安全事故（例如：甲烷传感器失效，引发瓦斯超限）发生，做好防雷工作十分重要。雷电并非是直接进入了监测系统中，绝大部分都是落雷感应。

感应电压是由雷电磁场切割垂直或斜传输电缆和隧道口到机房的架空电缆２部分产生的，落雷时可产生数万Ｖ电压，监测系统网络中的半导体器件极易遭到破坏，常破坏隧道内设备和计算机接口电路，严重时会击毁计算机。

主要采取以下防雷措施：

１）隧道内电缆一定要用钢丝铠装型，从隧道一直到机房不设接头，并将地面和隧道内铠装钢丝良好接地；

２）地面走线尽可能埋地，如果实在无法埋地，也一定要用钢线吊挂，并把钢线两端分别良好接地；

３）在机房与隧道端分别安装线路避雷器；

４）通信主干线在没有条件使用屏蔽电缆时，可将四芯线中的备用二芯分别在地面与隧道内良好接地，也能有很好的防雷效果。

大量实践证明计算机外壳悬浮不接地，有更好的防雷效果。

隧道口至地面中心站走线无条件实现埋地敷设时，必须采用光纤传输，以保证系统万无一失。

五、安全监测系统的改进

5.1

双机热备的实现与改进

监测系统使用１台主机时，不仅肩负着对隧道内分站传来的数据的处理、存储及控制工作，同时还负责外网人员访问的处理工作。由于监控主机长时间暴露在Ｉｎｔｅｒｎｅ中，经常会遭到病毒和黑客的攻击，使监控主机无法正常接收隧道内的监测数据，严重时数据库破坏，系统瘫痪。

为了解决此问题，对数据传输接口和监测主机的通行方式进行了研究。数据传输接口与监测主机之间是用串口连接的，它们之间通过Ｒ２３２信号进行通信，把串口服务器的ＩＰ地址分别虚拟成２台电脑的串口，然后依靠监控系统自带的双机热备软件，使１台电脑设置成主机，另１台电脑为备机，从而实现了系统的双机热备功能，具体操作如图５所示。

系统设置时应注意以下几点：

１）路由器上ＩＰ地址设置时，主机、备机、串口服务器一定要给以固定ＩＰ地址，以上３个设备的ＩＰ地址不能自动获取；

２）通过路由器设置限制主计算机与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ通信，同时不要影响局域网内的访问；

３）外网要通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ访问监测系统，除了要有一动态域名外，还应通过路由器把备机设置成虚拟服务器。

5.2

风筒风量开关传感器的改进

风筒风量开关传感器主要用于监测风机送到工作面处的风管内风量是否充足，其工作原理是：风管膨胀使传感器活动支架展开，支架展开到一定程度使按钮开关接触，开关动作后输出触点信号供分站采集。风筒风量开关传感器使用中存在如下问题：

１）当风筒风量开关传感器显示故障时，是通风系统漏风问题造成的还是风机故障无法判断；

２）通风机为变级多速风机时，对于风机开启的级数无法判断；

３）当通风系统漏风很严重时，风筒风量开关传感器才显示故障。

在通风系统中，风机出风口的静压是随着通风距离的延长而有规律的增加，于是研制一种隧道通风管路故障及风机开停传感器，它不但可以监测风机出风口的静压，还可以设置静压的上下限，一旦出现故障可以自动报警。改进后的传感器，弥补了风筒风量开关传感器的不足，避免了因通风问题而造成的瓦斯安全事故的发生。

5.3

其他方面的改进

５.３.１开停传感器的改进

设备开停传感器安设位置，因电缆和电气设备较多，电磁场干扰强。为确保开停传感器能正常工作，在安装过程中进行了改进：

１）调整了开停传感器内部信号增益调节电位器，使其增益提高；

２）将开停传感器和被监测电缆用金属罩予以封闭，屏蔽外磁场干扰；

３）选择最佳安装位置，避开或远离其他电缆和电气设备。

５.３.２信号传输电缆的改进

安设传感器时，１台传感器配接１根专用电缆，不但电缆用量大，而且增加了工作量。在安装过程中，改变原接线方式，用１根电缆同时为２台传感器供电，具体接线方法如图６所示。分站内各接线端子的电源负极与信号负极短接，２台传感器共用电源的正负极，同时各传感器的信号正极分别接分站内对应的信号正极。

六、结论与讨论

安全监测监控是实现安全生产预防事故的主要措施之一，也是体现瓦斯隧道施工现代化管理水平的重要标志。目前安全监测监控系统在全国各类矿井中已得到广泛的应用，在瓦斯隧道的施工中应用的还是很少，由于技术、管理、操作等多种因素，使得监测监控系统出现了各种各样的问题。通过对监测系统的应用及研究，使监控系统的安全可靠性大大提高，对确保瓦斯隧道的安全生产将起到一定的作用。三联隧道高瓦斯工区安全监测系统，实现了全工区主要环境参数的实时、连续、可靠的监测监控，为实现超限预报、综合防止、消除事故隐患，确保隧道安全均衡生产，提供了强有力的科学化装备；但应用过程中还存在一些问题有待于我们做进一步研究，例如开挖工作面传感器在炮前和炮后的移动受有线传输的制约，给使用和安装带来很大不便；因此，无线传输将是以后研究和发展的主要方向。

参考文献

［１］张国枢，谭允祯，陈开岩，等．通风安全学［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版社，２０００：２，３４１－３４３．

［２］周校光．云台山隧道瓦斯隧道施工设备配置方案探讨［Ｊ］．岩土工程界，２００３，６（７）：７２－７４．

［３］赵军喜．圆梁山隧道进口非煤系地段施工通风与瓦斯治

理［Ｊ］．铁道设计标准，２００３（Ｚ１）：４４－４８．

［４］吴应明．华蓥山隧道有害气体监测与综合治理技术［Ｊ］．现代隧道技术，２００３，４０（４）：７１－７６．

［５］潘学东．云顶高瓦斯隧道通风及瓦斯监测技术［Ｊ］．山西建筑，２００９，３５（２９）：３００－３０２．

［６］中华人民共和国铁道部．铁路瓦斯隧道技术规范［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００３：２０－２１．

［７］国家安全生产监督管理局．煤矿安全规程［Ｓ］．北京：中国言实出版社，２００４：２９．

［８］刘石磊．红石岩隧道出口工区瓦斯监测技术［Ｊ］．隧道建设，２００７，２７（Ｓ１）：６５－６９．

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