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煤矿安全监控论文详解

煤矿安全监控系统设计

李

建

军

山西凌志能源投资集团有限公司

目录

摘要..................................................................................................................1

第一章绪论…………………………………………………………………1

1.1概述国内外监控系统及其技术的发展…………………………………2

1.2需求分析

第二章 系统总体设计…………………………………………………2

2.1矿井监控系统以及相关组成……………………………………………2

2.2矿井监控系统相关设计

2.3煤矿安全监测监控系统设备选型……………………………5

 第三章井下监控分站设计……………………………………………………….6

3．1监控分站与井下各关联设备的连接…………………………………6

3．2井下监控分站设备选型………………………………6

第四章主要传感器的布置

4．1矿用甲烷传感器的布置……………………………………………….7

4．2矿用一氧化碳传感器的布置

4．3矿用温度传感器的布置

第五章相关传感器设备选型……………………………………………14

结束语………………………………………………………………………..18

参考文献………………………………………………………………...........18

摘要

作为煤炭大国我国为国民经济的发展提供了有力的能源支持。

但由于我国对矿井瓦斯的治理和利用严重滞后，煤炭生产一直被安全问题所困扰。

近年来,煤矿事故频频发生其中瓦斯爆炸事故占有的比例很重，直接导致大量矿工伤亡和财物毁损。

随着人民群众对安全思想的日益提高,煤矿安全监控系统应运而生,。

煤矿安全监控系统及其技术是随着煤炭工业和社会经济的发展而逐步发展起来的。

论文中会首先对于国内外安全监控系统及其技术的发展过程及现状做一个介绍，同时会对安全监控系统目前存在的问题和未来发展趋势做一个探讨。

由于这些问题的存在以及安全监控检测手段的落后，才会对于煤矿安全监控系统的设计做一些探讨和研究，特别是对于瓦斯气体的检测和监测。

后面的几个章节会是对安全监控系统的一个整体的分析和设计，其中包括系统构成、设计要求及特点、通信系统的设计、井下分站的设计、瓦斯传感器的设计和各类传感器控制器等等。

特别是对于系统井下网络结构的探讨，通过分析比较现在主要几种系统的井下网络结构，提出了较为完善的井下网络结构。

在各类井下事故中，瓦斯事故是最严重，也是发生频率最高的一类事故，所以在整个安全监控系统中，对于瓦斯气体的检测和监控就显得十分重要。

论文中也会对瓦斯气体的检测和监控进行一些探讨。

关键词：

安全监控，井下分站，瓦斯传感器，通信系统。

第一章绪论

1.1 概述国内外监控系统及其技术的发展

我国煤田遍布全国，但煤层的赋存条件和地质情况差异很大，很多矿井自然环境恶，受到水火瓦斯粉尘顶板事故等自然灾害的威胁。

在这些自然灾害所造成的事故中，瓦斯事故死亡人数占总死亡人数的30％－40％。

特别是瓦斯煤尘爆炸事故，危害更为严重。

因此，预防瓦斯事故是煤矿安全工作的重点。

在煤矿中，装备矿井安全监控系统装置是防止瓦斯事故的重要手段，深入了解其工作原理，掌握使用维修技术是煤矿安全工作者的责任。

实践证明，这一措施对提高我国煤炭行业整体的安全水平起到了重要的作用，特别是各个煤矿企业安装矿井监控系统以来，有效得遏制了各类井下事故得发生。

矿井安全监控技术是伴随煤炭工业发展而逐步发展起来的。

1815年，英国发明了世界上第一种瓦斯检测仪器－瓦斯检定灯，利用火焰的高度来测量瓦斯浓度。

20世纪30年代，日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直沿用至今。

40年代，美国研制了检测瓦斯气体的敏感元件－铂丝催化元件。

1954年，英国采矿安全研究所制成了最早的载体催化元件。

60年代以后，主要的产煤国家都把发展崔体元件作为瓦斯检测仪器的主攻方向。

电子技术的进步推动了瓦斯监控装置的进一步发展，首先是研制小型化个人携带式仪器，以后是矿井进空系统，如70年代后期法国研制的CTT63/40矿井监控系统英国的MINOS系统美国的SCADA系统等。

我国监测监控技术应用较晚，80年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等（如DAN6400、TF200、MINOS和Senturion-200）引进了一批安全监控系统，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况.先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等监控系统，在我国煤矿已大量使用。

实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用，各局矿已作为一项重大安全装备。

 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又相继推出了KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000、KJ4/KJ2000和KJG2000等监控系统，以及MSNM、WEBGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。

同时，在“以风定产，先抽后采，监测监控”十二字方针和煤矿安全规程有关条款指导下，规定了我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统。

  自2000年以来，随着国家对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、小煤矿陆续在装备矿井监测监控系统。

系统的装备大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率，同时也为该技术的正选择、使用、维护和企业安全生产信息化管理提出了更高的要求。

  本系统分析了近年来我国煤矿安全生产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，在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深入研究的基础上设计而成。

1.2需求分析

当前现有的煤矿安全监控系统大多存在通信协议不规范、井下信息传输设备物理接口协议不规范、传感器等质量不过关、煤炭企业中装备安全监控系统的比例有待于进一步提高等问题。

为适应不同类型煤矿的需要，监控系统应具有灵活的配置方式。

大型矿井可以配置主扇监测、皮带运输、瓦斯抽放等小系统，并实现分站智能化、系列化。

掘进工作面的分站应具有风电瓦斯闭锁功能。

小型矿井因测点较少，只布置分站或智能化传感器就可以满足需要。

要进一步开发传感功能和信息处理功，能一体化的智能化传感器，传感器之间的联锁关系由计算机软件判别实现。

丰富传感器的种类，开发氧气传感器机生产监控方面的各类保护性传感器。

还应开发瓦斯突出和自然发火等预测、预报软件。

在监控系统应用较多的矿务局，可以实现监控系统全局联网，以进一步提高矿井的自动化管理水平，增强矿井的抗灾能力。

第二章系统总体设计

2.1矿井监控系统以及相关的组成

矿井监控系统应具有模拟量、开关量、累积量采集、传输、存储、处理、显示、打印、声光报警、控制等功能，用于监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、风速、负压、温度、烟雾、馈电状态、风门状态、风筒状态、局部通风机开停、主通风机开停，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等功能。

矿井监控系统由主机、传输接口、分站、传感器、执行器（含断电器、声光报警器）、电源箱、电缆、接线盒、避雷器和其他必要设备组成。

地面中心站配备监控主机、传输接口、打印机网络交换机等。

主机通过传输接口与分站通讯，监测主机屏幕可以显示动、静态图形、数据、曲线、测点配置等，打印机可打印监测参数报表。

2.2矿井监控系统相关设计

本煤矿监控系统是将计算机网络、矿井安全和生产实时监测、电力监测、工作面综合监测等系统综合在一起，形成一个完整的、实用的矿井监控系统。

根据需要各部分既可以集成在一起，又可以单独使用，以满足矿井的不同需求。

该系统是一个集散型的系统结构，其信息的检测及分站等设备的布置完全按照矿井的特点设置，使各部分设备都能充分合理运用，以满足矿井管理的要求。

系统设计框图如图2.1所示：

图2.1

在井下掘进工作面和采煤工作面分别设置甲烷、一氧化碳等传感器，并在测点相对集中的区域设立分站和电源。

系统具有甲烷超限报警功能，甲烷传感器用于检测煤矿井下空气中的甲烷含量，当被监视区域风流中甲烷浓度达到预置的报警点时，发出声、光报警信号。

当甲烷浓度恢复到预置的报警值以下时，能自动解除报警。

由分站、动力开关、断电器、馈电传感器以及甲烷传感器等组成了瓦斯电闭锁装置，实现甲烷超限断电及闭锁功能。

当被监视区域风流中甲烷浓度达到预置的断电点浓度时，切断被控区域汇动力电源并闭锁：

当被监视区域风流中甲烷浓度降到预置的复电点浓度时，能自动解锁。

断电点设置连续可调。

2.3煤矿安全监测监控系统设备选型

设计系统拟采用KJ70煤矿安全监测监控系统，该系统兼容多种分站，最多可配置255台监控站，其中分站16路模拟量或开关量输入，6路开关量输出；8路模拟量或开关量输入，6路开关量输出。

其传输方式接口与分站：

1200/2400/4800bps异步时分制，半双工RS485接口传输。

传输芯线为2芯，传输距离为地面主机到分站信号传输距离10km；分站到传感器之间信号传输距离2km巡检周期应小于30s。

模拟量输入传输处理误差应不大于1.0%，累计量输入传输处理误差不大于1.0%。

该系统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，其特有的软件容错、纠错技术，提高了系统的可靠性。

该系统的应为使用环境

1.地面机房环境条件

环境温度：

15℃～30℃

相对湿度：

40﹪～70﹪

大气压力：

80-106kPa

温度变化率：

小于10℃/h，且不得结露

2.煤矿井下环境条件

环境温度：

0℃～40℃

平均相对湿度：

≤95﹪

大气压力：

（80-106）kPa

无显著震动。

冲击和淋水的场合

第三章井下监控分站设计

井下监控分站主要实现对各类传感器的数据采集、实时处理、存储、显示、控制以及与地面监控中心的双向通信。

可独立使用，实现瓦斯断电仪和瓦斯风电闭锁装置的全部功能。

3．1监控分站与井下各关联设备的连接

监控分站与井下各关联设备的连接如图3.1所示：

远程断电器

井下监控分站

隔爆型电源及远程控制

模拟量传感器

开关量传感器

中心站

图3.1

3．2井下监控分站设备选型

设计分站拟采用KJ70N-F型井下监控分站：

该分站可挂接多种传感器，能对井下瓦斯、风速、一氧化碳、负压、开关状态等多种环境参数传送到地面中心站，并执行中心站发出的各种命令，并执行中心站发出的各种命令，及时发出报警和断电控制信号。

⑴信号端口：

16路信号输入端口、4路近程断电控制口、4路远程断电控制口、1路通信口；

⑵传输距离：

①分站至地面通信接口之间的通信距离≤10km;

②分站到传感器之间的信号传输距离≤2km；

③分站到控制执行器之间的信号传输距离≤2km；

⑶传输速率：

分站至地面中心站之间的数据传输速率为1200bps；

⑷断电控制功能：

手动控制、自动控制、异地控制；

⑸具备甲烷断电仪和甲烷风电闭锁装置的全部功能。

传输线断线或中心站软件故障时，分站仍可独立工作，确保井下安全生产；

（6）具有监控设备故障闭锁功能，防止不接入监控设备违章生产；

⑺配接的传感器种类、量程、断电点、复电点等参数在地面中心站主机定义生成以程序下装到分站，分站免编程；

⑻根据测点定义，分站能够执行异通道断电功能，使井下断电控制更灵活；

⑼分站装有备用电池，交流电源掉电后自动投入工作，供电时间≥2h。

第四章主要传感器的布置

4．1矿用甲烷传感器的布置

（1）采煤工作面甲烷传感器的设置

①长壁采煤工作面甲烷传感器必须按图1设置。

U形通风方式在上隅角设置甲烷传感器T0或便携式瓦斯检测报警仪，工作面设置甲烷传感器T1，工作面回风巷设置甲烷传感器T2；若煤与瓦斯突出矿井的甲烷传感器T1不能控制采煤工作面进风巷内全部非本质安全型电气设备，则在进风巷设置甲烷传感器T3；低瓦斯和高瓦斯矿井采煤工作面采用串联通风时，被串工作面的进风巷设置甲烷传感器T4，如图4.1a所示。

Z形、Y形、H形和W形通风方式的采煤工作面甲烷传感器的设置参照上述规定执行，如图4.1b~图4.1e所示。

（a）

（b）

（c）

（d）

（e）

a——U形通风方式；

b——Z形通风方式；

c——Y形通风方式；

d——H形通风方式；

e——W形通风方式。

图4.1采煤工作面甲烷传感器的设置

②采用两条巷道回风的采煤工作面甲烷传感器必须按图4.2设置。

甲烷传感器T0、T1和T2的设置同图1a；在第二条回风巷设置甲烷传感器T5、T6。

采用三条巷道回风的采煤工作面，第三条回风巷甲烷传感器的设置与第二条回风巷甲烷传感器T5、T6的设置相同。

图4.2采用两条巷道回风的采煤工作面甲烷传感器的设置

③有专用排瓦斯巷的采煤工作面甲烷传感器必须按图4.3设置。

甲烷传感器T0、T1、T2的设置同图4.1a；在专用排瓦斯巷设置甲烷传感器T7，在工作面混合回风风流处设置甲烷传感器T8，如图4.3a、图4.3b所示。

④高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井采煤工作面的回风巷长度大于1000m时，必须在回风巷中部增设甲烷传感器。

⑤采煤机必须设置机载式甲烷断电仪或便携式甲烷检测报警仪。

⑥非长壁式采煤工作面甲烷传感器的设置参照上述规定执行，即在上隅角设置甲烷传感器T0或便携式瓦斯检测报警仪，在工作面及其回风巷各设置1个甲烷传感器。

（a）

（b）

图4.3有专用排瓦斯巷的采煤工作面甲烷传感器的设置

（2）掘进工作面甲烷传感器的设置

①煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出岩巷的掘进工作面甲烷传感器必须按图4.4设置，并实现瓦斯风电闭锁。

在工作面混合风流处设置甲烷传感器T1，在工作面回风流中设置甲烷传感器T2；采用串联通风的掘进工作面，必须在被串工作面局部通风机前设置掘进工作面进风流甲烷传感器T3。

图4.4掘进工作面甲烷传感器的设置

②高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井双巷掘进甲烷传感器必须按图4.5设置。

甲烷传感器T1和T2的设置同图4.4；在工作面混合回风流处设置甲烷传感器T3。

图4.5双巷掘进工作面甲烷传感器的设置

③高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井的掘进工作面长度大于1000m时，必须在掘进巷道中部增设甲烷传感器。

④掘进机必须设置机载式甲烷断电仪或便携式甲烷检测报警仪。

（3）采区回风巷、一翼回风巷、总回风巷测风站应设置甲烷传感器。

（4）设在回风流中的机电硐室进风侧必须设置甲烷传感器，如图4.6所示。

（5）使用架线电机车的主要运输巷道内，装煤点处必须设置甲烷传感器，如图4.7所示。

图4.6在回风流中的机电硐室图4.7装煤点甲烷传感器的设置

甲烷传感器的设置

（6）高瓦斯矿井进风的主要运输巷道使用架线电机车时，在瓦斯涌出巷道的下风流中必须设置甲烷传感器，如图4.8所示。

图4.8瓦斯涌出巷道的下风流中甲烷传感器的设置

（7）矿用防爆特殊型蓄电池电机车必须设置车载式甲烷断电仪或便携式甲烷检测报警仪；矿用防爆型柴油机车必须设置便携式甲烷检测报警仪。

（8）兼做回风井的装有带式输送机的井筒内必须设置甲烷传感器。

（9）采区回风巷、一翼回风巷及总回风巷道内临时施工的电气设备上风侧10m~15m处应设置甲烷传感器。

（10）井下煤仓、地面选煤厂煤仓上方应设置甲烷传感器。

（11）封闭的地面选煤厂机房内上方应设置甲烷传感器。

（12）封闭的带式输送机地面走廊上方宜设置甲烷传感器。

（13）瓦斯抽放泵站甲烷传感器的设置：

①地面瓦斯抽放泵站内必须在室内设置甲烷传感器。

②井下临时瓦斯抽放泵站下风侧栅栏外必须设置甲烷传感器。

③抽放泵输入管路中应设置甲烷传感器。

利用瓦斯时，应在输出管路中设置甲烷传感器；不利用瓦斯、采用干式抽放瓦斯设备时，输出管路中也应设置甲烷传感器。

4．2矿用一氧化碳传感器的布置

（1）一氧化碳传感器应垂直悬挂，距顶板（顶梁）不得大于300mm，距巷壁不得小于200mm，并应安装维护方便，不影响行人和行车。

（2）开采容易自燃、自燃煤层的采煤工作面必须至少设置一个一氧化碳传感器，地点可设置在上隅角、工作面或工作面回风巷，报警浓度为≥0.0024%CO，如图4.9所示。

图4.9采煤工作面一氧化碳传感器的设置

（3）带式输送机滚筒下风侧10m~15m处宜设置一氧化碳传感器，报警浓度为0.0024%CO。

（4）自然发火观测点、封闭火区防火墙栅栏外宜设置一氧化碳传感器，报警浓度为0.0024%CO。

（5）开采容易自燃、自燃煤层的矿井，采区回风巷、一翼回风巷、总回风巷应设置一氧化碳传感器，报警浓度为0.0024%CO。

4．3矿用温度传感器的布置

（1）温度传感器应垂直悬挂，距顶板（顶梁）不得大于300mm，距巷壁不得小于200mm，并应安装维护方便，不影响行人和行车。

（2）开采容易自燃，自燃煤层及地温高的矿井采煤工作面应设置温度传感器。

温度传感器的报警值为30℃。

如图4.10所示。

图4.10采煤工作面温度传感器的设置

（3）机电硐室内应设置温度传感器，报警值为34℃。

第五章相关传感器设备选型

KG9701智能型高低浓度甲烷传感器

KG9701智能型低浓度甲烷传感器可连续自动地将井下甲烷浓度转换成标准电信号输送给关联设备，并具有显示甲烷浓度值、超限声光报警及断电等功能。

可与国内各类型监测系统及断电仪、风电瓦斯闭锁装置配套适宜在煤矿采掘工作面、机电硐室、回风巷道等低浓度瓦斯环境中使用。

主要用于监测煤矿井下环境气体中的甲烷浓度，是煤矿预防瓦斯突出和瓦斯爆炸必不可少的测量仪表。

主要技术指标

（1）工作温度：

0℃-40℃。

（2）相对湿度：

≤98%。

（3）大气压力：

86KPa-110KPa。

（4）风速：

0m/s-8m/s。

（5）整机工作电压：

（12-24）VDC（本安电源）

（6）整机工作电流：

≤100mA。

（7）测量范围：

0%CH4-40.00%CH4。

（8）报警方式：

二极管间歇式声光报警；声音强度≥80dB；光强：

能见度〉20m。

0.00~1.00%CH4，≤±0.10%CH4

1.00~2.00%CH4，≤±0.20%CH4

2.00~4.00%CH4，≤±0.30%CH4

（9）测量误差：

GJH1000型一氧化碳传感器

GJH1000型一氧化碳传感器主要用于煤矿井下的一氧化碳浓度的监测。

适用于井下煤巷、工作面瓦斯抽放管道等有必要进行一氧化碳监测的场所。

主要技术指标

（1）工作温度：

0℃-40℃。

（2）相对湿度：

≤95%。

（3）大气压力：

80KPa-106KPa。

（4）风速：

0m/s-8m/s。

（5）整机工作电压：

（12-24）VDC（本安电源）

（6）整机工作电流：

≤80mADC。

（7）测量范围：

0-0.0005%。

（8）报警方式：

二极管间歇式声光报警；声音强度≥80dB；光强：

能见度〉20m。

（9）信号最大传输距离：

2km。

KGF2型矿用风速传感器

KGF2型矿用风速传感器主要用于煤矿井下进回风巷道通风风速的监测。

通风的监测是保证矿井安全生产的重要手段。

采区回风巷、一翼回风巷、总回风巷的测风站应设置风速传感器。

风速传感器应设置在巷道前后10m内无分支风流、无拐弯、无障碍、断面无变化、能准确计算风量的地点。

当风速低于或超过《煤矿安全规程》的规定值时，应发出声、光报警信号。

主要技术指标

（1）工作温度：

0℃-+40℃。

（2）相对湿度：

≤98%。

（3）大气压力：

85KPa-110KPa。

（4）工作电压：

（12-24）VDC（本安电源）

（5）工作电流：

70mADC。

（6）输出信号：

200Hz-1000Hz；1mADC-5mADC。

（7）基本误差：

≤±0.3m/s。

（8）防爆型式：

矿用本质安全型。

（9）防爆标志：

Exibl。

KGY4型矿用负压传感器

KGY4型矿用负压传感器是一种专门用于监测煤矿井下巷道及瓦斯抽放管道负压的模拟量传感器，对于监测井下风压变化，确保矿井正常通风、配风及瓦斯抽放管路安全等方面有着重要作用，可用于采空区漏风、密闭隔墙质量的连续监测，并能就地数字显示风压或管道压力变化。

主要通风机的风硐内应设置风压传感器。

主要技术指标

（1）工作温度：

0℃-40℃。

（2）相对湿度：

≤95%。

（3）大气压力：

80KPa-106KPa。

（4）工作电压：

（12-24）VDC（本安电源）

（5）工作电流：

≤80mADC。

（6）传输距离：

≤2km。

（7）误差范围：

±1%F·S。

（8）防爆型式：

矿用本质安全型。

（9）防爆标志：

Exibl。

（10）风速：

≤0m/s-8m/s。

（11）机械环境：

无显著震动和冲击的场合。

（12）适用环境：

有煤尘和瓦斯存在的场所。

KGT9-A型设备开停传感器

KGT9-A型设备开停传感器是一种用于监测煤矿井下机电设备开停状态的固定式监测仪表，具有将检测到的设备开停状况转换成各种标准信号并传送给矿井安全监测监控系统，最终实现矿井机电设备开停状态自动监测、控制的功能。

该传感器系矿用本质安全型结构，具有设计新颖合理、安装使用方便、性能稳定可靠、功耗低等特点。

主要通风机、局部通风机必须设置设备开停传感器。

主要技术指标

（1）工作温度：

0℃-40℃。

（2）相对湿度：

≤95%。

（3）大气压力：

80KPa-106KPa。

（4）工作电压：

（12-24）VDC（本安电源）

（5）工作电流：

≤80mADC。

（6）传输距离：

传感器至分站电源箱之间的信号最大传输距离2km。

（7）防爆型式：

矿用本质安全型。

（8）防爆标志：

Exibl。

（9）机械环境：

无显著震动和冲击的场合，有煤尘和瓦斯存在的场所。

KGW5型矿用温度传感器

KGW5型矿用温度传感器主要用于煤矿井下巷道、工作面瓦斯抽放管道等处的温度监测。

主要技术指标：

（1）工作温度：

0℃-40℃。

（2）相对湿度：

≤95%。

（3）大气压力：

80KPa-106KPa。

（4）工作电压：

（12-24）VDC（本安电源）

（5）工作电流：

≤80mADC。

（6）传输距离：

传感器至分站电源箱之间的信号最大传输距离2km。

（7）防爆型式：

矿用本质安全型。

（8）防爆标志：

Exibl。

（9）机械环境：

无显著震动和冲击的场合。

（10）风速：

≤0m/s-8m/s。

（11）测量范围：

。

0℃-50℃

第六章结束语

经过在3年多的学习和实践，使我对在学校所学的理论知识有了更系统更全面的掌握，对煤矿安全监控知识有了更进一步的认识，特别是在实际操作方面有了很大的提高。

对于煤矿安全监控系统中的相关传感器有了进一步的认识，使我更深刻地了解到了理论联系实际的重要性。

通过对煤矿安全监控系统分析以及设计，我认识到了在煤矿安全生产中瓦斯的危害，也更深刻体会到安全监控在煤矿安全生产中的重要性，经过这一段时间的学习和努力，我收获了许多东西，比如把以前所学过的基础知识和专业知识又复习和温习一遍从而又学到了新的知识，对许多理论和方法有了新的理解和认识。

对于我个人来讲，最