煤矿安全监测监控系统设计方案文档格式.docx

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特别是近年来由于老系统服务年限将至，已无继续维修维护的必要，系统面临更新改造的机遇。

随着电子技术、电脑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。

因此，大大小小的系统生产厂家如雨后春笋般的不断出现，为用户提供了更多的选择时机、也促进了各厂家在市场竞争条件下不断提高产品质量和服务意识。

最近几年来，我国对煤矿安全生产空前重视，成立了专门的煤矿安全监察机构，煤矿安全监察局推动了各煤矿监测监控系统联网的工作，将各煤矿的关键监测参数传送到煤矿安全监察分局，监察人员可以实时地查看各煤矿的监测数据，再通过其他必要的人工检查、核查，可全面地掌握各煤矿的安全生产情况，提高了煤矿安全监察工作的有效性。

我国煤矿监测监控系统的技术水平

系统中心站

　　环境监测。

主要监测煤矿井下各种有毒有害气体及工作面的作业条件，如高浓度甲烷气体、低浓度甲烷气体、一氧化碳、氧气浓度、风速、负压、温度、岩煤温度、顶板压力、烟雾等。

　　生产监控。

主要监控井上、下主要生产环节的各种生产参数和重要设备的运行状态参数，如煤仓煤位、水仓水位、供电电压、供电电流、功率等模拟量；

水泵、提升机、局扇、主扇、胶带机、采煤机、开关、磁力起动器运行状态和参数等。

　　中心站软件。

具有测点定义功能；

具有显示测量参数、数据报表、曲线显示、图形生成、数据存储、故障统计和报表、报告打印功能。

其中，部分系统可实现局域网络连接功能，并采用国际通用的TCP/IP网络协议实现局域网络终端与中心站之间实时通信和实时数据查询。

　　随着电脑软件技术日新月异的发展，目前，各厂家的系统应用软件正不断更新版本，如KJF2000系统中心站应用软件版本2.40和MSNM局域网络终端应用软件版本1.1的操作界面全部实现了可视化和图形化功能，而且具备矿井采空区火灾早期预测预报和专家决策分析功能；

具备皮带运输机全线火灾监测功能；

具备井下瓦斯抽放监控功能。

局域网络

网络系统应用软件。

抚顺分院开发率先开发的WEBGIS数字化矿山安全监测监管网络系统应用软件版本1.10，采用人性化设计，利用WebGIS技术使得大到省煤矿安全生产监督管理局、矿业集团公司所辖各矿井分布位置，小到各矿采区工作面实际尺寸及设备实际使用位置，以任意无级缩小或无级放大图形的形式到达图形和数据的无缝集成和浏览；

提供完备的安全监测与安全信息管理和监管功能；

建立煤矿基础数据库、对主要图纸〔通风系统图、采掘工程平面图、井下运输系统、抽排水管路系统图、电气系统布线图等〕实现动态浏览；

实现安全信息的共享和设备隐患排查；

安全信息的网上公开〔公司内部〕；

安全隐患排查及信息发布〔如对各矿下达整改通知〕等。

与WEBGIS安全监测系统相配合，可实现对矿井通风系统安全性分析、诊断、评价、管理及通风网络调整的科学决策。

煤矿监控系统井下分站。

　　尽管各厂家的监控系统井下分站形式多样，但基本上具备了如下功能：

　　①开机自检和本机初始化功能；

　　②通信测试功能；

　　③分站设程控功能〔实现断点仪功能、风电瓦斯闭锁功能、瓦斯管道监测功能和一般的环境监测功能等〕；

　　④死机自复位功能且通知中心站；

　　⑤接收地面中心站初始化本分站参数设置功能（如传感器配接通道号、量程、断电点、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功能；

　　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功能和异地断电功能。

系统配接的各种传感器控制器

　　传感器的稳定性和可靠性是煤矿监测监控系统能正确反映被测环境和设备参数的关键技术和产品。

目前国内生产和用于煤矿监测监控系统的传感器主要有瓦斯、一氧化碳、风速、负压、温度、煤仓煤位、水仓水位、电流、电压和有功功率等模拟量传感器，以及机电设备开停、机电设备馈电状态、风门开关状态等开关量传感器，以上传感器的开发和应用基本满足了煤矿安全生产监测监控的需要，但国产传感器在使用寿命、调校周期、稳定性和可靠性方面与国外同类产品相比还有很大差距，某些传感器〔如瓦斯传感器〕的稳定性还不能满足用户的需要。

　　实践说明，综合评价我国现有煤矿监测监控系统及配套传感器等设备的现场应用效果，煤炭科学研究总院重庆分院的KJ90、天地科技股份公司常州自动化分公司的KJ95、煤炭科学研究总院抚顺分院的KJF2000和北京瑞赛公司的KJ4/KJ2000等系统无论在软硬件功能、稳定性和可靠性、专业技术服务能力、企业性质和生产规模等方面几本代表了我国煤矿监测监控系统的技术水平。

目前矿井安全生产监控系统使用的现状

目前虽有不少矿井都装备了安全生产监控系统，但很多都没有充分发挥出应有的作用，一些矿井只重视对生产方面的监测而无视对安全方面的监控。

其实，安全生产监控系统是最关键的技术是对瓦斯的监测监控，矿井只要生产，就随时会有瓦斯产生，靠工人检测只能是间断性的，而矿井监控系统不仅能时时连续监测，还能对瓦斯超限信号及时进行报警和断电控制，对保证矿井安全起着人工无法替代的作用。

近年来发生的几起特大瓦斯爆炸事故，多数是因为领导对安全监控系统重视不够，管理不到位，投入不足，造成瓦斯积聚没能及时进行断电控制而发生的。

因此，管好用好矿井安全生产监控系统，真正发挥其应有的作用，是有效预防瓦斯事故的关键。

1.4煤矿现在存在的问题

矿井监测监控系统满足了机械化采煤的需要，但这些系统均存在着控制功能差、通用性差、性能价格比低等问题，这既不符合监测与控制并重、硬件通用、软件兼容、现场总线监控与多媒体技术应用的发展趋势，又满足煤炭高产、高效、安全生产的需要。

这主要在如下几个方面：

1〕现有矿井监测监控系统均针对某一监控对象开发，其为单一的多参数监测监控系统，包括环境安全、轨道运输、带式输送、提升运输、供电系统，从而造成硬件不通用、软件不兼容、信道不共享、信息不共享。

一个矿井要实现全面监测监控，则需要装备环境安全、轨道运输、带式输送、提升运输、供电系统、排水系统、矿山压力、煤与瓦斯突出、大型机电设备、健康状况等数个互不兼容的监测监控系统，从而造成设备重复投资、电缆重复敷设、维护人员增加，浪费大量人力、物力和财力。

2〕现有监测矿井监控系统均在同一技术水平上重复开发，假设需进行新领域的监测监控，又需重新开发，开发周期长，在开发过程中浪费大量的人力物力和财力。

3〕现有矿井监测监控系统均没有将数据、文字、声音、图像等多种媒体统一监测、传输，难以提高信息的利用率。

4〕现有矿井监测监控系统均没有针对矿井机电一体化和一定监控的功能，这主要表现在没有用于机电一体化的、体积小、功能齐全的本质安全型嵌入式职能监控站和便携式一起接入的移动监控网。

5〕现有矿井监测监控系统的通信协议晕自我定义，互不兼容，没有符合矿井电气防爆等特殊要求的总线标注，从而造成不同厂家的设备无法接入，无法共享传输电缆。

6〕现有矿井监测监控系统均采用主从式传输。

这种传输方式的可靠性受地面主站设备及主千电缆影响很大，当地面主站设备或主干电缆发生故障时，将会造成整个系统瘫痪。

当该传输方式用于环境安全、轨道运输、带式输送、供电系统等单一方面监控时，一边不回出现主站瓶颈效应；

当用于全矿井多方面综合监控时，由于信息量的增加，必然会出现严重的主站瓶颈效应。

虽然可以通过提高传输速度的方法来防止或减少瓶颈效应。

但经过理论分析和试验说明:

采用矿用电缆，系统传输距离为10km时，最大传输速率可为4800bps（在无中继条件下）。

7）现有矿井监测监控系统软件均为某一特定系统开发，通用性差，难以满足环境安全、轨道运输、带式输送、提升运输、供电系统、排水系统、矿山压力、火灾、水灾、煤与瓦斯突出、大型机电设备健康诊断等多方面综合监测监控的需要。

8）现有监控分站均为某一监控目的而开发，功能单一，用户难以通过简单的操作实现环境安全、轨道运输、带式输送等多方面底层监控目的。

9）现有传感器及执行机构一般采用星形结构与监控分站连接（除个别系统外），这种结构虽然可使用一根多芯电缆既给传感器及执行机构供电，又传递信号，但由于电缆复用率低，需铺设大量的电缆，导致系统投资大，维护不便。

10〕现有传感器及执行机构一般需经监控分站接人系统〔个别除外），这样虽然便于监控分站实现就地控制，但当个别传感器和执行机构距离监控分站较远、距离系统电缆较近时，就显得十分不合理，既不便于系统维护，又增加了系统电缆投资。

11）现有传感器输出信号为模拟信号（频率型、电流型和电压型）和开关量信号，采用模拟信号和开关量信号很难实现传感器及执行机构的电缆多路复用。

12）现有传感器的电路均针对某一种传感元件设计，仅能实现标校、显示、声光报警等基本功能，不能实现同一电路可以配接不同传感元件（如监测甲烷浓度的黑白元件，监测温度的半导体元件等）的功能，不便于用户维护。

现有传感器不能实现多参数监测。

假设研制多参数传感器，如甲烷和风速二参数传感器，既能测出监测点甲烷浓度，又可测出监测点风速，便于通风调度;

一氧化碳和温度二参数传感器，既能测出监测点的一氧化碳浓度，又可测出监测点的温度，便于监测自然发火情况。

这样，可以减少传感器的数量，降低设备成本，便于安装与维护。

13〕控制功能（特别是地面远程控制功能）难以满足减少井下危险环境从业人员的需要。

不标准

　　由于现有厂家的监控系统几乎都采用各自专用通信协议，所以，很难找到两个相互兼容的系统。

目前，信息传输系统的兼容性已成为装备监控系统的各集团公司、矿井进一步补套和扩充系统功能的制约因素，主要是用户在装备了某厂家的系统后，在众多型号、价格不同、功能各具特色的监控系统的软件、硬件〔如分站〕的补套以及服务等方面，就别无选择地依赖于这个厂家。

有些矿井为了安全生产的需要，在系统存在严重问题和得不到技术服务的条件下，不得不废弃原有系统而另选择其他的系统。

因此，通信协议不标准的后果是造成设备重复购置、系统补套受制于人和不能随意进行软硬件升级改造。

井下信息传输设备物理接口协议不标准

　　井下信息传输设备物理接口协议不标准也是制约用户进一步补套和扩充系统功能的关键因素。

如KJF2000和KJ4/KJ2000系统，尽管两种系统均采用FSK技术，以及信息传输波特率均为1200bps或2400bps，但其传输信息的调制频率不同和传输信息的收发电压幅值不同也造成这两种系统的分站不能兼容。

传感器等质量不过关

　　与监测监控系统配接的甲烷传感器已成为矿井瓦斯综合治理和灾害预测的关键技术装备，并越来越受到使用单位和研究人员的普遍重视。

　　据统计，国产安全检测用甲烷传感器几乎全部采用载体催化元件，然而，长期以来我国载体催化元件一直存在使用寿命短、工作稳定性差和调校期频繁的缺点，严重制约着矿井瓦斯的正常检测，与国外同类传感器比较差距较大。

主要问题是：

　　①抗高浓冲击性能差。

在巷道瓦斯涌出量大的情况下元件激活。

反复作用的结果造成零点漂移并使其催化性能下降，抗高浓冲击性能差是造成元件使用寿命低、稳定性差的主要原因；

　　②对过分追求低功耗的元件，在矿井高湿度环境条件下,CH4在元件外表燃烧生成的水蒸气易于凝结在元件外表，降低元件使用寿命；

　　③抗中毒性能差；

　④载体催化元件制作工艺水低，元件一致性差。

现场管理和维护水平有待于加强

　　尽管国家和各省、地、市煤炭管理部门强制性要求各大、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，并加大了对矿井安全生产的管理力度，但一些地方国有煤矿，特别是乡镇小煤矿，多数由于缺乏专业技术人员而不能正常使用和维护已装备的系统，甚至对系统配接的传感器根本不进行调校。

市场秩序亟待标准

　　大大小小的系统生产厂家的不断出现，无疑存在着市场竞争条件下初级阶段的恶性竞争，其结果是不仅损坏了厂家的利益，而且由于导致生产企业的系统研发后劲不足、技术支持能力降低，最终将影响产品用户的正常使用。

此外，由于煤矿监测监控系统涉及电脑的软硬件技术和网络化管理技术、系统传输设备的软硬件技术、各种传感器技术、系统的完善和升级改造技术、技术支持和服务能力等综合性技术。

因此，在选择某种系统时必须特别强调厂家的企业规模、研发能力、系统的技术水平和技术支持能力等。

1.6发展趋势

a.系统不仅能实现监测监控，而且在软件技术上应研究开发能根据被监测环境地点的参数进行有效的危险性判别、分析和提出专家决策方案。

同时系统应用软件应向网络化发展，按统一的格式向外提供监测数据。

物理层协议不标准尽，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的推广应用均具有十分重要的意义;

c.研制高可靠性瓦斯传感器；

d.矿井瓦斯爆炸多半是由电气火灾引起的，因此应研制智能化的高压开关柜、高压真空馈电开关、低压真空馈电开关等，依此向系统提供多参数的信息，如电流、电压、单相/三相漏电电流、开关运行状态、开关机械/电气闭锁状态等；

e.制定科学、合理的政策法规，研究提高煤矿安全管理水平的管理技术，使我国的煤矿安全生产管理从以人治为主，发展到以法治理。

当前，煤矿开采正在向高产高效和集约化方向发展。

全矿井的生产自动化、管理信息化技术在一些现代化矿井得到越来越多的应用，使矿井在“采、掘、运、风；

水、电、安全”等生产环节和管理环节逐步实现综合自动化与管理信息化。

为此，国内技术力量强的厂家都在开发新型的工业以太环网加现场总线煤矿综合监测监控系统，并在一些大型现代化煤矿得到了实际推广应用，使监测监控系统的技术性能跃上了新的台阶，也代表了国内煤矿监测监控技术的发展趋势。

第二章矿区概况及井田地质特征

井田位于黑龙江省红兴隆农垦管理局二九一农场管辖境内，井田面积平方公里。

本井田地处三江平原之上，煤系地层均被第四系松散层覆盖，地形平坦，地面标高一般为66—70M。

井田内无较大河流，仅有纵横交错的农灌排涝沟。

松花江在井田北约35KM处通过。

20年一遇最高洪水位为+，百年一遇洪水位为+.

本井田气候属寒温带大陆性气候，冬季严寒，夏季温热，平均最低气温℃，平均最高气温℃—6923mm—，年平均相对湿度为61——。

开拓方式为采用立井、一个水平、上下山开采、主要石门、分组大巷开拓方式。

主井井深米，井筒直径米，安设16吨箕斗2个，往复提升。

每小时可提煤400吨。

副井井深595米，井筒直径米，用于提矸和升降人员、设备、材料及入风。

风井井深米，直径5米，用于回风。

矿区内以农业为主要经济形式，工业基础薄弱，主要农作物有小麦，大豆，玉米等。

除煤矿以外，矿区尚有机修厂、木材厂、砖瓦厂、粮食加工厂等为农业生产服务的工厂。

本井田以南为已有70多年历史的双鸭山矿区。

双鸭山矿物局有9对生产矿井，设计总能力为8.34Mt/a，本井田所属的东荣矿区共分为四个井田，总体设计规模为5.1Mt/a，其中东荣二矿已于1995年底投产。

地质构造：

〔一〕地层

东荣三矿位于集贤煤田的东南部，为一全隐蔽区。

区内地层系统简单，发育有下元古界麻山群、古生界泥盆系中统、中生界侏罗系上统、新生界第三系上新统和第四系。

其中侏罗系上统最大地层厚度大雨2400M。

〔二〕构造

由于受东西向压应力的作用及新华夏构造体系的改造，使盆地形成了系列的轴向北北动的富锦、佳木斯等相间排列的隆起带与拗陷带，同时产生了不同序次和不同方向的断裂构造。

井田内主体部分，走向近南北，倾角一般15度—25度，局部地段受基底断裂影响形成急倾斜带。

煤层及煤质

井田煤层赋存于朱罗系城子河组，含煤63层，煤层总厚。

其中可采煤层10层，平均厚度，16号和30——215.7Mpa。

全井煤层以低—中灰、特低硫、中—低磷、高挥发分、富焦油—高焦油、极易选—极难选、高发热量、弱粘结性—中等粘结性的气煤为主，少量长焰煤和弱粘结煤。

可以作为动力和炼焦配煤。

井田为全隐蔽区，井田内以下不对称的宽缓的向、背斜构造为主体，同时发育较多的断层，伴有少量的岩浆岩活动，煤层层数多，结构简单至复杂，主要煤层厚度较稳定。

因此，按二类二型布置勘探工程，同时运用钻探、地震、测井相结合的综合勘探方法。

第三章安全监测监控系统的设置要求

3.1矿井监测监控系统的分类及组成

矿井监测监控系统是由单一功能的甲烷监测、就地断电控制的瓦斯遥测系统和简单的开关监测模拟调度系统发展而来的:

由于早期的系统监测参数单一、监测容量小、电缆用量大，难以满足煤矿安全生产的需要。

随着采煤机械化程度的提高和传感器技术、电子技术、电脑技术和信息传输技术的发展，矿井监测监控系统已由早期的单一参数的监测系统发展为多参数单方面监控系统。

3井监测监控系统的分类

矿井监测监控系统可按监控系统的使用环境、网络结构等多种方式分类，按监测监控目的可分为环境安全监测监控系统、轨道运输监测监控系统、带式输送监测监控系统、提升运输监测监控系统、供电监测监控系统、排水监测监控系统、瓦斯抽放监测监控系统、人员位置监测系统、矿山压力监测监控系统、火灾监测监控系统、水灾监测监控系统、煤与瓦斯突出监测系统、大型机电设备健康状况监控系统等。

〔1〕环境安全监测监控系统

主要用来监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、硫化氢浓度、风速、负压、湿度、风门状态、风窗状态、风筒状态、局部通风机开停、主通风机开停等，并实现甲烷浓度超限声光报警、断电和风电闭锁控制等。

〔2〕轨道运输监测监控系统

主要用来监测信号机状态、电动转辙机状态、机车位置、机车编号、运行方向、运行速度、车皮数、空〔重〕车皮数等，并实现信号机、电动转辙机闭锁控制、地面远程调度与控制等。

〔3〕带式输送监测监控

主要用来监测皮带速度、轴温、烟雾、堆煤、横向撕裂、纵向撕裂、跑偏、打滑、电动机运行状态、煤仓煤位等，井实现顺煤流启动、逆煤流停止、闭锁控制和安全保护。

地面远程调度与控制、皮带火灾监测与控制等。

〔4〕提升运输监测监控系统

主要用来检测罐笼位置、速度、安全门状态、摇台状态、阻车器状态等，并实现推车、补车、提升闭锁控制等。

〔5〕供电监测监控系统

主要用来检测电网电压、电流、功率、功率因数，馈电开关状态，电网绝缘状态等，并实现漏电保护、馈电开关闭锁控制、地面远程控制等。

〔6〕排水监测监控系统

主要用来检测水仓水位、水泵工作电压、电流、功率，阀门状态，流量、压力等，并实现阀门开关、水泵开停控制，地面远程控制等。

〔7〕火灾监测监控系统

主要用来监测一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、温度、压差、烟雾等，并通过风门、风窗控制，实现均压灭火控制、制氮与注氮控制等。

〔8〕瓦斯抽放监测监控系统

主要用来监测甲烷浓度、压力、流量、温度、抽放泵状态等，并实现甲烷超限声光报警、抽放泵和阀门控制等。

〔9〕人员位置监测系统

主要用来监测井下人员位置、滞留时间、个人信息等。

〔10〕矿山压力监测监控系统

主要用来监测地音，顶板位移、位移速度、位移加速度，红外发射、电磁发射等，并实现矿山压力预报。

〔11〕煤与瓦斯突出监测系统

主要用来监测煤岩体声发射、瓦斯涌出量、工作面煤壁温度、红外发射、电磁发射等，并实现煤与瓦斯突出预报。

〔12〕大型机电设备健康状况监测监控系统

主要用来监测机械振动、温升、油质污染等，并实现故障诊断。

矿井监测监控系统按使用环境可分为防爆型、矿用一般型、地面普通型和复合型等系统。

按采用的网络结构可分星形、环形、树形、总线型和复合型等系统。

3矿井监测监控系统的组成

矿井监测监控系统主要由传感器、执行机构、监控分站、电源箱〔或电控箱〕、主站〔或传输接口〕、主机〔含显示器〕、打印机、模拟盘、多屏幕、LYS电源、远程终端、网络接口电缆和接线盒等组成。

〔1〕传感器

将被测物理量转换为电信号，经3芯或4芯矿用电缆（其中，1芯用作地线、t芯用作信号线、1芯用作分站向传感器供电）与分站相连，并具有显示和声光报警功能（有些传感器没有显示或声光报警）。

〔2〕执行机构（含声光报警及显示设备）

将控制信号转换为被控物理量，使用矿用电缆与分站相连。

〔3〕监控分站

接收来自传感器的信号，并按预先约定的复用方式（时分制或频分制等）远距离传送给主站（或传输接日），同时接收来自主站的（或传输接口）多路复用信号（时分制或频分制）:

监控分站还具有线性校正、超限判别、逻辑运算等简单的数据处理能力，对传感器输入的信号和主站（或传输接口）传输来的信号进行处理，控制执行机构工作。

传感器及执行机构距监控分站的最大传输距离一般不大于2km;

因此，一般采用星形网络结构（1个传感器或1个执行机构使用1根电缆与分站相连）单向模拟传输。

监控分站至主站之间最大传输距离达10km为减少电缆用量、降低系统电缆投资、便于安装维护、提高系统可靠性，通常采用2芯（用于单工或单向）、3芯或4芯（用于双向）矿用信号电缆，时分制或频分制多路复用（有的系统采用码分制）;

采用树形网络结构、环形网络结构或树形与星形混合网络结构，串行数字传输（基带传输或频带传输，异步传输或同步传输）。

（4）电源箱

将井下交流电网电源转换为系统所需的本质安全型直流电源，并具有维持电网停电后正常供电不小于7h的蓄电池。

（5）主站（或传输接口）

接收监控分站远距离发送的信号，并送主机处理;

接收主机信号，并送相应监控分站。

主站（或传输接口）主要完成地面非本质安全型电器设备与井下本质安全型电气设备的隔离、控制监控分站的发送与接收、多路复用信号的调制与解调、系统自检等功能。

（6）主机

一般选用工控微型电脑或普通台式微型电脑，双机或多机备份。

主机主要用来接收监测信号、校正、报警判别