瓦斯监控系统常见故障处置.docx

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瓦斯监控系统常见故障处置

“一通三防”信息化建设与创新实践

一、“一通三防”信息化创新建设前的基本情况

（一）“一通三防”信息化建设的起源和发展历程

坤升公司是全省挂号的高瓦斯矿井，自1990年矿井鉴定为高瓦斯矿井以来，瓦斯涌出量逐年增加，瓦斯绝对涌出量和相对涌出量连续多年居全省第一，2006年，矿井瓦斯涌出量虽为近五年来最低的一年，但相对瓦斯涌出量和绝对瓦斯涌出量仍分别达到21.54m3/min、25.967m3/t，治理瓦斯工作成为“一通三防”管理的重点和难点。

从80年代开始，以瓦斯监测技术为代表的“一通三防”信息化技术的应用和推广，使传统的“一通三防”管理手段和方法人为影响因素大、监测内容单调、方法落后、可靠性差等缺点越来越凸显出来，研究新的管理技术和方法很有必要。

针对以上情况，坤升公司较早就介入“一通三防”信息化建设与应用，1988年5月，投资23万元，建立了第一套瓦斯监控系统（MJC－100A型煤矿集中监控系统），开始对矿井瓦斯进行实时监测，随着传感器技术、电子技术、计算机技术和信息传输技术的发展和应用，矿井监测系统由单一的甲烷监测和就地断电控制的瓦斯遥测系统和简单的开关量监测模拟调度发展起来，不断发展和完善，逐步从MJC-100A、KJ-2逐步发展到KJ95监控系统，直至目前使用的KJ76监控系统，功能也更加完善和强大。

以KJ76监控系统作为平台，“一通三防”信息化建设蓬勃开展起来。

（二）改造创新前的信息化水平

坤升公司原有的“一通三防”信息化工作主要依托山东瑞安特公司生产的KJ76监测系统实现。

1、KJ76矿井监控系统组成

坤升公司使用的KJ76矿井监控系统是一个基于网络化的监测监控系统，可以实现灵活组合的联网监测功能。

其主要由监测终端、监控主机（中心站）、通信接口装置、井下分站、传感器等组成。

系统结构如图1所示。

图1KJ76监控系统图

2、监控系统的主要参数

系统容量：

128台分站设备。

传输速率：

分站与接口速率：

1200/2400bps

主机与接口速率：

19,200bps

巡检周期：

<30s（典型值0.25秒/分站）

分站容量：

16路输入端口（模拟量/开关量），8路输出控制端口。

传输方式：

RS485（异步半双工）

传输电缆芯线：

2芯

传输距离

地面接口到分站信号传输距离：

20km；

分站到传感器之间信号传输距离：

2km

KJ33型分站

　　输入容量：

16个测点（模拟量或开关量或累计量）

　　输出容量：

8路开关量输出

模拟量传感器信号：

200-1000HZ及其它非标准制式频率信号。

开关量传感器信号：

0-5MA或无电位接点。

供电：

地面为AC220　井下设备为：

AC127V，380V，660V

3、监测系统实现的主要功能

（1）实时监测瓦斯、风速、负压、温度、风门开关等环境参数；实时监测监控风压、机电设备开停等生产参数。

（2）对所有监测监控数据进行实时处理后分类存储，并提供二级和三级数据库存储备份，监测数据永久保存。

（3）系统提供多种诊断功能，包括系统的通信传输状况、传感器、分站故障分类统计等监测系统的自身故障诊断；

（4）系统具有动态模拟图显示、实时监测表、柱状图、实时曲线、报表统计、定制报表、历史曲线、当地远程报警等功能，对所有数据和报表都提供打印输出功能。

（5）系统具有良好的网络功能，可以通过电话线、局域网、互联网等多种形式，方便的进行全局、全市、全省范围的联网。

系统也可根据用户定制联网需求，提供输出交换监测数据。

（6）系统具有后台查询网站和局域网专用监控软件，信息查询灵活方便。

4、配套硬件使用情况

坤升公司在通防科监控室安装KJ76监控系统一套对矿井以瓦斯为主的参数进行时时监控，与kj76监控系统配套的主要传感器在册使用情况如下：

（1）瓦斯监测传感器在册：

105个，使用84个，备用21个。

（2）设备监测传感器在册：

85个，使用58个，备用27个。

（3）风门开关监测传感器在册：

5个，使用3个，备用2个。

（4）风速监测传感器在册：

5个，使用5个。

（5）负压监测传感器在册：

3个，使用2个，备用1个。

（6）风筒风量传感器在册：

30个，使用22个，备用9个。

（7）电源箱在册：

62套，使用50套，备用12套。

（8）压力传感器在册：

2套,使用2套。

5、配套软件使用情况

KJ76监控主机软件系统主要由主机监控软件、动态模拟图、历史曲线、统计报表、环境监测报表、网络通信、电话语音报警等功能模块组成。

KJ76监控主机软件系统各模块可执行程序皆位于主机软件程序目录下，各模块主要功能用途如下：

（1）主机监控软件：

主机监控程序，完成分站配置、分站通信、环境数据实时监测、传感器故障及报警监测、断复电控制、数据存储等功能。

（2）动态模拟图：

提供全图形界面的实时数据监测功能，能够以文字、颜色变化、图形动画等各种动态形式，在矿井模拟布局图上定位显示实时环境监测数据。

（3）历史曲线：

提供以曲线方式查询环境监测历史数据，同时支持多个模拟量和开关量查询显示。

（4）统计报表：

提供以报表方式统计环境监测数据，支持按日期和班次查询，并能够预览打印和自动打印输出。

（5）环境监测报表：

提供以用户定制报表方式查询环境监测数据，支持按日期和班次查询，并能够预览打印和自动打印输出。

（6）网络通信：

实现监控系统远程联网和远程监测的软件模块，支持电话拨号、局域网和互联网络远程数据传输。

（7）网络通信：

通过利用语音卡模块，将本地监测报警信息以语音方式拨打指定电话，并能够接收电话信息查询请求。

6、发挥的主要作用

十多年来，“一通三防”信息化建设使矿井尝到了甜头，安全监控系统多次预知险情，化险为安，先后预报各类瓦斯报警2772次，断电2830多小时，为领导及“一通三防”人员在第一时间掌握现场瓦斯变化情况，及时采取措施，排除险情提供了可靠的依据，发挥了极其重要的作用。

二、“一通三防”信息化建设急待解决的问题

经过十几年的建设和经营，坤升公司的“一通三防”信息化建设虽然取得了较大的成绩，但通过近几年的应用发现，仍停留在一个较低层次，主要依赖KJ76监测系统，虽然系统软硬件水平有较大的改善，监测质量明显提高，监测内容更加丰富，但它故障率较高、稳定性差、监测数据单一，以及使用过程中暴露出来的诸多问题，亟需要完善和提高，同时信息化建设必须根据“一通三防”工作的发展，不断扩大其外延和内涵，努力适应安全生产需要。

（一）监测内容的增多，但只能以瓦斯为主

作为高瓦斯矿井，2005年之前，公司与KJ76监控系统只有一台主机、一台备机，即只有一个显示窗口，只能监测瓦斯为主的各类数据，在查看其他监测数据时，必须关闭已开的监测窗口，既繁琐，又不能全面显示实际所监测的各类数据，很容易顾此失彼，造成除瓦斯外监测数据即使有异常变化，却往往不能及时发现。

（二）监测系统故障研究

1、数据传输故障

KJ76监控系统虽然是整体比较稳定和可靠，但在生产实际中，监测数据传输缓慢，经常中断数据传输的问题经常发生，究其原因，主要有三个，一个是公司监控系统负荷较大，监测线路过长、运行分站数量过多。

二是电源箱中板质量不稳定，易损坏。

三是因监测线路使用普通橡胶电缆，容易受其他电磁场的干扰。

2、容易出现各类误报警

在KJ76监控系统使用过程中，我们发现监控系统误报警频率较高，据2003－2005年统计，每年的误报警次数累计超过700次，其中绝大多数误报警，通过模拟曲线可以直观的加以判断，但仍有很多，引起了不必要的慌乱，造成主机发送错误信息，导致引发不必要的恐慌和生产现场自动断电，从而严重干扰了正常的生产经营。

3、屡次发生雷击事故

坤升公司的KJ76监控系统，在监测距离公司2KM的四台提风机运行状况时，由于监测线路位于地面，曾经在雨季出现两次，整个监控系统被雷电击毁，导致整个安全监控系统瘫痪的严重事件，直接导致矿井的“眼睛”失明，大量数据发生不可逆性的丢失，尽管事后采取了各种防范和补救措施，但地面监测部分的监测电缆作为导体，依然会成为雷电入侵的载体，安全隐患依然存在。

4、瓦斯传感器经常损坏

瓦斯传感器在采掘工作面使用过程中，由于放炮等原因，需要经常来回拉动，同时放炮引起的剧烈震动产生的冲击波以及飞起的石块等，都可能造成传感器外壳或元件受损，使传感器无法进行正常监测的问题，也比较突出，导致出现监测系统出现“真空”。

5、报警告知范围小，问题发现不及时

我们注意到监控系统是安全可靠的，但受人为因素的影响，往往出现语音报警，也不容易发现。

原因主要有两个：

一是监控系统只具有语音报警功能，一旦监测人员由于精力不集中或不在现场，别人无法掌握监控告警信息。

二是监测人员不可能每班8个小时都盯着监控屏幕，一旦注意力不集中，瓦斯浓度升高报警，不易发现。

（三）防尘设施管理困难、使用不正常，需要利用信息化解决

矿井KJ76监测系统是一个良好的平台，信息化建设和创新只有围绕它展开，才有生命力。

作为“一通三防”管理重要部分，综合防尘工作一直是工作管理的一个薄弱点，特别是防尘水幕等防尘设施的使用很不正常，员工害怕水淋，往往动不动就人为的将防尘水幕的把手关闭了，造成防尘设施形同虚设。

如果去掉防尘水幕的把手，必将造成防尘水幕长期喷雾，在多数情况下，既浪费了大量防尘水，又容易造成积水泛滥，现场条件恶化，如果能够实现水幕的自动化控制，将会成功解决这一问题。

（四）“一通三防”人员联系困难

矿井井下安装了大量的调度电话，但每个工作人员不可能都守在电话旁，遇到紧急情况，井上下的通讯联系就成为一个急待解决的难题。

正常的工作联系也受到很大的限制，只能靠人员来回面对面的传递各类信息，作为高瓦斯矿井，时间就是生命，提前得到有关信息，可能保障的就是矿井的安危。

瓦斯员、放炮员、监测工等“一通三防”方面的重要岗位如果使用上现代化的井下通讯工具，可使“一通三防”管理工作上一个新台阶。

（五）局部通风机监控手段落后

近年来，供电线路故障引发的掘进工作面局部通风机停风事故时有发生，给矿井安全生产和人员安危造成严重威胁，若不能及时发现和排除，很容易酿成瓦斯爆炸或窒息事故，尽管高瓦斯矿井掘进工作面供风做到了“三专两闭锁”，但受人为、技术、管理等因素的影响，监控过程中停风现象仍屡见不鲜。

公司在原来的局部通风机监测监控中使用风筒传感器，它适用于煤矿井下各作业场所中，可以连续监测局部通风机（抽排风机）供风风筒有风无风状态，风筒一旦停风时，可以立即切断工作面及回风流生产线电源，并向监测系统发出开关信号。

风筒传感器的工作原理是：

干簧管在磁场中当磁铁强度达到一定强度时，其中一组触片与原来吸合的触片脱开、与另一触片吸合，当干簧管脱离强磁场时，又恢复原来的状态，利用这一原理可对风筒有风无风进行监控，并将信号通过电缆传送至计算机监控系统。

安装时，将风筒传感器通过其吊环吊到巷道顶部，再将支架套到风筒上，传感器的常开节点，通过12V电源接到分站的相应输入端口上，由分站自动分析判断风筒供风状态，并实现无风断电功能。

安装方法如图2所示：

图2风筒传感器安装方法示意图

原有的安设风筒传感器监控局部通风机供风状况的情况存在较大的缺陷。

尽管通风管理人员可以从监测屏幕上准确知道井下哪个地点局部通风机停风，并立即处理，却也只能事后预防，不能提前监督，特别是局部通风机单回路供电的状态不能及时发现和排除。

三、近年来“一通三防”信息化创新实践

从2005年1月开始，公司在“一通三防”信息化建设方面加大了人力物力投入，通过2年多的不懈努力，“一通三防”信息化水平有了质的飞跃，不仅新技术、新工艺推广应用方面取得了可喜的成果，在理论研究创新，实践应用创新方面也有所突破，使信息化建设向着监测与控制并重、就地自动控制、远程人为控制、灾害预防、信息共享、多参数、多媒体、多功能综合监控发展，在实践应用中取得了良好的效果。

（一）新上多屏显示系统

针对监测窗口少，无法满足大量监测信息快速直观浏览的实际，我们在监控中心增加了多屏显示功能。

多屏显示功能是通过在监控主机中增设多屏显示卡实现。

多屏显示卡是专为今天的PC机更深层的应用要求而设计的高性能的多屏卡。

它使一台PC机支持多台VGA显示器、电视机或DVI数字平面显示器，它是专为当今图形图像应用而设计的，特别是在windows下进行多种运行参数开发设计、编辑、控制、多媒体。

多屏显示卡并不是简单的多个显示器显示多个相同内容，而是多个屏幕上显示各自不同的画面，并可显示拼接的组合大画面。

比如分屏数为4的多屏显示卡可以连接4台显示器，既可以让这4台显示器分别显示画面的一部分，一起组成一副画面，也可以让这4台显示器各自显示不同的画面。

鼠标及窗口还可以在各个屏幕间漫游移动，而无需软件的任何改动。

图3多屏显示效果图

通过增设多屏显示功能，使矿井监控系统的作用得到了充分的发挥，各种监测数据做到了一幕了然。

（二）进行监测系统的自主革新

1、针对数据传输故障问题，改变了监测系统的结构

原有的监控系统只有一个传输接口与主机相连，南北两翼50多各分站数据通过单层连接方式连接，见图4。

抗故障能力较低，一旦发生故障，往往导致情况监测系统失灵，是数据传输故障频发的主要原因。

图4监控系统单层连接方式

我们通过增加矿井监控系统的传输通道，改变系统的连接方式，使南北两翼的监测设备成为各自独立的两个部分，互不影响、互不干扰，增加了系统可靠性。

见图5。

图5监控系统多层连接方式

2、解决了误报警问题

监控系统发生误报警的主要原因有：

一是监测电缆、瓦斯传感器由于潮湿、进水等原因，导致整个系统，绝缘电阻变低。

二是瓦斯传感器黑白元件质量不过关，催化反应引起电桥电阻变化失控。

三是分站主板维修、管理不当。

四是井下监测气体中含有乙烷、丙烷、乙烯、丙稀等可燃性气体。

针对以上情况，我们主要采取了如下措施：

一是加强了监测电缆和瓦斯传感器的保护，有淋水或潮湿的地方，加强对监测线路、电气设备的巡查工作，发现问题及时盯上处理，并用塑料布、挡雨板等物品对接线盒、瓦斯传感器等易进水的地点进行保护。

二是通过购进不同厂家的黑白元件进行比较，选用质量稳定、抗老化、能够适应复杂恶劣井下条件的产品，作为黑白元件的替代产品。

三是增加了维修人员3名，定期对监测系统维修人员进行培训，提升他们的业务素质。

四是及时采集气样，送专业部门检测，针对性的对瓦斯传感器进行标校。

3、研制无线传输装置，克服雷击造成的监测系统瘫痪问题

前面所述的雷击问题，确实是威胁瓦斯监控系统的顽疾，传统的有线传输的办法，已经无法满足需要。

我们就这一课题与山东理工大学合作，成功的进行了监测数据的地面无线传输。

无线测控系统主要由通风机监控终端和监控中心计算机系统构成。

其功能是通过对通风机参数的实时检测，将检测到的状态参数，通过GPRS无线方式传送给公司实时数据库服务器，使公司能够及时掌握矿井主要通风机的工作状态，确保矿井安全的一种全新的手段。

系统工程设备组成包括：

（1）传感器组件：

设备开停传感器、负压传感器等。

（2）监控终端：

电源模块、采集模块、GPRS传输模块。

（3）监控中心系统软件

（4）监控中心计算机

其基本原理是：

通过网络代理服务器来负责网络数据链路建立和数据收发的透明中转。

GPRS数据传输终端上电后，它会根据预先设定在其内部的IP地址或者是域名来主动访问网络代理服务器，通过代理服务器和监控中心建立TCP/IP链路。

监控中心主站本身维护接入的每个终端的IP地址和ID号，当主站要向某个监控终端提出数据请求时，它会根据IP地址和ID号来找到对应的终端，将命令下发到该终端，终端响应后通过GRPS数据传输终端把数据发到网络代理服务器端口，通过端口影射转发到监控中心主站，即完成了一个应答式的通讯流程。

无线传输技术流程图如图6所示：

图6无线传输技术流程图

4、瓦斯传感器的保护问题

针对瓦斯传感器、便携仪放炮过程中容易损坏，我们研制了铁制保护套，瓦斯传感器、便携仪使用保护套进行保护后，采掘工作面放炮期间，瓦斯传感器、便携仪不需要拉到迎头20米外，保证了监测数据的真实性。

其制作方法如下图7所示。

图7瓦斯传感器、便携仪保护制作示意罩

5、解决了人为因素造成的瓦斯报警范围小的问题

一是新增设了报警发送短消息功能，将公司领导、主要通防管理人员的手机号码输入微机，一旦矿井监控系统出现瓦斯报警现象，能够立即向他们发送报警信号，使他们第一时间作出反应，及时查明原因进行处理，消除了因延误时机，造成的隐患。

二是建立了两套安全监控中心，两个人同时监测，减少了报警发现不了的可能，同时我们还建立了预报警制度，一旦瓦斯浓度达到或超过0.6%（正常报警值1％），自动进行语音报警，赢得了处理时间，可提前采取措施。

（三）实施了防尘自动化改造

电磁阀可自动接通或切断水 源，从而对液动控制膜头液路进行切换。

 它由阀体、阀罩、电磁组件、弹簧及密封结构等部件组成，动铁芯底部的密封块借助弹簧的压力将阀体进水口关闭。

通电后，电磁铁吸合，动铁芯上部带弹簧的密封块把排水口关闭，水流从进水口进入膜头，起到控制作用。

当失电时，电磁力消失，动铁芯在弹簧力作用下离开固定铁芯，向下移动，将排水口打开，堵住进水口，膜头水流经排水口排出，膜片恢复原来位置。

我们利用电磁阀这一工作原理，将电磁阀的控制电路利用监控中心分站控制，自动接受地面监控中心的指令，随时控制水幕的开关，实现自动控制。

现在井下已经安装自动化控制水幕20套，使矿井综合防尘自动化水平有了质的飞跃，逐步建立起自动化防尘网络。

（四）新上泄漏通讯系统

针对通讯不畅的问题，公司2005年投资30多万元从武汉七环公司引进KDLT-Ⅱ型井巷漏泄通信通讯系统。

1、泄漏通讯系统的组成

图8泄漏通讯系统组成方框图

2、基本原理

KJC-81-2型基地台是KDLT-Ⅱ型井筒漏泄通信系统的基本设备。

它有具无线通话及处理功能及行车调度等功能。

该基地台为60/80MHz频段的调频无线电台,防爆形式属于矿用本质安全型。

基地台电路包括收发信机、CPU控制单元、显示单元等部分。

图9基地电台原理简化方框图

在通话状态，接收机将来自漏泄电缆的调频信号放大并解调，输出音频信号直接驱动扬声器；发射机则将话筒送来的话音信号在压控振荡器进行调制，再经缓冲放大、激励级及功率放大后送至漏泄电缆。

泄漏通讯系统信号稳定、清晰、故障率低，实现了实时语音通讯，“一通三防”有关人员使用后，应急处理反应大大提高，使矿井的安全保障水平有了新的提高。

（五）实现专线在线监测

近年来，供电线路故障引发的掘进工作面局部通风机停风事故时有发生，给矿井安全生产和人员安危造成严重威胁，若不能及时发现和排除，很容易酿成瓦斯爆炸或窒息事故，尽管高瓦斯矿井掘进工作面供风做到了“三专两闭锁”，但受人为、技术、管理等因素的影响，停风现象仍屡见不鲜，针对这一情况，坤升公司成功利用现有的瓦斯监控系统实现了对局部通风机专线供电状态在线监测，有效遏制了掘进工作面停风引发的各类事故。

1、局部通风机供电系统不安全因素分析

采区变电所是掘进工作面局部通风机的供电枢纽，它接受井下主变电所送来的高压电能，变成低压后，分配局部通风机，即采区变电所――局部通风机供电方式。

此段供电系统所用电缆多、开关多、环境条件差，容易发生停电故障，主要原因有：

（1）电缆或电气设备由于长期使用、绝缘老化或潮气入侵，造成对地绝缘电阻降低。

（2）局部通风机工作环境恶劣，长期运行，过热烧毁。

（3）操作维修不当或其他意外事故。

针对上述原因造成，对采区变电所――局部通风机的供电线路进行监测，可使问题做到早发现、早汇报、早处理，保证局部通风机运行的连续性。

2、设计思路和设计框图

设计构思：

（1）能够适应多种形式和满足不同要求的矿井监控系统的需要。

（2）时时监测局部通风机供电线路的馈电状态，一旦出现供电中断情况，立即记录并报警。

在线监测设计框图：

（图10）

图10专线在线监测设计框图

3、基本原理

（1）基本原理

利用馈电状态传感器能够监测电缆芯线对地电场的原理，将馈电状态传感器卡在专线开关负荷侧电缆上；将馈电状态传感器的输出接至分站的开关量输入口，感应电压经分站中央处理器处理后传输至地面中心站主机，在主机软件内增加断电逻辑判别功能；当无馈电信号时自动报警并记录。

（2）馈电状态传感器的选择与安装

选择与负载是否工作，电缆有无电流流过无关，只要电缆芯线带电，则输出馈电状态；反之，输出非馈电状态的矿用本质安全型馈电状态传感器即可满足要求，安装方法如图11。

图11馈电传感器安装示意图

4、应用前景

在线监控是基于全国掘进工作面因局部通风机停电引发瓦斯超限及事故频发的实际提出的，将馈电传感器在其原功能进行了扩展和外延，赋予其新的作用，起到了监测预警作用，具有一定的推广应用价值。

5、取得效果

它克服了风筒传感器、局部通风机开停传感器只能事后预防，不能事前监督的弊端，一旦局部通风机供电线路发生故障，生产调度中心人员能够立即发现并安排处理，消除了潜在的安全隐患。

四、“一通三防”信息化建设取得的效果

矿井进行“一通三防”信息化创新实践以来，投入科研资金和研究经费达116万元，先后完成了无线监测传输、局部通风机在线监测、监测系统保护、防尘自动化改造、“四位一体”瓦斯抽放监控、监测结构改变等7个自主创新课题的研制和开发，推广应用了泄漏通讯系统、多屏显示、报警短信息发送等新的工艺。

通过创新实践，一是建立了立体化的监测网络。

实现了井下、地面、空中相结合的覆盖式监测网络。

二是建立了全方位的监测网络。

能够对瓦斯、风速、负压、设备开停、水压、温度、局部通风机在线运行状态等等进行实时监控。

三是建立了安全可靠的监测系统。

系统稳定型大大提高、故障率大大降低，为安全生产提供准确的决策依据。

四是经济效益明显，每年可节约人工1700工以上，提高煤炭生产效率3％以上，年创经济效益达56.5万元，并有力提高了“一通三防”安全保障水平。

五、“一通三防”信息化建设的今后努力方向

坤升公司根据实际需要，下一步将继续提升“一通三防”信息化建设水平。

一是投资35万元新上一套瓦斯员智能巡检设备,强化瓦斯员放炮员的现场管理。

二是新上矿井火灾、瓦斯爆炸决策系统软件一套，对矿井灾害发生情况，影响范围进行全面监控，全面提高矿井抗灾救灾水平，需投入40万元。

三是投资120万元，进行自主知识创新，逐步形成立体、全方位的信息化建设应用平台，逐步向自动化，井下无人值守的现代化水平迈进。