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矿井安全监控系统内蒙古煤矿安全技术培训中心2007 10 矿井瓦斯等级的划分低瓦斯矿井 矿井瓦斯相对涌出量小于或等于10m3 t且绝对涌出量小于或等于40m3 min的矿井 高瓦斯矿井 矿井瓦斯相对涌出量大于10m3 t 绝对量大于40m3 min的矿井 突出矿井 自建井以来发生过一次突出的矿井 第一章矿井安全仪器发展史与监测系统术语 第一节矿井安全仪器发展史 安全火焰灯 瓦斯灯 原理是以火焰的高度来判别瓦斯浓度 光干涉瓦斯鉴定器 以被测气体的折射率的原理 使用方便 构造简单 轻便 但受水蒸气和海拔高度的影响 热催化瓦斯鉴定器 采用热催化原理 以电表显示的安全仪器 缺点 易损坏 耗电大 报警器 采用热催化原理 当瓦斯浓度预置值时发出声光报警信号 无数据显示 瓦斯断电仪 采用催化载体将非电量转换成电量的电子安全仪器 有报警 断电功能 就地显示 就地执行 瓦斯遥测警报仪 在断电仪的基础上 采用载波技术 将井下瓦斯信号传输地面 实现了长期连续不断的对矿井瓦斯进行检测 监控 矿井安全监控系统 利用传感器技术 数据传输技术和计算机技术 对井下各种有害气体 温度 风速 负压等参数和设备及风门开 停状态实行实时监控 系统具有数据存储 显示 打印和信息联网上传等特点 矿井环境 安全 生产管理系统 由矿井安全监测系统 轨道运输系统 胶带运输系统 提升运输系统 矿井供电监控系统 矿井火灾监测系统 矿山压力监测系统 煤与瓦斯突出监测系统 矿井大型机电设备健康状况监测系统以及矿井视频监测系统 矿井人员定位系统组成的矿井安全管理系统 第二节矿井安全监控系统定义及术语 一 定义 对煤矿有毒 有害气体 环境及有关生产环节的机电设备运行状态等进行检测 监视 运用传感器技术 数据传输技术和计算机技术实现数据测量 数据采集 数据分析 数据传输 数据处理 对局部生产环境和过程进行监测和控制的一种矿井安全装备 二 矿井安全监控系统的术语和定义 1 煤矿安全测控仪器 指用于监测煤矿甲烷 一氧化碳 风速 风压等 超限报警或切断被控设备电源的监测监控仪器 包括煤矿安全监控系统 便携式检测仪器等 2 煤矿安全监控系统 具有模拟量 开关量 累计量采集 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 风速 风压 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 由主机 传输接口 分站 传感器 断电控制器 声光报警器 电源箱 避雷器等设备组成的系统 3 信号 随时间变化的物理量 分连续信号和间断信号 4 传感器 将被测物理量转换为电信号输出的装置 5 甲烷传感器 连续监测矿井环境气体中及抽放管道内甲烷浓度的装置 一般具有显示及声光报警功能 6 风速传感器 连续监测矿井巷道中风速的装置 7 风压传感器 连续监测矿井通风机 风门 密闭巷道 通风巷道等地通风压力的装置 8 一氧化碳传感器 连续监测矿井环境气体中一氧化碳浓度的装置 9 温度传感器 连续监测矿井环境温度高低的装置 10 烟雾传感器 连续监测矿井中胶带输送机胶带等着火时产生的烟雾的装置 11 风筒开关传感器 连续监测风筒是否有风的装置 12 馈电传感器 连续监测矿井中供电开关负荷侧有无电压的装置 13 声光报警器 能发出声光报警的装置 14 断电控制器 控制供电开关的装置 15 分站 煤矿安全监控系统中用于接收来自传感器的信号 并按预先约定的复用方式远距离传送给传输接口 同时 接收来自传输接口多路复用信号的装置 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传输接口传输来的信号进行处理 控制执行器工作 16 开关量 量值只反应高电位和低电位两种状态 如设备开 停 风门开 停 17 主机 主机主要用来接收监测信号 校正 报警判别 数据统计 磁盘存储 显示 声光报警 人机对话 输出控制 控制打印输出 与管理网络联接等 一般选用工控微型计算机或普通微型计算机 双机或多机备份 18 故障闭锁功能 当与闭锁控制有关的设备未投入正常运行或发生传感器 分站断线等故障时 必须切断该监控设备所控制区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁 19 馈电异常 被控设备的馈电状态与系统发出的断电命令或复电命令不一致 20 瓦斯矿井 只要有一个煤 岩 层发现瓦斯 该矿井即为瓦斯矿井 瓦斯矿井依照矿井瓦斯等级进行管理 分为低瓦斯矿井 高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井 21 便携式甲烷检测报警仪 具有甲烷浓度数字显示及超限报警功能的携带式仪器 22 甲烷报警矿灯 具有甲烷浓度超限报警功能的携带式照明灯具 23 模拟量 量值连续变化的物理量 如甲烷浓度 风速 用以电压的高低 电流的大小 频率的高低来表示 24 风电闭锁 当掘进工作面局部通风机停止运转或风筒漏风时 能自动切断被控设备电源的设备 25 甲烷风电闭锁装置 当掘进工作面局部通风机停止运转或风筒漏风时 或工作区域内甲烷浓度超限时能自动切断被控设备的电源的设备 26 传输接口 在系统中 接受分站远距离发送的信号 并送主机处理 接受主机信号 并送相应分站传输接口 主要完成地面非本质安全型电气设备的隔离 控制分站的发送与接受多路复用信号的调制与解调 系统自检等功能 27 系统软件 在计算机中文操作系统平台上 实现安全监控系统的全部功能的操作 28 遥测技术 利用电信在离测量仪器有一定距离的地方自动地显示或记录测量结果的技术 29 调制 用一信号 称调制信号 去控制另一作为载体信号 载波信号 让后者的某一特征参数按前者变化 30 解调 从已经调制信号中提取反映被测量的测量信号称为解调 31 调制解调器 为数据通信的数字信号在具有有限带宽的模拟信道上进行远距离传输的专用设备 安全监控系统的构成 第三节 1 概述 矿井安全监控系统 是应煤矿生产自动化和管理现代化的要求 为确保安全 高效生产 在便携式检测仪器 半固定式 固定式检测装置的基础上 应用遥测 遥控技术 监视及计算机的开发而发展起来的多种现代化技术装置组成的系统 对煤矿井上井下的有关气体 环境及有关生产环节的机电设备运行状态等进行检测 监视 用计算机对采集的数据进行分析处理 对设备局部生产环境或过程进行控制的一种安全管理系统 2 矿井安全监控系统监测和监控的内容 矿井空气成分的监测 主要有CH4 CO CO2 等 空气物理状态的监测 主要有温度 湿度 风速 空气压力等 生产环节的各种机电设备运行状态的监测 如水泵排水量 提升 压风机 运输机 采煤机 综掘机 局部通风机的运行状态和参数 3 矿井安全监控系统的组成 一般是由传感器 执行器 分站 电源箱 主站 主机 打印机 电视墙 管理工作站 服务器 路由器 ups电源 电缆和接线盒等组成 目前分为三大类 KJ TF A 1系列 其结构基本相同 都是由传感器及执行装置 传输 通信 系统 数据处理系统三大部分构成 1 传感器及执行装置传感器负责采集各种环境参数并送到传输系统 传感器直接关系到监控内容和数量及系统的准确度 因此 必须选择可靠 稳定 准确的传感器 执行装置的功能是接收来自传输系统的信息 并根据指令执行开 停 断电的控制功能 2 信息传输系统主要有传输接口 分站 中心站柜 电缆组成 其功能是接收传感器传来的各种信息 并把它转换成数字信号或频率信号 发送 接收装置及电缆和各种接口传送到地面中心站的计算机进行处理 同时接收计算机发来的各种指令 并通过上述设备传递给执行装置 3 数据处理系统有计算机 模拟盘及各种外部设备等硬件和各种应用软件 操作系统等软件组成 其功能是接收来自传输系统的信息 并对其进行综合分析判断 同时通过屏幕 模拟盘对监测参数或状态进行显示 当某些环境参数超过预定值时 自动报警 并可向井下发出控制信号 切断影响区域电源 防止事故发生 对一些重要监测参数可存储规定时间内的数据 并可随时用屏幕显示 打印 绘图等方式再现所需资料 模拟量输入设备 各种环境参数的传感器 如CH4 CO O2 风速 温度 负压等以及电流 电压 速度 位移 流量 比值等 开关量输入设备 各种机电 机械的开闭状态传感器 脉冲 计数 计时 传感器 输出设备 设备开停 断电器 状态调节器 数据通道 数据的传输与接受处理数据传输 把输入设备的各种信号进行初次加工后 以特定的格式或方法传输到井上 输出设备 设备开停 断电器 状态调节器 数据通道 数据的传输与接受处理数据传输 把输入设备的各种信号进行初次加工后 以特定的格式或方法传输到井上传输方式 1 MODEN 调制解调器 将串行数据以键控频率方式传到井上 300 600 1200 2400 4800 9600等 2 基带 RS422或RS485串行口直接将数据信号传到井上 3 分频 载频 方式传到井上 井下电源 由分站提供 将动力电源转换为传感器及分站用本质安全型低压电源 传输电缆 系统采用专用通信电缆和光缆 井上部分前置设备 用于接收数据及对数据进行初次处理 信号接收 调制 数据分离 变换 存储 传送 控制信号发送等 后置设备 接收前置设备的数据包 并进行综合处理 显示 打印结果 资料统计 分析存盘 历史数据存档 必要时产生回控命令信号 经前置设备送到井下分站 矿井安全监控系统组成示意图 主机 主机 数据处理器 文件处理器 电视墙 路由器 终端 主站 打印机 打印机 分站 分站 电源 电源 执行机构 模拟量传感器 开关量传感器 执行机构 模拟量传感器 开关量传感器 井上部分 井下部分 UPS 矿井安全监控系统的组成 第四节 安全监控系统的特点 矿井监控系统不同于一般工业监控系统 与之相比有以下特点 1 电气防爆 系统在有瓦斯与煤尘环境的矿井下 其设备必须是防爆型 2 传输距离远 系统的传输距离至少要达10km 3 网络结构宜采用树形结构 由于巷道为分支结构 且分支长度可达数千米 为便于系统安装维护 节约传输电缆 降低成本 宜采用树形结构 4 监测对象变化缓慢 监控对象为缓慢量 系统对传输速率要求不高 5 电网电压波动大 大型设备启动 影响电网电压 6 工作环境恶劣 潮湿 粉尘 瓦斯 7 传感器宜采用远程供电 不宜采用中间继电器 延长系统传输时间 有源设备 故障率高 第二章传感器 第一节传感器的特性 一 传感器的特点它是一种以测量为目的 以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的 易于处理电量信号输出 1 传感器是一种测量装置 能够完成一定的检测任务 2 它的输入量种类很多 且多为模拟信号的非电量 3 它的输出量是经过转换后的电量信号 是有一定的对应关系和转换精度 传感器的组成 包括敏感元件 传感元件及测量转换电路三部分 敏感元件 直接感受被测量的元件 通过它可以将被测量转换成为与之有确定关系的 便于转换的非电量信号 传感元件 该信号再通过传感元件 被转换为电参量 测量转换电路 将传感元件输出的电参量在转换成易于处理的电压 电流或频率 应当注意的是 不是所有的传感器都有敏感元件和传感元件之分 有些传感器则将两者合二为一 二 传感器的特性 1 灵敏度 在稳定的条件下 传感器的输出量变化值与引起此变化的输入量变化值之比 对线性传感器 灵敏度为一常数 2 分辨率 传感器能检测出的被测信号最小变化量 3 线性度 传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差和传感器满量程输出的百分比 4 迟滞 传感器正向特性与反向特性的不一致程度5 传感器所允许测量被测物理量的量值范围 用上 下限来表示 上限值又称为满量程值 使用中不宜超量程运行 增加误差 损坏传感器 传感器质量的好坏对系统的正常运行影响很大 一般人们把它称之为系统的心脏元件 传感器的线性度 正向特性 反向特性 第二节甲烷传感器 一 组成及工作原理组成 主要由电桥电路 线性放大电路 U I变换电路 或U F变换电路 数字显示电路 比较报警电路 超限保护电路以及稳压电路等单元电路组成 工作原理 利用电桥不平衡的原理 甲烷在传感元件 含敏感元件 表面 在催化剂的催化下 发生无焰燃烧 放出热量 使传感元件升温 进而使传感元件阻值增大 破坏了平衡的电桥 使电桥有输出值 进而 产生瓦斯的浓度越高传感元件的阻值越高 电桥输出值越大的线形正比关系 因此 通过测量传感元件阻值变化就可测出甲烷气体的浓度 电桥典型电路 USC R1 R3 R2 R4 R1 R2 R3 R4 电桥平衡条件 USC 0R1 R3R2 R4或 若 R1 则 R1 R2 R3 R4电桥平衡破坏USC有输出 将R1用铂金丝按一定的几何参数绕制的螺旋状 外部涂以氧化铝浆并经煅烧而成的一定形状的耐温多孔载体 其表面涂上一层催化剂 经过处理的元件接在电桥的桥臂上 而其他桥臂电阻匹配适当 满足电桥平衡的状态 当一定的工作电流通过R1时 其表面即被加热到一定的温度 而这时 当含有瓦斯气体接触到R1表面时 便被催化燃烧 燃烧放出的热量又使R1的温度升高 使铂金丝的电阻值明显升高 于是电桥就失去平衡 输出一定的电压 其值与瓦斯浓度呈正比关系 因此 可以根据测量电桥的输出电压值的大小测算出瓦斯的数值 CH4 2O2 CO2 2H2O H CH4 R1表面温度 R1阻值 电桥平衡破坏 R1 R2 R3 R4 USC电信号 CH4因涂在铂金丝的催化剂颜色为黑色 故将其称为黑元件 R2是作为桥路补偿元件 其表面未涂催化剂 故呈白色称之为白元件 电气原理图 数字显示电路 线性放大电路 比较报警电路 U IU F变换电路 测量电桥电路 超限保护电路 低压差稳压电路 集成稳压电路 电路分析由电桥的输出参数经线形放大器放大后 一路供到数字显示电路 显示出瓦斯的数值 一路进入比较报警电路 若示值大于预约值触发报警电路发出警报 一路进入U I或U F电路输出到分站 为保证电桥正常稳定的工作 采用两极稳压措施 为防止传感器超限工作设有超限保护电路 免遭高浓度瓦斯对传感器造成伤害 U F变换电路 是以 劳耶尔典型电路 为基础的电路 将一个电压或电流信号转换成低频脉冲信号 U F变换电路的输出低频脉冲信号的个数与其输入电压 电流 的 高低成正比关系 即输入电压越高则输出的低脉冲信号个数越多 将与瓦斯浓度成正比关系的电信号 再次转换成与瓦斯浓度成正比关系的低频脉冲信号 其个数与瓦斯浓度成正比关系 二 使用注意事项 1 本仪器应固定专人使用维护 严格按使用说明书进行操作 非专职人员禁止使用 拆开仪器和旋动电位器 2 在使用中避免猛烈摔打 碰撞 3 仪器应建立必要的登记和记录制度 对每台仪器的使用 故障等情况逐一记录备案 4 对仪器的零点 测试精度和报警点要定期调校 应及时擦拭 清扫气室内部及仪器外部的煤尘 保持清洁 5 更换黑白元件时 需成对更换 6 甲烷传感器黑白元件的最大杀手是硫化氢气体 在选择设备时要慎重 电桥典型电路 USC R2 R3 R4 USR R1 r1 r1 精度电位器 r0 r0 调零电位器 开关量1 风门开 闭传感器 是一种磁性驱动的接近开关 由干簧开关组件与磁性体组件两部分组成 干簧开关组件贴近磁体后 干簧开关组件内的触头闭合 远离后干簧开关组件触头在自身的张力下自动打开 使用中应将磁体安装在风门的门扇上 干簧开关组件安装在风门的门框上 磁钢 干簧管 2 设备开停传感器 利用测定磁场的方式 间接地测定设备的工作状态 通电后的导体周围必定产生磁场 测出电缆周围有无磁场存在 就检测电缆内有无电流通过 即可鉴别设备的开 停状态 利用传感头中的检测线圈 测得磁感应信号 经放大 检波 信号变换及信号输出等环节 将设备的开 停信息传到井下分站 适用于工作电流为10A以上设备 电缆 传感器 电缆芯线 传感器 3 风筒风量传感器 风筒风量传感器主要用于监测风筒中的风量 当局部通风机停止运转或风筒漏风造成风筒出口风量不足时传感器接点打开 通过甲烷风电闭锁装置 自动切断局扇供风的工作面一切非本质安全电源 风筒 弹簧 输出接点 第三章分站 第一节分站的功能 它以微处理器为核心 使分站成为一个完整的微处理系统 它的主要任务是将各种传感器对矿井实时采集的环境数据参数 如瓦斯 一氧化碳 风速等进行处理后 实时的向地面主机传送 同时 接收和执行地面主机发出的各种指令 完成对关键生产场所的安全检测与控制 它既可作为监控分站与监控系统配套使用 也可在没有监控系统的矿井作为风电甲烷闭锁装置单机使用 分站功能 1 能按预先设定 自动循环采集各种传感器信息 模拟量参数和开关量状态 2 与地面中心站主机进行通讯 接收主机命令信息 将采集到的数据信息及设备运行状态信息传送至地面主机 或接收主机控制命令 执行切断被控设备电源等操作 3 以一定的时间间隔循环显示被测参数值 显示开关量状态 如风门开 关 设备开 停 馈电等 以及系统通讯状态 供电状态等 4 具有甲烷超限报警功能 当被测区域风流中甲烷浓度达到预置的报警点时 由传感器发出声 光报警信号 当甲烷浓度恢复到预置的报警值以下 能自动解除报警 5 具有甲烷超限断电及闭锁功能 当监视被控区域甲烷达到预置断电点浓度时 输出切断被监视区域电源开关的控制信号并闭锁 当被监视区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 6 风电甲烷闭锁装置功能 1 当掘进工作面 工作面入风及工作面回风风流中的甲烷浓度达到断电点时 装置能输出切断被控区域 掘进工作面 入风和回风 的非本质安全电气设备电源信号并闭锁 当甲烷浓度降到 规程 规定时 装置自动解锁 2 当局部通风机停止运转或风筒中风速低于 规程 规定数值时 装置输出切断被控区域非本质安全电气设备电源信号并闭锁 当局部通风机恢复正常工作时 装置能自动解锁 风电 瓦斯电闭锁在安全生产中所发挥的作用 1 杜绝无计划停风 消除瓦斯积聚 2 杜绝因瓦斯超限而强行作业的违法行为 3 消除了作业过程中的随意性 4 有效的防止因违章作业而发生瓦斯事故 保证安全生产 3 当装置所配接的设备出现故障或断电时 装置输出切断被控区域非本质安全电气设备电源并闭锁 当配接设备恢复正常时 装置自动解锁 4 当装置配接的设备接通电源1min内 继续闭锁被控区域的动力电源 当配接设备正常工作时 系统装置能自动解锁 5 根据中心站的定义 分站具有接受异地分站控制或控制切断异地电气设备功能 6 当供电电源停电时 后备电源自动投入工作 时间 2h 第二节分站的组成及工作过程 1 单片机部分 是支持CPU工作的最小系统 启动电源后 存储在EPROM中的分站工作程序立即执行 显示分站地址号 进行正常工作程序 2 A D转换器 计算机能够识别的信号为0 1 为使模拟信号转换成计算机能够识别的信号 由A D转换器来完成 即将代表着瓦斯的模拟信号转换成0 1二进制计算机 RS 232 信号 主要由COMSA D转换电路完成 3 分站通信部分 1 接受中心站调制解调器后发来的信号 解调成标准的RE 232信号 传递给CPU 2 接受分站单片机发来的RE 232信号 调制后以载波信号形式 通过传输电缆传递井上 地面计算机发出的指令信号0调制为1070Hz 1调制1270Hz 井下分站将0调制为2025Hz 将1调制为2225Hz 由井上 下调制解调器完成 4 I O部分 井下分站外部设备开关的控制电路 对外部设备和开停状态信息的采集电路以及地址开关的信息采集等 二进制数和十进制数换算对照表 第三节信息传输 一 信息传输矿用传感器输出的电信号可分为连续变化的模拟信号和阶跃变化的开关量信号两大类 从广义上讲 开关量信号是一种简单的数字信号 模拟信号可通过模拟 数字转换器 A D转换器 转换为数字信号 数字信号也可通过数字 模拟转换器 D A转换器 转换成模拟信号 按照系统所传输的信号的不同 矿井监控信息系统可分为两类 模拟传输系统和数字传输系统 数字传输系统与模拟传输系统相比 具有如下优点 抗干扰能力强 传输中的差错可以设法控制 改善传输质量 可以传递各种信息 使传输系统变得通用 灵活 便于用计算机对系统进行管理 但数字传输的上述优点都是用比模拟传输占据更宽的传输频带而换得的 由于井下电磁干扰严重 传感器种类繁多等因素 数字传输在矿井监控系统中得到广泛地应用 1 单向传输 半双工及全双工传输单向传输 信息只能单方向进行传输的工作方式 半双工 单向 传输 通信双方都能收发信息 但不能同时进行收和发的工作方式 全双工传输 通信双方可同时进行双向传输信息的工作方式 2 串行传输与并行传输串行传输 代表信息的各种数字信号序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输的方式 通信方式示意图 发端 发端 发端 发端 发端 收端 收端 收端 收端 收端 信道 信道 信道 信道 二 矿井监控信号传输的特点几种复用方式用于矿井监控系统的复用方式有 频分制 时分制和码分制 频分制 是将一条传输线的频率资源 分配给若干个对象 将其所含信息的载波进行调制 在这些载波附近各自形成一个载有相应信息的频带信号 该频带的宽度与所含信息的频率宽度成正比 并与调制方式 调制深度等有关 时分制 将一条传输线的时间资源 分配给若干个对象 每一个对象按一定的规则 轮流地使用该传输线 并且在同一时间内 只许一个对象使用 码分制 与时分制在原理上有很大不同 它们都是通过将各路信息调制在各自的载波上实现的 它是由经一定时间 成为周期 后 周而复始的码串组成 理论表明 只要两个 或多个 波形的码串特征各不相同而且它们之间的波形相关系数为零 那么 便于可作为多路复用的载波 这种基于载波码串特征的不同来区分多路信息复用的方式称之为码分制 第四章系统的安装及系统要求 一 监控系统达到井下安装的要求 1 直观检查 A防爆性能符号规定 B系统部件 探头 分站 断电器 齐全 无损坏 电位器灵活 C系统输入电压与现场电压相符 D技术资料 备件 专用工具齐备 2 技术指标与功能试验1 本质安全电源试验测试开路电压和短路电流2 通气试验 指示与跟踪 通入瓦斯标气和空气 线性试验 分别通入0 5 1 0 1 5 2 0 3 0 的标气 对传感器的指示情况进行测试 3 报警 断电 复电功能试验 3 系统的统调系统经测试符合要求后 进行井上统调 即探头 分站 断电器 调制解调器 计算机 调制解调器按使用说明书的要求连接后 接通电源 连续工作24 48小时后 未有异常现象 即可井下安装 二 矿井监控系统应用软件随着软硬件技术的发展 软硬件技术有了长足的进步 计算机的处理能力 操作系统的功能 界面在不断的更新 操作系统软件的易操作性 稳定性以及监测 监控系统的共享性都有了较大的提高 当前 均有如下特点 整个软件由两大部分构成 中心站软件系统 监测终端软件系统 软件网络通讯底层采用Windows面向连接的套接字通讯技术 使网络稳定可靠 数据保存采用ACCESS数据库 便于二次开发和资源共享 监测点超限可一控多 多控一 不同分站间相互控制与手动控制 可用软件定义来实现较为复杂的逻辑控制 超上限控制 超下限控制和模拟量状态控制灵活选择 数字量测点可以关联控制断电 便于实现风电闭锁 查看任意时间段的测点变化趋势 用户可自由定义报表格式 具有动态图形显示功能 三 矿井监测系统通用要求矿井监控系统除应能满足矿井信息传输要求外 还应满足下列要求 1 系统应具有模拟量 开关量和累计量监测功能 2 系统应具有声光报警 模拟量和开关量手动与自动控制功能 3 系统应具有备用电源 当电网停电后 系统应能对主要监控量连续监控 继续监控时间应不小于2小时 4 系统应具有自检功能 当系统中传感器 分站 传输电缆等设备发生故障时 报警并记录故障时间 故障设备 以供查询及打印 5 系统应双机备份 并具有手动切换功能 自动切换功能可选 当工作主机发生故障时 备份主机投入工作 保证系统的正常工作 6 系统应具有实时存盘功能 其存盘内容包括 甲烷 风速 负压 一氧化碳等重要测点模拟量的实时监测值 模拟量统计值 最大值 平均值 最小值 报警及解除报警时间及状态 断电 复电时间及状态 断电 复电逻辑关系不符报警时间及状态 设备开 停时间及状态 累计量值 设备故障 恢复正常工作时间及状态等 在这些存盘项目中 除重要监测模拟量的实时监测值存盘记录应保持24小时外 其余均应保存3个月以上 并且当系统发生故障时 丢失上述信息的时间长度应不大于10分钟 7 系统应具有列表显示功能 模拟量及相关显示内容包括地址 单位 报警门限 控制门限 监测值 最大值 最小值 平均值 传感器故障 闭锁与解锁等 开关量显示内容包括地点 名称 单位 累计值等 8 系统应具有模拟量实时曲线和历史曲线显示功能 在同一坐标上用不同颜色显示最大值 平均值 最小值3种曲线 在一屏上 同时显示不小于3种模拟量 并设有标尺 可显示对应时间标尺的模拟量值 9 系统应具有柱状图显示功能 以便直观地反应设备开机率 显示内容包括地点 名称 最后一次开 停时刻和状态 工作时间 开机率 开 停次数 传感器状态 闭锁与解锁等 并设时间标尺 10 系统应具有模拟动画显示功能 以便形象 直观 全面地反应安全生产状况 显示内容包括工程流程模拟图 相应设备开停状态 相应模拟量数值等 为满足大型复杂生产系统的需要 应具有漫游 总图加放大 分页显示等功能 为了使用模拟图 除具有一幅显示全矿概况的总图外 一般按使用功能划分多个系统图 例如 通风安全系统模拟图 轨道运输系统模拟图 胶带运输系统模拟图 提升运输系统模拟图 供电系统模拟图 排水系统模拟图 巷道布置图 避灾路线图等 11 系统应具有设备布置图显示功能 以便及时了解系统配置 运行状况 便于管理与维修 显示内容包括传感器 执行机构 分站 电源箱 主站和电缆等设备的设备名称 位置和运行状态等 若系统庞大一屏容纳不了 可漫游 分页或总图加局部放大 12 系统应具有报表 曲线 柱状图 模拟图 初始化参数等召唤打印功能 定时打印功能可选 以便于报表分析 13 系统应具有人机对话功能 以便于系统生成 参数修改 功能调用 控制命令输入 14 系统应具有防雷措施 防止雷电击毁设备 引起井下瓦斯事故 15 系统应具有抗干扰措施 防止架线电机车火花 大型机电设备启停等电磁干扰影响系统正常工作 16 系统分站应具有初始化参数掉电保护功能 以防分站停电后 初始化参数丢失 17 系统宜具有工业电视图象等多媒体功能 以便提高信息的利用率 18 系统宜具有网络通信功能 以便矿领导及上级主管部门对监控信息的利用 19 地面设备应具有防静电措施 20 系统应工作稳定 性能可靠 出厂前要进行连续7天的稳定性试验 系统软件死机率应小于1次 720小时 21 系统应整幅实时数据画面的响应时间应小于5秒 22 电源波动适应范围 地面 90 110 井下 75 110 四 矿井安全监控系统软件总体要求实时性 监测软件的监测 数据计算 判断 处理 传输 控制等功能应具有实时性 能周期地循环 而不中断 数据处理精度 监控软件在完成数据运算 处理时 所带来的各种运算 处理误差应小于0 5 死机率 在连续运行过程中 软件引起的死机率应小于1次 月 键盘响应 在连续运行过程中 软件应能响应操作人员从键盘输入的命令并要求从输入到执行命令的最间隔时间小于30S 中文功能 监测软件必须具有汉字显示 用汉字及字符打印报表的功能 自检功能 监控系统软件宜具有对接入系统的传感器 分站的工作状态 传输电缆故障位置的自检功能 信息输出和存储功能 监控软件应具有显示 打印 报警和存储功能 生成功能 监控软应具有在不中断正常监控功能的条件下由用户随时生成 修改各种参数及表格的功能 五 监控系统的技术管理资料安全监控机构应建立以下帐卡及报表 设备 仪表台帐 监控设备故障登记表 检修记录 巡检记录 中心站运行日志 矿井安全监控日报表 矿井安全监控设备使用情况月报 季报表 安全监控机构必须绘制安全监控设备布置图和断电控制接线图 图上标明传感器 声光报警器 断电器 分站 电源 中心站等设备的位置 接线 断电范围 报警门限 断电门限 复电门限 传输电缆 供电电缆等 并根据实际布置及时修改 监测技术资料均需定期保存 井下事故记录应长期保存 第五章我国煤矿监测监控系统现状与发展趋势 发展过程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 由于当时相当一部分监控系统由于技术水平低 功能和扩展性能差 现场维修维护和技术服务跟不上等原因 或者已淘汰 或者停产 因此造成相当一部分矿井无法继续正常使用已装备的系统 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 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 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机会 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 我国煤矿监测监控系统的技术水平1 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 2 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 2 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 随着计算机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 3 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达到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 4 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 实践表明 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 目前存在的问题1 通信协议不规范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 通信协议不规范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规范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 3 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 a 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 b 对过分追求低功耗的元件 在矿井高湿度环境条件下 CH4在元件表面燃烧生成的水蒸气易于凝结在元件表面 降低元件使用寿命 c 抗中毒性能差 d 载体催化元件制作工艺水低 元件一致性差 4 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 5 市场秩序亟待规范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计算机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 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 b 针对通信协议不规范和传输设备物理层协议不规范尽 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 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 第六章矿井电气防爆及安全闭锁 第一节电气防爆及供电保护 煤矿安全监控设备必须工作稳定 性能可靠 严禁由于设备在设计 制造中的隐患引起瓦斯 煤尘或危及人身安全 为确保煤矿安全监控设备的产品质量 煤矿安全监控设备必须符合有关国家标准和行业标准 通过煤炭行业标准化归口审查 通过国家技术监督局认证的检测机构的型式检验 并取得 MA标志准用证 用于爆炸性环境的煤矿安全监控设备 还必须通过国家技术监督局认证的检测机构的防爆检验 并取得 防爆合格证 一 概念 1 防爆 电气设备在有爆炸性的混合物的地点使用中 不会引起周围爆炸性混合物发生爆炸的性能 矿井中使用的隔爆设备 增安设备 本质安全性设备等 2 隔爆 电气设备的外壳内部发生爆炸时 决不引起外壳外部的爆炸性混合物的燃烧和爆炸的性能 它的外壳具有耐爆性和隔爆性 3 失爆 电气设备外壳内部发生爆炸时 引起壳外的爆炸性混合物发生爆炸 或是从各处缝隙中喷出高温火焰 引起壳外的爆炸性混合物的爆炸 二 常见的防爆电气设备的类型1 隔爆型 d 2 增安型 e 在正常运行中 不会产生火花 电弧或可能点燃爆炸性混合物的高温设备结构上 采取措施提高安全程度 3 本质安全型 i 在规定的试验条件下 正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸物的电路 三 矿用防爆电气设备的防爆标志第一部分为防爆特别标志 用 Ex 表示 第二部分为防爆形式 用防爆代号表示 第三部分为类别如 Exd 一类矿用隔爆型电气设备Exib 一类矿用本质安全型电气设备Exdib 一类矿用隔爆兼本质安全型电气设备 本质安全型电气设备的防爆原理 通过限制电气设备电路的各种参数 或采取保护措施来限制电路的火花放电能量和热能 使其在正常工作和规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃周围环境的爆炸性混合物 从而实现了电气防爆 由于本质安全型电气设备的电路本身就是安全的 所产生的火花 电弧和热量都不会引燃周围爆炸性混合物 因此 本质安全型电气设备不需要专用的防爆外壳 简化设备的结构 缩小设备的体积和重量 具有安全可靠 结构简单 体积小 重量轻 制造维修方便等特点 是一种十分理想的防爆电气设备 但由于本质安全型电气设备的最大输出功率为25W左右 使用范围受到限制 主要用于通讯 监控 信号和控制系统 以及仪器 仪表等 本质安全型电气设备根据安全程度的不同分为ia ib两个等级 ia等级是指电路在正常工作 一个或两个故障时都不会引燃周围爆炸性混合物的电气设备 当正常工作时 安全系数为2 一个故障时安全系数为1 5 两个故障时安全系数为1 ib等级是指电路在正常工作和一个故障时 不会引燃周围爆炸性混合物的电气设备当正常工作时 安全系数为2 一个故障时安全系数为1 5 从安全等级划分标准中ia等级的本质安全型电气设备的安全程度高于ib等级 技术上ia等级的本质安全型电气设备比ib等级的本质安全型电气设备要更高更严 第二节安全闭锁1 风电闭锁 掘进工作面的局扇停止运行后 工作面及其附近巷道会积聚瓦斯 煤尘 如果这时工作面和巷道中的电气设备仍然有电工作 就有可能成为引起瓦斯煤尘爆炸的火源 为消除这些隐患 在局扇停止运行时 能立即切断局扇供风的巷道中的一切电源 称之为风电闭锁 局扇停止运行后 为确保安全在开启时必须遵守 规程 的规定 2 瓦斯电闭锁掘进工作面中设置的瓦斯监测仪 当探测到瓦斯超规定限度时 具有自动切断动力电源 并只有瓦斯浓度降到规定限度以下时 方能恢复送电的闭锁装置 具有以下功能 1 工作面或风流中瓦斯浓度超限时 切断工作面及回风巷风流中的非本质安全电源 2 串联通风工作面入风流中瓦斯浓度超限 切断被串工作面内的一切非本质安全电源 3 工作面与全风压风流汇合处瓦斯超限 切断回风巷风流中的非本质安全电源 并发出声光报警 4 局扇风筒风速过低或局扇断电时 切断供风区域的一切非本质安全电源 5 局扇停止运行时 停风区域内瓦斯浓度达到3 以上时 闭锁局扇电源 须人工解锁 方能启动局扇 6 传感器故障或断电时 能切断传感器监视区域的一切非本质安全电源 7 因主机发生故障而失电时 切断监视区域的一切非本质安全电源 并闭锁 8 闭锁装置接通电源1min内 继续闭锁相应区域内的被控设备 9 实现4 8条功能后 如果恢复到正常通风状态或故障恢复正常并达到稳定运行后 装置能自动解锁 10 必须使用专用工具方能通过闭锁装置对局扇进行解锁 不允许对已闭锁的动力电源进行人工解锁 第三节矿井供电安全保护 一 过流保护凡是流过电气设备的电流超过它们的额定电流值 称为过流 1 短路和过负荷 电气设备在运行中其额定电流值和温升超过额定电流值和容许的温升 导致绝缘损坏烧毁设备 2 断相 断相后转矩小 电机线圈过负荷 烧毁设备 二 接地保护1 工作接地 电力系统中设备运行需要接地 2 保护接地 电机设备外壳和构架接地与接地极相连 3 过电压保护接地 为消除过电压而设置的接地 避雷针 避雷电接地 三 漏电保护 当电网中漏电电流达到危险值时 能自动切断电源的装置 要求 1 连续监视2 迅速动作 3 入井前必须详细认真检查试验 4 必须考虑电网对地分布电容的影响 使流过人体的电流限制在允许数值的安全范围内 矿井灾害与防治 煤矿安全规程 相关规定 2006年版 第159条 采区设计 采掘作业规程和安全技术措施 必须对安全监控设备的种类 数量和位置 信号电缆和电源电缆的敷设 控制控制区域等做出明确规定 并绘制布置图 第160条 煤矿安全监控设备之间必须使用专用阻燃电缆或光缆连接 严禁与调度电话电缆或动力电缆等共用 防爆型煤矿安全监控设备之间的输入 输出信号必须为本质安全型信号 安全监控设备必须具有故障闭锁功能 当与闭锁控制有关的设备未投入正常运行或故障时 必须切断该设备所监控区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁 当与闭锁控制有关的设备工作正常并稳定运行后 自动解锁 矿井安全监控系统必须具备甲烷断电仪和甲烷风电闭锁装置的全部功能 当主机或系统电缆发生故障时 系统必须保证甲烷断电仪和甲烷风电闭锁装置的全部功能 当电网停电后 系统必须保证正常工作时间不小于2h 系统必须具有防雷电保护 系统必须具有断电状态和馈电状态监测 报警 显示 存储和打印报表功能 中心站主机应不小于2台 1台备用 第161条 安装断电控制系统时 必须根据断电范围要求 提供断电条件 并接通井下电源及控制线 安全监控设备的供电电源必须取自被控开关的电源侧 严禁接在被控开关的负荷侧 拆除或改变与安全监控设备关联的电气设备的电源线及控制线 检修与安全监控设备关联的电气设备 需要安全监控设备停止运行时 须报告矿调度室 并制定安全措施后方可进行 第162条 安全监控设备必须定期进行调试 校正 每月至少1次 甲烷传感器 便携式甲烷检测报警仪等采用载体催化元