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煤矿安全生产监测监控

		点击数：	更新时间： 2021年09月04日
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矿井安全生产监测监控
主讲人：王广军

安徽理工大学安全培训中心
矿井安全监测监控
煤矿信息集成化、智能化、网络化是当前煤矿监测监控系统发展的特点，也是煤矿安全生产的重要保证。我国目前正生产和推广集多类子系统的全矿井综合监控系统，这种系统由信息管理系统、矿井安全监测监控系统、生产设备自动控制系统及工业电视监视系统等组成。

主要内容
一、电气防爆
二、矿井安全监测监控系统组成
三、矿井安全监测监控系统现状与发展

一、电气防爆
矿用电气设备的分类
  I 类为矿用电气设备
  Ⅱ类为工厂用电气设备
电气防爆
煤矿用防爆电气设备是按照国家标准 GB 3836《爆炸性环境用防爆电气设备》制造的。它适用于煤矿低瓦斯、高瓦斯和有煤尘与瓦斯突出、喷出的区域（其标志为“Ex” ） 
矿用一般型电气设备是专为煤矿井下生产的不防爆的电气设备，只能用于低瓦斯矿井井底车场，总进风巷和主要进风巷。使用架线电机车运输的巷道中及沿该巷道的机电铜室内也可采用一般型电气设备，其标志为“ KY ”。 
电气防爆
电气防爆
1.隔爆型电气设备 d 
  该设备具有隔爆外壳的防爆电气设备，该外壳既能承受其内部爆炸性气体混合物引爆产生的爆炸压力，又能防止爆炸产物穿出隔爆间隙点燃外壳周围的爆炸性混合物。

电气防爆
2.增安型电气设备 e 
  该设备在正常运行条件下不会产生电弧、火花或可能点燃爆炸性混合物的高温的设备结构上，采取措施提高安全程度，以避免在正常和认可的过载条件下出现这些现象的电气设备。 
电气防爆
 3.本质安全型电气设备 i 
    该设备全部电路均为本质安全电路的电气设备。所谓本质安全电路，是指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性混合物的电路。  
电气防爆
4.正压型电气设备 p 
     该设备具有正压外壳的电气设备。即外壳内充有保护性气体，并保持其压力（压强）高于周围爆炸性环境的压力（压强），以阻止外部爆炸性混合物进入的防爆电气设备。

电气防爆
5.充油型电气设备o
    该设备全部或部分件浸在油内，使设备不能点燃油面以上的或外壳外的爆炸性混合物的防爆电气设备。 
电气防爆
6.充砂型电气设备 q 
        该设备外壳内充填砂粒材料，使之在规定的条件下壳内产生的电弧、传播的火焰、外壳壁或砂粒材料表面的过热温度，均不能点燃周围爆炸性混合物的防爆电气设备。

电气防爆
7.浇封型电气设备 m 
      该设备将电气设备或其部件浇封在浇封剂中，使它在正常运行和认可的过载或认可的故障下不能点燃周围的爆炸性混合物的防爆电气设备。 
电气防爆
8.无火花型电气设备 n 
    该设备在正常运行条件下，不会点燃周围爆炸性混合物，且一般不会发生有点燃作用的故障的电气设备。 
电气防爆
9.气密型电气设备 h 
    该设备具有气密外壳的电气设备。 
10.特殊型电气设备 s 
      该设备异于现有防爆型式，由主管部门制定暂行规定，经国家认可的检验机构证明，具有防爆性能的电气设备。该型防爆电气设备须报国家技术监督局备案。 
二、矿井安全监测监控系统组成
(1)监测传感器及执行机构 
(2)分站 
(3)主站 
(4)信息传输系统 
监测传感器及执行机构
  传感器负责采集各种环境参数，将被测物理量信号转换为电信号。有些传感器还有显示和声光报警功能。执行机构的功能是接收来自传输系统的信息，并根据它执行开、停、断电等指令，从而完成各种控制功能。传感器的供电方式有 2 种：一种是 1 个传感器 1 个电源箱方式；另一种是集中供电的方式，即若干个传感器共用 1 个电源箱，而这种电源箱大多是与系统分站在一起。井下使用的传感器的供电电源必须是本质安全型的。 
监测传感器
传感器的基本概念与定义
    传感器是电子测量仪器的核心。它是借助于检测元件(又称传感元件、传感头)接受物理量形式信息(一般为非电量)，并按一定规律将它转换成同种或别种物理量形式信息的仪器，通常又称变换器、变送器、换能器等。检测元件接受的物理量称为被测参数，或称被测量。

对矿用传感器的一般要求 
(1)输入与输出之间有一定的函数关系，经常是    单值线性关系；
(2)较高的灵敏度、精度，安装方向对检测精度影响小，且有较快的反应速度；
(3)特性曲线的重复性和随时间变化的稳定性好
(4)抗干扰能力强，机械、热、电的过载稳定性好；
(5)防潮、防爆、体轻、坚固、耐用。 
误差分析
1)装置误差与方法误差 
2)基本误差和附加误差 
3)系统误差和随机误差 
4)绝对误差和相对误差
  绝对误差是指测量仪器指示值与实际值之间差值的绝对值 
 △＝ |X—A|
式中△——绝对误差；
    X——测量仪器指示值；
    A——实际值(真值)。 
误差分析
    相对误差的定义为：绝对误差与约定指示值之比。由于选取的约定指示值不同，相对误差又分为实际相对误差、标称相对误差、引用相对误差。在实际使用中，多用引用相对误差。
  例如：有一满刻度100A的电流表测量某电路电流，指示值为41A，实际值为40A，则有：
绝对误差：△＝41—40＝l A

矿用传感器
瓦斯、风速、负压、一氧化碳、烟雾、温度、风门开关；各种机电设备开停、电压、电流、功率、电度等矿用传感器

瓦斯传感器
沼气具有以下特性：无色、无味、无臭常温常压时呈气态；相对于空气的比重是0.554，难溶于水；扩散性较空气高1．6倍；无毒，但浓度很高时，因氧含量减少会引起人窒息死亡，不助燃，在空气中达到一定浓度时(5％一16％ CH4)遇高温能引起爆炸，引爆温度一般大于650℃，在空气中沼气浓度大于16％ CH4时，遇火燃烧。沼气与氧气在高温下的反应是发光、放热反应，其反应方程式如下：
    CH4十202＝CO2十2H20十Q

热催化式低浓沼气检测原理图      热催化沼气传感器结构示意图
瓦斯传感器
(1)铂丝线圈 
(2)裁体 
①?比表面积大，一般为l0—100m2／g；
②?耐热和传热性能好；
③?防潮、耐化学腐蚀性好；
④有一定的机械如度。 
(3)催化剂 
①活性大，由反应物转化生成物的转化率高，
②选择性高；
③稳定性好；
④使用期限长；
⑤工艺制造、筛选方便。 
瓦斯传感器
瓦斯传感器
进入燃烧室的沼气分于在检测黑元件表面进行热化学反应，释放热量。沼气的快速氧化需要一定的起始温度和催化剂作用。检测黑元件的第一个作用是为沼气氧化提供外在条件，通以较大的工作电流，将元件温度加热到沼气快速氧化的起始点；  
沼气氧化放出的热量与参加反应的沼气分子的质量成正比。在传感器几何结构、检测元件电参数一定时，沼气氧化生成的热量与外界环境中的沼气浓度成正比

瓦斯传感器
热催化式低浓沼气传感器的特点
(1)在沼气传感器有效测量范围内(一般0％一4％CH4)线性好，非线性误差小；
(2)灵敏度高，即对应单位沼气浓度电桥输出V大，
(3)灵敏度相对稳定，线性衰减慢，零点漂移小；
(4)重复性好。

瓦斯传感器
造成沼气传感器元件灵敏度下阵的主要原因 
①高浓度沼气激活失效
②煤尘与水蒸气的影响 
③元件化学组分变化、中毒失效 
瓦斯传感器
瓦斯传感器
瓦斯传感器
热导式甲烷传感器工作原理：利用甲烷的热导率高于新鲜空气的热导率，通过热敏元件测量甲烷空气混合物热导率的变化，进而测的甲烷空气混合物浓度的变化。
主要使用方向：热导式高浓度甲烷传感器是我国煤矿用于瓦斯抽放管道中监测瓦斯浓度的仪器。
热导传感器结构示意图

热导传感器特性曲线
热导传感器特性曲线
风速传感器 
矿用风速传感器按工作原理分有叶轮式、热线式、超声波式等。
  超声波风速传感器

超声波旋涡风速传感器原理框图
分站 
分站的作用是接收来自传感器的模拟信号，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；同时，接受来自主站多路复用信号（时分制或频分制等）。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，对传感器输人的信号和主站传输来的信号进行处理，控制断电器工作。传感器及执行机构距分站的最大传输距离一般不小于 2 km 。 
主站 
主站主要完成地面非本质安全型电气设备与井下本质安全型防爆电气设备的隔离。主站还具有控制分站的发送与接收、多路复用信号的调制与解调、系统自检等功能。主站一般由主机（含显示器）、打印机、电视墙（或投影仪、模拟盘、多屏幕、大屏幕）、 UPS 电源等组成。 
信息传输系统 
连接井下分站和地面中心站系统的即是信息传输系统。
三、矿井安全监测监控系统现状与发展
煤矿安全监控设备装备标准应以保障煤矿安全生产为原则。因此，煤矿安全监控设备的装备标准主要依据矿井瓦斯等级、自然发火状况等确定、不需要考虑矿井的生产能力。

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 
系统中心站 
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。 
系统中心站 
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 
煤矿监控系统井下分站 
l?? 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) 
煤矿监控系统井下分站
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 
矿井安全监控系统的装备要求
高瓦斯矿井、煤（岩）与瓦斯突出矿井，必须装备矿井安全监控系统。没有装备矿井安全监控系统的矿并的煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷的掘进工作面，必须装备甲烷风电闭锁装置或甲烷断电仪和风电闭锁装置。没有装备矿井安全监控系统的无瓦斯涌出的岩巷掘进工作面，必须装备风电闭锁装置。没有装备矿井安全监控系统的矿井的采煤工作面，必须装备甲烷断电仪。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共用。防爆型煤矿安全监控设备之间的输人、输出信号必须为本质安全型信号。 
使用和维护
矿井安全监控系统必须具有瓦斯、风速、压差、CO、温度、微音、地音等模拟量监测，馈电状态投备开停和风筒开关等开关量监测、瓦斯浓度超限声光报警和断电／复电、风一瓦斯一电闭锁、断电状态监测、自检、显示、存储、打印报表等功能。矿井监控系统中心站主机应不少干2台，1台工作，l台备用。当主机或系统电缆发生故障时，系统必须保证继续连续正常工作时间不小干于2小时。系统必须具有防雷措施，防止雷电引起井下瓦斯煤尘爆炸。

使用和维护
当瓦斯浓度超限切断被控电气设备的电源后，严禁自动复电，只有当瓦斯浓度降到复电门限以下时，方可人工复电。安全监控设备未投入正常运行或故障时，必须自动切断控制区域设备电源。

传感器的设置 
瓦斯传感器的设置 
瓦斯传感器应垂直悬挂，距顶板（顶梁）不得大于300mm，距巷道侧壁不得小于200mm。

采煤工作面甲烷传感器的设置 
   T0、T1 报警浓度为1.0%CH4,断电浓度为1.5% CH4 ，复电浓度小于1.0% CH4 ，断电范围为工作面及回风巷中全部非本质安全型电气设备；T3、T4报警浓度为0.5%CH4,断电浓度为0.5% CH4 ，复电浓度小于0.5% CH4 ，断电范围为进风巷内非本质安全型电气设备；被串采煤工作面及其进回风巷内全部非本质安全型电气设备；T2报警浓度为1.0%CH4,断电浓度为1.0% CH4 ，复电浓度小于1.0% CH4 ，断电范围为工作面及回风巷中全部非本质安全型电气设备
甲烷传感器的报警浓度、断电浓度、复电浓度和断电范围 及便携式甲烷检测报警仪的报警浓度
甲烷传感器的报警浓度、断电浓度、复电浓度和断电范围 及便携式甲烷检测报警仪的报警浓度
采煤工作面甲烷传感器的设置 
Z 型通风方式
采煤工作面甲烷传感器的设置 
Y 型通风方式
采煤工作面甲烷传感器的设置 
H 型通风方式
采煤工作面甲烷传感器的设置 
W 型通风方式
掘进工作面甲烷传感器的设置 
    T1报警浓度为1.0%CH4,断电浓度为1.5% CH4 ，复电浓度为小于1.0% CH4 。断电范围为掘进巷道内全部非本质安全型电气设备；T2报警浓度为1.0%CH4,断电浓度为1.0% CH4 ，复电浓度为小于1.0% CH4 。断电范围为掘进巷道内全部非本质安全型电气设备；T3报警浓度为0.5%CH4,断电浓度为0.5% CH4 ，复电浓度为小于0.5% CH4断电范围为被串掘进巷道内全部非本质安全型电气设备
高瓦斯矿井双巷掘进工作面甲烷传感器的设置 
T1报警浓度为1.0%CH4,断电浓度为1.5% CH4 ，复电浓度为小于1.0% CH4 。断电范围为掘进巷道内全部非本质安全型电气设备；T2报警浓度为1.0%CH4,断电浓度为1.0% CH4 ，复电浓度为小于1.0% CH4 。断电范围为掘进巷道内全部非本质安全型电气设备；T3报警浓度为1.5%CH4,断电浓度为1.5% CH4 ，复电浓度为小于1.0% CH4 。断电范围包括局部通风机在内的全部非本质安全电源。
有专用排瓦斯巷的采煤工作面甲烷传感器的设置 
有专用排瓦斯巷的采煤工作面甲烷传感器的设置 
机电硐室甲烷传感器的设置 
其它甲烷传感器的设置 
其它甲烷传感器的设置 
其它传感器的设置 
一氧化碳传感器应垂直悬挂，距顶板不得大于300mm，距巷壁不得小于200mm。一氧化碳传感器的报警值0.0024%CO 
其它传感器的设置
温度传感器布置在巷道上方，距顶板不得大于300mm，距巷壁不得小于200mm，温度传感器报警值30度。温度传感器应设置在风流稳定的位置
甲烷传感器的报警浓度、断电浓度、复电浓度和断电范围 及便携式甲烷检测报警仪的报警浓度
甲烷传感器的报警浓度、断电浓度、复电浓度和断电范围 及便携式甲烷检测报警仪的报警浓度
甲烷传感器的报警浓度、断电浓度、复电浓度和断电范围 及便携式甲烷检测报警仪的报警浓度
传感器的设置
传感器的设置
传感器的设置
传感器的设置
传感器的设置
传感器的设置
传感器的设置
存在的问题 
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 
现场管理和维护水平有待于加强
市场秩序亟待规范 
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，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;

发展趋势 
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

矿井监测监控的发展 
安全可靠、综合能力强
传感器电路通用 
信号传输采用统一标准
通用的矿井安全监测监控软件

备注：安全培训   矿井监测监控

谢谢大家

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