煤矿监测监控论文

第一章绪论

1.1 概述国内外监控系统及其技术的发展

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，3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。

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。

第二章系统总体设计

2.1 矿井监控系统的组成

矿井监控系统由地面中心站、监控软件、传输接口装置、井下智能分站、各种相关矿用传感器等组成。地面中心站配备监控主机和打印机。主机通过传输接口与各分站通讯，监测主机屏幕可以显示动、静态图形、数据、曲线、通风（流向）图、测点配置图等，打印机可打印监测参数报表。其典型结构如图所示。

监测监控系统结构图

2.11 地面中心站

地面中心站能够实现各种监测数据的处理、显示、查询、储存、打印等功能，另外，操作员发出的设备控制命令也是通过地面中心站完成的。

生产参数的监测主要是指监控井上、井下主要生产环节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、局部通风机、主要通风机、带式输送机、采煤机、开关、磁力起动器等的运行状态和参数等。

环境参数的监测主要是指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、一氧化碳浓度、氧气浓度、风速、负压、井下空气温度、岩煤温度、顶板压力、烟雾等。

同时，地面中心站也有显示测量参数、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等功能。

2.12 井下分站

尽管监测监控系统的井下分站形式多样，但基本上都具备如下功能：

（1）开机自检和本机初始化功能；

（2）通信测试功能；

（3）分站具有自动控制功能（实现断电仪功能、风电瓦斯锁闭功能、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，且可以通知中心站；

（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、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）分站自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。

2.13传感器与控制器

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。

煤矿井下使用的控制器主要是指各种规格的断电仪，其主体是由继电器构成，该断电仪的寿命长，可靠性高。

2.2相关术语及解释

⑴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。

⑵传感器：将被测物理量转换为电信号输出的装置。

⑶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。

⑷风速传感器：连续监测矿井通风巷道中风速大小的装置。

⑸风压传感器：连续监测矿井通风机、风门、密闭巷道、通风巷道等地点通风压力的装置。

⑹一氧化碳传感器：连续监测矿井中煤层自然发火及胶带输送机胶带等着火时产生的一氧化碳浓度的装置。

⑺温度传感器：连续监测矿井环境温度高低的装置。

⑻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浓度的装置。

⑼设备开停传感器：连续监测矿井中机电设备“开”或“停”工作状态的装置。

⑽风筒传感器：连续监测局部通风机风筒“有风”或“无风”状态的装置。

⑾风门开关传感器：连续监测矿井中风门“开”或“关”状态的装置。

⑿馈电传感器：连续监测矿井中馈电开关或电磁启动器负荷侧有无电压的装置。

⒀执行器(含声光报警器及断电器) ：将控制信号转换为被控物理量的装置。

⒁声光报警器：能发出声光报警的装置。

⒂断电控制器：控制馈电开关或电磁启动器等的装置。

⒃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、对传感器输入的信号和传输接口传输来的信号进行处理的能力，控制执行器工作。

⒄主机：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。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。

⒅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。

⒆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。

(20)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。

(21)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。

（22）数字式甲烷检测报警矿灯：具有甲烷浓度数字显示及超限报警功能的携带式照明灯具。

2.3煤矿安全监测监控系统的主要技术指标

下面以KJ90煤矿安全监测监控系统为例说明：

●系统容量

可接64个分站级设备，其中分站为：4路模拟量输入、4路开关量输入、4路开关量输出；

●信息传输

传输方式：异步串行，FSK（移频监控）调制解调方式

传输速率：1200/2400bps，传输芯线为2芯

传输距离：地面主机到分站信号传输距离15km；

分站到传感器之间信号传输距离1.5km

巡检周期：≤25s

10

误码率：≤8

模拟量传感器信号：200-1000Hz

数字量传感器信号：无电位触点信号或0、5mA电流信号

●数据存储

整个系统采用“变值变态、疏密接合、数据库动态生成”的存储方法，使系统的数据存储更为合理。数据的存储期限：根据计算机硬盘的容量一般为20年左右。

●使用环境

温度：0℃～40℃

相对湿度：≤98﹪（25℃）

大气压力：（85-110）kPa

允许周围有瓦斯、煤尘爆炸危险环境中使用

周围介质无腐蚀性气体

第三章井下监控分站

井下监控分站是煤矿综合监测监控系统的关键配套设备，主要实现对各类传感器的

数据采集、实时处理、存储、显示、控制盒以及与地面监控中心的数据通信。具有红外遥控初始化设置功能，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 井下监控分站主要技术指标

下面以目前煤矿井下常用的KDF-2型监控分站为例说明：

KJF39监控分站

KJF39监控分站内含本质安全电源，省去了向传感器供电的电源箱，结构紧凑，便

于在井下安装使用。按新版煤矿安全规程要求设计，各项功能齐全。具备采集、显

示井下各种安全参数数值、设备运行状态以及接受主机命令传送数据和状态信息等

功能。

容量：16路信号输入端口、4路进程断电控制口、4陆元盛断电控制口、1路

通信口；

信号制式：模拟量

200～1000Hz、高电平>3V、

低电平<0.2V

脉冲宽度0.3ms

开关量1mA/5mA

断电控制：手动、自动、异地

功能简介：

（1）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；

（2）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；

（3）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；

（4）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；

3．2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所示：

第四章矿用传感器

煤矿井下各种有用、有害气体及温度和湿度等参数，都属于环境参数。矿井环境参数主要有甲烷浓度、氧气浓度、粉尘浓度、井巷硐室和工作面温度、风量与负压、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、二氧化硫浓度和硫化氢浓度等。

采煤、掘进、运输、及通风等各系统的运行及相关设备的工作状况称为矿井工况参数。主要监测的工况参数有风筒风量、风门开关、输送带开停、煤仓煤位、采煤机组位置、排水系统、压风系统、主要通风机工作状态等工况参数。

传感器一般由敏感元件、转换元件和信号处理电路3部分组成，有时需要加辅助电

源，其组成原理如图4-1所示。

4．1矿用一氧化碳传感器(以GT500A 型一氧化碳传感器为例说明)

GT500A 型煤矿用一氧化碳传感器

GT500A 型煤矿用一氧化碳传感器是用于连续检测煤矿井下一氧化碳气体浓度的高精度仪表。传感器使用进口检测元件，使传感器的性能、测量精度、使用寿命都大大提高。具有红外遥控调校零点、灵敏度、报警点等功能。传感器可以与国内多种监控系统配套使用。

相对湿度

≤95% 大气压力

80kPa-106kPa 信号最大传输

距离

2km

风速

0m/s-80m/s 工作温度

0℃-40℃ 测量范围

0-0．0005% 工作电源

≤80Ma DC 工作电压

本安DC12V-24V 工作场所

无显著震动和冲击的场合、有煤尘和瓦斯存在的场所

（1） 一氧化碳传感器应垂直悬挂，距顶板(顶梁)不得大于300mm ，距巷壁不得小敏感元件 转换元件 信号处理 被测信号

（非电量）

（电信号） 输出信号 辅助电源 图4-1 传感器组成原理