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煤矿安全监测监控论文

作者:煤矿安全生产监测监控系统

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

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2 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。

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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

作者:煤矿安全生产监测监控系统

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。

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4 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。

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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

误码率:≤8

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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

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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; (5) 分站装有备用电池,交流电源掉电后自动投入工作,供电时间≥2h 。

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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。

远程断电器

模拟量传感器

井下监控分站

隔爆型电源及远程控制

开关量传感器 中心站

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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 ,距巷壁不得小于200mm ,并应安装维护方便,不影响行人和行车。

(2) 开采容易自燃、自燃煤层的采煤工作面必须至少设置一个一氧化碳传感器,地点可设置在上隅角、工作面或工作面回风巷,报警浓度为≥0.0024%CO ,如图9所示。

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

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图9 采煤工作面一氧化碳传感器的设置

(3)带式输送机滚筒下风侧10m~15m处宜设置一氧化碳传感器,报警浓度为0.0024%CO。

(4)自然发火观测点、封闭火区防火墙栅栏外宜设置一氧化碳传感器,报警浓度为0.0024%CO。

(5)开采容易自燃、自燃煤层的矿井,采区回风巷、一翼回风巷、总回风巷应设置一氧化碳传感器,报警浓度为0.0024%CO。

4.2矿用风速传感器(以KGF15型矿用风速传感器为例说明)

KGF15煤矿用风速传感器

KGF15煤矿用风速感器是采用超声波旋涡测量原理。主要用于连续监测矿井通风总

回风巷、井下主要测风站、扇风机等处的风速,是矿井通风安全参数测量的重要仪

表。具有红外遥控调校、调校简单等特性。传感器可与其它多种监控系统配套使用。

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温度0- +40℃

基本误差≤±0.3 m/s

相对湿度≤98%

大气压力85KPa-110KPa

工作电压12VDC-24VDC(矿用本安电源)

输出信号200-1000Hz或1-5mA DC

基本误差≤±0.3m/s

工作电流70mA DC

采区回风巷、一翼回风巷、总回风巷的测风站应设置风速传感器。风速传感器应

设置在巷道前后10m内无分支风流、无拐弯、无障碍、断面无变化、能准确计算风量的地点。当风速低于或超过《煤矿安全规程》的规定值时,应发出声、光报警信号。

4.3矿用负压传感器(以GPD1/5型矿用负压传感器为例说明)

GPD1/5煤矿用负压传感器

GPD 1/5煤矿用负压传感器是采用扩散硅压力传感器芯片开发的固定式仪表。主要用于

连续监测矿井通风总负压、矿井风机差压、井下风门两侧及矿井密闭墙内外压力差,是

矿井通风安全参数测量的重要仪表。具有红外遥控调校、调校简单等特性。传感器除了和本公司KJ83煤矿安全监控系统配套使用外还可和国内其它监控系统配套使用。

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测量范围0-1kPa或0-5kPa

测量误差≤±2%

响应时间小于30s

显示方式三位LED就地显示

输出信号200-1000Hz或4-20mA

工作电压本安DC12V-21V

工作电流≤50mA

主要通风机的风硐内应设置风压传感器。

4.4矿用设备开停状态传感器(以GKT-L型矿用设备开停传感器为例说明)

GKT-L煤矿用设备开停状态传感器

GKT-L煤矿用设备开停状态传感器主要用于监测矿井机电设备运行状态,如矿井主

扇、局扇、链板运输机、胶带运输机、水泵等的开停状态。传感器将机电设备开停

状态信号转换为电流信号,传送到监控分站。

传感器为矿用本质安全型设备,适于在具有瓦斯及煤尘爆炸危险矿井中使用。该传

感器具有灵敏度高,结构紧凑,功耗低,安装使用方便及免维护等特点,该传感器

既可以用于两线三态监测,也可以用于三线两态监测,适合与国内现有监控设备配

套使用。

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测量范围0-1kPa或0-5kPa

有效距离≤2km

动作值大于5A

运行显示LED亮/灭

输出信号

三线两态:5mA /0mA

两线三态:6mA /2mA/0mA

工作电压本安DC9V-21V

工作电流整机电流≤10mA

主要通风机、局部通风机必须设置设备开停传感器。

4.5矿用风门开闭状态传感器(以GFK-L型矿用风门开闭状态传感器为例说明)

GFK-L矿用风门开闭状态传感器

GFK-L煤矿用风门开闭状态传感器主要用于监测矿井主要风门的开关状态。传感器是磁

性驱动的位置开关传感器,将风门开关状态信号转换为电流信号,传送到监控分站。传

感器为矿用本质安全型设备,适于在具有瓦斯及煤尘爆炸危险矿井中使用。该传感器既

可以用于两线三态监测,也可以用于两线两态监测,适合与国内现有监控设备配套使用。

工作电源本安DC9V-21V、整机电流≤10mA

动作距离不大于30mm

输出形式

二态:4mA /0mA

三态:5mA /1mA/0mA

触发材质氧化物磁钢

有效距离≤2km

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矿井和采区主要进回风巷道中的主要风门必须设置风门开关传感器。当两道风门同时打开时,发出声光报警信号。

4.6矿用断电馈电转换器(以ZQJD-1型矿用断电馈电传感器为例说明)

ZQJD-1矿用断电馈电转换器

ZQJD-1矿用断电馈电转换器是矿井安全监控系统的配套设备,与监控分站配套使用实现远程断电,同时作为风电瓦斯闭锁装置的组成部分之一。传感器监测被控电气设备的断电、馈电

状态,通过监控分站将状态信息传送到地面中心站。

工作电源用作断电器:本安DC9V-21V、整

机电流≤10mA

用作馈电状态转换器:输入端电

压:AC36V

动作距离不大于10m

至分站距离不大于 3km

运行显示LED亮/灭

为监测被控设备瓦斯超限是否断电,被控开关的负荷侧必须设置馈电传感器。

4.7 矿用温度传感器(以GW50(A)型矿用温度传感器为例说明)

GW50(A)矿用温度传感器

GW50(A)矿用温度传感器主要用于煤矿井下巷道、工作面瓦斯抽放管道等处的温度监测,是矿井安全监控系统中监测煤矿井下温度的相关设备

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工作温度0℃-40℃

风速≤0m/s-8m/s

工作电流≤80mADC

工作电压(本安)12VDC-24VDC

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(1)温度传感器应垂直悬挂,距顶板(顶梁)不得大于300mm,距巷壁不得小于

200mm,并应安装维护方便,不影响行人和行车。

(2)开采容易自燃,自燃煤层及地温高的矿井采煤工作面应设置温度传感器。温度传感器的报警值为30℃。如图10所示。

图10 采煤工作面温度传感器的设置

(3)机电硐室内应设置温度传感器,报警值为34℃。

第五章瓦斯传感器及相关设计

5.1 矿用甲烷传感器(以KGY-002A智能遥控甲烷传感器为例说明)

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KGY-002A智能遥控甲烷传感器

KGY-002A智能遥控甲烷传感器用于检测煤矿井下空气中的甲烷含量。它是一种智能型检测仪表,具有自动稳零、低功耗、软启动、环保电源、精度高、稳定可靠等特点。各种操作可通过遥控器来实现,免开盖调试。能与国内各种监控系统、风电

瓦斯闭锁、断电仪配套使用。

测量范围0-4% CH4

测量误差0.00~1.00 % CH4,≤±0.10 % CH4

1.00~

2.00 % CH4,≤±0.20 % CH4

2.00~4.00 % CH4,≤±0.30 % CH4

响应时间小于30s

报警点0.5-2.5% CH4可调

报警方式红色LED灯闪烁、蜂鸣器鸣叫

输出信号200-1000Hz或4-20mA

工作电压本安DC8V-22V

电流50mA

5.2甲烷传感器的设置

(1)采煤工作面甲烷传感器的设置

①长壁采煤工作面甲烷传感器必须按图1设置。U形通风方式在上隅角设置甲烷传感器T0或便携式瓦斯检测报警仪,工作面设置甲烷传感器T1,工作面回风巷设置甲烷传感器T2;若煤与瓦斯突出矿井的甲烷传感器T1不能控制采煤工作面进风巷内全部非本质安全型电气设备,则在进风巷设置甲烷传感器T3;低瓦斯和高瓦斯矿井采煤工作面采用串联通风时,被串工作面的进风巷设置甲烷传感器T4,如图1a所示。Z形、Y形、H形和W形通风方式的采煤工作面甲烷传感器的设置参照上述规定执行,如图1b~图1e 所示。

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(a)

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(b)

(c)

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(d)

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(e)

a——U形通风方式;

b——Z形通风方式;

c——Y形通风方式;

d——H形通风方式;

e——W形通风方式。

图1 采煤工作面甲烷传感器的设置

②采用两条巷道回风的采煤工作面甲烷传感器必须按图2设置。甲烷传感器T0、T1和T2的设置同图1a;在第二条回风巷设置甲烷传感器T5、T6。采用三条巷道回风的采煤工作面,第三条回风巷甲烷传感器的设置与第二条回风巷甲烷传感器T5、T6的设置相同。

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图2 采用两条巷道回风的采煤工作面甲烷传感器的设置

③有专用排瓦斯巷的采煤工作面甲烷传感器必须按图3设置。甲烷传感器T0、T1、

T2的设置同图1a;在专用排瓦斯巷设置甲烷传感器T7,在工作面混合回风风流处设置甲烷传感器T8,如图3a、图3b所示。

④高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井采煤工作面的回风巷长度大于1000m时,必须在回风巷中部增设甲烷传感器。

⑤采煤机必须设置机载式甲烷断电仪或便携式甲烷检测报警仪。

⑥非长壁式采煤工作面甲烷传感器的设置参照上述规定执行,即在上隅角设置甲烷传感器T0或便携式瓦斯检测报警仪,在工作面及其回风巷各设置1个甲烷传感器。

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(a)

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(b)

图3 有专用排瓦斯巷的采煤工作面甲烷传感器的设置

(2) 掘进工作面甲烷传感器的设置

①煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出岩巷的掘进工作面甲烷传感器必须按图4设置,并实现瓦斯风电闭锁。在工作面混合风流处设置甲烷传感器T1,在工作面回风流中设置甲烷传感器T2;采用串联通风的掘进工作面,必须在被串工作面局部通风机前设置掘进工作面进风流甲烷传感器T3。

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图4 掘进工作面甲烷传感器的设置

②高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井双巷掘进甲烷传感器必须按图5设置。甲烷传感器T1和T2的设置同图4;在工作面混合回风流处设置甲烷传感器T3。