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1、煤矿安全监控技术煤矿安全监控技术中国矿业大学（北京）副校长中国矿业大学（北京）副校长 教授教授 博士生导师博士生导师 孙继平孙继平1 1 系统组成及工作原理系统组成及工作原理1.1 1.1 定义定义 煤矿安全监控系统用来监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、煤矿安全监控系统用来监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二化碳浓度、氧气浓度、风速、风压、温度、烟雾、馈电二化碳浓度、氧气浓度、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、主通风机状态、风门状态、风筒状态、局部通风机开停、主通风机开停等，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁开停等，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制
2、等。控制等。1.2 1.2 组成组成 系统一般由传感器、执行机构、分站、电源箱（或系统一般由传感器、执行机构、分站、电源箱（或电控箱）、主站（或传输接口）、主机（含显示器）、系电控箱）、主站（或传输接口）、主机（含显示器）、系统软件、服务器、打印机、大屏幕、统软件、服务器、打印机、大屏幕、UPSUPS电源、远程终端、电源、远程终端、网络接口电缆和接线盒等组成，如图网络接口电缆和接线盒等组成，如图1 1所示。所示。矿矿井井安安全全生生产产监监控控系系统统1.3 1.3 工作原理工作原理 传感器将被测物理量转换为电信号，并具有显示传感器将被测物理量转换为电信号，并具有显示和声光报警功能（有些传感器
3、没有显示、或没有声光和声光报警功能（有些传感器没有显示、或没有声光报警）。报警）。执行机构（含声光报警及显示设备）将控制信号执行机构（含声光报警及显示设备）将控制信号转换为被控物理量。转换为被控物理量。分站接收来自传感器的信号，并按预先约定的复分站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主站（或传输接口），同时，接用方式远距离传送给主站（或传输接口），同时，接收来自主站（或传输接口）多路复用信号。分站还具收来自主站（或传输接口）多路复用信号。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主站（或传输
4、接口）传能力、对传感器输入的信号和主站（或传输接口）传输来的信号进行处理，控制执行机构工作。输来的信号进行处理，控制执行机构工作。电源箱将交流电网电源转换为系统所需的本质安电源箱将交流电网电源转换为系统所需的本质安全型直流电源，并具有维持电网停电后正常供电不小全型直流电源，并具有维持电网停电后正常供电不小于于2 2小时的蓄电池。小时的蓄电池。传输接口接收分站远距离发送的信号，并送主机传输接口接收分站远距离发送的信号，并送主机处理；接收主机信号、并送相应分站。传输接口还具处理；接收主机信号、并送相应分站。传输接口还具有控制分站的发送与接收，多路复用信号的调制与解有控制分站的发送与接收，多路复用信
5、号的调制与解调，系统自检等功能。调，系统自检等功能。主机一般选用工控微型计算机或普通微型计算机、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、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、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、联网等。人机对话、输出控制、控制打印输出、联网等。1.4 1.4 特点特点 煤矿井下是一个特殊的工作环境，有易燃易爆可煤矿井下是一个特殊的工作环境，有易燃易爆可燃性气体和腐蚀性气体，潮湿、淋水、矿尘大、电网燃性气体和腐蚀性气体，潮湿、淋水
6、、矿尘大、电网电压波动大、电磁干扰严重、空间狭小、监控距离远。电压波动大、电磁干扰严重、空间狭小、监控距离远。因此，矿井监控系统不同于一般工业监控系统，矿井因此，矿井监控系统不同于一般工业监控系统，矿井监控系统同一般工业监控系统相比具有如下特点：监控系统同一般工业监控系统相比具有如下特点：(1)(1)电气防爆。一般工业监控系统均工作在非爆炸电气防爆。一般工业监控系统均工作在非爆炸性环境中，而矿井监控系统工作在有瓦斯和煤尘爆炸性环境中，而矿井监控系统工作在有瓦斯和煤尘爆炸性环境的煤矿井下。因此，矿井监控系统的设备必须性环境的煤矿井下。因此，矿井监控系统的设备必须是防爆型电气设备，并且不同于化工、
7、石油等爆炸性是防爆型电气设备，并且不同于化工、石油等爆炸性环境中的工厂用防爆型电气设备。环境中的工厂用防爆型电气设备。(2)(2)传输距离远。一般工业监控对系统的传输距离传输距离远。一般工业监控对系统的传输距离要求不高，仅为几千米，甚至几百米，而矿井监控系要求不高，仅为几千米，甚至几百米，而矿井监控系统的传输距离至少要达到统的传输距离至少要达到1010千米。千米。(3)(3)网络结构宜采用树形结构。一般工业监控系统网络结构宜采用树形结构。一般工业监控系统电缆敷设的自由度较大，可根据设备、电缆沟、电杆电缆敷设的自由度较大，可根据设备、电缆沟、电杆的位置选择星形、环形、树形，总线形等结构。而矿的位
8、置选择星形、环形、树形，总线形等结构。而矿井监控系统的传输电缆必须沿巷道敷设，挂在巷道壁井监控系统的传输电缆必须沿巷道敷设，挂在巷道壁上。由于巷道为分支结构，并且分支长度可达数千米。上。由于巷道为分支结构，并且分支长度可达数千米。因此，为便于系统安装维护、节约传输电缆、降低系因此，为便于系统安装维护、节约传输电缆、降低系统成本宜采用树形结构。统成本宜采用树形结构。(4)(4)监控对象变化缓慢。矿井监控系统的监控对象监控对象变化缓慢。矿井监控系统的监控对象主要为缓变量，因此，在同样监控容量下，对系统的主要为缓变量，因此，在同样监控容量下，对系统的传输速率要求不高。传输速率要求不高。(5)(5)电
9、网电压波动大，电磁干扰严重。由于煤矿井电网电压波动大，电磁干扰严重。由于煤矿井下空间小，采煤机、运输机等大型设备启停和架线电下空间小，采煤机、运输机等大型设备启停和架线电机车火花等造成电磁干扰严重。机车火花等造成电磁干扰严重。(6)(6)工作环境恶劣。煤矿井下除有甲烷、一氧化碳工作环境恶劣。煤矿井下除有甲烷、一氧化碳等易燃易爆性气体外，还有硫化氢等腐蚀性气体，矿等易燃易爆性气体外，还有硫化氢等腐蚀性气体，矿尘大、潮湿、有淋水、空间狭小。因此，矿井监控设尘大、潮湿、有淋水、空间狭小。因此，矿井监控设备要有防尘、防潮、防腐、防霉、抗机械冲击等措施。备要有防尘、防潮、防腐、防霉、抗机械冲击等措施。(
10、7)(7)传感器（或执行机构）宜采用远程供电。一般传感器（或执行机构）宜采用远程供电。一般工业监控系统的电源供给比较容易，不受电气防爆要工业监控系统的电源供给比较容易，不受电气防爆要求的限制。矿井监控系统的电源供给，受电气防爆要求的限制。矿井监控系统的电源供给，受电气防爆要求的限制。由于传感器及执行机构往往设置在工作面求的限制。由于传感器及执行机构往往设置在工作面等恶劣环境，因此，不宜就地供电。现有矿井监控系等恶劣环境，因此，不宜就地供电。现有矿井监控系统多采用分站远距离供电。统多采用分站远距离供电。(8)(8)不宜采用中继器。煤矿井下工作环境恶劣，监不宜采用中继器。煤矿井下工作环境恶劣，监控
11、距离远，维护困难，若采用中继器延长系统传输距控距离远，维护困难，若采用中继器延长系统传输距离，由于中继器是有源设备，故障率较无中继器系统离，由于中继器是有源设备，故障率较无中继器系统高，并且在煤矿井下电源的供给受电气防爆的限制，高，并且在煤矿井下电源的供给受电气防爆的限制，在中继器处不一定好取电源，若采用远距离供电还需在中继器处不一定好取电源，若采用远距离供电还需要增加供电芯线。因此，不宜采用中继器。要增加供电芯线。因此，不宜采用中继器。通过上面对矿井监控系统的分析，可以看出，矿通过上面对矿井监控系统的分析，可以看出，矿井监控系统不同于一般工业监控系统。因此，直接用井监控系统不同于一般工业监控
12、系统。因此，直接用一般工业监控的理论和技术解决矿井监控的问题是行一般工业监控的理论和技术解决矿井监控的问题是行不通的。不是不符合电气防爆要求，就是传输距离太不通的。不是不符合电气防爆要求，就是传输距离太近，或网络结构不适合用于矿井监控系统，或不能进近，或网络结构不适合用于矿井监控系统，或不能进行总线供电，或节点容量太小等等。因此，有必要研行总线供电，或节点容量太小等等。因此，有必要研究适合矿井监控系统的理论和技术。究适合矿井监控系统的理论和技术。2 2 系统作用及使用系统作用及使用2.1 2.1 作用作用 （1 1）当瓦斯超限或局部通风机停止运行或掘进巷）当瓦斯超限或局部通风机停止运行或掘进巷
13、道停风时，煤矿安全监控系统自动切断相关区域的电道停风时，煤矿安全监控系统自动切断相关区域的电源并闭锁同时报警：源并闭锁同时报警：避免或减少由于电气设备失爆、避免或减少由于电气设备失爆、违章作业、电气设备故障电火花或危险温度引起瓦斯违章作业、电气设备故障电火花或危险温度引起瓦斯爆炸；爆炸；避免或减少采、掘、运等设备运行产生的摩避免或减少采、掘、运等设备运行产生的摩擦碰撞火花及危险温度等引起瓦斯爆炸；擦碰撞火花及危险温度等引起瓦斯爆炸；提醒领导、提醒领导、生产调度等及时将人员撤至安全处。生产调度等及时将人员撤至安全处。提醒领导、生提醒领导、生产调度等及时处理事故隐患，防止瓦斯爆炸等事故发产调度等及
14、时处理事故隐患，防止瓦斯爆炸等事故发生。生。（2 2）还可通过煤矿安全监控系统监控瓦斯抽放）还可通过煤矿安全监控系统监控瓦斯抽放系统、通风系统、煤炭自燃、瓦斯突出等。系统、通风系统、煤炭自燃、瓦斯突出等。（3 3）煤矿安全监控系统在应急救援和事故调查中）煤矿安全监控系统在应急救援和事故调查中也发挥着重要作用，当煤矿井下发生瓦斯（煤尘）爆也发挥着重要作用，当煤矿井下发生瓦斯（煤尘）爆炸等事故后，系统的监测记录是确定事故时间、爆源、炸等事故后，系统的监测记录是确定事故时间、爆源、火源等重要依据之一。火源等重要依据之一。2.2 2.2 现存问题现存问题 煤矿应按照煤矿安全规程和煤矿应按照煤矿安全规程
15、和AQ1029-2007AQ1029-2007煤煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范安装、使矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范安装、使用、维护和管理系统。但部分煤矿传感器装备数量和用、维护和管理系统。但部分煤矿传感器装备数量和地点不满足上述规程和标准的要求，更没有按照规程地点不满足上述规程和标准的要求，更没有按照规程和标准调校和维护，甚至将传感器报警浓度调高，不和标准调校和维护，甚至将传感器报警浓度调高，不使用断电控制功能等。使用断电控制功能等。笔者作为国务院煤矿事故调查专家组组长参加的笔者作为国务院煤矿事故调查专家组组长参加的河北唐山刘官屯煤矿河北唐山刘官屯煤矿“12.7”“12.7”特
16、别重大瓦斯爆炸事故特别重大瓦斯爆炸事故（死亡（死亡108108人）、山西大同煤矿集团焦家寨矿人）、山西大同煤矿集团焦家寨矿“11.5”“11.5”特别重大瓦斯爆炸事故（死亡特别重大瓦斯爆炸事故（死亡4747人）、山西临汾瑞之人）、山西临汾瑞之源煤矿源煤矿“12.5”“12.5”特别重大瓦斯爆炸事故（死亡特别重大瓦斯爆炸事故（死亡105105人）、人）、山西焦煤集团屯兰矿山西焦煤集团屯兰矿“2.22”“2.22”特别重大瓦斯爆炸事故特别重大瓦斯爆炸事故（死亡（死亡7878人）、河南平顶山市新华四矿人）、河南平顶山市新华四矿“9.8”“9.8”特别重特别重大瓦斯爆炸事故（死亡大瓦斯爆炸事故（死亡7
17、979人），事故矿均没有按规程人），事故矿均没有按规程和标准要求安装、维护和使用系统。有的传感器装备和标准要求安装、维护和使用系统。有的传感器装备数量不足，有的安装地点不正确，有的报警浓度、断数量不足，有的安装地点不正确，有的报警浓度、断电浓度和断电控制设置不正确，有的从不调校、有的电浓度和断电控制设置不正确，有的从不调校、有的不能正常运行、形同虚设。不能正常运行、形同虚设。例如：例如：20092009年年2 2月月2222日发生死亡日发生死亡7878人的特别重大瓦人的特别重大瓦斯爆炸事故的屯兰矿是事故矿中煤矿安全监控系统使斯爆炸事故的屯兰矿是事故矿中煤矿安全监控系统使用维护最好的煤矿，但仍存
18、在着下述严重问题：用维护最好的煤矿，但仍存在着下述严重问题：（1 1）将回风巷甲烷传感器报警值和断电值调高至）将回风巷甲烷传感器报警值和断电值调高至2.5%2.5%，如图，如图2 2所示。所示。（2 2）将）将4 4台电气开关开关设置在微风的台电气开关开关设置在微风的1240312403工作工作面面1 1号联络巷，但不设置甲烷传感器，如图号联络巷，但不设置甲烷传感器，如图3 3所示。因所示。因此，煤矿安全规程（此，煤矿安全规程（20102010年版）第年版）第132132条第二款修条第二款修改为改为“井下个别机电设备设在回风流中的，必须安装井下个别机电设备设在回风流中的，必须安装甲烷传感器并具
19、备甲烷超限断电功能甲烷传感器并具备甲烷超限断电功能”。这就要求开关等电气设备应设置在全风压进风处，这就要求开关等电气设备应设置在全风压进风处，若不能满足，应设置甲烷传感器，并具备甲烷超限断若不能满足，应设置甲烷传感器，并具备甲烷超限断电闭锁功能。由于采煤工作面回风巷和掘进巷道已设电闭锁功能。由于采煤工作面回风巷和掘进巷道已设置甲烷传感器，因此，设置在采煤工作面回风巷和掘置甲烷传感器，因此，设置在采煤工作面回风巷和掘进巷道的电气设备可不再单独设置甲烷传感器。进巷道的电气设备可不再单独设置甲烷传感器。（3 3）系统工作不稳定，事故前）系统工作不稳定，事故前2020分钟内，监测分钟内，监测信号中断信
20、号中断4 4次，如图次，如图2 2所示。所示。图图2 2 瓦斯监测数据多次中断瓦斯监测数据多次中断、断电值调为、断电值调为2.5%CH2.5%CH4 4 图图3 124033 12403采煤工作面采煤工作面1 1号联络巷布置图号联络巷布置图2.3 2.3 使用与维护要点使用与维护要点 （1 1）选用符合）选用符合AQ6201-2006AQ6201-2006煤矿安全监控系统通煤矿安全监控系统通用技术要求等，取得矿用产品安全标志准用证和防用技术要求等，取得矿用产品安全标志准用证和防爆合格证的系统。爆合格证的系统。（2 2）按照煤矿安全规程和）按照煤矿安全规程和AQ1029-2007AQ1029-2
21、007煤矿煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范设计、安装、安全监控系统及检测仪器使用管理规范设计、安装、使用、管理与维护系统。使用、管理与维护系统。（3 3）甲烷、风速、风压、风筒、风门、局部通风）甲烷、风速、风压、风筒、风门、局部通风机开停、主通风机开停、馈电状态等传感器要按规定机开停、主通风机开停、馈电状态等传感器要按规定的数量和地点正确安装与维护。的数量和地点正确安装与维护。（4 4）根据被控对象的不同，正确连接甲烷断电闭）根据被控对象的不同，正确连接甲烷断电闭锁和风电闭锁。锁和风电闭锁。（5 5）根据工作面和回风巷等不同地点，正确设置）根据工作面和回风巷等不同地点，正确设置报警浓度、
22、断电浓度、复电浓度和断电区域。报警浓度、断电浓度、复电浓度和断电区域。（6 6）每隔）每隔1010天使用校准气样和空气气样对甲烷传天使用校准气样和空气气样对甲烷传感器进行正确调校，同时对甲烷断电闭锁和风电闭锁感器进行正确调校，同时对甲烷断电闭锁和风电闭锁功能进行测试。功能进行测试。（7 7）甲烷超限报警、断电、馈电异常、停风报警）甲烷超限报警、断电、馈电异常、停风报警后，要及时采取停电、撤人等安全措施。后，要及时采取停电、撤人等安全措施。3 3 相关标准及规程宣讲相关标准及规程宣讲3.1 3.1 相关标准及规程相关标准及规程 有关煤矿安全监控系统的安装、使用、维护与管有关煤矿安全监控系统的安装
23、、使用、维护与管理的标准和规程有煤矿安全规程第理的标准和规程有煤矿安全规程第3 3章通风安全监章通风安全监控、控、AQ1029-2007AQ1029-2007煤矿安全监控系统及检测仪器使用煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范。管理规范。有关煤矿安全监控系统生产、设计、测试与检验有关煤矿安全监控系统生产、设计、测试与检验的标准有的标准有6201-20066201-2006煤矿安全监控系统通用技术要求煤矿安全监控系统通用技术要求、MT/T1004-2006MT/T1004-2006煤矿安全生产监控系统通用技术煤矿安全生产监控系统通用技术条件、条件、MT/T1005-2006MT/T1005-20
24、06矿用分站、矿用分站、MT/T1006-MT/T1006-20062006矿用信号转换器、矿用信号转换器、MT/T1007-2006MT/T1007-2006矿用信息传矿用信息传输接口、输接口、MT/T1008-2006MT/T1008-2006煤矿安全生产监控系统软煤矿安全生产监控系统软件通用技术要求、件通用技术要求、MT/T1079-2008MT/T1079-2008矿用断电控制器矿用断电控制器、MT/T1078-2008MT/T1078-2008矿用本质安全输出直流电源、矿用本质安全输出直流电源、MT/T1081-2008MT/T1081-2008矿用网络交换机、矿用网络交换机、MT/T772-1998MT/T772-1998煤矿监控系统性能测试方法、煤矿监控系统性能测试方法、MT/T899-2000MT/T899-2000矿用矿用信息传输装置等。信息传输装置等。3.2 3.2 煤矿规程第煤矿规程第3 3章通风安全监控宣讲章通风安全监控宣讲3.33.31029-20071029-2007煤矿安全监控系统及检测仪器使用管煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范宣讲理规范宣讲3.4 3.4 AQ6201-2006AQ6201-2006煤矿安全监控系统通用技术要求煤矿安全监控系统通用技术要求宣讲宣讲3.5 3.5 其他相关标准宣讲其他相关标准宣讲谢谢 谢谢!