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1、煤矿安全生产系统解决方案煤矿安全生产监测系统解决方案前言 我国是世界上最大的煤炭消费国和生产国。随着国民经济的快速增长，煤炭需求量的不断攀升，超负荷生产已成为采煤行业增加产出的主要手段之一。生产监管局的数据显示，约有1/3的国有煤矿生产负荷过重，这不仅增加了事故隐患，也为煤炭企业的可持续开展带来了压力。近两年来，煤炭供给紧张，随之而来的是各个煤矿生产的超负荷运转，高速开展的生产突显出煤矿安全生产各环节中对于生产隐患治理监测技术水平的落后，相应所导致的各级安全事故也不断发生。如何利用现代化的科技手段有效监测煤矿安全隐患问题，保障煤矿稳定高产的良好开展态势，成为煤矿采掘业现代化进程的重中之重。本次
2、介绍的煤矿安全生产监测系统解决方案，是集合先进科技技术手段，结合一线煤矿安全生产需求而开发的面向煤矿综合水、井下巷道围岩变形、综采工作面支护等生产安全隐患监测智能生产辅助系统，各子系统均采用模块化开发，集成在统一的系统管理平台。模块化结构解决方案煤矿安全生煤矿安全生产产煤矿综合水煤矿综合水煤矿井下围煤矿井下围岩变形岩变形煤矿综采工煤矿综采工作面支架作面支架煤矿井下可煤矿井下可燃气体燃气体 煤矿安全生产动态遥测系统的架构,是在中心平台的基础上,开发出不同应用面的功能子系统.有以下的优势：煤矿可以根据实际需求,在中心平台上选择配置相应功能子系统。同时，管理中心可以在局域网络内设置多个，用以满足煤矿
3、安全生产各级监管部门使用。本方案结构灵活，使煤矿企业在开展安全生产监测系统建设工作能分步进行、逐项实施，精细应用,能使各子系统功能快速投入使用，防止整体实施的长周期，做到各项功能加载的快速及监测效果的立竿见影。模块化系统可以按照特别应用需求，在子系统功能上做适度调整，到达更贴近应用的目的，煤矿安全生产动态遥测系统常规可设置多级星型节点和管理中心。整体逻辑图示意解决方案应用意义 针对当前煤矿安全监测手段落后,缺乏足够的科技监督手段，我公司与煤炭科技研究机构共同研发出煤矿安全生产动态遥测系统，该系统能够对煤矿综合水监测、长观孔水位监测、综采工作面支架阻力液压监测以及巷道工作面的围岩监测等各项涉及煤
4、矿安全生产工作，实现自动化、信息化、准确快速的监测及遥测，是保证煤矿安全生产行之有效的科技手段。通过煤矿安全生产动态遥测系统可以使煤矿管理层快速、及时、准确地获取安全生产相关数据,提高决策科学性,从而防止或减少因监测不力而引发的安全生产事故和经济损失。本系统可以通过集团公司以太网络将各矿监测监控信息传送到总部,可以对各矿监测监控信息进行分析汇总,为整体企业生产活动提供辅助决策的科学依据。煤矿安全生产动态遥测系统集成所涉及的技术有：通讯、光纤传感、扩散硅数字传感、计算机网络、数据库开发、JSP、微功耗等。煤矿安全生产-液压支护篇煤矿综采工作面支架阻力动态遥测子系统引言 煤矿井下综采工作面生产的安
5、全及顺利与否与液压支架的支护状态等有着密切的关系，回采工作面顶板突水等灾害的发生往往与顶板来压存在着密切关系，综采工作面支护阻力的变化特征以及顶板来压显现规律等也是顶板水情预警系统所不可缺少的重要预警指标之一。通过对综采工作面液压支架的工作阻力等进行动态遥测，不仅可以及时掌握液压支架的工作状态、采场矿压显现规律和对采场顶板来压进行预警，为采场管理及压架原因分析提供技术数据，还可以通过综合分析实现对顶板水害等情况的预测预报，从而为煤矿安全生产效劳。我国矿井锚杆支护设计多以经验方法为主，原始资料较少，相对简单，设计结果可靠程度不高，很难满足生产安全上的高要求。建立完善的动态遥测系统，通过先进的动态
6、遥测技术对工作面支架阻力进行动态遥测，可以及时、有效地获取有关数据信息。因此，通过对综采工作面锚杆支撑阻力变化来实现对煤矿综采工作面安全预警具有十分重要的现实意义。系统体系架构硬件设备架构系统主要硬件光纤光栅传感网络分析仪 PI05光传感网络分析仪秉承了PI系列分析仪的优异性能，并提高了采样频率，兼顾了实验室及实际工程中对动态性能要求较高的应用场合。可以广泛应用于煤矿、桥梁、大坝、隧道、远距离输油管道等大型结构的物理特性数据监测。20Hz高速采样 实时光谱仪功能 TFT液晶显示屏 人性化操作界面 本机数据存储及分析功能 支持温度、应变、加速度、位移等多种类型传感器混合组网的监测 可用于与波长及
7、功率相关的光谱分析、光纤器件测量、光纤光栅生产过程中的在线监测、光纤光栅传感器的研制及标定、工程现场问题的定位分析等。随机分析软件包功能强大 自动调整工作点飘移 具备信号调理功能 直接传输测量参数不要传输光谱 采样周期远程可调 具备TCP/IP和CDMA两种数据传输模式 具备远程设备诊断功能 具备主动采样和被动采样两种采样模式系统主要硬件FBGP系列压力传感器 FBGPXXX11型光纤光栅压力计通过端头导压孔将压力传递到敏感元件，通过检测敏感元件光纤光栅反射的光信号波长的移动量得出实际压力值。具有全光测量和信号传输、现场不供电、不受雷击、不受电磁干扰、超长使用寿命等特点。FBGPXXX11型光
8、纤光栅压力计可用于管道和压力容器内油、水、气等不同介质的压力测量。应用领域：仪器特点：工业生产过程控制 高精度 压力容器测量 长期可靠 油、水、气压力测量 全光检测，不受电磁干扰 油罐内油气压力监测 可进行差压及绝对压力测量系统软件体系结构煤矿综采工作面支架阻力动态遥测煤矿综采工作面支架阻力动态遥测子系统平台软件结构子系统平台软件结构系统软件体系结构煤矿综采工作面支架阻力动态遥测煤矿综采工作面支架阻力动态遥测子系统平台软件界面子系统平台软件界面压力趋势显示压力趋势显示压力越限报警及趋势异常报警压力越限报警及趋势异常报警多点压力监测显示存储多点压力监测显示存储压力变化曲线记录显示及输出压力变化曲
9、线记录显示及输出煤矿安全生产-位移形变篇煤矿井下巷道围岩变形动态遥测子系统引言 煤矿井下巷道的稳定性对于煤矿的安全生产以及高产高效等关系密切。巷道的稳定性受围岩性质、施工质量、支护方式等多种因素影响。采用先进的监测技术、科学的分析方法等进行综合分析、处理，通过先进的监测技术对巷道的顶板离层位移、围岩压力、围岩应变、围岩深部位移等各项涉及井下巷道形变参数的稳定性进行动态遥测，分析判断巷道的施工质量、安全程度，分析特定条件下巷道的矿压显现规律、巷道离层位移的变化规律等，对井下巷道围岩变形动态遥测来实现对巷道整体稳定性的预警具有重要的现实意义。系统体系架构系统主要硬件光纤光栅传感网络分析仪 PI05
10、光传感网络分析仪秉承了PI系列分析仪的优异性能，并提高了采样频率，兼顾了实验室及实际工程中对动态性能要求较高的应用场合。可以广泛应用于煤矿、桥梁、大坝、隧道、远距离输油管道等大型结构的物理特性数据监测。20Hz高速采样 实时光谱仪功能 TFT液晶显示屏 人性化操作界面 本机数据存储及分析功能 支持温度、应变、加速度、位移等多种类型传感器混合组网的监测 可用于与波长及功率相关的光谱分析、光纤器件测量、光纤光栅生产过程中的在线监测、光纤光栅传感器的研制及标定、工程现场问题的定位分析等。随机分析软件包功能强大 自动调整工作点飘移 具备信号调理功能 直接传输测量参数不要传输光谱 采样周期远程可调 具备
11、TCP/IP和CDMA两种数据传输模式 具备远程设备诊断功能 具备主动采样和被动采样两种采样模式系统主要硬件 FBGT系列温度传感器 光纤光栅温度传感器具有准分布式组网成百上千点、测温精度高0.1C0.5C、测温范围宽100C300C、无零点漂移、不受电磁干扰、耐腐蚀、抗冲击振动、使用寿命长等优点。分为外表式、埋入式、浸入式等多种封装结构，可以广泛应用于煤矿水文、输油输气管道等大型结构及建筑、医药、化工、电力、工、航空航天、消防、矿业等领域大型设施或设备的准分布式精确测温。浸入式光纤光栅温度传感器 采用光纤光栅做为测温元件，具有全光测量、不受雷击、不受电磁干扰、高精度、高可靠性等特性。投入式温
12、度计准确测量液体和气体温度。应用领域：仪器特点：大型结构温度场监测 高精度 粮库测温 现场不供电，远距离传输 大体积混凝土温度场监测 全光测量，本质安全 电缆接头温度监测 不受雷击，不受电磁干扰 油、水、气等液体温度测量 数十年使用寿命系统主要硬件FBGS系列应变传感器 光纤光栅应变传感器具有准分布式组网成百上千点、测量分辨率高 1、测量范围宽 3000、不受电磁干扰、耐腐蚀、抗冲击振动、抗疲劳、使用寿命长等优点。分为外表式、埋入式等多种封装结构，可以广泛应用于煤矿矿井、桥梁、大坝、输油输气管道、海洋石油平台、矿山机械等大型结构的应力检测。埋入式光纤光栅应变计 FBGS334N2埋入式光纤光栅
13、应变计及无应力计可埋设在水工建筑物及其它混凝土建筑物内，测量混凝土的总应变，也可用于浆砌块石水工建筑物或基岩的应变测量。根据混凝土的弹模计算结构物的应力，并可选配FBGT系列光纤光栅温度传感器兼测埋设点的温度。应用领域：仪器特点：大型结构健康监测 高精度 桥梁健康监测 高存活率 大坝健康监测 数十年使用寿命 隧道结构安全监测 耐海水腐蚀 大体积混凝土内部应力变形监测 安装简易系统主要硬件超高精度自温补光纤光栅应变计外表式光纤光栅应变计FBGD10011光纤光栅位移计 点焊式光纤光栅钢板应变计煤矿安全生产-防治水篇煤矿综合水动态遥测子系统前言 为保障煤矿安全生产,有效提高煤矿防治水工作成效,采用
14、计算机技术及通讯技术基础研发的煤矿综合水动态遥测子系统能够实现对各水文孔水位、水温变化以及井下水文孔水位、水压、流量、涌水突变、水温的动态遥测,便于煤矿地质水文工作实时获取第一手矿区水文监测数据。利用监测中心收到实时、准确的各水文监测点变化数据，可掌握煤矿采区整体水文动态，在出现煤矿井下大量涌水之前通过数据分析进行相应的预警作用；在发生井下涌水水患时能及时监视地下水位的实时变化数据，为煤矿防治水紧急处理提供决策依据；长期地下水文数据的积累也可为地区的地下水资源管理提供历史数据积累。动态遥测子站分地面水文孔及井下水文孔两类。系统体系架构中心站分中心站1分中心站2分中心站N-1分中心站N遥测子站1
15、遥测子站2遥测子站N遥测子站1遥测子站2遥测子站N遥测子站1遥测子站2遥测子站N遥测子站1遥测子站2遥测子站N系统主要硬件地面遥地面遥测子站测子站设备设备地面地下水一、避雷针二、GSM或GPRS天线三、底座法兰紧固螺栓四、太阳能蓄能板五、设备安装箱分外挂及顶筒六、遥测子站主设备及密封筒七、遥测子站安装杆金属八、液位传感器高强度导气电缆九、长观孔套管十、安装杆底座法兰十一、液位传感器 系统主要硬件地面遥地面遥测子站测子站设备设备遥测终端机型号：CTTD-DATA-2000；电源：9-16V直流。功耗：小于50uA 自报值守工作模式或掉电模式；小于150mA 工作状态，不含通信设备；工作环境：温度
16、：-2555；湿度：100%无凝结；时钟精度：1.53分钟/月；并可完成与中心时钟同步或GPS时钟；平均无故障时间MTBF：30000小时；固态存储内存：256k；模拟量输入/输出口：可编程电压、电流量输入/输出范围：0 24mA，-5 +5V；模拟量输入/输出分辩率：16位；测量精度：0.05%；模拟量输出精度：0.1%；弦式仪器频率分辩率：0.01Hz；通信接口1：波特率300、600、1200、2400可编程；支持V.21、V.22、V.22bis、V.23及Bell202调制电平5 100mVVMS解调灵敏度50mV VMS变压器隔离电压：600V发送电平：-3dBm接收灵敏度：-40
17、 dBm通信接口2：波特率300 9600可编程RTS/CTS流控系统主要硬件水文传水文传感器感器水位传感器特性数字DX-120水位传感器的性能及特点：测量范围 020米水液位精度：0.1%F。S温度精度：1表压、绝压输出信号 RS485 ASCII 命令格式不锈钢外壳,带导气孔的防水电缆电源反极性保护 静态电流小于4mA12V24V宽电源供电,最低可到5V内嵌CPU 数字补偿和处理技术全温度范围补偿RS485双绞线总线连接方式，可接32个相同负载的DX计防护等级IP68水位传感器光纤水温传感器光纤流量传感器系统主要硬件地面遥地面遥测子站测子站设备设备电源系统免维护蓄电池 及太阳能板型号：TP
18、12-12规格：12V12Ah安全性能：正常使用下无电解液漏出，无电池膨胀及破裂。放电性能：放电电压平稳，放电平台平缓。耐震动性：安全充电状态的电池完全固定，以3mm的振幅，16.7Hz的频率震动一小时,无漏液,无电池膨胀及破裂,开路电压正常。耐冲击性：完全充电状态的电池从20cm高处自然落至1cm厚的硬木板上3次无漏液,无电池膨胀及破裂,开路电压正常。耐过放电性：25摄氏度，完全充电状态的电池进行定电阻放电3星期，恢复容量在75以上。耐充电性：25摄氏度，完全充电状态的电池0.1CA充电48小时，无漏液，无电池膨胀及破裂,开路电压正常.，容量维持率在95以上。耐大电流性：完全充电状态的电池2
19、CA放电5分钟或10AC放电5秒钟。无导电局部熔断，无外观变形。不同温度下的放电容量：40：102 25：100 0：85 -15：65 防护等级IP685W太阳能电池板在日间照度良好情况下向子站充电回路供电。系统主要硬件地面遥测子站地面遥测子站照片照片系统主要硬件煤矿综合水动态遥测子系统煤矿综合水动态遥测子系统中心站中心站中心前置机及控制中心特性型号：SIEMENS MC35T。支持数据、语音、短信和 效劳。支持GPRSClass8协议 采用电路交换方式的最大传送速率14.4kbps。标准的工业接口 支持8V-30V的电压范围、低功耗 体积：65mm*74mm*33mm/重量：130g。工作
20、温度：-2055存储温度：-4080 数据效劳器建议采用专用工控机系统软件体系煤矿综合水动态遥测子煤矿综合水动态遥测子系统平台软件结构系统平台软件结构系统软件体系煤矿综合水动态遥测煤矿综合水动态遥测子系统平台软件结构子系统平台软件结构系统软件体系煤矿综合水动态遥测子煤矿综合水动态遥测子系统登录界面系统登录界面系统软件体系煤矿综合水动态遥测子煤矿综合水动态遥测子系统长观孔界面系统长观孔界面系统软件体系煤矿综合水动态遥测子煤矿综合水动态遥测子系统井下菜单系统井下菜单系统软件体系煤矿综合水动态遥测子煤矿综合水动态遥测子系统井下实时界面系统井下实时界面系统软件体系煤矿综合水动态遥测子煤矿综合水动态遥测
21、子系统长观孔实时数据表系统长观孔实时数据表系统软件体系煤矿综合水动态遥测子煤矿综合水动态遥测子系统长观孔日、月、年系统长观孔日、月、年报表报表系统软件体系煤矿综合水动态遥测子煤矿综合水动态遥测子系统长观孔水位多曲线系统长观孔水位多曲线比照比照系统软件体系煤矿综合水动态遥测子煤矿综合水动态遥测子系统长观孔水位多曲线系统长观孔水位多曲线同坐标系比照同坐标系比照系统软件体系煤矿综合水动态遥测子煤矿综合水动态遥测子系统井下明渠流量多曲系统井下明渠流量多曲线比照线比照系统软件体系煤矿综合水动态遥测子煤矿综合水动态遥测子系统井下明渠流量同坐系统井下明渠流量同坐标系多曲线比照标系多曲线比照系统软件体系煤矿综
22、合水动态遥测子煤矿综合水动态遥测子系统井下测点实时信息系统井下测点实时信息系统软件体系煤矿综合水动态遥测子煤矿综合水动态遥测子系统井下测点实时信息系统井下测点实时信息系统软件体系煤矿综合水动态遥测子煤矿综合水动态遥测子系统数据维护界面系统数据维护界面煤矿综合水动态遥测子系统六大特点A。系统的低功耗处理 地面子站系统采用稳定可靠的5W太阳能电池板加配12AH的浮冲式蓄电池，做为子站设备的供电装置。掉电状态下，遥测子站的工作电流仅为50A，稳定可靠，同时，3-5年内免去工作人员为维护遥测子站供电而带来的野外作业烦恼。井下子站采用光栅传感技术，光纤探测并直接进行信号传输，现场不需供电，安全可靠精度高
23、。B。系统的稳定性 保证系统工作稳定的主要因素是整体系统的供电，为保证电池的安全，地面遥测子站设备有过充电、过放电的保护蓄电池功能。井下子站均采用无供电的光栅探测技术。C。系统的可扩展性 可满足随意增、减遥测子站的数量、改变子站的通信方式、增加子站采集的数据类型、互联网浏览以及根据需要增设分中心等等性能扩展要求。而井下子站所采取的光纤光栅技术，组网灵活，支持线形、环形、多级星形及混合方式组网，安装布线简洁快速D。系统数据的自记性特点 地面子站设备内嵌256KB非易失存贮器，如系统中遥测子站按每2小时采集一次数据，每天有12个数据采集，按此采集频度计算，子站内的非易失存贮器可以存贮近468天的数
24、据。在遥测子站内的核心元件不被破坏的情况下，非易失存贮器内存贮的数据，均可现场采集或恢复。井下子站测量无零漂，绝对量测量，光源衰减和线路损耗不影响测量精度，无需现场率定；实时性好，可在1秒钟内完成上万个监测点的数据采集并同时传递光纤光栅网络分析仪记录存储。E。系统选择传输通道的灵活多样满足系统运行的传输变化要求 在系统以后的使用中根据数据量大小、地面以上传输通道获得以及特殊使用要求均可重新采用GSM短消息、超短波、有线 、卫星、800MHz分组交换中的任意一种方式进行系统数据传输。井下采用光纤传输。F。避雷保护措施 地面遥测子站的安装对所有输入输出引线如电源线、传感器引线、通信线等都采用了多级
25、隔离、吸收措施，最大限度地防止雷击等过电压、过电流对遥测子站的破坏。光纤光栅技术原理及优势光纤光栅传感技术特点 技术先进：技术先进：不是简单地使用光纤直接进行量测，而是采用世界上最先进的光纤数码传感技术，在石英光纤上制作多个光栅，封装保护后形成光纤传感链，具有极高分辨率 产品可靠：产品可靠：在国内外各领域大量重大工程中成功应用，有众多用户使用报告 完善的产品认证：完善的产品认证：通过中国计量科学研究院等多家国家权威机构认证 完整的解决方案：完整的解决方案：可用一种技术解决成千上万个点的温度、应变、压力、位移、行程开关等多种参量 全光型：全光型：光纤探测并直接进行信号传输，现场不需供电，不受电磁
26、干扰，不受雷击 高精度：高精度：在所有类型光纤传感器中具有最高的测量精度，指标到达或超过传统的机电传感器 组网灵活：组网灵活：支持线形、环形、多级星形及混合方式组网，安装布线简洁快速 无零漂：无零漂：绝对量测量。光源衰减和线路损耗不影响测量精度，无需现场率定 实时性好：实时性好：可在1秒钟内完成上万个监测点的数据采集，可及时有效检测到突发灾害的发生 维护成本低：维护成本低：传感器正常工作寿命长达数十年，仪器光源功耗发热极小，可长期连续稳定工作 兼容性强：兼容性强：可与传统的机电传感器混合组网，并与光通信网络、无线通信网络无缝融合。光纤光栅的制作原理 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射光
27、子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤直径为0.125mm0.25mm的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。其制作方法如以下图所示：制作完成后的光纤光栅相当于在普通光纤中形成了一段长度为10mm左右的敏感区，可以准确感测温度、应力的变化。光纤光栅技术原理及优势光纤光栅的测量原理 光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时，它与光场发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并沿原传输光纤返回；其余宽带光则直接透射过去。宽带入射光剩余宽带透射光窄带反射光光纤包层（Cladding）光纤
28、纤芯（Core）反射回的窄带光的中心波长值随着作用于光纤光栅的温度和应变的改变而线性变化，从而使光纤光栅成为性能优异的温度、应变测量敏感元件。透射过去的剩余宽带光可以继续传输给其他具有不同中心波长的光纤光栅阵列，其中相应中心波长的窄带光系列将被逐一反射，全部沿原传输光纤返回。由此可实现多个光纤光栅传感器的串接复用。光纤光栅的上述特性使之成为温度、应变、压力、加速度、位移等物理量的优异测量敏感元件，并且可以同时实现多个物理量的准分布式测量，因此，光纤Bragg光栅成为大型结构长期健康监测的最正确选择。局部工程业绩皖北煤电:祁东煤矿一期地下水位遥测系统竣工;任楼煤矿一期地下水位遥测系统竣工;五沟煤矿一期地下水位遥测系统竣工;祁东煤矿二期矿井综合水遥测系统在建;卧龙湖煤矿一期地下水位遥测系统在建;钱营孜煤矿一期地下水位遥测系统在建;结束语与矿山水害防治研究所共同研制井下防水煤柱动态遥测及预警子系统开发过程中。北京凯源泰迪科技开展愿与国内外行业同仁携手，共同推动我国煤炭行业安全生产科技化进程。演讲完毕，谢谢观看！