礦井安全生產監測監控（安徽理工大學）
主講人：王廣軍
安徽理工大學安全培訓中心
礦井安全監測監控
煤礦信息集成化、智能化、網絡化是當前煤礦監測監控係統發展的特點，也是煤礦安全生產的重要保證。我國目前正生產和推廣集多類子係統的全礦井綜合監控係統，這種係統由信息管理係統、礦井安全監測監控係統、生產設備自動控製係統及工業電視監視係統等組成。
主要內容
一、電氣防爆
二、礦井安全監測監控係統組成
三、礦井安全監測監控係統現狀與發展
一、電氣防爆
礦用電氣設備的分類
I 類為礦用電氣設備
Ⅱ類為工廠用電氣設備
電氣防爆
煤礦用防爆電氣設備是按照國家標準 GB 3836《爆炸性環境用防爆電氣設備》製造的。它適用於煤礦低瓦斯、高瓦斯和有煤塵與瓦斯突出、噴出的區域（其標誌為“Ex” ）
礦用一般型電氣設備是專為煤礦井下生產的不防爆的電氣設備，隻能用於低瓦斯礦井井底車場，總進風巷和主要進風巷。使用架線電機車運輸的巷道中及沿該巷道的機電銅室內也可采用一般型電氣設備，其標誌為“ KY ”。
電氣防爆
電氣防爆
1.隔爆型電氣設備 d
該設備具有隔爆外殼的防爆電氣設備，該外殼既能承受其內部爆炸性氣體混合物引爆產生的爆炸壓力，又能防止爆炸產物穿出隔爆間隙點燃外殼周圍的爆炸性混合物。
電氣防爆
2.增安型電氣設備 e
該設備在正常運行條件下不會產生電弧、火花或可能點燃爆炸性混合物的高溫的設備結構上，采取措施提高安全程度，以避免在正常和認可的過載條件下出現這些現象的電氣設備。
電氣防爆
3.本質安全型電氣設備 i
該設備全部電路均為本質安全電路的電氣設備。所謂本質安全電路，是指在規定的試驗條件下，正常工作或規定的故障狀態下產生的電火花和熱效應均不能點燃規定的爆炸性混合物的電路。
電氣防爆
4.正壓型電氣設備 p
該設備具有正壓外殼的電氣設備。即外殼內充有保護性氣體，並保持其壓力（壓強）高於周圍爆炸性環境的壓力（壓強），以阻止外部爆炸性混合物進入的防爆電氣設備。
電氣防爆
5.充油型電氣設備o
該設備全部或部分件浸在油內，使設備不能點燃油麵以上的或外殼外的爆炸性混合物的防爆電氣設備。
電氣防爆
6.充砂型電氣設備 q
該設備外殼內充填砂粒材料，使之在規定的條件下殼內產生的電弧、傳播的火焰、外殼壁或砂粒材料表麵的過熱溫度，均不能點燃周圍爆炸性混合物的防爆電氣設備。
電氣防爆
7.澆封型電氣設備 m
該設備將電氣設備或其部件澆封在澆封劑中，使它在正常運行和認可的過載或認可的故障下不能點燃周圍的爆炸性混合物的防爆電氣設備。
電氣防爆
8.無火花型電氣設備 n
該設備在正常運行條件下，不會點燃周圍爆炸性混合物，且一般不會發生有點燃作用的故障的電氣設備。
電氣防爆
9.氣密型電氣設備 h
該設備具有氣密外殼的電氣設備。
10.特殊型電氣設備 s
該設備異於現有防爆型式，由主管部門製定暫行規定，經國家認可的檢驗機構證明，具有防爆性能的電氣設備。該型防爆電氣設備須報國家技術監督局備案。
二、礦井安全監測監控係統組成
(1)監測傳感器及執行機構
(2)分站
(3)主站
(4)信息傳輸係統
監測傳感器及執行機構
傳感器負責采集各種環境參數，將被測物理量信號轉換為電信號。有些傳感器還有顯示和聲光報警功能。執行機構的功能是接收來自傳輸係統的信息，並根據它執行開、停、斷電等指令，從而完成各種控製功能。傳感器的供電方式有 2 種：一種是 1 個傳感器 1 個電源箱方式；另一種是集中供電的方式，即若幹個傳感器共用 1 個電源箱，而這種電源箱大多是與係統分站在一起。井下使用的傳感器的供電電源必須是本質安全型的。
監測傳感器
傳感器的基本概念與定義
傳感器是電子測量儀器的核心。它是借助於檢測元件(又稱傳感元件、傳感頭)接受物理量形式信息(一般為非電量)，並按一定規律將它轉換成同種或別種物理量形式信息的儀器，通常又稱變換器、變送器、換能器等。檢測元件接受的物理量稱為被測參數，或稱被測量。
對礦用傳感器的一般要求
(1)輸入與輸出之間有一定的函數關係，經常是 單值線性關係；
(2)較高的靈敏度、精度，安裝方向對檢測精度影響小，且有較快的反應速度；
(3)特性曲線的重複性和隨時間變化的穩定性好
(4)抗幹擾能力強，機械、熱、電的過載穩定性好；
(5)防潮、防爆、體輕、堅固、耐用。
誤差分析
1)裝置誤差與方法誤差
2)基本誤差和附加誤差
3)係統誤差和隨機誤差
4)絕對誤差和相對誤差
絕對誤差是指測量儀器指示值與實際值之間差值的絕對值
△＝ |X—A|
式中△——絕對誤差；
X——測量儀器指示值；
A——實際值(真值)。
誤差分析
相對誤差的定義為：絕對誤差與約定指示值之比。由於選取的約定指示值不同，相對誤差又分為實際相對誤差、標稱相對誤差、引用相對誤差。在實際使用中，多用引用相對誤差。
例如：有一滿刻度100A的電流表測量某電路電流，指示值為41A，實際值為40A，則有：
絕對誤差：△＝41—40＝l A
礦用傳感器
瓦斯、風速、負壓、一氧化碳、煙霧、溫度、風門開關；各種機電設備開停、電壓、電流、功率、電度等礦用傳感器
瓦斯傳感器
沼氣具有以下特性：無色、無味、無臭常溫常壓時呈氣態；相對於空氣的比重是0.554，難溶於水；擴散性較空氣高1．6倍；無毒，但濃度很高時，因氧含量減少會引起人窒息死亡，不助燃，在空氣中達到一定濃度時(5％一16％ CH4)遇高溫能引起爆炸，引爆溫度一般大於650℃，在空氣中沼氣濃度大於16％ CH4時，遇火燃燒。沼氣與氧氣在高溫下的反應是發光、放熱反應，其反應方程式如下：
CH4十202＝CO2十2H20十Q
瓦斯傳感器
(1)鉑絲線圈
(2)裁體
① 比表麵積大，一般為l0—100m2／g；
② 耐熱和傳熱性能好；
③ 防潮、耐化學腐蝕性好；
④有一定的機械如度。
(3)催化劑
①活性大，由反應物轉化生成物的轉化率高，
②選擇性高；
③穩定性好；
④使用期限長；
⑤工藝製造、篩選方便。
瓦斯傳感器
瓦斯傳感器
進入燃燒室的沼氣分於在檢測黑元件表麵進行熱化學反應，釋放熱量。沼氣的快速氧化需要一定的起始溫度和催化劑作用。檢測黑元件的第一個作用是為沼氣氧化提供外在條件，通以較大的工作電流，將元件溫度加熱到沼氣快速氧化的起始點；
沼氣氧化放出的熱量與參加反應的沼氣分子的質量成正比。在傳感器幾何結構、檢測元件電參數一定時，沼氣氧化生成的熱量與外界環境中的沼氣濃度成正比
瓦斯傳感器
熱催化式低濃沼氣傳感器的特點
(1)在沼氣傳感器有效測量範圍內(一般0％一4％CH4)線性好，非線性誤差小；
(2)靈敏度高，即對應單位沼氣濃度電橋輸出V大，
(3)靈敏度相對穩定，線性衰減慢，零點漂移小；
(4)重複性好。
瓦斯傳感器
造成沼氣傳感器元件靈敏度下陣的主要原因
①高濃度沼氣激活失效
②煤塵與水蒸氣的影響
③元件化學組分變化、中毒失效
瓦斯傳感器
瓦斯傳感器
瓦斯傳感器
熱導式甲烷傳感器工作原理：利用甲烷的熱導率高於新鮮空氣的熱導率，通過熱敏元件測量甲烷空氣混合物熱導率的變化，進而測的甲烷空氣混合物濃度的變化。
主要使用方向：熱導式高濃度甲烷傳感器是我國煤礦用於瓦斯抽放管道中監測瓦斯濃度的儀器。
風速傳感器
礦用風速傳感器按工作原理分有葉輪式、熱線式、超聲波式等。
超聲波風速傳感器
分站
分站的作用是接收來自傳感器的模擬信號，並按預先約定的複用方式（時分製或頻分製等）遠距離傳送給主站；同時，接受來自主站多路複用信號（時分製或頻分製等）。分站還具有線性校正、超限判別、邏輯運算等簡單的數據處理能力，對傳感器輸人的信號和主站傳輸來的信號進行處理，控製斷電器工作。傳感器及執行機構距分站的最大傳輸距離一般不小於 2 km 。
主站
主站主要完成地麵非本質安全型電氣設備與井下本質安全型防爆電氣設備的隔離。主站還具有控製分站的發送與接收、多路複用信號的調製與解調、係統自檢等功能。主站一般由主機（含顯示器）、打印機、電視牆（或投影儀、模擬盤、多屏幕、大屏幕）、 UPS 電源等組成。
信息傳輸係統
連接井下分站和地麵中心站係統的即是信息傳輸係統。
三、礦井安全監測監控係統現狀與發展
煤礦安全監控設備裝備標準應以保障煤礦安全生產為原則。因此，煤礦安全監控設備的裝備標準主要依據礦井瓦斯等級、自然發火狀況等確定、不需要考慮礦井的生產能力。
係統中心站
環境監測。主要監測煤礦井下各種有毒有害氣體及工作麵的作業條件，如高濃度甲烷氣體、低濃度甲烷氣體、一氧化碳、氧氣濃度、風速、負壓、溫度、岩煤溫度、頂板壓力、煙霧等
係統中心站
生產監控。主要監控井上、下主要生產環節的各種生產參數和重要設備的運行狀態參數，如煤倉煤位、水倉水位、供電電壓、供電電流、功率等模擬量；水泵、提升機、局扇、主扇、膠帶機、采煤機、開關、磁力起動器運行狀態和參數等。
係統中心站
中心站軟件。具有測點定義功能；具有顯示測量參數、數據報表、曲線顯示、圖形生成、數據存儲、故障統計和報表、報告打印功能。其中，部分係統可實現局域網絡連接功能，並采用國際通用的TCP/IP網絡協議實現局域網絡終端與中心站之間實時通信和實時數據查詢
煤礦監控係統井下分站
l 開機自檢和本機初始化功能
2 通信測試功能
3 分站設程控功能（實現斷點儀功能、風電瓦斯閉鎖功能、瓦斯管道監測功能和一般的環境監測功能等）
4 死機自複位功能且通知中心站
5 接收地麵中心站初始化本分站參數設置功能(如傳感器配接通道號、量程、斷電點、斷電點、報警上限和報警下限等)
煤礦監控係統井下分站
6 分站自動識別配接傳感器類型（電壓型、電流型或頻率型等）
7 分站本身具備超限報警功能
8 分站接收中心站對本分站指定通道輸出控製繼電器實施手控操作功能和異地斷電功能
礦井安全監控係統的裝備要求
高瓦斯礦井、煤（岩）與瓦斯突出礦井，必須裝備礦井安全監控係統。沒有裝備礦井安全監控係統的礦並的煤巷、半煤岩巷和有瓦斯湧出的岩巷的掘進工作麵，必須裝備甲烷風電閉鎖裝置或甲烷斷電儀和風電閉鎖裝置。沒有裝備礦井安全監控係統的無瓦斯湧出的岩巷掘進工作麵，必須裝備風電閉鎖裝置。沒有裝備礦井安全監控係統的礦井的采煤工作麵，必須裝備甲烷斷電儀。煤礦安全監控設備之間必須使用專用阻燃電纜或光纜連接，嚴禁與調度電話電纜或動力電纜共用。防爆型煤礦安全監控設備之間的輸人、輸出信號必須為本質安全型信號。
使用和維護
礦井安全監控係統必須具有瓦斯、風速、壓差、CO、溫度、微音、地音等模擬量監測，饋電狀態投備開停和風筒開關等開關量監測、瓦斯濃度超限聲光報警和斷電／複電、風一瓦斯一電閉鎖、斷電狀態監測、自檢、顯示、存儲、打印報表等功能。礦井監控係統中心站主機應不少幹2台，1台工作，l台備用。當主機或係統電纜發生故障時，係統必須保證繼續連續正常工作時間不小幹於2小時。係統必須具有防雷措施，防止雷電引起井下瓦斯煤塵爆炸。
使用和維護
當瓦斯濃度超限切斷被控電氣設備的電源後，嚴禁自動複電，隻有當瓦斯濃度降到複電門限以下時，方可人工複電。安全監控設備未投入正常運行或故障時，必須自動切斷控製區域設備電源。
傳感器的設置
瓦斯傳感器的設置
瓦斯傳感器應垂直懸掛，距頂板（頂梁）不得大於300mm，距巷道側壁不得小於200mm。
采煤工作麵甲烷傳感器的設置
甲烷傳感器的報警濃度、斷電濃度、複電濃度 和斷電範圍 及便攜式甲烷檢測報警儀的報警濃度
甲烷傳感器的報警濃度、斷電濃度、複電濃度 和斷電範圍 及便攜式甲烷檢測報警儀的報警濃度
采煤工作麵甲烷傳感器的設置
采煤工作麵甲烷傳感器的設置
采煤工作麵甲烷傳感器的設置
采煤工作麵甲烷傳感器的設置
掘進工作麵甲烷傳感器的設置
高瓦斯礦井雙巷掘進工作麵甲烷傳感器的設置
有專用排瓦斯巷的采煤工作麵甲烷傳感器的設置
有專用排瓦斯巷的采煤工作麵甲烷傳感器的設置
機電硐室甲烷傳感器的設置
其它甲烷傳感器的設置
其它甲烷傳感器的設置
其它傳感器的設置
其它傳感器的設置
甲烷傳感器的報警濃度、斷電濃度、複電濃度 和斷電範圍 及便攜式甲烷檢測報警儀的報警濃度
甲烷傳感器的報警濃度、斷電濃度、複電濃度 和斷電範圍 及便攜式甲烷檢測報警儀的報警濃度
甲烷傳感器的報警濃度、斷電濃度、複電濃度 和斷電範圍 及便攜式甲烷檢測報警儀的報警濃度
傳感器的設置
傳感器的設置
傳感器的設置
傳感器的設置
傳感器的設置
傳感器的設置
存在的問題
通信協議不規範
井下信息傳輸設備物理接口協議不規範
傳感器等質量不過關
現場管理和維護水平有待於加強
市場秩序亟待規範
發展趨勢
a.係統不僅能實現監測監控，而且在軟件技術上應研究開發能根據被監測環境地點的參數進行有效的危險性判別、分析和提出專家決策方案。同時係統應用軟件應向網絡化發展，按統一的格式向外提供監測數據
b.針對通信協議不規範和傳輸設備物理層協議不規範盡，應盡快尋找一種解決係統兼容性的途徑或製定相應的專業技術標準，這對促進礦井監控技術發展和係統的推廣應用均具有十分重要的意義;
發展趨勢
c.研製高可靠性瓦斯傳感器；
d.礦井瓦斯爆炸多半是由電氣火災引起的，因此應研製智能化的高壓開關櫃、高壓真空饋電開關、低壓真空饋電開關等，依此向係統提供多參數的信息，如電流、電壓、單相/三相漏電電流、開關運行狀態、開關機械/電氣閉鎖狀態等；
e.製定科學、合理的政策法規，研究提高煤礦安全管理水平的管理技術，使我國的煤礦安全生產管理從以人治為主，發展到以法治理
礦井監測監控的發展
安全可靠、綜合能力強
傳感器電路通用
信號傳輸采用統一標準
通用的礦井安全監測監控軟件
謝謝大家
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