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煤炭安全監控系統

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提    綱

礦井監控的意義
2  礦井監控的特點
3  礦井監控關鍵科學技術問題
4  煤礦井下電磁環境與電磁兼容

煤炭行業是高危行業，瓦斯、煤塵、水災、火災、沖擊地壓等困擾著煤炭工業的健康發展。其中，瓦斯（煤塵）爆炸事故是煤炭生產最嚴重的災害。
            
1 礦井監控的意義
      2004年全國煤炭總產量19.56億噸，全國煤礦發生各類死亡事故3641起，死亡6027人，百萬噸死亡率3.08。2004年全國煤礦發生各類一次死亡10人以上的特大事故42起，死亡1008人；其中，特大瓦斯事故32起，死亡867人，事故起數和死亡人數分別占全國煤礦特大事故的
  76.2%和86%。 
      2005年全國煤炭總產量21.9億噸，全國煤礦發生各類死亡事故3306起，死亡5938人，百萬噸死亡率2.71。2005年全國煤礦發生各類一次死亡10人以上的特大事故58起，死亡1739人；其中，特大瓦斯事故40起，死亡1160人，事故起數和死亡人數分別占全國煤礦特大事故的69%和66.7%。
           2006年全國煤炭總產量約為23.25億噸，全國煤礦發生各類死亡事故2945起，死亡4746人，百萬噸死亡率2.04。2006年全國煤礦發生各類一次死亡10人以上的特大事故39起，死亡744人，其中，特大瓦斯事故25起，死亡472人，事故起數和死亡人數分別占全國煤礦特大
  事故的64.1%和63.4%。
　　 2007年全國煤炭總產量約為25.5億噸，全國煤礦發生各類死亡事故2421起，死亡3786人，百萬噸死亡率約為1.485。2007年全國煤礦發生一次死亡10人以上的重特大事故28起，死亡573人。其中，重特大瓦斯事故22起，死亡460人，事故起數和死亡人數分別占全國煤礦重特大事故
的78.6%和80.3%。
　　2008年全國煤炭總產量約為27.2億噸，全國煤礦發生各類死亡事故1954起，死亡3215人，百萬噸死亡率約為1.182。2007全國煤礦發生一次死亡10人以上重特大事故38起，死亡707人。其中，重特大瓦斯事故17起，死亡334人，事故起數和死亡人數分別占全國煤礦重特大事故的44.7%和
47.2 %。
    2000年至今以來，全國煤礦發生一次死亡百人以上事故9起，其中7起是瓦斯事故，如表1所示 。
表1  2000年～2007年全國煤礦發生一次死亡百人以上事故
時間	地點	類別	死亡人數
2000.09.27	貴州省水城礦務局木沖溝煤礦	瓦斯煤塵爆炸	162
2002.06.20	黑龍江省雞西礦業集團城子河煤礦	瓦斯爆炸	124
2004.10.20	河南鄭煤集團大平煤礦	瓦斯爆炸	148
2004.11.28	陜西銅川礦業集團陳家山煤礦	瓦斯爆炸	166
2005.02.14	遼寧阜新礦業集團孫家灣海洲立井	瓦斯爆炸	214
2005.08.07	廣東省興寧市大興煤礦	透水事故	121
2005.11.27	黑龍江七臺河礦業集團東風煤礦	煤塵爆炸	171
2005.12.07	河北省唐山市開平區劉官屯煤礦	瓦斯爆炸	108
2007.12.05	山西省臨汾市洪洞瑞之源煤業有限公司	瓦斯爆炸	105
           因此，瓦斯防治是減少煤礦死亡事故總量的首要工作，是煤礦安全生產工作的重中之重。
      
      因此，瓦斯防治是減少煤礦死亡事故總量的首要工作，是煤礦安全生產工作的重中之重。 
  避免或減少瓦斯爆炸事故的方法
       當空氣中瓦斯濃度達到5%～15% CH4（4%～16%CH4）時，在一定能量的火源作用下，就會發生瓦斯燃燒和爆炸。因此，避免或減少瓦斯爆炸的發生就要控制空氣中瓦斯濃度和火源。
  使瓦斯濃度大于爆炸限
        地下氣化、地下液化、無人采煤。

使瓦斯濃度小于爆炸限
      降低瓦斯濃度：抽采（放）、通風等；但不能保證任何時間和地點都滿足要求。
 控制火源
      電氣火花（約占50％，監控、防爆、違章、設備故障等）、放炮、煤炭自燃、摩擦撞擊、其他明火等。 
煤礦安全監控系統的作用
原理
     當瓦斯超限、或掘進巷道局部通風機
停風時，切斷相關區域的電源并且閉鎖，
避免或減少由于下述火源引起瓦斯和煤塵
爆炸：
（1）電氣設備失爆、違章作業、電氣設備
故障電火花或危險溫度引起瓦斯爆炸；
（2）摩擦碰撞火花及高溫等。
  煤礦安全監控系統的功能
（1）瓦斯、風速、溫度、CO、局部通風機開停、風筒漏風、饋電狀態監測等；
（2）瓦斯超限或掘進巷道停風時，聲光報警、就地斷電；
（3）就地斷電失效，遠程斷電；
（4）就地斷電和遠程斷電失效，指揮工人斷電；
（5）指揮撤人等；
（6）瓦斯突出、通風系統、自燃火災等監測。
6.3  采煤工作面甲烷傳感器的設置
6.3.1  長壁采煤工作面甲烷傳感器必須按圖1設置。U型通風方式在上隅角設置甲烷傳感器T0或便攜式瓦斯檢測報警儀，工作面設置甲烷傳感器T1 ，工作面回風巷設置甲烷傳感器T2；若煤與瓦斯突出礦井的甲烷傳感器T1不能控制采煤工作面進風巷內全部非本質安全型電氣設備，則在進風巷設置甲烷傳感器T3；
低瓦斯和高瓦斯礦井采煤工作面采用串聯通風時，被串工作面的進風巷設置甲烷傳感器T4，如圖1a所示。Z型、Y型、H型和W型通風方式的采煤工作面甲烷傳感器的設置參照上述規定執行，如圖1b～圖1e所示。

10m～15m
T1
T2
T3
 
10m～15m
T4
≤10m
T0
上隅角
≤10m
       （a）

T1
10m～15m
≤10m

（b）
（c）

T1
T2

≤10m

10m～15m

T1
T2
T1
T2
≤10m
≤10m
10m～15m
10m～15m
（d）

T1
T2
≤10m
10m～15m

（e）
A—U型通風方式；
b—Z型通風方式；
c—Y型通風方式；
d—H型通風方式；
e—W型通風方式.
        圖1  采煤工作面甲烷傳感器的設置
6.3.2  采用兩條巷道回風的采煤工作面甲烷傳感器必須按圖2設置。甲烷傳感器T0、T1和T2的設置同圖1a；在第二條回風巷設置甲烷傳感器T5、T6。采用三條巷道回風的采煤工作面，第三條回風巷甲烷傳感器的設置與第二條回風巷甲烷傳感器T5、T6的設置相同。
圖2采用兩條巷道回風的采煤工作面甲烷傳感器的設置
T1

10m~15m
T6
T0

T5
10m~15m
≤10m

≤10m
6.3.3  有專用排瓦斯巷的采煤工作面甲烷傳感器必須按圖3設置。甲烷傳感器T0、T1、T2 的設置同圖1 a；在專用排瓦斯巷設置甲烷傳感器T7，在工作面混合回風風流處設置甲烷傳感器T8，如圖3a、圖3b所示。
（a）
T1

10m~15m
T7
T8
T0
10m～15m
T2

10m~15m
10m~15m
 
≤10m
T1
T2
T7
10m~15m
T8
T0

10m~15m
10m～15m
（b）
圖3有專用排瓦斯巷的采煤工作面甲烷傳感器的設置 
6.3.4  高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井采煤工作面的回風巷長度大于1000m時，必須在回風巷中部增設甲烷傳感器。
6.3.5  采煤機必須設置機載式甲烷斷電儀或便攜式甲烷檢測報警儀。
6.3.6  非長壁式采煤工作面甲烷傳感器的設置參照上述規定執行，即在上隅角設置甲烷傳感器T0或便攜式瓦斯檢測報警儀，在工作面及其回風巷各設置1個甲烷傳感器。
  煤礦生產監控系統
        軌道運輸監控系統主要用來監測信號機狀態、電動轉撤機狀態、機車位置、機車編號、運行方向、運行速度、車皮數、空（實）車皮數等，并實現信號機、電動轉轍機閉鎖控制、地面遠程
    調度與控制等。
              膠帶運輸監控主要用來監測皮帶速度、軸溫、煙霧、堆煤、橫向撕裂、縱向撕裂、跑偏、打滑、電機運行狀態、煤倉煤位等，并實現順煤流啟動，逆煤流停止閉鎖控制和安全保護、地面遠程調度與控制、皮帶火災監測與控制等。  
       提升運輸監控系統主要用來監測罐籠位置、速度、安全門狀態、搖臺狀態、阻車器狀態等，并實現推車、提升閉鎖控制等。
                   供電監控系統主要用來監測電網電壓、電流、功率、功率因數、饋電開關狀態、電網絕緣狀態等，并實現漏電保護、饋電開關閉鎖控制、地面遠程控制等。 
      排水監控系統主要用來監測水倉水位、水泵開停、水泵工作電壓、電流、功率、閥門狀態、流量、壓力等，并實現閥門開關、水泵開停控制、地面遠程控制等。
      大型機電設備健康狀況監控系統主要用來監測機械振動、油質量污染等，并實現故障診斷。 
采煤面綜合自動化系統
　 
     　全面實現采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉載機、泵站、順槽皮帶的集中聯鎖控制，與井下工業以太網聯接實現在地面集控中心、調度室對采煤機位置及支架壓力等上百個參數的遠程實時監視，同時實現調度電話與工作面電話的聯網通話。
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采煤工作面自動化系統
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礦井電機車運輸自動化系統
  
  礦井電機車運輸自動化系統是一個基于工業以太網的信集閉系統，在地面集控中心實現對井下軌道運輸的調度、信號的閉鎖、道岔的自動控制及運輸狀況的在線監測，地面操作員直接與司機對話聯系，撤消了井下調度室，使礦井運輸管理躍上一個新的水平。
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軌道運輸監控操作場面
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礦井皮帶自動化系統
　  
    礦皮帶自動化系統在每條皮帶設置門類齊全的保護裝置、起停信號預報、工業電視攝像頭、移動通信裝置，控制信號、保護信號、開停信號均由設在皮帶機頭的PLC裝置進行集成后，接入井下工業以太網平臺傳至地面集控中心，在地面集控中心，工作人員通過觀看現場的工業電視圖像，通過與巡檢工移動電話聯系，可靠地實現了對井下所有主運輸皮帶的開停控制，實現井下現場無人值守，撤消皮帶工區，井下上百人開停皮帶的工作場景成為歷史，取而代之的是地面集控中心。

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皮帶集控操作場面
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供電、排水、通風、提升、選煤自動化系統

根據同樣原理，供電自動化系統實現了對井下變電所的地面停送電控制；排水自動化系統實現了對井下的自動排水；通風自動化系統實現了對礦井通風機的遠程開停控制；提升自動化系統實現了煤炭裝卸載及絞車運行的全自動化；選煤廠自動化系統實現了對整個地面生產系統上百臺設備的集中控制。 
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  2礦井監控的特點
      煤礦井下是一個特殊的工作環境，有易燃易爆可燃性氣體和腐蝕性氣體，潮濕、淋水、礦塵大、電網電壓波動大、電磁干擾嚴重、空間狹小、監控距離遠。因此，礦井監控系統不同于一般工業監控系統，礦井監控系統同一般工業監控系統相比具有如下特點：  
          (1)電氣防爆。一般工業監控系統均工作在非爆炸性環境中，而礦井監控系統工作在有瓦斯和煤塵爆炸性環境的煤礦井下。因此，礦井監控系統的設備必須是防爆型電氣設備，并且不同于化工、石油等爆炸性環境中的工廠用防爆型電氣設備。 
     (2)傳輸距離遠。一般工業監控對系統的傳輸距離要求不高，僅為幾千米，甚至幾百米，而礦井監控系統的傳輸距離至少要達到10千米。
     (3)網絡結構宜采用樹形結構。一般工業監控系統電纜敷設的自由度較大，可根據設備、電纜溝、電桿的位置選擇星形、環形、樹形，總線形等結構。而礦井監控系統的傳輸電纜必須沿巷道敷設，掛在巷道壁上。由于巷道為分支結構，并且分支長度可達數千米。因此，為便于系統安裝維護、節約傳輸電纜、降低系統成本宜采用樹形結構。  
 
          (4)監控對象變化緩慢。礦井監控系統的監控對象主要為緩變量，因此，在同樣監控容量下，對系統的傳輸速率要求不高。
     (5)電網電壓波動大，電磁干擾嚴重。由于煤礦井下空間小，采煤機、運輸機等大型設備啟停和架線電機車火花等造成電磁干擾嚴重。 
     (6)工作環境惡劣。煤礦井下除有甲烷、一氧化碳等易燃易爆性氣體外，還有硫化氫等腐蝕性氣體，礦塵大、潮濕、有淋水、空間狹小。因此，礦井監控設備要有防塵、防潮、防腐、防霉、抗機械沖擊等措施。 
      (7)傳感器（或執行機構）宜采用遠程供電。一般工業監控系統的電源供給比較容易，不受電氣防爆要求的限制。礦井監控系統的電源供給，受電氣防爆要求的限制。由于傳感器及執行機構往往設置在工作面等惡劣環境，因此，不宜就地供電。現有礦井監控系統多采用分站遠距離供電。 
          (8)不宜采用中繼器。煤礦井下工作環境惡劣，監控距離遠，維護困難，若采用中繼器延長系統傳輸距離，由于中繼器是有源設備，故障率較無中繼器系統高，并且在煤礦井下電源的供給受電氣防爆的限制，在中繼器處不一定好取電源，若采用遠距離供電還需要增加供電芯線。因此，不宜采用中繼器。  
      通過上面對礦井監控系統的分析，可以看出，礦井監控系統不同于一般工業監控系統。因此，直接用一般工業監控的理論和技術解決礦井監控的問題是行不通的。不是不符合電氣防爆要求，就是傳輸距離太近，或網絡結構不適合用于礦井監控系統，或不能進行總線供電，或節點容量太小等等。
  4 礦井監控關鍵科學技術問題
  礦井監控關鍵科學技術問題主要包括：
     （1）礦井監控信息傳輸；（2）礦井監控信息處理；（3）傳感器無盲區布置與分級控制；（4）礦用圖像識別與處理；（5）生命探測及人員定位；（6）礦用本質安全防爆電源；（7）礦井監控系統試驗方法等。  
      礦井監控信息傳輸主要研究系統網絡結構、復用方式、礦用現場總線、礦用以太網、傳輸協議、聯網規約等。
      礦井監控信息處理主要研究數據處理、信息輸出、數據融合、數據挖掘、重大災害預警等。
      傳感器無盲區布置就是針對瓦斯等災害，使用最少的傳感器，實現無盲區監測、優化傳感器布置，實現分級分區控制。 
      礦用圖像識別與處理就是建立礦工、煤倉煤位、水倉水位、機車料位、煤巖等識別模型，實現自動識別與報警。
      生命探測與人員定位就是針對煤礦災害應急救援的需要和煤礦井下災后的特殊環境，研究礦用生命探測方法與人員定位方法。 
      礦用本質安全防爆電源就是要研究開關電源的本質安全設計方法、本質安全防爆電源與備用電源的配接方法等。
      礦井監控系統試驗方法就是研究不使用電纜（可達數百公里）的仿真線試驗方法等。  
   5 煤礦井下電磁環境與電磁兼容
  5.1 意義
      煤礦井下電磁環境影響著礦井通信與監控等設備的正常運行，同時，煤礦井下電氣設備又影響著煤礦井下電磁環境。 
      由于人們對煤礦井下電磁環境和電磁兼容研究還很少，研究成果遠遠不能滿足煤礦安全監控系統設計、制造、檢驗和使用等需求，從而造成煤礦安全監控系統運行不穩定，數據不可靠。特別是瓦斯監測數據的不準確，常常造成瓦斯超限報警誤報或漏報，瓦斯超限斷電誤動或拒動，帶來了巨大的安全隱患。
     煤礦安全監控委員會于2004年8月～2005年9月對全國上千位從事煤礦瓦斯監控的管理與維護人員調查表明，瓦斯超限誤報警現象十分普遍，以至于一些系統出現瓦斯超限報警時，不知是否該采取相關的安全措施。  
      因此，有必要針對煤礦井下的特點，進行煤礦井下電磁環境和電磁兼容研究，這對完善礦井監控和通信理論、指導相關標準制定、提高系統抗干擾能力、發揮系統的安全保障作用具有十分重要的理論意義和實用價值。 
謝  謝!

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