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煤炭安全監(jiān)控系統(tǒng)

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提    綱

礦井監(jiān)控的意義
2  礦井監(jiān)控的特點
3  礦井監(jiān)控關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題
4  煤礦井下電磁環(huán)境與電磁兼容

煤炭行業(yè)是高危行業(yè)，瓦斯、煤塵、水災(zāi)、火災(zāi)、沖擊地壓等困擾著煤炭工業(yè)的健康發(fā)展。其中，瓦斯（煤塵）爆炸事故是煤炭生產(chǎn)最嚴(yán)重的災(zāi)害。
            
1 礦井監(jiān)控的意義
      2004年全國煤炭總產(chǎn)量19.56億噸，全國煤礦發(fā)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(fā)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(shù)和死亡人數(shù)分別占全國煤礦特大事故的
  76.2%和86%。 
      2005年全國煤炭總產(chǎn)量21.9億噸，全國煤礦發(fā)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(fā)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(shù)和死亡人數(shù)分別占全國煤礦特大事故的69%和66.7%。
           2006年全國煤炭總產(chǎn)量約為23.25億噸，全國煤礦發(fā)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(fā)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(shù)和死亡人數(shù)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(chǎn)量約為25.5億噸，全國煤礦發(fā)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(fā)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(shù)和死亡人數(shù)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(chǎn)量約為27.2億噸，全國煤礦發(fā)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(fā)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(shù)和死亡人數(shù)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(fā)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(fā)生一次死亡百人以上事故
時間	地點	類別	死亡人數(shù)
2000.09.27	貴州省水城礦務(wù)局木沖溝煤礦	瓦斯煤塵爆炸	162
2002.06.20	黑龍江省雞西礦業(yè)集團(tuán)城子河煤礦	瓦斯爆炸	124
2004.10.20	河南鄭煤集團(tuán)大平煤礦	瓦斯爆炸	148
2004.11.28	陜西銅川礦業(yè)集團(tuán)陳家山煤礦	瓦斯爆炸	166
2005.02.14	遼寧阜新礦業(yè)集團(tuán)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(yè)集團(tuán)東風(fēng)煤礦	煤塵爆炸	171
2005.12.07	河北省唐山市開平區(qū)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(yè)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(chǎn)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(chǎn)工作的重中之重。 
  避免或減少瓦斯爆炸事故的方法
       當(dāng)空氣中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到5%～15% CH4（4%～16%CH4）時，在一定能量的火源作用下，就會發(fā)生瓦斯燃燒和爆炸。因此，避免或減少瓦斯爆炸的發(fā)生就要控制空氣中瓦斯?jié)舛群突鹪础?
  使瓦斯?jié)舛却笥诒ㄏ?
        地下氣化、地下液化、無人采煤。

使瓦斯?jié)舛刃∮诒ㄏ?
      降低瓦斯?jié)舛龋撼椴桑ǚ牛⑼L(fēng)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(jiān)控、防爆、違章、設(shè)備故障等）、放炮、煤炭自燃、摩擦撞擊、其他明火等。 
煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的作用
原理
     當(dāng)瓦斯超限、或掘進(jìn)巷道局部通風(fēng)機(jī)
停風(fēng)時，切斷相關(guān)區(qū)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(shè)備失爆、違章作業(yè)、電氣設(shè)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(jiān)控系統(tǒng)的功能
（1）瓦斯、風(fēng)速、溫度、CO、局部通風(fēng)機(jī)開停、風(fēng)筒漏風(fēng)、饋電狀態(tài)監(jiān)測等；
（2）瓦斯超限或掘進(jìn)巷道停風(fēng)時，聲光報警、就地斷電；
（3）就地斷電失效，遠(yuǎn)程斷電；
（4）就地斷電和遠(yuǎn)程斷電失效，指揮工人斷電；
（5）指揮撤人等；
（6）瓦斯突出、通風(fēng)系統(tǒng)、自燃火災(zāi)等監(jiān)測。
6.3  采煤工作面甲烷傳感器的設(shè)置
6.3.1  長壁采煤工作面甲烷傳感器必須按圖1設(shè)置。U型通風(fēng)方式在上隅角設(shè)置甲烷傳感器T0或便攜式瓦斯檢測報警儀，工作面設(shè)置甲烷傳感器T1 ，工作面回風(fēng)巷設(shè)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(jìn)風(fēng)巷內(nèi)全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備，則在進(jìn)風(fēng)巷設(shè)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(lián)通風(fēng)時，被串工作面的進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置甲烷傳感器T4，如圖1a所示。Z型、Y型、H型和W型通風(fēng)方式的采煤工作面甲烷傳感器的設(shè)置參照上述規(guī)定執(zhí)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(fēng)方式；
b—Z型通風(fēng)方式；
c—Y型通風(fēng)方式；
d—H型通風(fēng)方式；
e—W型通風(fēng)方式.
        圖1  采煤工作面甲烷傳感器的設(shè)置
6.3.2  采用兩條巷道回風(fēng)的采煤工作面甲烷傳感器必須按圖2設(shè)置。甲烷傳感器T0、T1和T2的設(shè)置同圖1a；在第二條回風(fēng)巷設(shè)置甲烷傳感器T5、T6。采用三條巷道回風(fēng)的采煤工作面，第三條回風(fēng)巷甲烷傳感器的設(shè)置與第二條回風(fēng)巷甲烷傳感器T5、T6的設(shè)置相同。
圖2采用兩條巷道回風(fēng)的采煤工作面甲烷傳感器的設(shè)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(shè)置。甲烷傳感器T0、T1、T2 的設(shè)置同圖1 a；在專用排瓦斯巷設(shè)置甲烷傳感器T7，在工作面混合回風(fēng)風(fēng)流處設(shè)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(shè)置 
6.3.4  高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井采煤工作面的回風(fēng)巷長度大于1000m時，必須在回風(fēng)巷中部增設(shè)甲烷傳感器。
6.3.5  采煤機(jī)必須設(shè)置機(jī)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(shè)置參照上述規(guī)定執(zhí)行，即在上隅角設(shè)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(fēng)巷各設(shè)置1個甲烷傳感器。
  煤礦生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)
        軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測信號機(jī)狀態(tài)、電動轉(zhuǎn)撤機(jī)狀態(tài)、機(jī)車位置、機(jī)車編號、運(yùn)行方向、運(yùn)行速度、車皮數(shù)、空（實）車皮數(shù)等，并實現(xiàn)信號機(jī)、電動轉(zhuǎn)轍機(jī)閉鎖控制、地面遠(yuǎn)程
    調(diào)度與控制等。
              膠帶運(yùn)輸監(jiān)控主要用來監(jiān)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(jī)運(yùn)行狀態(tài)、煤倉煤位等，并實現(xiàn)順煤流啟動，逆煤流停止閉鎖控制和安全保護(hù)、地面遠(yuǎn)程調(diào)度與控制、皮帶火災(zāi)監(jiān)測與控制等。  
       提升運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測罐籠位置、速度、安全門狀態(tài)、搖臺狀態(tài)、阻車器狀態(tài)等，并實現(xiàn)推車、提升閉鎖控制等。
                   供電監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測電網(wǎng)電壓、電流、功率、功率因數(shù)、饋電開關(guān)狀態(tài)、電網(wǎng)絕緣狀態(tài)等，并實現(xiàn)漏電保護(hù)、饋電開關(guān)閉鎖控制、地面遠(yuǎn)程控制等。 
      排水監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測水倉水位、水泵開停、水泵工作電壓、電流、功率、閥門狀態(tài)、流量、壓力等，并實現(xiàn)閥門開關(guān)、水泵開?？刂?、地面遠(yuǎn)程控制等。
      大型機(jī)電設(shè)備健康狀況監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測機(jī)械振動、油質(zhì)量污染等，并實現(xiàn)故障診斷。 
采煤面綜合自動化系統(tǒng)
　 
     　全面實現(xiàn)采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、泵站、順槽皮帶的集中聯(lián)鎖控制，與井下工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)接實現(xiàn)在地面集控中心、調(diào)度室對采煤機(jī)位置及支架壓力等上百個參數(shù)的遠(yuǎn)程實時監(jiān)視，同時實現(xiàn)調(diào)度電話與工作面電話的聯(lián)網(wǎng)通話。
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采煤工作面自動化系統(tǒng)
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礦井電機(jī)車運(yùn)輸自動化系統(tǒng)
  
  礦井電機(jī)車運(yùn)輸自動化系統(tǒng)是一個基于工業(yè)以太網(wǎng)的信集閉系統(tǒng)，在地面集控中心實現(xiàn)對井下軌道運(yùn)輸?shù)恼{(diào)度、信號的閉鎖、道岔的自動控制及運(yùn)輸狀況的在線監(jiān)測，地面操作員直接與司機(jī)對話聯(lián)系，撤消了井下調(diào)度室，使礦井運(yùn)輸管理躍上一個新的水平。
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軌道運(yùn)輸監(jiān)控操作場面
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礦井皮帶自動化系統(tǒng)
　  
    礦皮帶自動化系統(tǒng)在每條皮帶設(shè)置門類齊全的保護(hù)裝置、起停信號預(yù)報、工業(yè)電視攝像頭、移動通信裝置，控制信號、保護(hù)信號、開停信號均由設(shè)在皮帶機(jī)頭的PLC裝置進(jìn)行集成后，接入井下工業(yè)以太網(wǎng)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(xiàn)場的工業(yè)電視圖像，通過與巡檢工移動電話聯(lián)系，可靠地實現(xiàn)了對井下所有主運(yùn)輸皮帶的開停控制，實現(xiàn)井下現(xiàn)場無人值守，撤消皮帶工區(qū)，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(fēng)、提升、選煤自動化系統(tǒng)

根據(jù)同樣原理，供電自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了對井下變電所的地面停送電控制；排水自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了對井下的自動排水；通風(fēng)自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了對礦井通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程開?？刂疲惶嵘詣踊到y(tǒng)實現(xiàn)了煤炭裝卸載及絞車運(yùn)行的全自動化；選煤廠自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了對整個地面生產(chǎn)系統(tǒng)上百臺設(shè)備的集中控制。 
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  2礦井監(jiān)控的特點
      煤礦井下是一個特殊的工作環(huán)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(wǎng)電壓波動大、電磁干擾嚴(yán)重、空間狹小、監(jiān)控距離遠(yuǎn)。因此，礦井監(jiān)控系統(tǒng)不同于一般工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，礦井監(jiān)控系統(tǒng)同一般工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)相比具有如下特點：  
          (1)電氣防爆。一般工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)均工作在非爆炸性環(huán)境中，而礦井監(jiān)控系統(tǒng)工作在有瓦斯和煤塵爆炸性環(huán)境的煤礦井下。因此，礦井監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備必須是防爆型電氣設(shè)備，并且不同于化工、石油等爆炸性環(huán)境中的工廠用防爆型電氣設(shè)備。 
     (2)傳輸距離遠(yuǎn)。一般工業(yè)監(jiān)控對系統(tǒng)的傳輸距離要求不高，僅為幾千米，甚至幾百米，而礦井監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸距離至少要達(dá)到10千米。
     (3)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)宜采用樹形結(jié)構(gòu)。一般工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)電纜敷設(shè)的自由度較大，可根據(jù)設(shè)備、電纜溝、電桿的位置選擇星形、環(huán)形、樹形，總線形等結(jié)構(gòu)。而礦井監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸電纜必須沿巷道敷設(shè)，掛在巷道壁上。由于巷道為分支結(jié)構(gòu)，并且分支長度可達(dá)數(shù)千米。因此，為便于系統(tǒng)安裝維護(hù)、節(jié)約傳輸電纜、降低系統(tǒng)成本宜采用樹形結(jié)構(gòu)。  
 
          (4)監(jiān)控對象變化緩慢。礦井監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象主要為緩變量，因此，在同樣監(jiān)控容量下，對系統(tǒng)的傳輸速率要求不高。
     (5)電網(wǎng)電壓波動大，電磁干擾嚴(yán)重。由于煤礦井下空間小，采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等大型設(shè)備啟停和架線電機(jī)車火花等造成電磁干擾嚴(yán)重。 
     (6)工作環(huán)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(jiān)控設(shè)備要有防塵、防潮、防腐、防霉、抗機(jī)械沖擊等措施。 
      (7)傳感器（或執(zhí)行機(jī)構(gòu)）宜采用遠(yuǎn)程供電。一般工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的電源供給比較容易，不受電氣防爆要求的限制。礦井監(jiān)控系統(tǒng)的電源供給，受電氣防爆要求的限制。由于傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)往往設(shè)置在工作面等惡劣環(huán)境，因此，不宜就地供電?，F(xiàn)有礦井監(jiān)控系統(tǒng)多采用分站遠(yuǎn)距離供電。 
          (8)不宜采用中繼器。煤礦井下工作環(huán)境惡劣，監(jiān)控距離遠(yuǎn)，維護(hù)困難，若采用中繼器延長系統(tǒng)傳輸距離，由于中繼器是有源設(shè)備，故障率較無中繼器系統(tǒng)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(yuǎn)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(jiān)控系統(tǒng)的分析，可以看出，礦井監(jiān)控系統(tǒng)不同于一般工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。因此，直接用一般工業(yè)監(jiān)控的理論和技術(shù)解決礦井監(jiān)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不適合用于礦井監(jiān)控系統(tǒng)，或不能進(jìn)行總線供電，或節(jié)點容量太小等等。
  4 礦井監(jiān)控關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題
  礦井監(jiān)控關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題主要包括：
     （1）礦井監(jiān)控信息傳輸；（2）礦井監(jiān)控信息處理；（3）傳感器無盲區(qū)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(zhì)安全防爆電源；（7）礦井監(jiān)控系統(tǒng)試驗方法等。  
      礦井監(jiān)控信息傳輸主要研究系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、復(fù)用方式、礦用現(xiàn)場總線、礦用以太網(wǎng)、傳輸協(xié)議、聯(lián)網(wǎng)規(guī)約等。
      礦井監(jiān)控信息處理主要研究數(shù)據(jù)處理、信息輸出、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)挖掘、重大災(zāi)害預(yù)警等。
      傳感器無盲區(qū)布置就是針對瓦斯等災(zāi)害，使用最少的傳感器，實現(xiàn)無盲區(qū)監(jiān)測、優(yōu)化傳感器布置，實現(xiàn)分級分區(qū)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(jī)車料位、煤巖等識別模型，實現(xiàn)自動識別與報警。
      生命探測與人員定位就是針對煤礦災(zāi)害應(yīng)急救援的需要和煤礦井下災(zāi)后的特殊環(huán)境，研究礦用生命探測方法與人員定位方法。 
      礦用本質(zhì)安全防爆電源就是要研究開關(guān)電源的本質(zhì)安全設(shè)計方法、本質(zhì)安全防爆電源與備用電源的配接方法等。
      礦井監(jiān)控系統(tǒng)試驗方法就是研究不使用電纜（可達(dá)數(shù)百公里）的仿真線試驗方法等。  
   5 煤礦井下電磁環(huán)境與電磁兼容
  5.1 意義
      煤礦井下電磁環(huán)境影響著礦井通信與監(jiān)控等設(shè)備的正常運(yùn)行，同時，煤礦井下電氣設(shè)備又影響著煤礦井下電磁環(huán)境。 
      由于人們對煤礦井下電磁環(huán)境和電磁兼容研究還很少，研究成果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計、制造、檢驗和使用等需求，從而造成煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)不可靠。特別是瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)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(jiān)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(jiān)控的管理與維護(hù)人員調(diào)查表明，瓦斯超限誤報警現(xiàn)象十分普遍，以至于一些系統(tǒng)出現(xiàn)瓦斯超限報警時，不知是否該采取相關(guān)的安全措施。  
      因此，有必要針對煤礦井下的特點，進(jìn)行煤礦井下電磁環(huán)境和電磁兼容研究，這對完善礦井監(jiān)控和通信理論、指導(dǎo)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定、提高系統(tǒng)抗干擾能力、發(fā)揮系統(tǒng)的安全保障作用具有十分重要的理論意義和實用價值。 
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