1、导致尘肺病；

2、煤尘燃烧和爆炸；

3、增加机器的磨损；

4、影响视线和照明。

2.4 矿井火灾

凡发生在矿井井下或地面，威胁到矿井安全生产，造成损失的非控制燃烧均成为矿井火灾。

矿井火灾按其原因可分为外因火灾和内因火灾两大类。

1、引火源；2、可燃物资；3、氧气。

 

第3章 矿井监控系

3.1  概述
3.1.1 矿井监控系统的组成

矿井监控系统一般由传感器、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）、打印机、模拟盘、多屏幕、UPS电源、远程终端、网络接口电缆和接线盒等组成。

1、传感器是将被测物理量转换为电信号，经3芯或4芯矿用电缆与分站相连，并具有显示和声光报警功能。

2、执行机构将控制信号转换为被控制物量，使用矿用电缆与分站相连。

3.2 矿井监控系统的通用要求
    3.2.1信息传输要求
    矿井监控信息传输要求是矿井监控系统硬件通用、软件兼容、信道共享、信息共享的基础，对促进矿井监控产品标准化、提高产品质量具有重要作用。

1、传输介质；

2、网络结构 宜采用树形网络结构，也可采用环形、总线形、星形或其他网络结构；

3、工作方式；

4、连接方式；

5、传输方向 矿井监控系统宜采用半双工传输；

6、复用方式 常用复用方式有频分制、时分制、码分制和它们的混合方式见表3-1；

3.3 矿井安全监控系统的通用要求

矿井安全监控系统主要用来监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、硫化氢浓度、风速、负压、湿度、温度、风门状态、风窗状态、风筒状态、局部通风机开停、主要通风机开停、工作电压、工作电流等，并实现甲烷超限声光报警和断电、甲烷风电闭锁控制、断电命令和馈电状态不符合声光报警等。

3.3.3 矿井安全系统安装、使用与维护
3.3.3.1 装备要求

煤矿安全监控设备装备标准应以保障煤矿安全生产为原则。因此煤矿安全监控设备的装备标准主要依据矿井瓦斯等级，自然发火状况等确定，并不考虑矿井的生产能力。这是因为对于小煤矿，并不因为产量小，发生事故的概率小，也不因为产量小，每次事故的伤亡人数少。并于小每矿井田尺寸小，在同样装备标准条件下，安全监控设备投入的总量要少，总造价要低。

3.3.3.6 使用与维护

井下安全监测员必须24小时值班，每天检查安全监控设备及电缆，使用便携式光学瓦斯检定器或便携式甲烷检测报警仪与甲烷传感器进行对照，并将记录和检查结果报监测值班员。当两者读数误差大于允许误差时，先以读数较大者为依据采用安全措施，并须在8小时内对两种设备进行调教完毕。

第4章 电气防爆
 4.1 基本概念

防爆电气设备共有10种类型：隔爆型、本质安全型、增安型、浇封型、气密型、充砂型、正压型、充油型、无火花型和特殊型。另外，矿用一般型电气设备是用于煤矿井下的非防爆电气设备。各种类型的防爆电气设备型式及标志见表4-1 。

4.2 通用要求

1、防爆电气设备使用的环境温度为-20~40℃，环境气压为（0.8~1.1）×10⁵Pa；

2、防爆电气设备如果采用塑料外壳，须采用不燃性或难燃性材料制成，并保证塑料表面的绝缘电阻不大于1×10⁹Ω，以防止积积聚静电，还必须承受冲击试验和热稳定试验；

3、防爆电气设备限制使用铝合金外壳，防止其与铁锈摩擦产生大量热能，避免形成危险高温；

4、使用紧固件的要求；

5、防爆电气设备应设置联锁装置；

6、防爆电气设备应良好的接地；

7、防爆电气设备应有明显的防爆标志。

4.3 隔爆型电气设备
4.3.1防爆原理

隔爆型电气设备的防爆原理是：将电气设备的带电部分放在特制的外壳内，该外壳具有将壳内电气部件产生的火花和电弧与壳外爆炸性混合物隔开的作用，并能承受进入壳内的爆炸性混合物被壳内电气设备的火花和电弧引爆时所产生的爆炸压力和温度，而外壳不被破坏；同时能防止壳内爆炸生成物向壳外爆炸性混合物传爆，不会引起壳外爆炸性混合物燃烧和爆炸。

这种特殊的外壳叫“隔爆外壳”。具有隔爆外壳的电气设备称为“隔爆型电气设备”。

4.4 本质安全型电气设备
    4.4.1防爆原理

本质安全型电气设备的防爆原理是：通过限制电气设备电路的各种参数，或采取保护措施来限制电路的火花放电能量，使其在正常工作和规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃周围环境的爆炸性混合物，从而实现了电气防爆。这种电气设备的电路本身就具有防爆性能，也就是从“本质”上就是安全的，故称为本质安全型（以下简称本安型）。

本安电气设备是一种比较理想的防爆电气设备。但由于本安型电气设备的最大输出功率为25W左右，因而使用范围受到了限制。目前本安型电气设备主要用于通信、监控、信号和控制系统，以及仪器、仪表等。

4.5 隔爆电气设备的监察
 4.5.1 隔爆电气设备的监察

1、隔爆型电气设备必须经过考试合格的防爆电气设备检查员检查其安全性能，并取得合格证；

2、外客完整无损，无裂痕和变形；

3、外壳的紧固件、密封件、接地件齐全完好；

4、隔爆接合面的间隙、有效宽度和粗糙度符合规定，螺纹隔爆结构的拧入深度和啮合扣数符合规定；

 5、电缆接连盒和电缆引入装置完好，零部件齐全，无缺损，电缆连接牢固、可靠。一个电缆引入装置只连接一条电缆。密封圈外径与电缆引入装置内径之差，应符合下列要求：

第5章 矿用电源及备用电源

5.1矿用电源的特点、主要技术指标及分类

矿井监控系统电源同一般直流电源相比具有如下特点：

 1、本质安全型防爆输出；

2、电网电压波动适应能力强；

3、效率高、体积小、重量轻；

4、保护功能强；

5、输入电压范围宽；

5.2 矿用线性直流电源

线性直流电源又可分为稳压源、恒流源和非稳定电源3种。矿用线性直流电源一般由变压器、整流电路、双重限流（恒流）限压（稳压）电路组成。

变压器除具有降压作用外，还具有电磁隔离功能；整流电路将交流整定为直流；滤波电路滤除整流电路输出的交流成分；双重限流（恒流）限压（稳压）电路保证本质安全型防爆电源的输出，同时可作为稳压或恒流电路，输出稳压或恒流电源。

1、半波整流电路；

2、全波整流电路；

3、桥式整流电路。

5.3  矿用开关电源
5.3.1矿用开关电源的特点

采用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一种电源形态，并且有稳定输出控制和短路等保护功能的电路称为开关电源。

矿用本质安全型防爆开关电源同地面普通开关电源相比具有如下特点：

1输出功率受限；

2、输出端滤波电容和电感受限；

3、输入、输出必须电气隔离；

4、大的电压允许输入范围；

5、多重化保护；

6、恒压--恒流输出特性；

5.4 矿用备用电源
     5.4.1 矿用备用电源的特点

矿井监控设备必须配备备用电源，并保证维持正常工作时间不小于2h。矿用备用电源同一般备用电源相比具有具有如下特点：

1、应采用蓄电池；

2、蓄电池应采用连续浮充制；

3、备用电源要与主电路共用输出限压（稳压）和限流（恒流）电路；

4、蓄电池要全密封免维护；

5、蓄电池无记忆效应。

第6章 矿用传感器

6.1  基础知识

在矿井监控系统中，所需监测的物理量大多数是非电量，如：甲烷、风速、温度等，而这些物理量是不宜直接进行远距离传输的。为了便于传输、存储和处理，就必须对这些物理量进行变换，将他们变换成便于传输、存储和处理的物理量。目前最能满足这些要求的是电信号。电信号的测量、传输、存储和处理手段最为成熟，便于信号的放大、传输、存储和计算机处理。这就需要使用传感器将被监测的非电量信号转换为电信号。传感器作为监控系统的第一个环节，完成着信息的获取和转换功能，其性能的好坏直接影响着系统的监控精度。当然，随着光传输、存储和处理技术的发展，光信号将会成为另一种便于信号传输、存储和处理的信号。

6.1.1  基础知识

传感器主要由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源组成，如图所示。在矿井监控领域又将敏感元件和转换元件统称为传感元件。

 6.1.1  基础知识

敏感元件就是将被测的非电量转换成另一种便于转换为电量的非电量的器件。

转换元件是将敏感元件所输出的非电量转换为电量的器件。

有时敏感元件同时兼做转换元件，这时被测的非电量被直接转换为电量，例如热催化式甲烷传感器的传感元件。

传感器的分类方法主要有：按输入量(物理量)和按     变换原理分类两种方法。

按输入量分类的方法明确指出了传感器所能监测的物理量如甲烷、风速、负压等传感器。

按变换原理分类的方法说明了传感器的变换原理，如电化学、热催化等。

为利用上述两种分类方法的优点，通常将上述两种分类方法同时使用，如热导式甲烷传感器、超声波旋涡式风速传感器等。

此外，还有按能量的传递方式(有源和无源)、使用型式(便携式、机载式等)、输出信号(模拟式和数字式)等分类方法。

 6.1.2 基本概念

1、量程

指传感器所允许测量被测物理量的量值范围。一般用传感器允许测量的物理量的上、下极限来表示，其中上限值又称为满量程值。

在使用中，如果被测物理量超出了传感器所规定的量程范围，将会造成较大的测量误差或传感器的损坏。

 6.1.1  基本概念

2、精度

精度表示传感器的测量结果与被测实际值的接近程度。

精度一般用“极限误差”来表示

3、迟滞

迟滞是指传感器在输入量x增大(正行程)或减小(反行程)时，输出／输入曲线不重合的程度。

4、重复性

重复性就是指传感器在相同的工作状态下，重复地输入一个相同的值时，其输出的一致性程度

 6.1.2  基本概念

5、线性度

为了标定和数据处理，一般要求传感器的输出与输入成线性关系，并能准确地反映被测量的实际值。然而，实际使用的传感器，其输出与输入之间并不是所要求的线性关系，如图4．4所示。这就是要求对实际传感器进行线性化处理，即用一条直线去逼近传感器的实际工作曲线，如图4．5所示。图a是采用拟合最小的直线，而图b是采用通过零点和满量程点的直线。

6.1.2  基本概念

不难看出，用输出与输入成线性关系的直线拟合实际工作曲线，将会带来误差。为了描述传感器输出／输入曲线的非线性程度，一般用所测得的输出／输入标准曲线与理论拟合直线的偏差与满量程输出值的百分比来表示，并称之为线性度或非线性误差。

 6.2.1  基本概念

6、灵敏度

 灵敏度是指传感器的输出增量与输入增量之比

 灵敏度一般用拟合直线的斜率来表示

6.1.3  供电方式

矿用传感器的供电方式有内部供电和外部供电两种。

1、内部供电方式

 传感器的内部供电方式包括传感器自带整流电源和蓄电池(或干电池)两种。

6.1.3  供电方式

自带整流电源：体积大、重量重，并且在传感器的设置位置上，不一定好取交流电源。（很少用）

 蓄电池(或干电池)：需要定期充电(或更换)，维护工作量较大，（用于能耗很小的传感器）

2、外部供电方式

 包括就近供电和集中供电两种。

1）外部就近供电方式

是指由系统分站电源、或电控箱、或电源箱向传感器供电的方式，

优点：供电距离近、功耗小、简单方便

是矿井监控系统传感器的主要供电方式

传感器外部就近供电可以采用恒压源供电，也可以采用恒流源供电，究竟采用什么方式取决于传感器对电源的要求。采用恒压源供电，传感器所得到的电压大小受供电电缆的长度、芯线直径、材质、接触电阻影响，同时也受负载波动的影响。在供电电压一定的情况下，供电电缆越长，芯线直径越细，材质电阻率越大，接触电阻越大，传感器吸收电流越大，线路压降就越大，传感器得到的电压值就越小。

6.1.3  供电方式

因此，采用恒压源供电的传感器一般在传感器内部又设置了二次稳压电路，以保证传感器的正常工作。采用恒流源供电，传感器所得到的电流大小受外界因素影响较小，这是因为电缆的绝缘电阻很大。但由于传感器电路一般需要在稳定的电压下工作，因此采用恒流源供电的传感器一般也在内部设置稳压电路。

2）集中供电方式   

 为了保证在井下供电不正常的情况下，仍能对被测物理量进行监测，有的矿井监控系统采用了中心站集中供电方式

在同样的监控容量下，需要的电缆较多，系统投资较大，并且不便于安装维护。

中心站向传感器供电，即可以采用恒流源供电，又可以采用恒压源供电，究竟采用什么方式取决于传感器对电源的要求。

在矿井监控系统中，被测物理量可分为开关量和模拟量两大类。

开关量就是只取两种状态的物理量，如：采掘机、运输机、水泵、风机的开停等。开关量可以用电压的有无、电流的有无和极性等来表示。

模拟量就是量值连续变化的物理量，如：甲烷浓度、风速、一氧化碳浓度等。模拟量可以用电压的大小、电流的大小和频率的高低等来表示。

数字信号和频率型模拟信号均用脉冲表示，但有以下根本区别：(1)数字信号的脉冲持续时间恒定不变(当传输速率一定时)；而频率型模拟信号的脉冲持续时间随着频率的增高而减小；(2)数字信号采用脉冲编码表示数值大小，由于编码长度有限，因此数字信号表示模拟量大小存在量化误差；而频率型模拟信号的脉冲频率可以连续变化，因此频率型模拟信号可以准确表示模拟量大小；(3)数字信号不同位置的脉冲表示不同的数值；而频率型模拟信号的任何位置的脉冲均表示同一数值。

矿用传感器输出信号宜采用数字信号，并应满足煤炭行业标准《煤矿用信息传输装置》的有关要求。

1、开关信号

开关信号的输出可以是机械接点，也可以是半导体电路或其他电气元件，这些被统称为输出接点。输出接点可以是有源接点，也可以是无源接点。

2、模拟信号

主要有电压型、电流型和频率型。

1）电压型

电压型模拟信号的电压随被测物理量变化而变化。电压型模拟信号一般为0～5V。

2）电流型

电流型模拟信号的电流随被测物理量变化而变化。电流型模拟信号一般为1～5 mA(优选)和4～20 mA(仅用于地面)

3）频率型

频率型模拟信号的频率随被测物理量变化而变化，如图4．19所示。频率型模拟信号一般为200～1000Hz(优选)，在整个频率范围内其正脉冲和负脉冲宽度均不得小于0．3ms。频率型模拟信号的输出分有源和无源两种：

模拟信号的转换

1、电流／电压及电压／电流转换

2、频率／电压及电压／频率转换

6.1.5  技术要求

低浓甲烷传感器的技术要求

(1)测量范围及基本误差

    0≤x≤1．0％CH4           ≤±0．1％ CH4

    1.0％CH4< x≤ 2.0％CH4     ≤±0．2％CH4

    2.0％ CH4< x≤4.0％CH4     ≤±0．3％CH4

    (2)报警范围及基本误差

    0.5％CH4≤x≤1.5％CH4       ≤±0.1％CH4

    (3)声光报警

    lm处≥ 85dB，能见度≥20m。

    (4)响应时间≤30S。

    (5)稳定性≥7d。

6.1.5  技术要求

6.1.5  技术要求

6.2.1 甲烷传感器

甲烷传感器按其工作原理可分为催化燃烧式、热导式等。由于在矿井安全监测中，用于低浓甲烷监测的主要是催化燃烧式，用于高浓甲烷监测的主要是热导式。

1、催化燃烧式

催化燃烧式甲烷传感器的工作原理是：在传感元件(含敏感元件，以下同)表面的甲烷 (或可燃性气体)，在催化剂的催化作用下，发生无焰燃烧，放出热量，使传感元件升温，进而使传感元件电阻变大，通过测量传感元件电阻变化就可测出甲烷气体的浓度。催化燃烧式甲烷传感元件有铂丝催化元件和载体催化元件两种。

铂丝催化元件采用高纯度(99．99％)的铂丝制成线圈，铂丝既是催化剂，又是加热器。