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煤炭安全监控系统

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提    纲

矿井监控的意义
2  矿井监控的特点
3  矿井监控关键科学技术问题
4  煤矿井下电磁环境与电磁兼容

煤炭行业是高危行业，瓦斯、煤尘、水灾、火灾、冲击地压等困扰着煤炭工业的健康发展。其中，瓦斯（煤尘）爆炸事故是煤炭生产最严重的灾害。
            
1 矿井监控的意义
      2004年全国煤炭总产量19.56亿吨，全国煤矿发生各类死亡事故3641起，死亡6027人，百万吨死亡率3.08。2004年全国煤矿发生各类一次死亡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，事故起数和死亡人数分别占全国煤矿特大事故的
  76.2%和86%。 
      2005年全国煤炭总产量21.9亿吨，全国煤矿发生各类死亡事故3306起，死亡5938人，百万吨死亡率2.71。2005年全国煤矿发生各类一次死亡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，事故起数和死亡人数分别占全国煤矿特大事故的69%和66.7%。
           2006年全国煤炭总产量约为23.25亿吨，全国煤矿发生各类死亡事故2945起，死亡4746人，百万吨死亡率2.04。2006年全国煤矿发生各类一次死亡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，事故起数和死亡人数分别占全国煤矿特大
  事故的64.1%和63.4%。
　　 2007年全国煤炭总产量约为25.5亿吨，全国煤矿发生各类死亡事故2421起，死亡3786人，百万吨死亡率约为1.485。2007年全国煤矿发生一次死亡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，事故起数和死亡人数分别占全国煤矿重特大事故
的78.6%和80.3%。
　　2008年全国煤炭总产量约为27.2亿吨，全国煤矿发生各类死亡事故1954起，死亡3215人，百万吨死亡率约为1.182。2007全国煤矿发生一次死亡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，事故起数和死亡人数分别占全国煤矿重特大事故的44.7%和
47.2 %。
    2000年至今以来，全国煤矿发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年全国煤矿发生一次死亡百人以上事故
时间	地点	类别	死亡人数
2000.09.27	贵州省水城矿务局木冲沟煤矿	瓦斯煤尘爆炸	162
2002.06.20	黑龙江省鸡西矿业集团城子河煤矿	瓦斯爆炸	124
2004.10.20	河南郑煤集团大平煤矿	瓦斯爆炸	148
2004.11.28	陕西铜川矿业集团陈家山煤矿	瓦斯爆炸	166
2005.02.14	辽宁阜新矿业集团孙家湾海洲立井	瓦斯爆炸	214
2005.08.07	广东省兴宁市大兴煤矿	透水事故	121
2005.11.27	黑龙江七台河矿业集团东风煤矿	煤尘爆炸	171
2005.12.07	河北省唐山市开平区刘官屯煤矿	瓦斯爆炸	108
2007.12.05	山西省临汾市洪洞瑞之源煤业有限公司	瓦斯爆炸	105
           因此，瓦斯防治是减少煤矿死亡事故总量的首要工作，是煤矿安全生产工作的重中之重。
      
      因此，瓦斯防治是减少煤矿死亡事故总量的首要工作，是煤矿安全生产工作的重中之重。 
  避免或减少瓦斯爆炸事故的方法
       当空气中瓦斯浓度达到5%～15% CH4（4%～16%CH4）时，在一定能量的火源作用下，就会发生瓦斯燃烧和爆炸。因此，避免或减少瓦斯爆炸的发生就要控制空气中瓦斯浓度和火源。
  使瓦斯浓度大于爆炸限
        地下气化、地下液化、无人采煤。

使瓦斯浓度小于爆炸限
      降低瓦斯浓度：抽采（放）、通风等；但不能保证任何时间和地点都满足要求。
 控制火源
      电气火花（约占50％，监控、防爆、违章、设备故障等）、放炮、煤炭自燃、摩擦撞击、其他明火等。 
煤矿安全监控系统的作用
原理
     当瓦斯超限、或掘进巷道局部通风机
停风时，切断相关区域的电源并且闭锁，
避免或减少由于下述火源引起瓦斯和煤尘
爆炸：
（1）电气设备失爆、违章作业、电气设备
故障电火花或危险温度引起瓦斯爆炸；
（2）摩擦碰撞火花及高温等。
  煤矿安全监控系统的功能
（1）瓦斯、风速、温度、CO、局部通风机开停、风筒漏风、馈电状态监测等；
（2）瓦斯超限或掘进巷道停风时，声光报警、就地断电；
（3）就地断电失效，远程断电；
（4）就地断电和远程断电失效，指挥工人断电；
（5）指挥撤人等；
（6）瓦斯突出、通风系统、自燃火灾等监测。
6.3  采煤工作面甲烷传感器的设置
6.3.1  长壁采煤工作面甲烷传感器必须按图1设置。U型通风方式在上隅角设置甲烷传感器T0或便携式瓦斯检测报警仪，工作面设置甲烷传感器T1 ，工作面回风巷设置甲烷传感器T2；若煤与瓦斯突出矿井的甲烷传感器T1不能控制采煤工作面进风巷内全部非本质安全型电气设备，则在进风巷设置甲烷传感器T3；
低瓦斯和高瓦斯矿井采煤工作面采用串联通风时，被串工作面的进风巷设置甲烷传感器T4，如图1a所示。Z型、Y型、H型和W型通风方式的采煤工作面甲烷传感器的设置参照上述规定执行，如图1b～图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型通风方式；
b—Z型通风方式；
c—Y型通风方式；
d—H型通风方式；
e—W型通风方式.
        图1  采煤工作面甲烷传感器的设置
6.3.2  采用两条巷道回风的采煤工作面甲烷传感器必须按图2设置。甲烷传感器T0、T1和T2的设置同图1a；在第二条回风巷设置甲烷传感器T5、T6。采用三条巷道回风的采煤工作面，第三条回风巷甲烷传感器的设置与第二条回风巷甲烷传感器T5、T6的设置相同。
图2采用两条巷道回风的采煤工作面甲烷传感器的设置
T1

10m~15m
T6
T0

T5
10m~15m
≤10m

≤10m
6.3.3  有专用排瓦斯巷的采煤工作面甲烷传感器必须按图3设置。甲烷传感器T0、T1、T2 的设置同图1 a；在专用排瓦斯巷设置甲烷传感器T7，在工作面混合回风风流处设置甲烷传感器T8，如图3a、图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）
图3有专用排瓦斯巷的采煤工作面甲烷传感器的设置 
6.3.4  高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井采煤工作面的回风巷长度大于1000m时，必须在回风巷中部增设甲烷传感器。
6.3.5  采煤机必须设置机载式甲烷断电仪或便携式甲烷检测报警仪。
6.3.6  非长壁式采煤工作面甲烷传感器的设置参照上述规定执行，即在上隅角设置甲烷传感器T0或便携式瓦斯检测报警仪，在工作面及其回风巷各设置1个甲烷传感器。
  煤矿生产监控系统
        轨道运输监控系统主要用来监测信号机状态、电动转撤机状态、机车位置、机车编号、运行方向、运行速度、车皮数、空（实）车皮数等，并实现信号机、电动转辙机闭锁控制、地面远程
    调度与控制等。
              胶带运输监控主要用来监测皮带速度、轴温、烟雾、堆煤、横向撕裂、纵向撕裂、跑偏、打滑、电机运行状态、煤仓煤位等，并实现顺煤流启动，逆煤流停止闭锁控制和安全保护、地面远程调度与控制、皮带火灾监测与控制等。  
       提升运输监控系统主要用来监测罐笼位置、速度、安全门状态、摇台状态、阻车器状态等，并实现推车、提升闭锁控制等。
                   供电监控系统主要用来监测电网电压、电流、功率、功率因数、馈电开关状态、电网绝缘状态等，并实现漏电保护、馈电开关闭锁控制、地面远程控制等。 
      排水监控系统主要用来监测水仓水位、水泵开停、水泵工作电压、电流、功率、阀门状态、流量、压力等，并实现阀门开关、水泵开停控制、地面远程控制等。
      大型机电设备健康状况监控系统主要用来监测机械振动、油质量污染等，并实现故障诊断。 
采煤面综合自动化系统
　 
     　全面实现采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、泵站、顺槽皮带的集中联锁控制，与井下工业以太网联接实现在地面集控中心、调度室对采煤机位置及支架压力等上百个参数的远程实时监视，同时实现调度电话与工作面电话的联网通话。
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采煤工作面自动化系统
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矿井电机车运输自动化系统
  
  矿井电机车运输自动化系统是一个基于工业以太网的信集闭系统，在地面集控中心实现对井下轨道运输的调度、信号的闭锁、道岔的自动控制及运输状况的在线监测，地面操作员直接与司机对话联系，撤消了井下调度室，使矿井运输管理跃上一个新的水平。
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轨道运输监控操作场面
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矿井皮带自动化系统
　  
    矿皮带自动化系统在每条皮带设置门类齐全的保护装置、起停信号预报、工业电视摄像头、移动通信装置，控制信号、保护信号、开停信号均由设在皮带机头的PLC装置进行集成后，接入井下工业以太网平台传至地面集控中心，在地面集控中心，工作人员通过观看现场的工业电视图像，通过与巡检工移动电话联系，可靠地实现了对井下所有主运输皮带的开停控制，实现井下现场无人值守，撤消皮带工区，井下上百人开停皮带的工作场景成为历史，取而代之的是地面集控中心。

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皮带集控操作场面
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供电、排水、通风、提升、选煤自动化系统

根据同样原理，供电自动化系统实现了对井下变电所的地面停送电控制；排水自动化系统实现了对井下的自动排水；通风自动化系统实现了对矿井通风机的远程开停控制；提升自动化系统实现了煤炭装卸载及绞车运行的全自动化；选煤厂自动化系统实现了对整个地面生产系统上百台设备的集中控制。 
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  2矿井监控的特点
      煤矿井下是一个特殊的工作环境，有易燃易爆可燃性气体和腐蚀性气体，潮湿、淋水、矿尘大、电网电压波动大、电磁干扰严重、空间狭小、监控距离远。因此，矿井监控系统不同于一般工业监控系统，矿井监控系统同一般工业监控系统相比具有如下特点：  
          (1)电气防爆。一般工业监控系统均工作在非爆炸性环境中，而矿井监控系统工作在有瓦斯和煤尘爆炸性环境的煤矿井下。因此，矿井监控系统的设备必须是防爆型电气设备，并且不同于化工、石油等爆炸性环境中的工厂用防爆型电气设备。 
     (2)传输距离远。一般工业监控对系统的传输距离要求不高，仅为几千米，甚至几百米，而矿井监控系统的传输距离至少要达到10千米。
     (3)网络结构宜采用树形结构。一般工业监控系统电缆敷设的自由度较大，可根据设备、电缆沟、电杆的位置选择星形、环形、树形，总线形等结构。而矿井监控系统的传输电缆必须沿巷道敷设，挂在巷道壁上。由于巷道为分支结构，并且分支长度可达数千米。因此，为便于系统安装维护、节约传输电缆、降低系统成本宜采用树形结构。  
 
          (4)监控对象变化缓慢。矿井监控系统的监控对象主要为缓变量，因此，在同样监控容量下，对系统的传输速率要求不高。
     (5)电网电压波动大，电磁干扰严重。由于煤矿井下空间小，采煤机、运输机等大型设备启停和架线电机车火花等造成电磁干扰严重。 
     (6)工作环境恶劣。煤矿井下除有甲烷、一氧化碳等易燃易爆性气体外，还有硫化氢等腐蚀性气体，矿尘大、潮湿、有淋水、空间狭小。因此，矿井监控设备要有防尘、防潮、防腐、防霉、抗机械冲击等措施。 
      (7)传感器（或执行机构）宜采用远程供电。一般工业监控系统的电源供给比较容易，不受电气防爆要求的限制。矿井监控系统的电源供给，受电气防爆要求的限制。由于传感器及执行机构往往设置在工作面等恶劣环境，因此，不宜就地供电。现有矿井监控系统多采用分站远距离供电。 
          (8)不宜采用中继器。煤矿井下工作环境恶劣，监控距离远，维护困难，若采用中继器延长系统传输距离，由于中继器是有源设备，故障率较无中继器系统高，并且在煤矿井下电源的供给受电气防爆的限制，在中继器处不一定好取电源，若采用远距离供电还需要增加供电芯线。因此，不宜采用中继器。  
      通过上面对矿井监控系统的分析，可以看出，矿井监控系统不同于一般工业监控系统。因此，直接用一般工业监控的理论和技术解决矿井监控的问题是行不通的。不是不符合电气防爆要求，就是传输距离太近，或网络结构不适合用于矿井监控系统，或不能进行总线供电，或节点容量太小等等。
  4 矿井监控关键科学技术问题
  矿井监控关键科学技术问题主要包括：
     （1）矿井监控信息传输；（2）矿井监控信息处理；（3）传感器无盲区布置与分级控制；（4）矿用图像识别与处理；（5）生命探测及人员定位；（6）矿用本质安全防爆电源；（7）矿井监控系统试验方法等。  
      矿井监控信息传输主要研究系统网络结构、复用方式、矿用现场总线、矿用以太网、传输协议、联网规约等。
      矿井监控信息处理主要研究数据处理、信息输出、数据融合、数据挖掘、重大灾害预警等。
      传感器无盲区布置就是针对瓦斯等灾害，使用最少的传感器，实现无盲区监测、优化传感器布置，实现分级分区控制。 
      矿用图像识别与处理就是建立矿工、煤仓煤位、水仓水位、机车料位、煤岩等识别模型，实现自动识别与报警。
      生命探测与人员定位就是针对煤矿灾害应急救援的需要和煤矿井下灾后的特殊环境，研究矿用生命探测方法与人员定位方法。 
      矿用本质安全防爆电源就是要研究开关电源的本质安全设计方法、本质安全防爆电源与备用电源的配接方法等。
      矿井监控系统试验方法就是研究不使用电缆（可达数百公里）的仿真线试验方法等。  
   5 煤矿井下电磁环境与电磁兼容
  5.1 意义
      煤矿井下电磁环境影响着矿井通信与监控等设备的正常运行，同时，煤矿井下电气设备又影响着煤矿井下电磁环境。 
      由于人们对煤矿井下电磁环境和电磁兼容研究还很少，研究成果远远不能满足煤矿安全监控系统设计、制造、检验和使用等需求，从而造成煤矿安全监控系统运行不稳定，数据不可靠。特别是瓦斯监测数据的不准确，常常造成瓦斯超限报警误报或漏报，瓦斯超限断电误动或拒动，带来了巨大的安全隐患。
     煤矿安全监控委员会于2004年8月～2005年9月对全国上千位从事煤矿瓦斯监控的管理与维护人员调查表明，瓦斯超限误报警现象十分普遍，以至于一些系统出现瓦斯超限报警时，不知是否该采取相关的安全措施。  
      因此，有必要针对煤矿井下的特点，进行煤矿井下电磁环境和电磁兼容研究，这对完善矿井监控和通信理论、指导相关标准制定、提高系统抗干扰能力、发挥系统的安全保障作用具有十分重要的理论意义和实用价值。 
谢  谢!

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