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淺析煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控

文檔作者：宋子濤文檔來源：太原科技大學電子信息工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年08月26日
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總第166期
doi：10．3969／j．issn．1005—2798．2013．06．030
淺析煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控
宋子濤
(太原科技大學電子信息工程學院，山西太原030024)
摘要：分析了我國煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，并針對煤礦各種地質災害實際情況，提出了
礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設置要求以及設備選型配置的最優(yōu)方案。
關鍵詞：煤礦；監(jiān)測監(jiān)控；傳感器
中圖分類號：TD76 文獻標識碼：B 文章編號：1005—2798(2013)06．0076—04
煤炭是我國重要的基礎能源，在一次性能源生
產和消費構成中歷來占70％左右?！懊簽榛A、多
元發(fā)展”，是解決我國能源問題的基本方略。但煤
層的賦存條件和地質情況差異很大，很多礦井自然
環(huán)境惡劣，受到水、火、瓦斯、粉塵、頂板事故等自然
災害的威脅，事故發(fā)生比較頻繁。過去的人工巡回
檢查的監(jiān)測手段已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)代化生產對監(jiān)
測數(shù)據(jù)的準確性、及時性和安全性的要求。因此，采
用現(xiàn)代化的監(jiān)測監(jiān)控手段，對礦井的生產設備和工
作環(huán)境進行全方位、全天候的監(jiān)測和監(jiān)控是非常迫
切的，也是非常重要的。
隨著微電子技術、通訊技術、控制技術、計算機
技術、CRT顯示技術以及軟件技術的迅猛發(fā)展，在
借鑒國外監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)驗的基礎上，我國礦井監(jiān)
測監(jiān)控系統(tǒng)的研制得到了快速發(fā)展，基本形成了一
個完整的體系，監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)在我國生產礦井中得
到了比較廣泛的應用，并在礦井的安全生產管理方
面發(fā)揮了重要作用。
1 我國煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
1) 發(fā)展全面的監(jiān)測監(jiān)控專家系統(tǒng)? 。目前，
我國有20余家生產監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的廠商，其產品主
要是監(jiān)測環(huán)境安全參數(shù)，實現(xiàn)報警或斷電控制，對生
產設備的監(jiān)測監(jiān)控限于對設備的開／停狀態(tài)進行監(jiān)
測，與煤炭生產全過程實行監(jiān)測監(jiān)控差距還較大。
在軟件技術上應研究開發(fā)能根據(jù)被監(jiān)測環(huán)境地點的
參數(shù)進行有效的危險性判別、分析和提出專家解決
方案，在事故情況下，指示最佳救災和避災路線，為
搶救和疏散人員、器材提供決策。同時系統(tǒng)軟件應
向網(wǎng)絡化發(fā)展，按統(tǒng)一的格式向外提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。
發(fā)展覆蓋面更廣、監(jiān)測監(jiān)控參數(shù)更多的軟件系統(tǒng)，為
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實現(xiàn)煤礦生產綜合自動化奠定良好基礎，是我國監(jiān)
測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展任務之一。
2) 研制高可靠性、品種齊全的礦用傳感器。
目前，國產監(jiān)控系統(tǒng)的配套傳感器，主要存在兩大問
題：一是品種不全，用于監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的傳感器較
多，而用于監(jiān)測生產設備工作運行狀況參數(shù)的傳感
器少；二是現(xiàn)有的傳感器不同程度存在精度差、可靠
性不高的缺陷。特別是用于瓦斯綜合治理和災害預
測的甲烷傳感器，一直存在使用壽命短、工作穩(wěn)定性
差和調校期頻繁的缺點，嚴重制約著礦井瓦斯的日
常檢測。
在研制新型傳感器時應高起點、高智能化，應充
分利用微處理器的優(yōu)點，做到自診斷、自校正、自調
零、配置標準遠傳接口，統(tǒng)一傳感器的傳出信號制，
以提高傳輸?shù)目煽啃?、?shù)據(jù)出來的簡單性和傳感器
的互換性。發(fā)展配套齊全、高可靠性的礦用傳感器
是監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的關鍵技術之一。
3) 合理地規(guī)范通信協(xié)議?，F(xiàn)有廠家的監(jiān)控系
統(tǒng)幾乎都采用各自專用的通信協(xié)議，互不兼容。目
前，信息傳輸系統(tǒng)的兼容性已成為裝備監(jiān)控系統(tǒng)的
各集團公司、礦井進一步引進和擴充系統(tǒng)功能的制
約因素。有些礦井為了安全生產的需求，在系統(tǒng)存
在嚴重問題和得不到技術服務的條件下，不得不選
擇其他的系統(tǒng)。由此，通信協(xié)議不規(guī)范的后果是造
成設備購置重復、不能隨意進行軟件升級改造。制
定統(tǒng)一的專業(yè)技術標準，對促進礦井監(jiān)控技術發(fā)展
和系統(tǒng)的推廣應用具有十分重要的意義。
4) 實現(xiàn)全面化的網(wǎng)絡管理。雖然現(xiàn)在許多礦
建立了局部的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)了本礦井的資
源共享，但大多還處于一礦一系統(tǒng)，與外界幾乎沒有
聯(lián)系，其功能和任務也極其簡單。今后的發(fā)展趨勢
收稿日期：2013-03-21
作者簡介：宋子濤(1991一)，男，山西孝義人，自動化專業(yè)，研究方向為自動化。
2013年6月 宋子濤：淺析煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控 第22卷第6期
是各生產礦井與集團公司、各集團公司與本省乃至
全國煤礦系統(tǒng)構成統(tǒng)一完整、功能先進的計算機網(wǎng)
絡系統(tǒng)，真正實現(xiàn)更大范圍的煤礦資源共享。
2 安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設置要求
1) 礦井空氣成分的監(jiān)測 J。礦井空氣成分
的監(jiān)測主要是檢測礦井空氣中的污染物的濃度。對
煤礦來說，這些污染物通常是指CH 、CO、CO 、NO、
NO 等。在礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)中甲烷傳感器占的比
例最大。對Eli 進行連續(xù)監(jiān)測，目的就是當風流中
CH 含量值增加到非常值時，立即發(fā)出警報，以撤出
人員，切斷該區(qū)域電源等。由于有了可靠的監(jiān)測手
段，某些國家已放寬了風流中CH 含量的極限值。
如，波蘭在應用連續(xù)監(jiān)測CH 和風速的技術裝備
后，已把工作面入風流的CH 濃度上限量放寬到
1％ ，而在設置屏蔽電纜的工作面則放寬到2％ 。CO
是劇毒氣體，它不僅會危害到工人的身體健康，而且
還是礦井發(fā)生火災的預兆，因而必須對CO進行連
續(xù)監(jiān)測。CO，雖不是有毒氣體，也不會發(fā)生爆炸，但
礦內空氣中的CO 含量增高卻會導致礦井空氣中
氧含量的降低，因此CO：氣體也是監(jiān)測的對象。礦
塵不僅會對工人的身體健康帶來嚴重的危害，而且
具有爆炸性的煤塵還是礦井安全的重大威脅，因而
對礦井進行連續(xù)監(jiān)測是很有必要的。但由于目前監(jiān)
測空氣中粉塵的傳感器技術尚不成熟，目前還無法
對礦塵進行連續(xù)性監(jiān)測，只能采取定期測定的辦法
來評價礦井空氣中礦塵的濃度(備注：英國目前有
一種可在井下連續(xù)測塵的單獨測塵儀器—— 西姆斯
林II(SimsinlI)，這種儀器有可能與監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)而
對礦井空氣中的礦塵濃度進行連續(xù)監(jiān)測)。
2) 礦井空氣物理狀態(tài)的監(jiān)測。直接影響礦井
空氣物理狀態(tài)的主要物理因素是溫度、濕度和風速。
風速除會影響到礦井微氣候外，還決定著進入礦井
空氣中的有毒有害氣體及其他雜質的量。較大的風
速可以保證礦井的風量，一方面達到稀釋CH 濃度
的目的；另一方面，較大的風速產生的紊流能使巷道
邊緣積聚的瓦斯被吹散。但是過高的風速卻會使礦
塵飛揚，影響礦工健康，對于有煤塵爆炸性危險的礦
井則更是不利因素。因此對風速進行監(jiān)測是非常重
要的。
隨著煤炭生產的發(fā)展，礦井深度越來越大，機械
化程度也越來越高，加上其他原因，礦井生產環(huán)境中
出現(xiàn)了高溫熱害。高溫熱害一方面損害了礦工的身
體健康，另一方面大大降低了勞動生產率，因此治理
礦井高溫熱害是礦井通風工作者一個重要課題。對
礦井高溫熱害進行處理，就必須摸清通風系統(tǒng)中熱
源地點，系統(tǒng)高溫變化趨勢。因而在高溫礦井中，設
置必要數(shù)量的溫度傳感器來監(jiān)測溫度就顯得十分必
要了。
3) 通風設備(設施)運行狀況的監(jiān)控。通風
設備(設施)運行如果出現(xiàn)異常，將會引起一些不良
的后果。如，局部扇風機的停止運轉，可能會使掘進
工作面發(fā)生瓦斯積聚。因此每個礦井都要根據(jù)自己
的安全需要，把一些重要的通風設備(設施)列入通
風安全的監(jiān)測范圍。
4) 其他監(jiān)控。在抽放利用瓦斯時，為保證人
員及設施安全，還要在抽放泵輸入管路中和儲氣罐
輸出管路中安設高濃度瓦斯、流量、壓差、溫度傳感
器。在煤倉處還要設置煤倉煤位傳感器，對其煤位
進行監(jiān)測，以保證煤礦的安全生產。
3 監(jiān)測和傳輸設備選擇配置
3．1 礦井瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的組成
礦井瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)一般由監(jiān)測傳感器、井下分
站、信息傳輸系統(tǒng)和地面中心站等部分組成。通常
可分為開環(huán)監(jiān)測控制系統(tǒng)和閉環(huán)監(jiān)測控制系統(tǒng)，前
者為不利用監(jiān)測量去控制(調節(jié))所關聯(lián)的井下設
施和設備，只進行一般的遙控的系統(tǒng)；后者則還需利
用監(jiān)測量去控制(調節(jié))所關聯(lián)的井下設施或設備。
1) 監(jiān)測傳感器。監(jiān)測傳感器是礦井瓦斯監(jiān)測
系統(tǒng)的感知部分，它是用來測量系統(tǒng)所需測量的量
或判斷設備、設施狀態(tài)的部件。其主要有甲烷傳感
器、一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣傳感
器、溫度傳感器、風速傳感器、壓力傳感器及各種
狀態(tài)(開關)傳感器等。傳感器的供電方式有兩種：
一種是一個傳感器一個電源箱；另一個是集中供電
的方式，即若干個傳感器共用一個電源箱，而這種電
源箱大多和系統(tǒng)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。傳感器模擬出的被
測量的電信號分為電壓型、電流型和脈沖型3種。
目前常用的瓦斯檢測報警斷電儀，如AYJ一1型或
AYJ一2型、ABD一21型采用的都是脈沖型。
2) 井下分站。由傳感器輸出的統(tǒng)一制式的信
號必須進入井下發(fā)送裝置才能進入信息傳輸系統(tǒng)，
這個發(fā)送裝置稱為井下分站。分站的作用是收集接
入的各種傳感器送來的模擬信號并進行整理；根據(jù)
中心站的命令將各種監(jiān)測參數(shù)和設施、設備工作狀
態(tài)參數(shù)發(fā)送給中心站；接收中心站的控制信息，執(zhí)行
中心站的各種控制命令，控制所關聯(lián)的設備、設施。
一些智能化程度比較高的分站，在系統(tǒng)電纜斷開后，
分站仍能繼續(xù)工作，如實現(xiàn)超限報警、斷電、連續(xù)記
錄監(jiān)測參數(shù)等。目前井下分站的發(fā)展趨勢主要是提
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宋子濤：淺析煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控 第22卷第6期
高智能化程度，一般來說分站備有備用電源，在電網(wǎng)
停電時仍能繼續(xù)工作。大多數(shù)分站可以接人4～8
個模擬量，輸出2～3個控制量。我國早期生產的各
種瓦斯斷電儀和一些監(jiān)測系統(tǒng)，如MJc一100A、A一
1，采用一個傳感器一個分站的形式，這種方式適用
于中小型煤礦。
3) 信息傳輸系統(tǒng)。井下分站和地面中心站的
連接部分是信息傳輸系統(tǒng)，它直接影響著信息的傳
輸質量和系統(tǒng)的投資費用。在電磁于擾大，環(huán)境潮
濕，有易燃、易爆、腐蝕性氣體，空問小，有頂板冒落
危險的井下，對信息傳輸提出了特殊的要求，特別是
傳感器分散分布，信號無法集中發(fā)送時，情況尤為突
出。這就造成了礦井信息傳輸系統(tǒng)在結構上的特殊
性。信息傳輸系統(tǒng)按結構可分為放射狀、環(huán)狀和樹
狀3種。
4) 地面中心站。礦井瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的核心部
分是地面中心站。地面中心站目前大多由計算機和
信號傳輸接口組成。信號傳輸接口將井下傳來的信
號解調送入計算機，而計算機則通過信息傳輸系統(tǒng)，
向井下各分站進行通訊聯(lián)系，發(fā)出指令，指揮各分站
向中心站送回各種監(jiān)測量。地面中心站的計算機根
據(jù)井下各分站送來的各種監(jiān)測信息處理的結果，必
要時可向有關分站發(fā)出指令，指揮分站控制某種對
象(如井下某地區(qū)瓦斯?jié)舛瘸蓿袛嘣摰貐^(qū)的電
源)，操作人員也可根據(jù)計算機提供的清單，向計算
機發(fā)出控制命令，計算機通過顯示屏顯示各種數(shù)據(jù)，
既有實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，也可以了解過去某一階段的監(jiān)
測數(shù)據(jù)。
計算機是整個礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)的核心，目前
可分為兩大類，一類是集中式計算機監(jiān)控系統(tǒng)，另一
類是分布式。前者把計算機作為整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集
和處理的中心，其優(yōu)點是構成簡單，易于管理；缺點
是當主機或傳輸系統(tǒng)發(fā)生故障時，將導致整個系統(tǒng)
的癱瘓。后者是利用智能遠程分站將數(shù)據(jù)的采集、
處理分散進行，一些可以通過本地分站就地處理的
監(jiān)測對象就不必進入監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)遙測，而可以改
變呼喚遙測，一些系統(tǒng)的分站有病肢切斷功能，當系
統(tǒng)某部位出現(xiàn)故障時，可以切斷病肢，使系統(tǒng)其余部
分正常工作。分布式礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)適用于地域
分散、負載分散、環(huán)境條件較差的情況，其優(yōu)點是在
傳輸系統(tǒng)或主機出現(xiàn)故障時仍可進行工作。
3．2 監(jiān)測系統(tǒng)的選擇配置要求
礦井使用瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的目的是為了通過采用
新技術來改進采掘過程中的安全狀況，改善礦井的
環(huán)境與安全條件，提高生產率；保證礦井的生產計劃
和工程的實現(xiàn)。為此，系統(tǒng)的選擇主要應從如下幾
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個方面考慮。
1) 礦井災害情況。如礦井瓦斯涌出量、煤層
自然發(fā)火、沖擊地壓和地溫地熱等災害及程度都是
確定建立礦井瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)類型的依據(jù)。
2) 礦井生產情況。要根據(jù)礦井生產能力的大
小與生產系統(tǒng)復雜程度，以及井下采掘工作面的數(shù)
量、機電硐室數(shù)目、裝煤點數(shù)目、風硐等一些需要監(jiān)
測地點的數(shù)量來確定瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的裝備容量，并
在此基礎上再考慮20％ ～30％ 的備用量。
3) 系統(tǒng)的功能。選擇礦井瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)時應
優(yōu)先配用計算機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，除漢字功能外，
其軟件功能要強，易于開發(fā)，有足夠的容量，能夠用
來開展通風安全管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、計算及報表編制工
作，當監(jiān)測點數(shù)較多時，應考慮生產監(jiān)控和安全監(jiān)測
自成系統(tǒng)。在計算機的選型上應優(yōu)先使用兼容機
種，要能方便地和礦、局計算機聯(lián)網(wǎng)。
3．3 監(jiān)控設備選型要求
1) 監(jiān)控設備選型原則。礦井監(jiān)控系統(tǒng)是以環(huán)
境監(jiān)測和生產設備工況監(jiān)控為目的，因此，礦井監(jiān)控
系統(tǒng)應滿足：可靠性高、抗干擾能力強、抗故障能力
強、監(jiān)控種類多(如甲烷、風速等多種物理量的監(jiān)
測)、容量大、監(jiān)控距離遠、監(jiān)控周期短、處理軟件豐
富、顯示直觀、操作方便、使用電纜少、安裝維修方
便、投資少、可配置遠距離終端、方便與上級主管部
門聯(lián)網(wǎng)的要求。
2) 監(jiān)控總站和各分站主要設備?；九渲茫?
分站主機、電源、傳感器電源、甲烷超限報警斷電閉
鎖裝置。井下分站應安裝在便于工作人員觀察、調
度、檢驗、支護良好、無滴水、無雜物的入風巷道或硐
室中。其距離巷道底板的高度不應小于0．3 m，并
加墊木或支架牢固固定。獨立的聲光報警箱要懸掛
在巷道頂板以下300—400 mm處，懸掛位置應滿足
報警聲能讓需要聽到的人聽到的要求。
地面中心站的布置要求：礦井監(jiān)測系統(tǒng)中心站
應配備2臺計算機，一臺工作，一臺備用，并配有打
印機和屏幕顯示器。中心站要能遙測和記錄所有瓦
斯傳感器的數(shù)據(jù)。中心站計算機電源應有在線式不
問斷電源或交流穩(wěn)壓器加后備式不間斷電源供給。
中心站機房應采用空調設施及抗靜電地板。
3．4 傳輸設備及器材選型要求
1) 監(jiān)測系統(tǒng)傳輸電纜要專用，不能與井下通
信電纜合用，以提高可靠性。
2) 監(jiān)測系統(tǒng)各設備之間本質安全信號的連
接宜選用藍色外護套的礦用通信和信號電纜，井下
非本質安全信號之間的連接不宜使用藍色外護套的
申．纜。
2013耳6月 宋子濤：淺析煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控 第22卷第6期
3) 監(jiān)測系統(tǒng)中井下設備所使用的電纜應具
有阻燃性能。
4) 監(jiān)測系統(tǒng)中各設備之間的連接電纜需加
長或作分支連接時，被連接電纜的芯線應采用盒線，
或具有接線盒功能的裝置，用螺釘壓接或插頭插座
插接，不得采用電纜芯線導體的直接搭接或繞接的
方式。
5) 具有屏蔽層的電纜，其屏蔽層不宜用做信
號的有效通路。在用電纜加長或分支連接時，相應
電纜之間的屏蔽層應具有良好的連接，而且在電氣
上連接在一起的屏蔽層一般只允許一個點與大地相
連。
6) 所有傳輸系統(tǒng)直流電源和信號的電纜盡
量與電力電纜在巷道兩側敷設，若必須在同一側平
行敷設時，它們與電力電纜的距離不宜小于0．5 m。
參考文獻：
[1] 周邦全．煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程和趨勢
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[責任編輯：王偉瑾]
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(上接第73頁)系統(tǒng)相比，圖3中的控制任務有主副
兩個調節(jié)器，主調節(jié)器根據(jù)水位和外送蒸汽的變化
做出調整，保證水位無靜態(tài)偏差，并將輸出信號送到
副調節(jié)器。副調節(jié)器對主調節(jié)器的輸出信號和給水
量進行比較計算，它可以迅速地調節(jié)給水量，從而消
除給水壓力波動等因素引起的自發(fā)擾動，進而控制
水位的平衡。
圖3 Honeywell DCS組態(tài)在實際應用的方框
在實際應用中，由于測量元件可能發(fā)生故障，因
此Honeywell DCS采用了一個三取中間(MID OF 3)
的組態(tài)模式，即現(xiàn)場采用3個平衡容器水位計，取得
水位測量的中問值后才送到主調節(jié)器作為測量值，
這樣就最大限度地避免了測量錯誤帶來的水位波
動。在具體計算每個水位的過程中，除了有液位計
的測量值，還需要引入汽包的壓力補償并進行修定，
以保證水位調節(jié)的穩(wěn)定。
在給水量 和外送蒸汽量D的測量計算中，都
需要對現(xiàn)場測量的信號進行補償，才能得到一個不
受溫度、壓力影響的標準值，如下式：
v／( ×√
式中：W( )為主給水計算標準值；W為給水流
量的現(xiàn)場測量值；T為給水溫度。
D( )=D× 2
+
9
2
37．31
．
5
_
15 101
P
．
式中：D( )為主汽標準值；D為鍋爐蒸汽出口
流量；T為主汽溫度；P為主汽壓力。
計算所得的蒸汽流量信號送到主調節(jié)器作為前
饋值。
3 結語
從上面的分析可知，在Honeywell的水位控制系
統(tǒng)中，由于采用了串級控制系統(tǒng)并且對可能引起水
位測量誤差的因素進行了修正補償，所以該系統(tǒng)不
僅能消除給水壓力波動帶來的擾動，并且能在負荷
突然變化的情況下較好地完成汽包水位的控制任
務。尤其需要說明的是，當蒸汽流量變化時，該系統(tǒng)
會使調節(jié)閥一開始就超正確的方向動作，這樣就可
消除“虛假水位”造成的給水量變化方向與蒸汽量
變化方向相反的錯誤，使系統(tǒng)能早一步達到新的穩(wěn)
態(tài)值。
[責任編輯：王偉瑾]
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