煤矿安全监测监控系统设计方案

1注：本文档版权归原作者所有。现仅供网友学习交流，勿作他用，否则后果自负。第一章安全监测监控系统的概述1.1历史发展及国内外现状对煤矿井下危险源进行实时监测和预警，是煤矿最早关注的项目。从20世纪60年代后期开始，工业发达国家开始研制矿井监测监控系统。主要有法国OLDHAM公司的CTT63／40U集中监控系统；波兰的CMM—20M和CMM—1监控系统，英国MINOS(MineOperationSystem)，德国F—H公司的TF200H信息传输系统和ZM400遥控系统，美国的DJN6400系统以及加拿大康斯培克公司的MINl600安全生产监测系统。在煤矿监测监控系统中，影响较大的是20世纪70年后期由英国煤管局组织开发，分别由不同公司生产的MINOS系统。该系统最早应用于煤矿环境监测，后来扩展了许多生产监测监控的功能。例如，煤仓监测、带式输送机控制等。但总体上讲，该监测监控系统仍是以监测功能为主，附加简单逻辑控制功能。我国监测监控技术应用较晚，80年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等（如DAN6400、TF200、MINOS和Senturion-200）引进了一批安全监控系统，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、2KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等监控系统，在我国煤矿已大量使用。实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用，各局矿已作为一项重大安全装备。由于当时相当一部分监控系统由于技术水平低、功能和扩展性能差、现场维修维护和技术服务跟不上等原因，或者已淘汰、或者停产。因此造成相当一部分矿井无法继续正常使用已装备的系统。特别是近年来由于老系统服务年限将至，已无继续维修维护的必要，系统面临更新改造的机遇。随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000、KJ4/KJ2000和KJG2000等监控系统，以及MSNM、WEBGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。同时，在“以风定产，先抽后采，监测监控”十二字方针和煤矿安全规程有关条款指导下，规定了我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统。因此，大大小小的系统生产厂家如雨后春笋般的不断出现，为用户提供了更多的选择机会、也促进了各厂家在市场竞争条件下不断提高产品质量和服务意识。最近几年来，我国对煤矿安全生产空前重视，成立了专门的煤矿安全监察机构，煤矿安全监察局推动了各煤矿监测监控系统联网的工作，将各煤矿的关键监测参数传送到煤矿安全监察分局，监察人员可以实时地查看各煤矿的监测数据，再通过其他必要的人工检查、核查，可全面地掌握各煤矿的安全生产情况，提高了煤矿安全监察工作的有效性。1.2我国煤矿监测监控系统的技术水平1.2.1系统中心站3环境监测。主要监测煤矿井下各种有毒有害气体及工作面的作业条件，如高浓度甲烷气体、低浓度甲烷气体、一氧化碳、氧气浓度、风速、负压、温度、岩煤温度、顶板压力、烟雾等。生产监控。主要监控井上、下主要生产环节的各种生产参数和重要设备的运行状态参数，如煤仓煤位、水仓水位、供电电压、供电电流、功率等模拟量；水泵、提升机、局扇、主扇、胶带机、采煤机、开关、磁力起动器运行状态和参数等。中心站软件。具有测点定义功能；具有显示测量参数、数据报表、曲线显示、图形生成、数据存储、故障统计和报表、报告打印功能。其中，部分系统可实现局域网络连接功能，并采用国际通用的TCP/IP网络协议实现局域网络终端与中心站之间实时通信和实时数据查询。随着计算机软件技术日新月异的发展，目前，各厂家的系统应用软件正不断更新版本，如KJF2000系统中心站应用软件版本2.40和MSNM局域网络终端应用软件版本1.1的操作界面全部实现了可视化和图形化功能，而且具备矿井采空区火灾早期预测预报和专家决策分析功能；具备皮带运输机全线火灾监测功能；具备井下瓦斯抽放监控功能。1.2.2局域网络网络系统应用软件。抚顺分院开发率先开发的WEBGIS数字化矿山安全监测监管网络系统应用软件版本1.10，采用人性化设计，利用WebGIS技术使得大到省煤矿安全生产监督管理局、矿业集团公司所辖各矿井分布位置，小到各矿采区工作面实际尺寸及设备实际使用位置，以任意无级缩小或无级放大图形的形式达到图形和数据的无缝集成和浏览；提供完备的安全监测与安全信息管理和监管功能；建立煤4矿基础数据库、对主要图纸（通风系统图、采掘工程平面图、井下运输系统、抽排水管路系统图、电气系统布线图等）实现动态浏览；实现安全信息的共享和设备隐患排查；安全信息的网上公开（公司内部）；安全隐患排查及信息发布（如对各矿下达整改通知）等。与WEBGIS安全监测系统相配合，可实现对矿井通风系统安全性分析、诊断、评价、管理及通风网络调整的科学决策。1.2.3煤矿监控系统井下分站。尽管各厂家的监控系统井下分站形式多样，但基本上具备了如下功能：①开机自检和本机初始化功能；②通信测试功能；③分站设程控功能（实现断点仪功能、风电瓦斯闭锁功能、瓦斯管道监测功能和一般的环境监测功能等）；④死机自复位功能且通知中心站；⑤接收地面中心站初始化本分站参数设置功能(如传感器配接通道号、量程、断电点、断电点、报警上限和报警下限等)；⑥分站自动识别配接传感器类型（电压型、电流型或频率型等）；⑦分站本身具备超限报警功能；⑧分站接收中心站对本分站指定通道输出控制继电器实施手控操作功能和异地断电功能。1.2.4系统配接的各种传感器控制器传感器的稳定性和可靠性是煤矿监测监控系统能正确反映被测环境和设备参数的关键技术和产品。目前国内生产和用于煤矿监测监控系统的传感器主要有瓦斯、一氧化碳、风速、负压、温度、煤仓煤5位、水仓水位、电流、电压和有功功率等模拟量传感器，以及机电设备开停、机电设备馈电状态、风门开关状态等开关量传感器，以上传感器的开发和应用基本满足了煤矿安全生产监测监控的需要，但国产传感器在使用寿命、调校周期、稳定性和可靠性方面与国外同类产品相比还有很大差距，某些传感器（如瓦斯传感器）的稳定性还不能满足用户的需要。实践表明，综合评价我国现有煤矿监测监控系统及配套传感器等设备的现场应用效果，煤炭科学研究总院重庆分院的KJ90、天地科技股份公司常州自动化分公司的KJ95、煤炭科学研究总院抚顺分院的KJF2000和北京瑞赛公司的KJ4/KJ2000等系统无论在软硬件功能、稳定性和可靠性、专业技术服务能力、企业性质和生产规模等方面几本代表了我国煤矿监测监控系统的技术水平。1.3目前矿井安全生产监控系统使用的现状目前虽有不少矿井都装备了安全生产监控系统，但很多都没有充分发挥出应有的作用，一些矿井只重视对生产方面的监测而忽视对安全方面的监控。其实，安全生产监控系统是最关键的技术是对瓦斯的监测监控，矿井只要生产，就随时会有瓦斯产生，靠工人检测只能是间断性的，而矿井监控系统不仅能时时连续监测，还能对瓦斯超限信号及时进行报警和断电控制，对保证矿井安全起着人工无法替代的作用。近年来发生的几起特大瓦斯爆炸事故，多数是因为领导对安全监控系统重视不够，管理不到位，投入不足，造成瓦斯积聚没能及时进行断电控制而发生的。因此，管好用好矿井安全生产监控系统，真正发挥其应有的作用，是有效预防瓦斯事故的关键。1.4煤矿现在存在的问题6矿井监测监控系统满足了机械化采煤的需要，但这些系统均存在着控制功能差、通用性差、性能价格比低等问题，这既不符合监测与控制并重、硬件通用、软件兼容、现场总线监控与多媒体技术应用的发展趋势，又满足煤炭高产、高效、安全生产的需要。这主要在如下几个方面：1）现有矿井监测监控系统均针对某一监控对象开发，其为单一的多参数监测监控系统，包括环境安全、轨道运输、带式输送、提升运输、供电系统，从而造成硬件不通用、软件不兼容、信道不共享、信息不共享。一个矿井要实现全面监测监控，则需要装备环境安全、轨道运输、带式输送、提升运输、供电系统、排水系统、矿山压力、煤与瓦斯突出、大型机电设备、健康状况等数个互不兼容的监测监控系统，从而造成设备重复投资、电缆重复敷设、维护人员增加，浪费大量人力、物力和财力。2）现有监测矿井监控系统均在同一技术水平上重复开发，若需进行新领域的监测监控，又需重新开发，开发周期长，在开发过程中浪费大量的人力物力和财力。3）现有矿井监测监控系统均没有将数据、文字、声音、图像等多种媒体统一监测、传输，难以提高信息的利用率。4）现有矿井监测监控系统均没有针对矿井机电一体化和一定监控的功能，这主要表现在没有用于机电一体化的、体积小、功能齐全的本质安全型嵌入式职能监控站和便携式一起接入的移动监控网。5）现有矿井监测监控系统的通信协议晕自我定义，互不兼容，没有符合矿井电气防爆等特殊要求的总线标注，从而造成不同厂家的设备无法接入，无法共享传输电缆。76）现有矿井监测监控系统均采用主从式传输。这种传输方式的可靠性受地面主站设备及主千电缆影响很大，当地面主站设备或主干电缆发生故障时，将会造成整个系统瘫痪。当该传输方式用于环境安全、轨道运输、带式输送、供电系统等单一方面监控时，一边不回出现主站瓶颈效应；当用于全矿井多方面综合监控时，由于信息量的增加，必然会出现严重的主站瓶颈效应。虽然可以通过提高传输速度的方法来避免或减少瓶颈效应。但经过理论分析和试验表明:采用矿用电缆，系统传输距离为10km时，最大传输速率可为4800bps(在无中继条件下)。7)现有矿井监测监控系统软件均为某一特定系统开发，通用性差，难以满足环境安全、轨道运输、带式输送、提升运输、供电系统、排水系统、矿山压力、火灾、水灾、煤与瓦斯突出、大型机电设备健康诊断等多方面综合监测监控的需要。8)现有监控分站均为某一监控目的而开发，功能单一，用户难以通过简单的操作实现环境安全、轨道运输、带式输送等多方面底层监控目的。9)现有传感器及执行机构一般采用星形结构与监控分站连接(除个别系统外)，这种结构虽然可使用一根多芯电缆既给传感器及执行机构供电，又传递信号，但由于电缆复用率低，需铺设大量的电缆，导致系统投资大，维护不便。10）现有传感器及执行机构一般需经监控分站接人系统（个别除外)，这样虽然便于监控分站实现就地控制，但当个别传感器和执行机构距离监控分站较远、距离系统电缆较近时，就显得十分不合理，既不便于系统维护，又增加了系统电缆投资。811)现有传感器输出信号为模拟信号(频率型、电流型和电压型)和开关量信号，采用模拟信号和开关量信号很难实现传感器及执行机构的电缆多路复用。12)现有传感器的电路均针对某一种传感元件设计，仅能实现标校、显示、声光报警等基本功能，不能实现同一电路可以配接不同传感元件(如监测甲烷浓度的黑白元件，监测温度的半导体元件等)的功能，不便于用户维护。现有传感器不能实现多参数监测。若研制多参数传感器，如甲烷和风速二参数传感器，既能测出监测点甲烷浓度，又可测出监测点风速，便于通风调度;一氧化碳和温度二参数传感器，既能测出监测点的一氧化碳浓度，又可测出监测点的温度，便于监测自然发火情况。这样，可以减少传感器的数量，降低设备成本，便于安装与维护。13）控制功能(特别是地面远程控制功能)难以满足减少井下危险环境从业人员的需要。1.5我国煤矿安全监测监控系统存在的问题1.5.1不规范由于现有厂家的监控系统几乎都采用各自专用通信协议，所以，很难找到两个相互兼容的系统。目前，信息传输系统的兼容性已成为装备监控系统的各集团公司、矿井进一步补套和扩充系统功能的制约因素，主要是用户在装备了某厂家的系统后，在众多型号、价格不同、功能各具特色的监控系统的软件、硬件（如分站）的补套以及服务等方面，就别无选择地依赖于这个厂家。有些矿井为了安全生产的需要，在系统存在严重问题和得不到技术服务的条件下，不得不废弃原有系9统而另选择其他的系统。因此，通信协议不规范的后果是造成设备重复购置、系统补套受制于人和不能随意