aq1029-2019煤矿安全监控系统（煤矿信息化综合监控系统平台）
矿井安全生产监测监控系统 是一种能够自动采集和处理数据并进行相应控制的系统。它能够实现甲烷超限断电、停风断电、通风系统监测监控、煤与瓦斯突出预报、火灾监测与预报、水灾监测与预报、矿山压力监测与预报等，从而减少瓦斯与煤尘爆炸、火灾、水灾、顶板等灾害事故发生，有效地保障煤矿安全生产和矿工生命安全。
第一章 煤矿安全生产监测监控系统的发展现状与发展趋势
《煤矿安全规程》第一百五十八条明确规定：“所有矿井必须装备矿井安全监测监控系统。矿井安全监测监控系统的安装、使用和维护必须符合本规程和相关规定的要求。”
自2000年以来，随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要，我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井陆续在装备矿井监测监控系统。系统的装备大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率，同时也为该技术的正确选择、使用、维护和企业安全生产信息化管理提出了更高的要求。
1.1 煤矿安全生产监测监控系统的发展现状
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我国监测监控技术应用较晚，20世纪80年代初，从加拿大、法国、德国、英国和美国等引进了一批矿井安全生产监测监控系统（如DAN6400、TF-200、MINOS和SCADA），这些系统在我国煤炭行业中发挥了巨大作用，也为我国研制矿用监测监控系统提供了良好的借鉴。上述系统均是综合型监测监控系统，但侧重于安全参数的检测和控制，且这些监测监控系统存在如下问题：①性价比过低，即系统价格过高，难以承受；②主监测机的系统软件在文档处理上有些不符合我国企业实际情况；③井下工作站的体积、质量比较大；④技术服务上有缺陷；⑤有些系统的技术并非一流。 做软件致电：010-52895342
在引进国外监测监控系统的同时，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、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等监测监控系统。目前，这些系统已经在我国煤矿得到广泛运用。实践表明，安全监测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测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等监测监控系统，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。
1.2 煤矿安全生产监测监控系统的发展趋势
随着计算机技术、网络技术、微电子技术的不断发展，特别是着眼于我国煤矿安全生产的实际，煤矿安全生产监测监控系统在未来将按照信息化、网络化、自动化的方向发展。
（1）自身性能的不断提高
a) 提高传感器的质量
提高各种传感器的质量，特别是要研制高可靠性的瓦斯传感器，使其在智能性、耗能、体积、使用寿命、工作稳定性和调校周期等方面均有所提高和改善。
b) 应用智能化的电气设备
在系统中应用智能化的高压开关柜、高压真空馈电开关、低压真空馈电开关等，向系统提供多参数的信息（如电流、电压、单相/三相漏电电流、开关运行状态、开关机械/电气闭锁状态等），以减少由电气火灾引起矿井瓦斯爆炸的可能性。
c) 使用高性能的运算处理系统
使用运算处理速度更快、运算处理性能更高的CPU，以提高煤矿安全生产监测监控系统对各种复杂信息的处理能力和处理速度。
另外，使用大屏幕液晶显示技术，可以使煤矿安全生产监测监控系统既能够显示各种表格，又能够显示各种可视图像。
d) 应用新型控制技术
现场总线及现场总线控制系统（FCS）是一种新兴技术，它代表了现场测控技术领域的发展方向。以现场总线控制系统技术为基础开发煤矿安全生产监测监控系统是必然趋势，这种新模式必然会促进和推动煤矿电气控制技术的发展，并推动煤矿向采煤自动化方向迈进。
使用以现场总线为基础建立的煤矿安全生产监测监控系统具有现场总线的所有特点，即总线结构、数字串行通信、多点（广播）方式、接受过滤功能、全分散等。
（2）网络性能的不断完善 a) 统一的通信协议
针对通信协议不规范和传输设备物理层协议不规范的问题，应尽快寻找一种解决系统兼容性的途径或制定相应的专业技术标准，这对促进矿井监测监控技术的发展和系统的推广应用具有十分重要的意义。
b) 网络化的范围不断扩大 目前，煤炭企业装备的计算机网络可实现企业内部的资源共享。今后的趋势是全国的煤炭企业进行联网，从而实现更大范围的资源共享。
（3）智能性能的不断增强 a) 提高生产决策的能力
煤矿安全生产监测监控系统不仅能够实现对煤矿生产过程的监测监控，而且还能根据被监测环境的参数进行有效的危险性辨别和分析，以提出专家的生产决策方案。
b) 提高预报预测的能力 根据煤矿各种历史数据，煤矿安全生产监测监控系统应能够进行趋势分析，以提高对瓦斯等灾害因素的预报预测能力和水平。
c) 提高预防灾害的能力 在事故即将发生之际，煤矿安全生产监测监控系统能利用安全防护设备，控制灾害发生，减少灾害损失。
第二章 煤矿安全生产监测监控系统的组成
早期的矿井安全生产监测监控系统主要由传感器、断电仪、载波机、传输线、解调器、计算机、调度显示盘等组成。随着计算机技术、网络技术、微电子技术的不断发展，目前的矿井安全生产监测监控系统主要由监测监控终端、地面中心站、通信接口装置、井下分站、各种传感器等组成。其典型结构如图1-1所示。
2.1 地面中心站
地面中心站能够实现各种监测数据的处理、显示、查询、储存、打印等功能，另外，操作员发出的设备控制命令也是通过地面中心站完成的。
生产参数的监测主要是指监控井上、井下主要生产环节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、局部通风机、主要通风机、带式输送机、采煤机、开关、磁力起动器等的运行状态和参数等。
环境参数的监测主要是指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、一氧化碳浓度、氧气浓度、风速、负压、井下空气温度、岩煤温度、顶板压力、烟雾等。
同时，地面中心站也有显示测量参数、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等功能。
2.2 井下分站
尽管监测监控系统的井下分站形式多样，但基本上都具备如下功能：（1）开机自检和本机初始化功能；（2）通信测试功能；
（3）分站具有自动控制功能（实现断电仪功能、风电瓦斯锁闭功能、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，且可以通知中心站；
（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、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）分站自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。
2.3 传感器与控制器
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。
煤矿井下使用的控制器主要是指各种规格的断电仪，其主体是由继电器构成，该断电仪的寿命长，可靠性高。
第三章 便携式安全生产检测装置
煤矿安全生产监测装置种类很多，一般分为便携式检测装置和系统式检测装置。便携式检测装置以其质量轻、便于携带等特点，被广泛应用于煤矿中。目前，煤矿用便携式检测装置主要用来检测甲烷、一氧化碳、氧气、硫化氢等，最为常用的是便携式甲烷检测报警仪。
便携式检测装置应当具备以下功能：①低功耗；②具有实时数据及时钟显示；③具有声光报警并可设置、调整报警点；④可燃气体传感器高浓度保护功能；⑤可燃气体传感器故障自检，可更换传感器；⑥电池欠压提示。
便携式甲烷检测报警仪根据其工作原理可分为很多种，如光干涉式甲烷检测报警仪、热导式甲烷检测报警仪、热催化式甲烷检测报警仪等。目前，国内外广泛采用的是热催化式甲烷检测报警仪，主要原因是热催化式甲烷检测报警仪具有成本低、结构简单、受背景气温和温度影响小、输出信号电流大、信号处理显示方便、易实现自动检测等优点。
3.1 热催化式甲烷检测报警仪的工作原理
热催化式甲烷检测报警仪的工作原理是：利用甲烷在催化元件（俗称黑白元件）上的氧化生热（也称无烟燃烧）使催化元件的阻值发生变化，由催化元件和电阻组成的惠斯通电桥失去平衡，当瓦斯在元件表面发生无烟燃烧时，元件温度升高，阻值增大，电桥输出与瓦斯浓度成比例的电压信号，通过测量电信号的大小，达到检测甲烷浓度的目的。根据这一原理制成的便携式甲烷检测报警仪大体分为两类：一类是由电桥输出的信号，直接驱动电表指示甲烷浓度；另一类是电桥输出的信号经放大后，驱动电表或数字电路显示甲烷浓度，放大后的信号还可连接声光报警电路，提示甲烷浓度超限。信号经比例放大后分为两路，一路为经A/D转换、译码、驱动和数字显示等形成的电路；另一路为经电压比较、驱动和声光报警等形成的电路。
3.2 热催化式甲烷检测报警仪的主要性能指标
（1）仪器按使用功能可分为检测仪（以显示功能为主的仪器，以下称A类仪器）、报警仪（以报警功能为主的仪器，以下称B类仪器）和测报仪（兼有显示和报警两种功能的仪器，以下称C类仪器）。 （2）仪器测量范围：①0～3% CH4；②0～4% CH4；③0～10% CH4.
（3）仪器报警点设置范围可采用：（0.5%～2%）CH4。
（4）仪器应能适应的环境条件：贮存温度为-40～60℃，工作温度为0～40℃，相对湿度不大于98%，气压为68～115kPa，风速为0～8m/s。
（5）仪器的基本功能：①A类和C类仪器的显示值应有两位以上（含两位）有效读数，且有显示值极性标志；②B类和C类仪器应有报警和报警自检功能；③各类仪器均应有电源欠压自动关断功能和防高浓度甲烷冲击措施。
（6）与仪器配套使用的充电器，应有充电指示及防过充功能，应保证充电效果良好。 （7）仪器允许的基本误差应符合表2-1的要求，仪器允许的报警误差应符合表2-2的要求。
（8）仪器的工作位置偏离规定状态时，显示值或报警点产生的附加误差应在±0.03% CH4范围内。
（9）检测元件连续工作的仪器，其仪器的响应时间应不大于30s；间断工作的仪器，其仪器的响应的时间应不大于15s，其中，自动间断工作的仪器，其响应时间还应比其设定的测量时间少5s。
（10）仪器的报警功能应符合下列要求：①报警点应能在仪器的电源应采用无“记忆效应”电池或采取防“记忆效应”措施。电池正常充电后，各种仪器的工作时间应不小于9h；工作中，仪器均不应出现欠压和超差，且B类和C类仪器的报警性能应正常。
（12）仪器连续运行7d时（每天工作9h），其基本误差或报警误差不应超差。
第四章 矿用监控系统传感器
7 煤矿井下各种有用、有害气体及温度和湿度等参数，都属于环境参数。矿井环境参数主要有甲烷浓度、氧气浓度、粉尘浓度、井巷硐室和工作面温度、风量与负压、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、二氧化硫浓度和硫化氢浓度等。
采煤、掘进、运输、及通风等各系统的运行及相关设备的工作状况称为矿井工况参数。主要监测的工况参数有风筒风量、风门开关、输送带开停、煤仓煤位、采煤机组位置、排水系统、压风系统、主要通风机工作状态等工况参数。
传感器一般由敏感元件、转换元件和信号处理电路3部分组成，有时需要加辅助电源，其组成原理如图4-1所示。
4.1 智能遥控甲烷传感器
智能遥控甲烷传感器是组成监控系统的一种智能型检测仪表。它可以配接各种型号的井
下分站、风电瓦斯闭锁装置、断电仪等设备，用于检测煤矿井下空气中的甲烷含量。
KGY-002A型智能遥控甲烷传感器由供电电源、甲烷传感头、检测电桥、放大器、A/D变换器、红外接收头、单片机及显示电路和输出电路等组成。
4.1.1 甲烷传感头 甲烷传感头由气室、黑白元件等组成，黑白元件是一种对甲烷气体很敏感的载体催化元件，白元件是补偿元件。黑白元件作为检测电桥的两臂，另两臂由电阻组成。将黑白元件置于同一气室中，施加工作电压。无甲烷时，电桥处于平衡状态，输出约为0；当甲烷气体进入气室，接触到黑白元件表面时，在其表面进行无焰燃烧，元件的温度升高，阻值增大。而白元件不发生反应，阻值不变，于是破坏了检测电桥平衡，在一定的甲烷浓度范围内，产生正比于甲烷浓度的直流电压输出信号。检测电桥的电位器是用来调节零点的。零点即甲烷浓度为0时放大器的输出电压，一般为0.25V。
4.1.2 供电电源
由分站提供的DC8～22V电压，经传感器中高效DC-DC变换成3V和5V，分别供检测电桥和仪表线路使用。
4.1.3 放大器及A/D变换器
检测变换器的输出为差动式毫伏级信号，通过直流放大器进行放大并变成单端输出，通过A/D变换器将模拟信号变为数字信号送入单片机进行运算和处理。
4.1.4 红外遥控器及接收器
红外遥控器将各种指令转换成串行红外光编码信号发送出去。接收器将串行红外光编码信号转换成串行电数码信号送入单片机进行处理，完成各种功能。
4.1.5 单片机
传感器采用一次性编程的AT87C52单片机。仪表内部有看门狗电路，程序正常运行时会不断地抑制看门狗。当程序运行不正常时，看门狗就自动发出一个硬件复位信号。
当甲烷浓度达到报警值时（1%4CH）,单片机报警，产生声光报警信号。当甲烷浓度达4.1%4CH时，单片机控制切断供给甲烷传感头的电源，保护黑白元件。此时，传感器显示值和输出信号值均为超载状态。2min后自动脱离保护状态，重新检测。当甲烷浓度低于4.1%4CH时，桥路正常供电；若甲烷浓度仍超过4.1%4CH时，则重新进入2min保护周期。传感器显示值和输出信号值仍保持在超限状态。
4.1.6 显示电路
显示电路由四位数码管组成。最高位数码管用来显示功能代码，或在零点漂移为负时显示“-”号，并且数字闪烁。后三位在调校时显示功能代码号对应的内容，正常检测时显示甲烷浓度。显示窗内的红色发光指示等闪亮时，表示信号输出线路通畅；若灯灭，表示信号线路不通。
4.2 一氧化碳传感器
煤矿常用的一氧化碳检测仪器有电化学式、红外线吸收式、催化氧化式等。国内外煤矿广泛使用的是电化学式一氧化碳传感器。
4.2.1 电化学式KG3002型一氧化碳传感器
各种物质在氧化还原时都有一定的氧化还原电位，一氧化碳的氧化还原电位式是0.9～1.1V，在该电位条件下，一氧化碳可生成二氧化碳。根据这一原理，氧化还原过程中必然会产生离子电流，因此，只要测出离子电流的大小，即可测算出一氧化碳的浓度值。采用这一原理研制的KG3002型一氧化碳传感器，在KJ系列安全监控系统中得到了广泛使用。
KG3002型一氧化碳传感器是一个装有3只（或2只）电极的电化学池。设W为工作极，C为对极，R为恒电位极。当一氧化碳气体扩散进入工作极时，首先在工作极处产生氧化反应，其反应方程式为
同时，在对极处，产生还原反应，其反应方程式为
OHeHO22244
在上述反应中，工作极氧化放出电子e，对极还原获得电子e，因此，在工作极与对极之间形成电子流动，即发生了电流。所以，只要测出氧化还原过程中电化学池内离子电流的大小，就可测算出一氧化碳浓度的高低。
4.3 温度传感器
4.3.1 热电偶、热电阻及热敏电阻温度传感器
将两种不同的金属材料焊接在一起，当两种不同金属材料的两个点（冷端和热端）存在温差时，将在金属材料间产生与温差成正比的温差电势，如将回路闭合，就会形成电流。电阻值与温度成正比，基于以上原理制成了热电偶温度传感器。
热电阻温度传感器是利用某些金属材料对温度的敏感特性而工作的。热敏电阻温度传感器可分为温度升高时电阻值增大的正温度系数型和温度升高时电阻值减少的负温度系数型，两者都是利用半导体材料对温度的敏感特性而实现温度测量的。
4.3.2 半导体式温度计
利用半导体二极管、三极管中PN结对温度的敏感性，可以方便地实现温度测量。AD590型集成电路温度传感器就是将晶体管与放大电路等元件集成在一块很小的电路芯点，在矿井安全监控系统中得到了广泛应用。 4.3.3 红外光式温度传感器
红外光式温度传感器是根据红外辐射原理工作，因为任何物质当温度超过绝对零度（-273℃）时均会产生红外辐射，辐射功率P随物体温度增高而增大。辐射功率的计算公式为 4
TP 式中 ——常数，)/由闭合转为断开。干簧管应用很广泛，将干簧管固定在井下风门的门框上，在门上安装一块永久磁铁，门在关闭位置时，干簧接点即可动作。
4.4.3 光电传感器
利用光电器件可以方便可靠地传递开关信息。用监测系统提供的本质安全型电源为发光二极管供电，当被控设备接点动作时，发光二极管导通发光，其光线照射光敏管而使其导通，此光敏管可控制非本安电路的导通和关断。
4.4.4 电磁感应式开关量传感器
电磁感应式开关量传感器使基于电磁感应原理工作的，当对称的三相交流电流过三芯电缆时，因其合成磁场为0，故检测不到磁场。但如果使用非闭合铁芯，并使之靠近三相中的某一相时，就可以监测到该相的漏磁场。
第五章 矿山供电系统
5.1 矿井供电的类型
1）矿井供电方式的决定因素：井田范围、煤层开采深度、开采方法、年产量、涌水量、负荷大小等综合因素进行。
2）分类：深井和浅井两种类型。
a) 特点：设立中央变电所。
b) 决定因素：煤层深，井下负荷大、涌水量大等。如平煤各生产矿。c) 组成：地面变电所、井下中央变电所和采区变电所。d) 供电回路数：两路或两路以上。
5.2 井下中央变电所
5.2.1井下中央变电所的结线 如图5-2
（１）单母线分段结线：可靠性高，负荷大（独立双电源）：对一二类负荷供电．独立电源：对二三类负荷供电．
（２）运行方式：母线采用分列运行。
（３）适用情况；可靠性高、负荷大（独立双电源）、对一二类负荷供电。 5.2.2 井下中央变电所的位置和硐室布置
（1）位置选择原则：负荷中心、通风、交通、运输、进出线、顶板、无淋水等。（2）硐室要求：耐火材料、尺寸、大小、通道、20%余地。出口、栅栏门、防火门、外开门、标高等。
（3）设备布置（图5-3）
图5-3 井下中央变电所设备布置
1-变压配电箱；2-硅整流器柜；3-直流配电箱；4-低压配电装置；5-矿用变压器；6-防火铁门；7-铁栅栏门；8-电缆沟
a) 布置原则：安全、方便、留有余地。 b) 布置方式：①高压、低压设备分开②留有检修间距③留有备用设备余地是总回路数量的20%。
5.3 采区变电所
任务：接受中央变电所高压电能、变压、配出低压电能。5.3.1 采区变电所的结线
考虑因素：电源回路数、负荷大小、变压器台数等。（1）单电源进线。接线图（4-4），适用于：负荷小的工作面，炮采工作面。
（2）双电源进线。接线、分列运行。适用对象；综采工作面或下山采区、有排水泵的采区变电所。
5.3.2 采区变电所的位置和硐室布置 （图5-4） 与井下中央变电所的位置和硐室布置类同。
5.4 综采工作面供电与工作面配电点
5.4.1 综采工作面供电（图5-5）①高压深入负荷中心。
②组成：采区配电所—移动变电站—工作面。③设备布置；图5-5。
5.4.2 工作面配电点
①引入：停送电方便，设备多或距离采区变电所较远。②组成：采区变电所---工作面配电点方式。
第六章 华盛恒辉矿用现场总线的选择
现场总线和工业以太网技术的发展，不仅引起测控及过程自动化领域的变革，同时也给煤矿监控技术的跨越式发展带来了新机遇。 由于煤矿井下的特殊环境（易燃易爆、潮湿、电网电压波动大、监控距离远等），矿用现场总线不能照搬一般工业现场总线标准，需要根据矿井监控的特点，经过技术移植和改造，开发出适合矿井生产环境的矿用现场总线。
目前，国内应用于控制及仪表领域的现场总线主要有FF、Profits、CAN、LonWorks等。FF总线H1是用于过程控制的总线，其响应速度较低。虽支持总线供电，但其安全栅的功率仅为600mW，开发难度较大，故H1不能满足矿井要求。
Profits的开发比FF相对容易。它的物理层允许3种物理接口，即RS485、IEC61158-2和光纤标准。IEC61158-2标准与FF总线H1的物理接口相同，RS485在100bps时传输距离可达4km以上，加上中继器可满足煤矿要求，但其收发器抗共模电压低，若用于煤矿，应予以改造。
CAN总线具有成本低、开发容易、实时性好、抗噪功能性强等优点，传输速率组稿为1Mbps（传输距离为40m时），最大距离达到10km（传输速率为5kbps），节点数最多为110个，若加中继器或网关等可扩展。CAN总线只有物理层、链路层和应用层，对CAN总线进行本安设计，将它应用于煤矿井下是一个较理想的方案。
LonWorks是一种性能优良的现场总线，有完善的开发工具，且容易开发，在物理层上支持双绞线、电力线、同轴电缆、无线、红外、光纤等多种介质。用双绞线时，有78kbps（2.7km）、125Mbps（130m）等速率，易于实现总线本安供电。因此，煤矿井下采用LonWorks技术也是一种较好的方案。
煤矿安全环境监测系统主要用于测量自然环境参数，如甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、风速风向、负压、温度、湿度、粉尘浓度等。上述现场总线用于井下，必须考虑供电问题。