铁东煤矿安全监控系统设计方案.doc

煤矿安全监控系统
设计方案

铁东煤矿

一、矿井相关情况：
1.1 矿井概述
铁东煤矿井采用一对立井开拓，开采井田范围：南北宽约2.0km，东西长约1km，设计生产能力21万t/a，核定生产能力30万t/a，现开采的5煤，煤层平均厚度分别为2.5m，为自燃煤层，煤尘具有爆炸危险，矿井为低瓦斯矿井。
矿井采用中央并列式通风，副井（井筒长305m）回风、主井（井筒长315m）进风，地面两台轴流式主要通风机做抽出式通风。
井下消防水源采用地面200m3储水池静压供水，来满足井下消防之用。
现135m1个生产水平，2个采区布置，2个采煤工作面，2个掘进工作面，均为炮采炮掘，且所有采煤工作面及煤、半煤岩巷道掘进均安装了甲烷断电仪，正常运行。
1.2 系统运行环境
铁东煤矿属中温带大陆性干旱—半干旱季风气候。冬季寒冷，夏季炎热，春季风沙频繁，昼夜温差悬殊，降雨量小蒸发量大。
1．安装地点： 矿井地面及井下
2．海拔高度： 地面495m，井下180-110m
3．安装环境： 多尘、潮湿，煤尘具有爆炸性
4．环境温度： 地面-25℃～30℃
5．湿度： 90%
二、系统装备及标准和规定：
为了保障煤矿安全生产，按照《煤矿安全规程》和AQ6201-2006等有关要求，铁东决定装备以井下环境监测为主的安全监测监控系统一套，且系统装备必须符合以下标准：
(1).《煤矿安全规程》2011年版
(2).《矿井通风安全质量标准化标准》
(3).《矿井通风安全监测装备使用管理规定》
(4).《煤矿监控系统总体设计规范》
(5).《煤矿监控系统中心站软件开发规范》
(6).《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》
(7).《爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备要求》
(8).《煤矿安全质量标准化标准》
(9).《煤矿安全监控系统通用技术要求(AQ1029-2007)》
(10).《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范(AQ1029-2007)》2007.04
(11).《MT/T1004-2006煤矿安全生产监控系统通用技术条件》
(12).《MT/T898-2000煤矿信息传输装置》
(13).《MT/T772-1998煤矿监控系统主要性能测试方法》
井筒中和井下只准采用矿用隔爆型或本质安全型设备，对于各类控制、测量、通信、信息传输等电气设备应优先采用本质安全型设备，其有关技术标准不得低于中国国家标准GB3836.1~4-83.并具有煤安标志。
井下设备的防护等级应不低于IP54
井上设备的防护等级应不低于IP52
三、监测监控系统配置
矿井设一套监测监控系统(含终端屏显系统)，该系统是实时监控的网络化结构，具备完善的安全监测管理功能，对全矿井下环境参数进行实时数据采集、传输、处理、显示、记录、打印。以确保人员及设备的安全，全面提高矿井的经济效益和社会效益。
要求监控装置的工作时间为365d，每天24h，即全年连续工作。
1、硬件配置
1.1地面中心站
监测主机2台（备用1台）
针式打印机1台
地面中心站UPS电源系统1套（断电后延时供电时间≥2h）
1.2分站：井下分站11台。
井下分站应采用矿用本质安全型、矿用隔爆兼本质安全型。
井下分站电源箱应能适应AC660V或AC380V输入电源电压。电压波动范围90~110%（地面），75~115%（井下）。
应具有接收各种标准信号的能力即：数字串行码、200~1000Hz
应具备接收其它通信接口信息的能力。
在满负荷情况下，分站备用电池应能独立供电＞2h，
分站要有逻辑判断、数据处理功能和存储功能。当分站与地面主机脱机时，应能独立工作，并能实现全部原有功能。
分站与中心站、分站与传感器之间传输的信号应是本安型。
应具有初始化参数掉电保护功能和输出控制功能，组态灵活、安装维修方便。
1.3传感器及控制器
应采用本质安全型（控制器可采用防爆兼本安型）
断电器控制输出回路的接点容量为AC127V 5A AC660V 4A
甲烷传感器、CO传感器应具有超限就地报警显示功能（声光报警）
应输出标准信号即：数字串行码、200~1000Hz（推荐采用数字型）
1.4系统检修专用工具和专用测试仪器仪表各一套。
2、软件
软件应用平台包括操作系统软件、应用软件、数据库及外部系统通讯协议等。
2.1系统软件
操作系统 WINDOWS XP
2.2 应用软件
安全监测监控系统应用软件1套，具有以下功能：
A. 适时地完成信息采集和处理。
B. 具有适当的存储容量，并能存储一定数量的实时数据和历史数据。
C. 对采集和处理的信息进行显示。
D. 打印输出处理信息。
E. 对被控的设备发出控制指令。
F. 对系统本身的运行状态和故障状态进行自诊断。
G. 具有图形显示功能。
四、系统主要性能及技术指标
1、 系统应具有甲烷、风速、压差、CO、温度等模拟量监测，馈电状态、设备开停、风筒开关、烟雾等开关量监测和累计量监测功能。
2、系统应具有甲烷浓度超限声光报警和断电/复电控制功能。
3、系统应具有甲烷风电闭锁功能：
3.1 掘进工作面甲烷浓度达到1.5%CH4时，系统应能切断掘进工作面内的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁；当掘进工作面甲烷浓度低于1.0%CH4时，系统应能自动解锁。
3.2 掘进工作面间回风流中的甲烷浓度达到1.0% CH4时，系统应能切断掘进巷道回风区域内的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁；当掘进工作面回风流中的甲烷浓度低于1.0%CH4时，系统应能自动解锁。
3.3 当排除掘进工作积聚甲烷使回风流中甲烷浓度达到1.0% CH4时，装置应能切断回风区域内全部非本质安全型电气设备电源并闭锁；同时发出声、光报警信号，当回风流中甲烷浓度低于1.0%CH4时，系统应能自动解锁。
3.4 局部通风机停止运转，或局部通风机风筒中的风速低于规定值时，系统应能切断供风区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁；当局部通风机恢复正常工作或风筒中的风速大于规定值时，系统应能自动解锁。
3.5 停风区中最高瓦斯浓度不超过1.0%，且在局部通风机及其开关附近10m以内风流中的瓦斯浓度都不超过0.5%时，方可人工开启局部通风机。
3.6 与闭锁控制有关的设备（含主机、甲烷传感器、设备开停传感器等）故障或断电时，系统应能切断该设备所监控区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁；与闭锁控制有关的设备接通电源1min内，系统应继续闭锁该设备所监控区域的全部非本质安全型电气设备的电源；当与闭锁控制有关的设备正常并稳定运行后，系统应能自动解锁。
4、 系统应具有断电状态监测功能。断电状态监测就是系统对被控设备的馈电状态进行实时监测，当馈电状态与系统发出的断电/馈电命令不一致时，报警并记录相应测点的甲烷浓度、断电/馈电命令、监测的馈电状态、被控设备的地点和名称等。
5、系统应具有中心站手动遥控断电/复电功能，断电/复电响应时间应不大于系统巡检周期，中心站手动遥控断电/复电功能是防止瓦斯超限违章作业的措施之一，当瓦斯超限时，中心站值班人员可通过系统切断有关区域的电源，待瓦斯浓度降低，通风系统工作正常后，中心站值班人员可通过系统有关区域复电。中心站手动遥控断电/复电功能，由中心站发送命令，传输系统传至相应分站，因此，断电/复电响应时应不大于系统巡检周期。

19

开/停时刻、状态、工作时间、开停次数、传感器状态、封锁与解锁等。
12、系统应具有模拟量曲线和历史曲线显示功能。在同一坐标上用不同颜色显示最大值、平均值、最小值3种曲线。在一屏上，同时显示不小于3个模拟量，并设时间标尺，可显示出对应时间标尺的模拟量值。
13、系统应具有柱状显示功能，以便直观地反映设备开机率。显示内容包括地点、名称、最后一次开/停时刻和状态、工作时间、开机率、开/停次数、传感器状态、封锁与解锁等，并设时间标尺。
14、系统应具有模拟动画显示功能，以便形象、直观、全面地反映安全生产状况，显示内容包括工艺流程模拟图、相应设备开停状态、相应模拟量数值等。
15、系统应具有系统设备布置图显示功能，以便及时了解系统配置、运行机构、分站、电控箱、主站和电缆等设备的设备名称、位置和运行状态等。
16、系统应具有报表、曲线、柱状图、模拟图、初始化参数等召唤打印能力，以便于报表分析。
17、系统应具有人机对话功能，以便于系统生成、参数修改、功能调用。
18、系统应具有防雷措施，防止雷电击毁设备，引起井下瓦斯爆炸。
19、系统应具有抗干扰措施，防止架线电机车火花。大型机电设备启停等无线通讯设备电磁干扰影响系统正常工作。
20、系统分站应具有初始化参数掉电保护功能，以防分站停电后，初始化参数丢失。
21、分站显示功能
显示分站电源的工作状态（UPS工作 AC供电）
显示分站接入的开入/开出状态，模拟量数值。
显示分站传感器的故障
显示分站控制电源的状态
显示分站的通信状态
22、传输
22.1 传输系统：系统巡检周期应不超过30S。
22.2 传输距离：主站距分站距离不小于15km，分站至传感器距离不小于2km。
23、电源
地面AC220V，50Hz；井下AC127V，660V，50Hz。电压波动范围：地面90~110%，井下75~115%。
电源故障时，备用电源（UPS）应自动投入，且地面中心站设备应保证满负荷工作供电时间不小于2h，分站及传感器供电时间不小于2h。
24、适应的环境条件
井下环境温度0~40℃，相对湿度98%；地面环境温度-15~40℃
井下装置要符合中国爆炸环境电器设备的使用要求，有相应的防爆合格证和产品检验合格证及下井许可证、煤安标志。
五、监测监控现场具体装备：
为防止井下瓦斯、煤尘、火灾等事故危害人身和设备安全，在井下各采煤工作面、掘进头及主要巷道、机电硐室等处设置甲烷、温度、烟雾、一氧化碳、风速、负压等各类环境监测传感器，在风门处设风门开关，在风筒上设风筒开关，对井下环境、火灾、通风设施的状况进行监测，并经分站将监测信息传送到地面中心站，经处理后显示、传输，供有关人员及时全面掌握井下环境状况，达到对各类灾害的早期预测、预报、处理，避免事故的发生。
1、各种传感器的装备地点及数量
根据《煤矿安全规程》等有关规定和煤矿安全管理需要，井上、下主要作业场所及需要配备的传感器种类、数量详见表1
表1：主要设备清单
序号
名称
规格型号
单位
数量
1
主机备机
研华工控 P4 2.8G/1G/160G、19"液晶、声卡、麦克风、音箱/操作系统
台
2
2
图形机
研华工控 P4 2G/1G/160G、19"液晶、声卡、麦克风、音箱/操作系统
台
1
3
系统软件
　KJF2000N
套
1
4
UPS电源
3KVA/2h
台
1
5
语音报警

套
1
6
防雷过压保护器

台
4
7
矿用监控分站

台
12
8
甲烷传感器

台
23
9
烟雾传感器

台
5
10
温度传感器

台
16
11
风速传感器

台
15
12
负压传感器

台
5
13
一氧化碳传感器

台
28
14
设备开停传感器

台
4
15
风门开关传感器

台
8
16
差压传感器

台

17
风筒开关传感器

台
5
18
馈电状态传感器

台
10
19
馈电断电器

台
2
20
传感器电缆
4芯
m
6000
21
传输线缆
4芯
m
2000
22
采样气囊

个

23
传感器线接线盒
2通
个
150
24
传感器线接线盒
3通
个
160
25
示波器

台

26
CO标准气体

瓶

27
甲烷校验标准气体

瓶

28
CO标准气体

瓶

29
甲烷校验标准气体

瓶

30
工具
含组合工具、万用表
套
2
31
辅材

套
1
32
工作台

套
1
33
打印机
A3针式
台
1
注：以上传感器数量是据实统计，装用时至少考虑20%的备用量，要求甲烷、一氧化碳传感器具有超限声、光报警及甲烷故障断电功能，风速、风压、温度传感器上有数字显示。
2、 上述设备具体安装地点表
安装地点见表2

表2：设备安装地点

计算机
打印机
音箱
UPS电源
避雷器
监控分站
继电器箱
甲烷
负压
温度
烟雾
一氧化碳
压差
风速传感器
声光报警器
管道甲烷
断水保护器
开停传感器
馈电传感器
风门传感器
风筒风量
氧气
二氧化碳
计算机室
2
1
1
1
1

风井绞车房

1

1

2

中央变电所

2

2

3

2

3

1
1
1

二区联络巷

2

7

2

1

1

2
2
1

采区变电所

2

1

2

3

2

2
1

二区运输巷

1

2
3

避难硐室

3

3
1
1

5

5
3

六、 设备选型
选用煤炭科学研究总院抚顺分院生产的KJF2000N煤矿安全监控系统，该系统设备配套齐全，完全符合我矿需要。
该系统还有如下技术优势和创新点
6.1快速断电控制
目前监控系统分站断电控制时间普遍偏长，尚没有见到能够在2秒中内快速完成断电控制的分站，不适合高突甲烷矿井应用，其主要原因是分站采集处理数据均采用单CPU方式，硬件资源限制了分站的反应时间。
KJF2000N系统的新四模监控仪和八模监控仪采用了多CPU处理方式和数字编码远控技术，系统在满负载状态下，能在2秒中内完成全分站的6－8路断电控制。地面主机还具有“通播断电”功能，系统在紧急情况时能够在2秒钟内切断全矿井所有被控机电设备电源。
KJF2000N系统的远程断电箱不需要外接电源，本质安全信号驱动兼作电源供给，当交流电源中断后，分站仍能维持断电闭锁状态，使用方便安全可靠，完全符合新标准要求。常规的远程断电箱必须外接660伏动力电源，在交流电中断后断电箱失去能源，虽然分站闭锁信号依然存在，但无法实现闭锁控制，如若达到新规程要求则每台断电箱必须配置一台2小时的矿用不间断电源。
6.2 杜绝冒大数误报警
KJF2000N系统采用全数字化信号采集技术，彻底杜绝了监控系统异常大数干扰，目使用的监控系统传感器信号向分站传输大都采用200－1000频率制式，分站采用脉冲计数方式工作，抗干扰防卫度很差，遇有线路接触不或电磁干扰就会造成假象信号。煤矿井下特殊狭小的现场环境，传感器连线与动力电缆很难分开附设，有些地方干脆就是挂在同一个电缆挂钩上，大型电器设备启动和停止时会释放出极其强烈的电磁脉冲辐射，强干扰脉冲能在瞬完全间淹没传感器信号，结果就造成了“冒大数”现象。
KJF2000N系统分站到传感器采用的是全数字化传输方式，具有良好的容错技术，能够有效地捡出干扰信号，可以彻底根除误报警这一顽疾。
6.3 高抗干扰性能
2010年推出的新标准KJF2000N系统传输技术取得了大幅度提高，新系统摒弃了传统的基带码传输方式，改用抗干扰性能优越的DPSK调制方式，同时应用智能锁相技术、纠错容错技术、共模噪声抑制技术、电源浪涌抑制技术、同步传输协议等多项先进技术，使抗干扰性能得到了极大提高，其传输性能综合指标处于前国内领先地位。2010年新推出了一款光纤驱动接口，主干线可以选用光纤传输，将通信接口置于井下，使主机算计与分站之间用光纤隔离开来，能彻底杜绝电磁干扰造成的系统不稳定。
6.4 传感器长线距离
KJF2000N系统配接的传感器全部实现了低功耗，以功耗最高的甲烷传感器为例，典型工作电流小于50毫安，因此能够连接2000米以上的电缆（1平方电缆2000米；1.5平方电缆3000米）。
6.5异的抗雷击性能
KJF2000N型煤矿安全监控系统在十数年的实践中积累了大量防雷知识和经验，开发有性能优良的防雷装置和避雷技术，曾经多次在权威刊物上发表过专题文章，在国内率先推出具有安标的线路避雷器、电源避雷器等产品。
KJF2000N系统部件在产品设计时，板级部件全部加装了有效的浪涌抑制电路，比如：接口电路、监控仪主板、监控仪衬板、信号输入电路等等。
6.6高冗余参数设计
煤矿井下动力电源波动范围相当大，不同于实验室中的仪表，现场电压在大型设备启动时660电源能跌落到500伏以下，空载时又能冲过800伏以上，KJF2000N系统许多技术指标没有沿袭传统产品模式，井下设备具有难以置信的宽电压范围工作性能，比如660伏的设备能在490－830范围之内正常工作。又如系统断电控制功能，主控接点耐压高、容量大，可直接控制1140V－36V回路，能直接拖动高压脱扣线圈。
典型参数如下：
井下设备宽范围输入电压： 660V/380V/127V/36V×± 25%
高电压大电流断电等级： 1140V/40A
大容量后备电源：>6小时 （有满载14小时的记录）
6.7高可靠、免维护、易维护结构
KJF2000N型煤矿安全监控系统各部件可以在井下不停电的情况下开盖接线或更换本安插件。KJF2000N型煤矿安全监控系统的所有部件均采用防水、防震、防尘、防腐的高可靠设计，积木式结构，各部件的组合与分解非常方便，如甲烷传感器、监控仪、遥控分路器、高压断电器等设备的控制逻辑全部集中在一块模板上，机内无连线，维修更换简单，非专职维修人员也能进行应急修理。易维护,传感器.分站全部接插式结构。
KJF2000N煤矿安全监控系统应用专有的供电与编码信号叠加技术，实现了模拟量传感器、开关量传感器、遥控编码控制等全部设备的二线制连接，在—对线路上同时进行设备供电和信号传输。简化了接线，可在四芯线上连接2只完全独立的传感器，在一对控制线上挂接32只继电器箱。