煤矿监控新技术与新装备.pdf
第 4 l 卷 第 l期 2 0 1 5年 1月 工矿 自 动 化 I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n Vol | 4 1 NO .1 J a n .2 0 1 5 ’’ ’⋯’ ’ ’ i 科研成果 t _. . ⋯ . ⋯ ◆ ◆ ’ 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 1 0 0 0 1 0 5 DOI 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 x . 2 0 1 5 . 0 1 . 0 0 1 孙 继平 . 煤矿 监 控新 技术 与新 装备 E J ] . 工 矿 自动化 , 2 0 1 5 , 4 1 1 卜5 . 煤矿监控新技术与新装备 孙 继 平 中 国矿业 大学 北京 , 北 京1 O O O 8 3 摘要 分析 了 2 0 0 4 --2 0 1 3年全 国煤炭产量 、 事故 总量、 百万吨死亡率和重特 大事故变化情况 煤炭产量 平 均每 年增 长 1 . 9 4亿 t , 事故起 数 平 均每 年 减 少 3 3 7起 , 死 亡人 数 平均 每年 减 少 5 5 1人 , 百 万吨 死 亡 率平 均 每 年减 少 0 . 3 1 0 。提 出了低 瓦斯和 高 瓦斯矿 井 宜选 用热 催化 矿 用 甲烷传 感 器 ; 煤 岩 与 瓦斯 突 出矿 井 宜选 用矿 用激 光 甲烷传 感 器 ; 回采 工作 面上 隅 角、 掘进 工作 面 、 高 冒地 点 、 采掘 设 备 、 运 输设 备 等 宜采 用矿 用无 线 传感器, 并通过无线输电解决矿用无线传感器供电问题 ; 救护队超前有害气体探测 、 采空区气体探测、 高冒顶 板 等人 员不便 到 达的地 点 气体探 测 宜采 用矿 用 气体遥 测 传 感器 ; 传 感 器 自动调 零 适 用 于便 携 式 气体 检 测 仪 和无 线传 感 器 。提 出矿 用分布 式光 纤测 温 系统监 测采 空 区火灾的 轴 向布 置 和蛇 形布 置方 法 ; 煤 矿 井下胶 带 、 电缆和 电气设备 火 灾监 测 宜采 用矿 用分布 式 光 纤测 温 系统 。提 出 自动化 采煤 宜采 用基 于采 煤模 型 的记 忆割 煤 、 远 程控 制 方法 ; 带 式输 送机 节能控 制 宜选 用激 光胶 带 秤 ; 矿 井供 电 系统 宜采 用矿 用 光 纤纵 差 保 护和 光 纤 闭锁 综合 防越 级跳 闸 系统 。 关键 词 煤 矿 ;监 控 ;传 感 器 ;光 纤测温 ;自动化 采 煤 ;越级 跳 闸 ;爆 破 监控 中 图分类 号 T D 6 7 文献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 1 0 5 1 6 2 1 网络 出版地 址 h t t p / / www . c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . TP . 2 0 1 5 0 1 0 5 . 1 6 2 1 . 0 0 1 . h t ml Ne w t e c hn o l o g i e s a n d n e w e q u i pme nt s o f c o a l mi ne mo ni t o r i n g S UN J i p i n g Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y Be i j i n g ,Be i j i n g 1 0 0 0 8 3,Ch i n a Ab s t r a c t The pa pe r a na l y z e d t he n a t i o na l c o a l pr o du c t i o n, t he t o t a l nu m be r of a c c i d e n t s.t he d e a t h r a t e p e r mi l l i on t ons a nd t h e c ha nge s o f s e r i o us a c c i de nt s . On a v e r a g e pe r y e a r , t he c o a l pr o du c t i on h a d i nc r e a s e d by 1 9 4 m i l l i o n t o ns , t he nu m be r o f a c c i de nt s ha d d e c r e a s e d b y 3 37, t h e d e a t h nu m b e r o f p e r s o nne l ha d de c r e a s e d by 5 51 a n d t he d e a t h r a t e pe r mi l l i o n t o ns ha d d e c r e a s e d b y 0. 31 0. I t pr op o s e d t h a t mi ne us e d t he r ma l c a t a l y t i c me t h a ne s e ns or s ho ul d b e u s e d i n l o w g a s m i ne a nd h i g h g a s mi ne,mi n e u s e d l a s e r m e t h a ne s e n s o r s h oul d b e us e d i n c o a l r oc k a n d g a s ou t bu r s t mi ne;m i n e - u s e d wi r e l e s s s e ns o r s h o u l d b e u s e d i n t h e u p p e r c o r n e r o f wo r k i n g f a c e ,o n h e a d i n g f a c e ,i n h i g h r i s k l o c a t i o n a n d o n mi n i n g e qu i pme n t a n d t r a ns por t a t i o n e qu i p m e nt , a n d t h e mi ne us e d wi r e l e s s s e ns or s ho ul d us e wi r e l e s s po we r 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 1 5 ; 修 回日期 2 0 1 4 1 2 1 8 ; 责任编辑 张强 。 基金项 目 国家 自然科学基金重点项 目 5 1 1 3 4 0 2 4 ; 国家高技术 研究发 展计划 8 6 3计划 项 目 2 0 1 2 AA0 6 2 2 0 3 。 作者简介 孙继平 1 9 5 8 一 , 男 , 山西翼城人 , 教授 , 博士 , 博士研究生导师 , 中国矿业大学 北京 副校长 ; 获 国家科技进步二等奖 3项 其 中作 为 第 1 完 成人 2项 、 第 2完成人 1项 ; 作为第 1完成 人获 省部级科技进 步一等奖 7项 ; 作为第 1 完成人主持制定 中华人 民共和国煤炭行业和安全 生产行业标准 2 6项 ; 主持制定 煤矿安全规程 第 三章通 风安全监 控; 作 为第 1 作者 或独 立完成著作 1 1部 , 发表论 文 1 0 0余篇 其 中被 S C I和 E I 检索的第 1作者论文 7 o 余 篇 ; 作 为第 1发明人 获国家专 利权 4 0余项 ; 作为 国务院煤矿事故调查专 家组 组长参加 了 1 O起 煤矿特别重 大事 故调查工作 ; E ma i l S j p c u mt b . e d u . c n 。 2 工矿 自动化 2 O 1 5年 第 4 1卷 t r a ns mi s s i o n t o s u pp l y po we r; m i ne us e d g a s t e l e me t e r i ng s e ns o r s ho ul d b e us e d f o r ga s de t e c t i o n i n i nc on v e ni e nt pl a c e f o r p e o p l e t o r e a c h s uc h a s a r e a o f h a r m f ul ga s a d v a nc e d d e t e c t i on by t he r e s c u e t e a m , t he a r e a o f g o a l a n d h i gh r i s k r o of ;t he a u t o ma t i c z e r o s e t o f s e ns o r s ho ul d be u s e d i n p o r t a bl e ga s de t e c t or a nd wi r e l e s s s e n s o r 。I t a l s o pu t f or wa r d a xi a l l a y out m e t h od a nd s e r pe nt i n e l a yo ut me t ho d f or m o n i t o r i n g f i r e a c c i d e n t i n g o a l o f m i n e u s e d d i s t r i bu t e d f i be r t e mpe r a t ur e m e a s u r e m e nt s ys t e m ; t he m i ne u s e d di s t r i b ut e d f i b e r t e mpe r a t ur e m e a s u r e me nt s ys t e m s ho ul d b e u s e d t o mon i t o r f i r e a c c i de nt o f und e r g r o u nd c o a l m i ne be l t ,c a bl e a nd e l e c t r i c a l e q u i pme nt .M e a nwhi l e,i t pr o p os e d t ha t a u t o m a t i c c o a l m i ni ng s h ou l d us e m e mor y c o a l c ut m o de ba s e d o n c o a l m i ni n g mo de l a nd r e mot e c on t r ol me t hod,e n e r g y s a v i ng c o n t r ol o f be l t c o n ve yo r s h ou l d us e l a s e r be l t s c a l e a nd mi n e po we r s u pp l y s ys t e m s h ou l d us e f i b e r l on gi t ud i na l di f f e r e nt i a l p r ot e c t i o n a nd f i be r i nt e r l oc k a nd c o m p r e he n s i ve a n t i o ve r r i d e t r i p s y s t e m . Ke y wo r d s c o a l mi ne;m o ni t or i n g; s e ns o r; o pt i c a l f i be r t e mpe r a t ur e me a s ur e m e n t ; a ut o m a t i c c o a l m i n i ng;a nt i o ve r r i de t r i p;bl a s t i n g mon i t o r i ng 0 引言 煤 炭 是 我 国 第 1大 能 源 , 约 占 一 次 能 源 的 7 0 。煤炭 行业 是 高 危 行 业 , 瓦 斯 、 水 灾 、 火 灾 、 顶 板 、 煤 尘 等 事 故 困 扰 着 煤 矿 安 全 生 产 。 2 。 0 4 2 O 1 3年 1 0 年 累 计 产 煤 2 8 7 . 8万 t , 年 平 均 增 长 1 . 9 4亿 t ; 共发生死 亡事故 1 9 8 7 0 起 , 死亡 3 3 2 0 0人 , 平均 百万 吨死 亡率 1 . 1 5 4 ; 其 中 , 重特 大 事故 3 0 0起 , 死 亡6 6 8 0人 l 1 ] , 见 表 1 。1 0年来 , 我 国煤 矿 安 全 生 产 形势 逐年 好转 , 事故 起 数 、 死 亡 人 数 、 百 万 吨 死 亡 率 逐年 下 降 , 事故 起 数平均 每 年减少 3 3 7起 , 死亡 人 数 平均 每年 减少 5 5 1人 , 百 万 吨 死亡 率 平 均 每 年 减 少 0 . 3 1 0 。煤矿 安全 生产形 势 逐年好 转 , 离不 开机 械 化 、 自动化 与信 息化 [ 2 ] , 离 不开煤 矿 监控技 术 的发 展 与应 用 表 1 2 o o 4 -- 2 O l 3年全国煤炭产量 、 事 故总量 、 百万吨死f _ 率和重特大事故统计 1 矿用 激光 、 无 线 、 气体 遥 测和 自动 调零传 感器 1 . 1 矿 用激 光 甲烷传 感 器 矿 用 甲烷 传 感 器是 煤 矿 安全 监 控 的关 键 设 备 , 在 瓦斯 防治工 作 中发挥 着重 要作 用 。矿用 甲烷 传感 器 工作 原理 主要 有热催 化 、 热导 、 红外 、 激光 等 。 矿用 热催 化 甲烷传 感 器主要用 于低浓度 甲烷监 测 , 具 有 成本低 等 优 点 , 但 存 在 着 传感 元 件 寿 命 短 、 激 活 、 催 化剂 中毒 、 调校 周期 短 、 响应 时间长 、 不 能监 测 高浓 度 甲烷 等 问题 。 目前 , 矿 用 低 浓 度 甲 烷传 感 器 主要 采用 热催 化原理 。 矿 用 热 导 甲烷 传 感 器 主 要 用 于 高 浓 度 甲烷 监 测 , 具有 成本 低等 优 点 , 但 存 在 着 测 量误 差 大 、 不 能 用 于低 浓度 甲烷 监 测 等 问 题 。 目前 , 矿 用 高 低 浓 度 甲烷传感器主要采用热催化和热导原理, 并 自动转 换 。当被测 甲烷 浓度 较低 时 , 热催化 元件 工作 ; 当被 测 甲烷 浓度 较高 时 , 热导元 件 工作 。 矿用 红外 甲烷传 感器 可用 于全 量程 甲烷 浓度 监 测 , 具 有全 量程 监测 、 传感 元件 寿命 长 、 调校周 期 长 、 响应 时 间较短 等优 点 , 但 存 在 着 受 环境 湿 度 等 影 响 大 、 成 本 较高 等问题 。 矿用 激光 甲烷 传感 器可 用于全 量 程 甲烷 浓 度监 测 , 具有全量程监测 、 传感元件寿命长 、 调校周期长、 响应 时 间短 、 纯 本安 防爆 等优 点 , 但 存在 着成 本 高等 问题 。 工程 实践 表 明 , 传感 器产 品质 量差 、 抗 干扰 能力 差 、 防护 性 能 差 等 是 造 成 甲烷 监 测 数 据 不 准 、 误 报 警 、 故障率高的主要原 因。这并不是矿用热催化 甲 烷传感器 固有 的问题 , 其他工作原理的矿用 甲烷传 感 器也会 发 生 。 4 工矿 自动 化 2 O 1 5年 第 4 1卷 网 3 光纤轴 向布置 3 带式 输送机 节 能控 制系统 为保 障设备正常运转 , 带式输送机通常采用逆 煤流启动 、 顺煤流停止的启停方式 。逆煤流启动 、 顺 煤流 停止 的启停 方 式解决 丫胶 带压 煤 、 打滑 等 问题 , 但存 在着 胶带 空转 时 间长 、 浪费 能源 、 磨损设 备 等 问 题 。为 提 高 设 备 运 行 效 率 , 减 少 设 备 磨 损 , 节 约 能 源 , 带式 输送 机应 根 据 运 煤 量 自动调 节 , 即有 煤 开 、 无煤 停 ; 煤 多 快 运 不 大 于 最 大 允 许 速 度 、 煤 少 慢运 。 带式 输送 机 节 能控 制 系 统 一 般 由胶 带 秤 、 控 制 器 和变频 器 等组成 。系统根 据胶 带运 煤量 自动 调节 胶带 速度 , 煤 量较 小时 自动 降低 胶带 运行 速度 , 煤量 较 大时 自动 提高胶 带 运 行 速 度 但 不 大 于 最 大允 许 速 度 。 头 \ 矿 用胶 带秤 主要 有核 子秤 、 电子 秤和 激光 秤等 。 矿用核子胶带秤具有测量精度高、 测量精度不受胶 带 张 紧程度 影 响等 优 点 , 但 放 射 源 管 理 困难 。矿 用 电子胶带秤具有无放射源 、 测量精度较高等优点 , 但 存在着测量精度受胶带张紧程度影响大, 调校工作 量 大等 缺点 。矿 用 激 光胶 带 秤 具 有 无 放射 源 、 调 校 工 作量 小等 优点 , 但测 量 精 度 低 。用 于 带 式 输 送 机 节 能控 制 的胶带 秤 , 目的不 是用 于煤 炭计 量 , 而是 用 于胶带 速度 调节 , 因此 , 可 以采 用测 量精 度较 低 的激 光 胶带 秤 。 激 光胶 带秤 工作 原理 如 图 4所 示 。激光 束 由上 往 下 照射 , 如果胶 带 上没有 物料 , 则 在胶 带表 面形 成 了一道 亮 线 , 如 图 4 a 所 示 。 当胶 带 上 有 物 料 时 , 则在 物料 上表 面形 成 与 物料 轮 廓 一 致 的 亮 线 , 如 图 4 b 所示 。计 算 机 通 过 实 时 图像 分 析 可 以求 出 物 料 的横 截 面 积 S 即 上 下 轮 廓 之 间 的 面 积 , 如 图 4 c 所示 。设 摄像 头 采样 周 期 为 丁, 胶 带 速 度 传 感器测 得 的胶带 瞬 时 速度 为 , 则 第 i 次 采 样 周 期 内 , 带式 输 送 机 输 送 的 物 料 体 积 为 T S 。 NT 时间 内带式 输送 机输 送 的物料 体积 可通 过 式 1 求 出 N V T V S 1 -一 。 胶 带运 行速度 \ /\ , /\二 a 空胶带时的亮线 b 有煤炭时 的亮线 c 煤炭横截面 4基 于 采煤模 型 的综 采工作 面监 控 系统 图 4 激光胶带秤工作原理 事故 调查 表 明 , 瓦 斯 、 水 害 、 顶 板 等事 故 主 要 发 生在采掘工作面。因此 , 通过采煤工作面监控 系统 实 现地 面和 工作 面巷 道 的远 程 监 控 , 减 少 采煤 工作 面 作业人 员 十分重 要 。采煤 工作 面监 控 系统 主要包 括 液压 支架 电液控 制 系统 、 输 送 机 监 控 系 统 和采 煤 机 监控 系统 。 液 压支 架 电液控 制系 统一 般具有 支 架立柱 压力 监 测 、 支架 姿态监 控 、 推移行 程 监控 、 护 帮压力 监测 、 激 光测 支架 与煤 壁距 离 、 红 外感 知 采 煤 机 位 置 等 功 能 支 架升 / 降架 、 拉 架 、 伸/ 收 平 衡 千斤 顶 、 伸/ 收 护 帮 、 伸 / 收侧 护板 、 伸 / 收伸 缩梁 、 提底 、 倾 角 、 喷雾 、 测 距等 ; 具有邻架单动作模式 、 邻架成组动作模 式、 急 停模 式 、 工 作 面巷道 集 中控制 模式 和地 面控制 模 式 。 输送机监控系统一般具有如下功能 ① 负荷监 控 ; ② 振 动监 测 ; ③ 链 条 张 紧力 监 测 ; ④ 减速 器 轴 承温 度 、 油 位 、 油温 监 测 ; ⑤ 电动 机 绕 组 温 度 、 转 子 轴承温度监测等。 采煤 机 监 控 系统 一 般 具有 采 煤 机 位置 、 滚 筒 高 度 、 牵引 速度 、 瓦斯 监控 等功 能 。 迄今 为 止 , 人们 还 不能 自动识 别煤 岩界 面 ] , 但 2 0 1 5年 第 1期 孙 继 平 煤 矿监 控新技 术 与新 装备 5 已实 现记 忆 割煤 、 远 程控 制 。特 别 是基 于采 煤 模 型 的记 忆 割煤 、 远 程控 制 方 法 进 一 步 提 高 了 综采 工 作 面 自动 化采 煤程 度 对待 开采 区域 进行 地 质钻 孔 , 得 到地 质 钻孔 数据 , 建 立 GI S三 维 采 煤模 型 。在采 掘 过 程 中 , 及 时修 正 GI S三维 采 煤 模 型 。采 煤 机根 据 采 煤模 型确 定 的工 作 面 顶 底 板 情 况 实 现 自动 割煤 。 在 采煤 机 割截 过程 中 , 通 过 监测 采煤 机有 功功 率 、 振 动、 扭矩 、 图像等 , 实时监测顶底板变化情况 , 进一步 修 正采 煤 模型 。 5 防越 级跳 闸矿 井供 电监 控 系统 因短路 和过载等 , 矿井供 电系统会发生越级跳 闸 , 进 而 造成 局部 通 风机停 风 、 瓦斯 积 聚 ; 水 泵停 电 、 淹井 ; 刮板输送机 、 带式输送机非正常停机 、 压煤; 大 面积 停 电 , 影 响生 产 等 。 为 减 少 矿井 供 电系 统越 级 跳 闸情 况 的发 生 , 通 常采用分级延时动作 的方法 , 即通过给开关 分配不 同的延 时 时间 , 当发 生短 路 和过 载时 , 在规 定 的延 时 时间 内 , 下 级开 关拒 动 时 , 上 级 开关跳 闸动作 。但 由 于 矿井 供 电层级 多 , 允许 总延 时 时 间短 , 所 以 , 采 用 分 级延 时 动作 的方 法并 不能 彻底 解决 矿 井供 电 系统 越 级跳 闸问题 , 且 整定 难度 大 。 矿 用 光 纤 纵 差 保 护 系 统 通 过 监 测 输 入 输 出 电 流, 当发现电流异常时, 跳闸动作。该系统具有动作 准确 、 及 时等 优 点, 适 用 于单 输 入 和单 输 出供 电 系统 。 矿用 光纤 闭锁 防越级 跳 闸系统 将 下级 开关 的动 作状 态 , 通过 光缆 传 输 至上 级 开 关 , 并 闭锁 控 制 ; 当 下级 开关 跳 闸后 , 闭锁 上 级 开 关 , 使 其 不 能 跳 闸 ; 当 下级 开关 拒 动时 , 因上级 开关 未被 闭锁 , 上 级开 关跳 闸动 作 。 因此 , 矿 井 供 电 系统 宜 采 用 矿 用光 纤 纵 差 保 护 和 光纤 闭锁 综合 防越 级 跳 闸系 统 , 避 免 和 减 少 越 级 跳 闸事 故 的发 生 。 6井 下爆 破监 控 系统 为避 免井 下爆 破造 成人 员 伤亡 、 引起 瓦斯 爆 炸 , 井下爆破必须执行“ 一炮 三检” 和“ 三人连锁” 规定。 “ 一 炮 三 检 ” 就 是 采 掘 工 作 面 装 药 前 、 爆 破 前 、 爆 破 后 , 检查爆 破 地 点 附 近 2 0 m 以 内 风 流 中 甲烷 体 积 分数 , 当 甲烷 体 积 分 数 达 到 1 . 0 时 , 必 须 立 即处 理 。“ 三 人连 锁 ” 就 是 爆 破 工 、 班 组 长 、 瓦 斯 检 查 员 3人必 须全 过 程参 加 放 炮 工 作 , 并 严 格 执 行 换 牌 制 度 。瓦斯 检查 员 负 责检 查爆 破 地 点 附 近 2 0 m 以 内 风流中甲烷体积分数和煤尘等 。班组长负责设置警 戒 线 , 撤 离爆 破警 戒 区人 员 , 清 点 人 数 , 检 查 顶 板 及 支护加 固 和设备 防 护情 况 等 。爆 破 工 负 责 联 线 , 检 查起爆 网路 , 发出放炮信号和放炮等。 井 下爆 破监 控 系统通 过 甲烷传 感 器和无 线 甲烷 便 携仪 , 实 时监 测爆 破地 点 附近 甲烷体 积分 数 , 当 甲 烷体积分数达到 1 . 0 时 , 发出报警信号 , 并闭锁发 爆器 , 使其 不能 起 爆 。井 下 爆 破 监 控 系 统通 过定 位 卡 和读卡 分站 , 实 时 监 测 人 员位 置 , 清 点人 数 , 当爆 破警戒区域内有人员时, 发出报警信号, 并闭锁发爆 器 , 使 其 不能起 爆 。井 下爆 破 监 控 系统 还 可 检测 起 爆 网路 , 发 出放炮 警示 声光 信号 等 。 7 结语 矿用 激 光 甲烷传 感器 、 无 线传感 器 、 气体 遥测 传 感器、 自动调零传感器 、 矿用分布式测温系统、 基于 采 煤模 型 的记忆 割 煤 远 程 控制 方 法 、 带式 输 送 机 节 能控制 系 统 、 矿 用光 纤 纵 差 保 护 和 光 纤 闭锁 防越 级 跳闸矿井供电监控系统 、 井下爆破监控系统等新技 术 和新 装 备 , 在煤矿 事 故防 范 、 安 全高 效生 产工 作 中 发挥着重要作用, 但 仍难 以满足煤矿安全高效现代 化 的需求 , 急需 研究 如 煤岩 界面识 别方 法及 装 备等 。 参 考 文 献 [ 1 ] 国家煤 矿安全监察局.2 0 0 4 2 0 1 3 年 全国煤矿事故分 析报告 E R ] . 北京 国家煤矿安全监察局 , 2 ∞4 2 o l 3 . E 2 3 孙继 平. 煤矿信 息化 与智能化 要求 与关键 技术 E J 3 . 煤 炭科 学 技 术 , 2 O l 4 , 4 2 9 2 2 2 5 . E 3 3 孙继平. 煤矿安 全规程 安全监控 与人 员位置监 测修 订意见E J 3 . 工矿 自动化 , 2 0 1 4 , 4 0 6 1 - 7 . [ 4 1 孙继平. 煤矿安全 规程 传 感器设 置修 订 意见[ J ] . 工 矿 自动化 , 2 0 1 4 , 4 0 5 1 - 6 . [ 5 ] 孙继平. 安 全高效矿 井监 控关键 技术研 究 [ J ] . 工矿 自 动 化 , 2 0 1 2, 3 8 1 2 1 5 . E 6 3 孙继平. 煤 矿安全生产监控与通信技 术E J 3 . 煤 炭学报 , 2 O1 0, 3 5 11 1 92 5 1 92 9.