煤矿监控新技术与新装备

煤矿监控新技术与新装备孙继平（中国矿业大学（北京），北京100083）摘要：分析了2004-2013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1.94亿吨，事故起数平均每年减少337起，死亡人数平均每年减少551人，百万吨死亡率平均每年减少0.310。提出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激光矿用甲烷传感器；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；煤矿井下皮带、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皮带秤；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。引言煤炭是我国第1大能源，约占一次能源70%。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。2004年至2013年10年累计产煤287.8亿吨，年平均增长1.94亿吨；共发生死亡事故19870起，死亡33200人，平均百万吨死亡率1.154；其中，重特大事故300起，死亡6680人，[1]如表1所示。10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337起，死亡人数平均每年减少551人、百万吨死亡率平均每年减少0.310。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发展与应用。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。热催化矿用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。热导矿用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。红外矿用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。激光矿用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。这并不是热催化矿用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。激光矿用甲烷传感器的售价远远高于热催化矿用甲烷传感器。虽然热催化矿用甲烷传感器的量程、测量精度、响应时间、调校周期、传感元件寿命等不如激光矿用甲烷传感器，但完全可以满足低瓦斯和高瓦斯矿井安全监控的需求。传感元件寿命并不代表传感器整机寿命，报废的传感元件可以用同型号的新元件替换。因此，低瓦斯和高瓦斯矿井宜选用热催化矿用甲烷传感器，以降低投资成本。煤（岩）与瓦斯突出矿井宜选用激光矿用甲烷传感器，以满足全量程监测、响应时间短、煤（岩）与瓦斯突出报警的需求。[3]1.2矿用无线传感器目前，矿用传感器主要以有线传感器为主。有线传感器具有可靠性高、传输距离远、远距离供电等优点，但存在着电缆敷设和维护工作量大、难以满足移动监控的需求等问题。为解决矿用有线传感器存在的问题，人们研发了基于ZIGBEE和WIFI等技术的矿用无线传感器，[4]可用于回采工作面上隅角、掘进工作面、高冒地点、采掘设备、运输设备等监控。矿用无线传感器具有不需敷设和维护电缆等优点，但存在着供电、可靠性和传输距离不如矿用有线传感器等问题。用于回采工作面上隅角、掘进工作面、高冒地点的矿用无线甲烷传感器，采用蓄电池供电，需有人负责充电，不便于使用。因此，通过无线输电解决矿用无线传感器供电问题，是值得研究的课题。1.3矿用气体遥测传感器为监测环境中气体浓度，需通过扩散等方法，将被测气体导入气室，传感器需设置在被测气体环境中。采用可调谐激光光谱吸收检测方法的气体遥测传感器，不需将传感器置于被测气体环境中。气体遥测传感器，将激光指向被测空间，接受反射回来的光强，就可计算出被测空间中气体平均浓度。矿用气体遥测传感器可用于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地点的气体探测。1.4矿用自动调零传感器和便携仪甲烷、一氧化碳等气体传感器需定期使用空气气样和标准（或校准）气样校准。为实现自动调零，人们研制了具有定位功能的便携式甲烷检测报警仪。具有定位功能的便携式甲烷检测报警仪除具有人员定位、甲烷检测等功能外，还具有自动调零功能。当便携仪通过定位功能，检测到位于地面时，自动利用环境中空气调零，实现了自动调零。通过定位、利用地面空气自动调零，适用于便携式气体检测仪和无线传感器。2分布式光纤火灾监测系统矿井火灾可分为外因火灾和内因火灾。内因火灾主要有采空区遗煤自燃等。外因火灾主要有皮带火灾、电缆和电气设备火灾等。为避免或减少皮带火灾，胶带运输监控系统通常监测皮带打滑、滚筒温度和烟雾等。为全面监测滚筒和托辊温度，人们研制了矿用分布式光纤测温系统，具有监测范围广、性价比高等优点。矿用分布式光纤测温系统不但用于皮带火灾监测，还可用于电缆和电气设备火灾监测。为监测采空区火灾，通常使用束管监测系统。束管监测系统通过束管抽取采空区气体，在地面分析CO等标志性气体浓度，或在井下分站分析后，通过电缆或光缆传输至地面。束管监测系统存在着漏气、堵塞、地面分析取样时间长、维护困难等问题。温度可反映采空区煤炭自燃状况，因此，采用矿用分布式光纤测温系统监测采空区温度，具有响应时间短、便于使用与维护的特点。[5]矿用分布式光纤测温系统监测采空区温度，需解决光纤布置方法等问题。煤的导热系数低，将光纤沿上下顺槽布置（如图1所示），不能及时反映采空区煤炭自燃情况。光纤蛇形布置（如图2所示），施工难度大，断缆后，影响采空区火灾监测。多条光纤沿巷道轴向布置（如图3所示），部分光纤断缆后，不影响整个采空区火灾监测，也便于布置。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了皮带压煤、打滑等问题，但存在着皮带空转时间长、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皮带秤、控制器和变频器等组成。系统根据皮带运煤量自动调节皮带速度，煤量较小时自动降低皮带运行速度，煤量较大时自动提高皮带运行速度（但不大于最大允许速度）。矿用皮带秤主要有核子秤、电子称和激光秤等。矿用核子皮带秤具有测量精度高、测量精度不受皮带张紧程度影响等优点，但放射源管理困难。矿用电子皮带秤具有无放射源、测量精度较高等优点，但存在着测量精度受皮带张紧程度影响大，调校工作量大等缺点。矿用激光皮带秤具有无放射源、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皮带秤，目的不是用于煤炭计量，而是用于皮带速度调节，因此，可以采用测量精度较低的激光皮带秤。4基于采煤模型的综采工作面监控系统事故调查表明，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，实现地面和顺槽远程监控，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、运输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：具有邻架单动作模式、邻架成组动作模式、急停模式、顺槽集中控制模式和地面控制模式。运输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，[6]但已实现记忆割煤、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GIS三维采煤模型。在采掘过程中，及时修正GIS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等自动割煤。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，进而造成造成局部通风机停风，瓦斯积聚；水泵停电、淹井；刮板运输机、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，因此，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”。“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20米以内风流中甲烷浓度，当甲烷浓度达到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20米以内风流中甲烷浓度和煤尘等。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、发出放炮警号、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浓度，当甲烷浓度达到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矿井的需求，例如，急需研究煤岩界面识别方法及装备等。本文全文发表在《工矿自动化》2015年第1期：孙继平.煤矿监控新技术与新装备[J].工矿自动化,2015,41(1):1-5.