傳感器在煤礦監測監控系統中的應用研究

張 玉 郭紅丹

傳感器在煤礦監測監控系統中的應用研究

張 玉 郭紅丹

（永城職業學院，永城 476600）

本文針對安全生產及工人的生命安全這一問題介紹了幾種常用的礦用傳感器，著重探討了傳感器在煤礦監測監控系統中的應用。

傳感器 煤礦 監測監控

引言

傳感器是一種檢測裝置，它的作用就是感受信息、傳遞信息，它可以將檢測到的被測信息傳遞給其他裝置或系統，而傳感器是實現煤礦監測監控的首要環節，近年來，隨著研發技術的發展，各種礦用傳感器應運而生，并且將這些傳感器應用于煤礦的監測監控系統，在一定程度上確保了該系統工作的可靠性和有效性。監測監控系統是煤礦能夠安全生產的重要保障，使管理方式發生了根本性的改變，提高了安全監管的技術水平。目前應用在煤礦監測監控系統中主要的礦用傳感器有：甲烷傳感器、溫度傳感器、一氧化碳傳感器、煙霧傳感器、風速傳感器等。

1 煤礦監測監控系統的組成

如圖1所示為煤礦監測監控系統的組成結構圖，該系統主要組成部分有：中心站（包括監測主機和監測備機）、服務器、網絡交換機、數據接口裝置、井下監控分站、各種礦用傳感器組成。

煤礦監測監控系統的主要功能是“環境監測”和“生產監控”，即該系統主要監測各種環境安全參數及機電設備運行狀況，例如：甲烷氣體的濃度、溫度、風速、煙霧等環境參數，同時也可監測到煤倉煤位、水倉水位、各種機電設備開停等參數，系統根據監測到的各種參數去控制生產設備、執行機構、安全裝置、報警裝置等，例如：供電電壓和電流、煤倉煤位、水泵、提升機以及其他機器設備的運行狀況。

圖1　煤礦監測監控系統的組成

（1）地面傳感器的布置。主扇風硐設置負壓傳感器：一級和二級主扇電機設置開停傳感器，安全出口風門處設置風門傳感器，設置CO傳感器和煙霧傳感器的主要位置有：主斜井膠帶輸送機滾筒下風側、原煤轉載帶式輸送機筒、大塊上倉帶式輸送機滾筒下風側，中塊上倉帶式輸送機滾筒下風側以及末煤上倉帶式輸送機滾筒下風側。

（2）井下傳感器的布置。中央變電所主要設置了溫度傳感器，中央水泵房設置開停傳感器，上倉斜巷皮帶機滾筒下風側設置CO傳感器和煙霧傳感器，井下總回風大巷設置甲烷傳感器、CO傳感器和煙霧傳感器?；夭晒ぷ髅嫔嫌缃?、回風順槽設置CO傳感器，回采工作面設置溫度傳感器，回采工作面刮板機回路動力開關和工作面采煤機回路動力開關設置饋電傳感器，工作一采區軌道巷與工作面回風順槽聯絡風門處設置風門傳感器。井底煤倉上方設置甲烷傳感器，各類運煤設備動力開關設置饋電傳感器，井下一采區回風大巷測風站設置甲烷傳感器、CO傳感器和風速傳感器。

另外，順槽掘進工作面主要設置的傳感器有：甲烷傳感器、風筒傳感器、開停傳感器、CO傳感器和煙霧傳感器。

2 甲烷傳感器在煤礦監測監控系統中的應用

瓦斯是煤礦井下以甲烷（CH4）為主的混合性氣體的總稱，簡稱甲烷，如果甲烷在空氣中的含量為5%～16%時，就有可能發生爆炸，因此，瓦斯濃度的監測監控是煤礦安全生產的重要保障，前些年，我國煤礦上使用較為普遍的是催化燃燒型瓦斯傳感器和電化學瓦斯傳感器，但是這兩種類型的傳感器工作穩定性差，反應時間較長，需要定期（一般是7～15天）調校，這些缺點嚴重制約了煤礦瓦斯濃度的正常監測監控。因此目前已經被紅外甲烷傳感器所取代，該傳感器能夠利用甲烷氣體對傳感器中紅外光譜的吸收性能來測定瓦斯濃度，基本不受現場惡劣環境的影響。同時紅外甲烷傳感器采用了雙通道采樣技術，具有抑制零點漂移的功能；用橫向漫反射紅外甲烷測量技術，將光通路縮小到一個直徑只有20毫米的空間里，無衰減的鍍金鏡面反折射可以增加光通路的長度，同時使得檢測氣體與光源能夠很好的接觸。

總之，紅外甲烷傳感器具有標定周期長、抗干擾能力強、高精度、高可靠性和使用壽命長的優點，實現了0%～100%全量程甲烷濃度的測試，而且還具備防水功能，可以防止水汽對傳感器造成影響，這樣傳感器就能在高水汽環境下正常工作。因此，紅外甲烷傳感器的投入使用不僅有效提高了甲烷事故的預警防范能力，同時也提高了煤礦安全生產的水平。

3 溫度傳感器在煤礦監測監控系統中的應用

為了保證煤礦的安全生產，需要對煤礦的各個關鍵點和采煤工作面的溫度進行實時監測監控，而且煤礦井下要用到超聲波測距，為了保證距離測量的準確度，也要求準確測量礦井內的溫度。采用熱電偶測量溫度是傳統的測溫方法，但是熱電偶測溫反映速度慢、測量誤差大，安裝調試復雜，且不便于遠距離傳輸。后來出現的光纖溫度傳感器逐漸取代了熱電偶，圖2為光纖溫度傳感器的測溫系統圖。

圖2　光纖溫度傳感器測溫系統圖

與熱電偶測溫相比，光纖溫度傳感器抗電磁干擾能力強，工作頻帶寬，動態范圍大、成本低、耐腐蝕性強、測量精度高等優點，而且能夠連續測量光纖沿線各點的溫度，適用于大范圍多點測量的場合。因此，在煤礦井下這樣工作環境較為惡劣、監控距離較長的施工環境中，光纖溫度傳感器顯示出了獨特的優勢。例如，在皮帶輸送設備上，皮帶運輸機因滾筒摩擦，容易引起溫度過高，因此需要安裝溫度傳感器對其進行連續的監測監控。正常工作時，溫度傳感器的“溫度”端輸出為高電平，當被測溫度超過規定值時，輸出為低電平，自動斷電，從而實現了過溫保護。

各種礦用傳感器的使用不僅保證了煤礦生產的安全，同時也節約了人力和成本，例如：永城新橋煤礦的主通風機采用1＃、2＃兩套FBCDZ-10-NO29型對旋軸流式通風機對礦井進行抽風，兩套風機互為備用。其中電動機功率2×355KW，轉速590r/min，電壓等級6KV。系統采用溫度傳感器和壓力傳感器取代溫度計和壓力皮托管，利用PLC對數據進行采集處理，通過通訊端口在上位機上實現數據的存儲、生成數據表格與數據曲線，并實現聲光報警。如圖3所示為新橋礦主扇風機監測監控系統。

該系統經安裝運行，不僅安全可靠，而且實現了無人值守，據統計，該系統投資共45萬元，每年可節約人工費5萬元×8人＝40萬元，系統還為管理部門提供了實時動態信息，可有效地幫助值班人員及時了解設備的工作狀態，及時發現風機運行故障，實現生產過程的實時管理。避免風機故障造成礦井停風，保障了礦井的生產安全。

圖3　新橋礦主扇風機監測監控系統

4 礦用傳感器的研究方向探討

本文主要介紹了傳感器在煤礦監測監控系統中的應用，闡述了煤礦監測監控系統的組成及功能，重點介紹了甲烷傳感器和溫度傳感器的應用，針對目前傳感器在煤礦監測監控中的實際應用情況，結合自己在煤礦頂崗實習的經驗，建議礦用傳感器在開發過程中增加以下內容：

（1）進一步研究開發光纖激光甲烷傳感器，可解決長距離傳輸及傳感器免調校等實際問題。

（2）對傳感器進行標準化、模塊化、智能化設計，提高傳感器的可靠性。

（3）開發多參數采集傳感器，可根據現場需要進行各類參數的檢測。

（4）規范通信協議，使系統能夠相互兼容。

[1]郭玉彪.煤礦用傳感器現狀及研究方向探討[J].電子世界，2014.

[2]蘇國民.光纖溫度傳感器在煤礦井下溫度測量系統中的應用[J].科技資訊，2009.

[3]馮柏群.氣敏傳感器的原理及在預防煤礦瓦斯爆炸中的作用[J].煤炭工程，2006.

[4]戴峻.光纖傳感器在煤礦安全監控系統中的應用[J].煤礦安全，2010.

[5]王世洋.在線監測系統在礦井主扇中的應用[J].煤礦現代化，2012.

The Application of Sensorin Monitoring and Controlling System of Coal mine

ZHANG Yu, GUO Hongdan
(Yong cheng vocational college,Yongcheng 476600)

Coal industry is one of the pillar industries of our country, is also the energy power of other industries. There are some problems in the process of coal mining. For example: Monitoring and controlling of Coal mine gas concentration, monitoring and controlling of coal mine environment etc . These problems directly threaten the safety of coal mine production and safety of workers. For these problems, this paper describes several commonly used mine sensors, emphatically discussed the application of sensor in monitoring and controlling system of coal mine.

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