《煤矿安全监控系统课件》

煤矿安全监控系统课件欢迎参加煤矿安全监控系统课程本课程将全面介绍煤矿安全监控系统的基本原理、组成部分、运行维护以及新技术应用，旨在提升煤矿安全监控人员的专业技能和应急处理能力通过本课程的学习，您将深入了解各类传感器原理、数据采集与传输技术、监控系统的安装调试与维护，以及如何利用现代技术提高煤矿安全水平让我们共同努力，为煤矿安全生产保驾护航课程目标与内容理解基础原理掌握煤矿安全监控系统的工作原理、组成结构和关键技术指标，建立系统性认知，为深入学习奠定基础掌握核心技术熟悉各类传感器原理与应用、数据采集传输技术、系统软硬件配置及网络拓扑结构，具备系统运行维护能力培养应用能力学习系统安装调试、故障诊断与排除、数据分析与趋势预测，提升实际操作和问题解决能力规范管理水平了解相关法规标准、操作规程和管理制度，提高安全意识和规范化管理水平煤矿安全监控系统的发展历程1初期阶段1950-1970年代以单一功能模拟仪表为主，主要监测甲烷浓度，采用点对点监测方式，无自动控制功能，可靠性较低2发展阶段1980-1990年代采用计算机技术，出现了基于微处理器的数字化监控系统，实现了多参数监测和基本自动控制功能3成熟阶段2000-2010年监控系统向网络化、自动化方向发展，实现了与生产管理系统的集成，功能更加完善4智能化阶段2010年至今引入大数据、人工智能和物联网技术，实现智能预警、远程监控和协同管理，正向智能化矿山方向发展煤矿安全监控系统的重要性1保障人员安全监控系统能实时监测井下瓦斯、一氧化碳等有害气体浓度，及时发现危险并报警，防止人员中毒或遭遇爆炸事故，是保障矿工生命安全的重要屏障2预防事故发生通过对煤矿环境参数的实时监测和异常状况的智能分析，可以提前发现事故隐患，采取预防措施，避免或减少安全事故的发生3提高生产效率监控系统可实现对生产过程的实时监测和控制，优化通风系统运行，合理调配资源，提高煤矿生产效率和经济效益4满足法规要求安装和使用符合标准的安全监控系统是煤矿企业必须履行的法定义务，是获得生产许可和通过安全检查的基本条件煤矿安全监控系统的组成管理层1中心站系统及网络传输层2通信网络与接口控制层3分站及控制设备感知层4各类传感器煤矿安全监控系统由四个层次组成，层层相扣形成完整的监控体系感知层由各类传感器组成，负责采集井下环境数据；控制层由分站及控制设备组成，实现数据处理和执行控制；传输层通过各种通信网络与接口实现数据传输；管理层由中心站系统组成，负责数据处理、显示和管理决策各层级之间紧密配合，确保监控系统的高效运行感知层采集的数据经控制层处理后通过传输层上传至管理层，管理层分析决策后的指令再经同样路径下达至执行设备，实现闭环控制监控系统主要技术指标指标类型具体参数标准要求测量精度甲烷浓度相对误差≤±5%测量精度一氧化碳浓度相对误差≤±10%测量精度风速相对误差≤±10%系统性能数据采集周期≤10秒系统性能报警响应时间≤2秒系统性能系统可靠性MTBF≥10000小时煤矿安全监控系统的技术指标是衡量系统性能的重要标准高精度的测量能力确保数据的准确性，可靠的系统性能保障监控的连续性，而快速的响应时间则是确保安全的关键所有指标必须符合国家相关标准要求，才能保证系统在煤矿恶劣环境中稳定可靠地运行传感器基础知识定义与作用基本特性工作原理分类传感器是一种能将物理量、化学量转换为传感器的关键特性包括测量范围、精度、根据工作原理可分为电化学式、催化燃烧电信号的装置，是监控系统的感官煤灵敏度、重复性、稳定性和响应时间等式、热导式、红外吸收式等多种类型不矿环境中，传感器负责采集气体浓度、温这些特性直接决定了传感器在煤矿复杂环同原理的传感器适用于不同环境和测量对度、风速等重要参数，是安全监控的基础境中的实用性和可靠性象，选择合适的传感器至关重要甲烷传感器原理与应用催化燃烧原理红外吸收原理热导式原理利用铂丝催化甲烷燃烧产生热量，使铂丝电利用甲烷分子对特定波长红外线的吸收特性，利用甲烷的热导率与空气不同的特性，通过阻变化，从而测量甲烷浓度具有响应快、通过测量红外光源经过气体后的衰减量来确测量热平衡变化来确定甲烷浓度主要用于结构简单优点，但受硫化物等影响易中毒失定甲烷浓度具有抗中毒性好、稳定性高的高浓度甲烷监测5-100%vol，是对催化效主要适用于0-4%vol范围内的甲烷检优点，适用于高浓度甲烷检测燃烧式传感器的补充测一氧化碳传感器原理与应用电化学原理安装与维护电化学式一氧化碳传感器通过测量CO氧一氧化碳传感器应安装在回风巷、采空化时产生的电流来确定浓度工作电极区边缘、火区附近等重点区域安装高铂或金上发生CO氧化反应，对电极铅度应在距巷道顶板

0.3-

1.5m范围内，或锌上发生还原反应，两极之间产生电且避免冲击和水浸流与CO浓度成正比定期校准是保证传感器准确性的关键这类传感器具有较高的灵敏度和选择性，通常每30天进行一次校准，并每半年更能够检测低至几ppm的CO浓度，是目换一次电解液传感器的使用寿命一般前煤矿中应用最广泛的CO传感器类型为1-2年应用意义一氧化碳是煤矿自燃初期的重要指标，其浓度变化可用于早期火灾预警当CO浓度超过24ppm时系统应报警，超过100ppm时应启动联锁控制通过分析CO/CO₂比值和CO增长率，可以更准确地判断煤层自燃程度，为防灭火决策提供依据氧气传感器原理与应用电化学原理氧气传感器主要采用电化学原理工作，通过测量氧分子在电解质中引起的电位或电流变化来确定氧气浓度最常见的是极谱型氧传感器，由阴极如金、铂、阳极如铅、银和电解液组成测量特性测量范围通常为0-30%vol，精度为±

0.5%vol响应时间小于30秒，温度补偿范围为-10℃至40℃氧气传感器对二氧化碳、一氧化碳等气体有一定的交叉敏感性，需要在设计中考虑补偿措施安装要求氧气传感器应安装在采掘工作面、回风巷、采空区边缘等关键位置安装高度通常在距巷道顶板

0.8-

1.5m处，避免机械撞击和水浸传感器周围应保持通风良好，防止积尘遮挡扩散膜应用意义煤矿中氧气浓度监测对预防窒息事故和判断火灾工况至关重要氧气浓度低于

19.5%时应报警，低于18%时人员应立即撤离结合CO和CO₂数据，氧气浓度变化可用于判断火灾发展阶段和密闭效果温度传感器原理与应用热电阻原理热电偶原理应用场景热电阻温度传感器利用金属或半导体电阻热电偶基于塞贝克效应，由两种不同金属煤矿中温度传感器主要用于监测变电所、随温度变化的特性工作常用的有铂电阻连接形成闭合回路，温差使回路产生热电电机、皮带机滚筒等设备温度，以及巷道、Pt100和铜电阻Cu50，具有精度高、势常用类型有K型镍铬-镍硅和E型镍采空区温度当温度超过设定阈值时，系稳定性好的特点铂电阻在0℃时阻值为铬-铜镍，特点是测温范围宽、响应快，统将发出报警或启动自动降温设备，防止100Ω，温度系数约为

0.00385Ω/Ω·℃但精度较热电阻低设备过热或火灾发生风速传感器原理与应用1叶轮式风速传感器叶轮式风速传感器采用机械旋转原理，气流推动叶轮旋转，通过霍尔元件或光电转换将旋转速度转换为电信号这种传感器结构简单、成本低，但在粉尘较多的环境中易受影响，需定期清洁维护2热式风速传感器热式风速传感器基于热量传递原理，通过测量被气流冷却的加热元件温度变化来确定风速无机械运动部件，适用于低风速测量，但对粉尘敏感，且功耗较高在煤矿中主要用于风量较小区域的监测3超声波风速传感器超声波风速传感器利用声波在顺逆气流方向传播时间差计算风速具有无机械部件、测量精度高、反应速度快等优点，但价格较高，在煤矿主要通风系统监测中应用逐渐增多4风速监测的意义风速监测是煤矿通风系统的关键参数，对稀释瓦斯和粉尘至关重要根据规定，采掘工作面风速应不低于

0.25m/s，且不超过4m/s风速异常时，系统应及时报警并联动控制风门或风机其他常用传感器介绍粉尘传感器压力传感器硫化氢传感器煤矿粉尘传感器主要采用光散压力传感器用于测量水压、瓦硫化氢传感器多采用电化学原射原理，通过测量粉尘颗粒对斯压力、风压等参数常用的理，通过测量H₂S氧化产生的光的散射强度确定粉尘浓度有压阻式、电容式和压电式三电流确定浓度测量范围为0-测量范围通常为0-种类型在煤矿中主要应用于100ppm，精度±10%硫化1000mg/m³，可用于监测采水泵站、压风系统和通风系统氢是一种高毒性气体，在某些掘工作面和运输巷道的粉尘浓的监控，帮助判断设备运行状煤矿中含量较高，需要重点监度，防止超限和爆炸事故态和系统性能测水位传感器水位传感器主要有浮球式、压力式和超声波式三种在煤矿中用于监测水仓、水泵房和采空区积水情况，防止突发水害和设备损坏水位超限时可联动启动排水泵或报警传感器的选择与安装环境分析考虑安装位置的温度、湿度、粉尘、振动等环境因素，分析可能存在的干扰源和危险源，确定传感器的防护等级和防爆要求，通常需选择隔爆型或本安型传感器参数匹配根据监测对象选择合适量程和精度的传感器，确保其测量范围覆盖实际需求，精度满足安全标准如甲烷传感器在高浓度区域应选用0-100%量程，低浓度区域选用0-4%量程位置确定甲烷传感器应安装在顶板下

0.1-

0.3m处，CO传感器安装在距顶板

0.8-

1.5m处，风速传感器应安装在巷道断面1/3处所有传感器应避开淋水、冲击和湍流区域固定与连接传感器安装须牢固可靠，防止跌落；电缆连接应确保防水和抗拉，采用专用接线盒；电缆敷设应避开高压设备，并有明显标识；安装后须进行密封性和信号测试传感器的校准与维护定期校准清洁保养使用标准气体或参比仪器对传感器进行比对校1定期清除传感器表面粉尘和污垢，检查并清理准，甲烷传感器每天校准一次，传感器15CO2采气口、扩散膜，确保气体正常扩散每天校准一次30记录管理功能测试4建立传感器维护档案，记录校准结果、维修情3通过模拟超限或故障信号，测试传感器报警功况和更换周期，实现全生命周期管理能和联锁控制功能是否正常传感器的校准与维护是确保监控系统可靠运行的关键环节校准工作应由经过培训的专业人员使用经过检定的标准器具进行，确保校准的准确性和可追溯性发现传感器精度下降或响应迟缓时，应及时更换部件或整体更新维护工作应形成制度化、规范化的流程，并严格执行良好的维护记录不仅有助于及时发现传感器性能变化趋势，也是安全监察部门检查的重要依据数据采集与传输技术数据传输数据处理采用RS

485、CAN总线或以太网等模数转换对采集的原始数据进行平滑滤波、零方式将数据从分站传输到中心站传信号调理采用ADC将模拟信号转换为数字信点校正、线性化计算和单位换算，得输协议多采用Modbus、Profibus将传感器输出的弱电信号通常为mV号，煤矿监控系统常用16位或24位到标准化的测量值通常采用滑动平或自定义协议，数据加密确保安全级或mA级进行放大、滤波、线性化ADC，采样频率一般为10-100Hz均、中值滤波等算法提高数据稳定性长距离传输常使用光纤作为传输介质处理，消除干扰和噪声，提高信号质转换精度和速度直接影响数据的准确量常用的调理电路包括仪表放大器、性和实时性有源滤波器和模拟补偿电路通信接口与协议RS485接口以太网接口RS485是煤矿监控系统中最常用的现场总线以太网接口在监控系统高层应用广泛，采用接口，采用差分信号传输，抗干扰能力强TCP/IP协议，传输速率为最大传输距离可达1200米，通信速率一般10/100/1000Mbps具有带宽高、兼容为9600bps或19200bps一条总线可挂性好的优点，主要用于分站与中心站之间的接多达32个设备，使用多点式拓扑结构通信，以及系统与企业网络的集成煤矿使用的以太网设备一般需具有工业级防RS485接口要求使用屏蔽双绞线，并在总线护能力，包括防尘、防潮和宽温设计在易两端安装120Ω终端电阻，以消除信号反射燃易爆区域，必须使用本安型以太网设备接口须做好防雷和隔离保护，确保信号稳定可靠Modbus协议Modbus是工业自动化领域广泛使用的通信协议，分为RTU和TCP两种模式该协议基于主从架构，采用功能码和寄存器地址访问数据，结构简单，实现容易煤矿监控系统常将传感器数据映射到特定Modbus寄存器，通过功能码03读保持寄存器和功能码06写单个寄存器实现数据交换和命令下发分站的功能与结构硬件组成主要功能接口能力分站主要由微处理器、存储器、信号采集模分站负责采集传感器数据、进行本地处理和一台标准分站通常可接入16-32路模拟量输块、通信接口、电源模块和显示单元组成显示、执行控制命令、存储历史数据具备入如甲烷、一氧化碳浓度，8-16路开关采用模块化设计，便于维护和扩展核心处自诊断功能，能检测传感器故障和通信异常量输入如风门状态，4-8路继电器输出理器通常采用工业级ARM或DSP芯片，具在与中心站通信中断时，可独立工作并记录用于控制设备具备RS485和以太网通有高可靠性和低功耗特性数据，通信恢复后自动上传信接口，支持级联扩展分站的安装与调试安装位置选择1分站应安装在干燥、通风良好、无积水的地点，靠近主要监测区域，但避开高压电气设备和强振动源在井下应选择支架牢固、顶板完好的巷道分站与最远传感器的距离不应超过1000米，以确保信号质量机柜安装固定2分站机柜必须牢固固定在支架或墙壁上，离地面高度一般为

1.2-

1.5米，便于操作维护机柜周围应预留至少

0.8米的操作空间安装完成后，应检查机柜的水平和垂直度，确保门能正常开关接线与接地3电源线、信号线和通信线应分开敷设，避免互相干扰接线端子需拧紧，防止松动分站必须有可靠接地，接地电阻不大于4欧姆本安回路和非本安回路必须严格分开，符合防爆要求系统调试4调试前确认所有连接正确，然后进行电源测试、传感器信号测试、通信测试和联锁功能测试逐一验证每个传感器的数据采集是否正常，报警设置是否符合要求最后进行系统联调，确保与中心站通信正常中心站硬件配置工业服务器网络设备外设设备中心站的核心是高性能工业服务器，一般包括工业级交换机、路由器、光纤收发器包括大屏显示系统、操作工作站、打印机、采用双机热备配置，具备数据冗余和自动等网络设计应采用冗余结构，避免单点UPS不间断电源等大屏通常采用LCD拼切换功能服务器CPU通常为至少8核处故障核心交换机应具备千兆或万兆能力，接屏或LED显示屏，分辨率至少1080p理器，内存以上，存储采用支持隔离，确保监控数据传输的稳工作站配置不少于台，用于监视、查询、32GB RAID5VLAN4或RAID10阵列，确保数据安全和系统可定性和安全性管理和维护操作靠性中心站软件系统应用软件层1包括监控界面、报表系统、管理工具中间件层2包括数据库访问、实时计算引擎数据库层3包括实时数据库和历史数据库操作系统层4通常采用Windows Server或Linux中心站软件是煤矿安全监控系统的大脑，负责数据处理、存储、分析和展示操作系统层提供基础运行环境，通常采用Windows Server或工业级Linux发行版数据库层包括实时数据库和历史数据库，前者处理高速变化的实时数据，后者存储长期历史数据供查询分析中间件层提供数据库访问、实时计算和通信服务，处理来自分站的数据流应用软件层是用户交互界面，包括监控画面、趋势分析、报警管理、报表系统等功能模块软件系统采用分层架构，确保稳定性和可扩展性监控系统网络拓扑星型拓扑总线型拓扑以中心站为核心，各分站直接与中心站相连所有分站连接到同一通信总线上优点是布线12优点是结构简单明确，任一分站故障不影响其简单经济，容易扩展缺点是总线故障会影响他分站缺点是布线量大，中心节点负担重，全系统，网络负载大时性能下降，适合直线型适用于规模较小的矿井巷道布局的矿井混合型拓扑环形拓扑结合多种拓扑结构的优点，根据矿井实际情况分站依次连接成环，首尾相连优点是提供通灵活设计通常主干网采用环形结构，各区域信冗余路径，单点故障不会导致系统瘫痪缺43采用星型或总线型结构这种设计兼顾了可靠点是布线复杂，故障定位困难适用于对系统性和灵活性可靠性要求高的大型矿井数据存储与管理1数据分类存储监控系统数据通常分为实时数据、历史数据、报警数据和配置数据四大类实时数据存储在内存数据库中，刷新周期为1-10秒；历史数据按时间间隔通常为1分钟压缩存储；报警数据完整记录所有报警信息；配置数据包含系统参数和用户权限2数据库架构大型煤矿监控系统通常采用分布式数据库架构，包括前端实时数据库和后端历史数据库实时数据库采用内存数据库或时序数据库，如InfluxDB、OpenTSDB；历史数据库多采用关系型数据库，如SQL Server、Oracle或MySQL3数据备份策略实时数据采用双机热备，配置数据采用定时备份，历史数据采用增量备份与周期性完整备份相结合的策略重要数据应采用异地备份，防止局部灾难导致数据丢失数据恢复机制必须定期测试，确保可用性4数据安全管理建立严格的数据访问控制机制，不同级别用户具有不同的数据访问权限关键操作需要审计记录，确保可追溯数据传输采用加密技术，防止窃取和篡改定期进行安全扫描和漏洞修复，防范网络攻击监控系统报警机制煤矿安全监控系统的报警机制是安全防护的核心环节，采用多级报警策略报警分为预警、一般报警和紧急报警三个等级，对应不同的阈值和处理流程当监测参数达到预警值时，系统发出提示；达到报警值时，启动声光报警；达到危险值时，同时执行联锁控制报警方式包括系统界面显示、声光报警器、短信通知、电话自动拨号等多种形式，确保值班人员能及时获知报警信息所有报警记录自动存档，包含时间、位置、参数值、持续时间等信息，便于后续分析和事故调查报警解除必须由授权人员确认并记录处理措施断电与复电控制断电触发条件当甲烷浓度达到

1.5%时，系统应切断相关区域非本安电气设备电源；当达到

2.0%时，应切断采区所有非本安电气设备电源CO浓度超过100ppm时，系统同样触发断电控制此外，风速低于规定值或通风设备故障时也应执行断电操作断电执行方式断电控制通过专用的断电控制器实现，采用可靠的继电器或接触器切断电源控制回路必须采用本安设计，确保在危险环境中安全工作系统提供手动和自动两种断电方式，并具备断电状态实时监测功能复电条件复电必须同时满足以下条件监测参数恢复正常并持续稳定规定时间通常为10分钟；现场确认安全条件已具备；获得值班调度员授权许可系统应防止参数波动导致的频繁断复电复电操作流程复电前必须进行现场检查，确认无安全隐患；由值班调度员在系统中进行复电授权；操作人员执行复电操作；系统记录整个复电过程，包括操作人、时间和参数状态复电过程应逐级进行，避免同时送电系统自检与故障诊断硬件自检软件自检故障诊断监控系统通过内置的硬件自检功能定期检软件自检包括数据有效性检验、系统资源系统采用多层次故障诊断机制，通过故障测各单元工作状态，包括电源电压、CPU监控和通信质量检测中心站软件通过心树分析和专家系统，对故障进行定位和分温度、通信线路、存储空间等关键参数跳包机制，定期检测与各分站的通信状态类常见故障包括传感器故障、通信中断、传感器采用智能自检技术，能够自动检测数据库系统实现自动备份和完整性检查，电源异常和软件错误系统能根据故障类断线、短路和信号异常分站设备通过内确保数据不丢失系统关键进程由守护进型自动生成处理建议，并记录故障处理过置的看门狗电路，实现对系统运行状态的程监控，发现异常自动重启程，为后续改进提供依据监控监控系统图形化界面总览界面工作面界面数据分析界面总览界面显示整个矿井的状况概览，采用矿工作面界面详细显示采掘工作面的监测数据，数据分析界面提供各种参数的历史趋势图、井平面图作为背景，叠加显示各监测点位置包括瓦斯浓度、风速、温度等参数的实时值统计报表和关联分析功能用户可选择时间和实时数据不同颜色表示不同参数状态，和趋势图界面采用拟物化设计，直观展示范围、监测点和参数类型，系统自动生成图绿色表示正常，黄色表示预警，红色表示报工作面布局和设备位置操作员可通过此界表界面支持多参数叠加显示，便于分析参警界面顶部显示系统时间、当班信息和重面控制局部通风机、喷雾装置等设备数间的相关性，识别潜在问题要通知数据分析与趋势预测甲烷浓度%一氧化碳浓度ppm煤矿安全监控系统的数据分析功能是发现潜在风险的关键工具系统通过分析历史数据的变化规律，识别异常模式例如，通过计算甲烷浓度变化率和CO/CO₂比值，可以判断煤层自燃程度；通过分析风速与瓦斯浓度的相关性，可以优化通风系统配置趋势预测采用时间序列分析和机器学习算法，对关键参数未来变化趋势进行预测系统能够提前10-30分钟预警瓦斯超限风险，为安全管理提供宝贵的响应时间数据分析结果以图表和预警信息的形式展现，支持决策者采取预防性措施，从被动响应转向主动预防监控系统的安全性设计1防爆安全设计井下设备必须满足煤矿防爆要求，通常采用隔爆型或本安型设计隔爆型设备通过坚固外壳限制内部爆炸影响；本安型设备通过限制电路能量，确保即使故障也不会产生点燃能力传感器、分站和供电设备的防爆等级必须与安装位置的危险区域等级相匹配2电气安全设计系统采用多重保护措施确保电气安全，包括过流保护、过压保护、接地保护和电气隔离所有设备必须有可靠接地，接地电阻不大于4欧姆信号线路和电源线路必须分开敷设，并采用屏蔽线缆减少干扰本安回路与非本安回路严格隔离，避免能量传递3功能安全设计系统遵循功能安全原则设计，关键功能采用冗余设计和故障安全模式例如，断电控制系统采用失电即断电原则，确保在系统故障时自动切断电源关键数据采集采用双通道设计，通过比较验证提高准确性系统具备自检功能，能够及时发现和处理内部故障4信息安全设计信息安全设计包括身份认证、访问控制、数据加密和安全审计四个方面系统采用多因素认证机制，确保只有授权人员才能操作重要操作需经过多级授权，系统自动记录所有关键操作，便于追溯责任通信数据采用加密传输，防止窃听和篡改系统冗余与备份策略服务器冗余网络冗余数据冗余中心站采用主备服务器架构，两台服监控系统网络采用环网结构，提供数数据存储采用RAID技术和分布式存务器同时运行，实时同步数据主服据传输的冗余路径核心交换机采用储策略，实现数据的多副本管理实务器故障时，备用服务器能在秒级时双机热备配置，互为备份关键网络时数据同时存储在多个物理位置，确间内接管所有功能，确保系统连续运链路使用不同物理路径的线缆，避免保即使部分存储介质损坏也不会丢失行两台服务器应采用不同供电回路，单点故障网络设备支持RSTP或数据历史数据采用增量备份与定期并配置独立的UPS电源，增强系统抗MSTP协议，实现故障自动切换，切完整备份相结合的策略，备份介质应干扰能力换时间小于20毫秒存放在安全位置电源冗余系统关键设备采用双电源设计，分别接入不同的供电回路中心站配置大容量UPS和柴油发电机组，确保在市电中断情况下系统持续运行井下分站采用本安电源和蓄电池组合供电，保证即使在电网波动情况下也能稳定工作。