瓦斯监测系统

瓦斯监测系统（共11篇）

瓦斯监测系统 篇1

摘要：在广元至达州铁路巴中至达州段一期工程中, 为降低瓦斯浓度, 确保瓦斯隧道的施工安全, 遇到了各种困难, 现场作业人员对洞内瓦斯问题进行认真分析并采取了有效的措施, 及时的处理了各类瓦斯问题, 使高瓦斯隧道的施工按预定施工计划顺利完成, 为整个工程的顺利完工创造了有利条件。

关键词：瓦斯监测系统,瓦斯隧道,应用

0 引言

瓦斯监测系统多用于煤矿施工中, 作为铁路隧道施工仍是一大难题, 多年来铁路瓦斯隧道施工安全系统多采用煤矿瓦斯安全检测系统。现就我公司在施工瓦斯隧道应用瓦斯监测系统的方法总结如下:

1 监控技术综述

1.1 根据要求, 结合本隧道高瓦斯的特点, 为保证瓦斯隧道能够顺利施工, 本部成立了以安全总监为组长的瓦斯检测、监测机构。加大隧道瓦斯监控, 以保证隧道在持续通风下, 瓦斯浓度控制在允许范围内。以徐家湾隧道为例:徐家湾隧道出口瓦斯检测采用KJ101自动监控系统、CJG10型光干涉瓦斯检测仪和AZJ-2000型便携式甲烷检测报警仪三种仪器进行相互结合, 对瓦斯进行检测, 进而在一定程度上确保瓦斯检测的准确性, 进一步确保施工的安全性。通过采用自动监控系统, 结合人工监控的方法, 将KJ101-45B型甲烷传感器设置在掌子面、模板台车顶部及相关辅助洞室等, 当瓦斯浓度超过0.4%时系统进行报警, 当瓦斯浓度超过0.5%时作业区电源就被切断, 在这种情况下, 工人停止作业, 同时撤出相应的作业面。同时设置GFW15型风速风量传感器, 当回风处风速小于1m/s时, 作业面停止作业, 查找原因并及时解决。对于需要进行人工检测的部位, 通常情况下保证120min进行一次检测, 如果发生突出或异常情况, 需要进行随时的监测。将手动式测风仪设置在洞口测风站, 对回风巷的风流速度进行定期的测定。

1.2 测点布设要求:通常情况下, 每断面至少在拱顶、两侧拱脚、两侧墙脚各距坑道周边20cm处进行检查, 同时检查该5点坑道风流的瓦斯和一氧化碳;节理发育裂隙处检查可沿裂隙布设测点;隅角、塌腔等处检测按其断面大小参考隧道断面布设点位, 但顶部测点不能减少。

2 瓦斯监控要求

2.1 瓦斯隧道施工过程中, 建立专门的瓦斯检测队伍系统, 该队伍主要由自动监控与人工监控系统组成, 该系统主要对瓦斯浓度、一氧化碳浓度、风速风量等参数进行测定。

2.2 在洞外的新鲜风流中装设压入式通风机, 进一步防止污风循环。对于瓦斯工区的通风机, 通常情况下需要设置两路电源, 同时装设风电闭锁装置。

2.3 对于瓦斯隧道来说, 通常情况下, 每班需要对开挖掌子面按照规定进行检查, 平常按1次/2h频率检查。

2.4 瓦斯检测地点及范围的要求:开挖工作面风流、回风流中;爆破地点附近20m内的风流中及局部塌方冒顶处;局扇附近10m内的风流中;坑道总回风流中, 斜井与正洞的横通道;各种作业台车和机械附近20m内的风流中;电动机及开关附近20m内的风流中;超前探孔孔口、孔内。

3 瓦斯监控机构

结合瓦斯隧道施工的特点, 成立由经理部安全总监担任组长、工程部、安质部部长及分部经理、施工队队长为副组长, 分部技术员、瓦检员、安全员等为组员的徐家湾隧道瓦斯监控小组, 对隧道施工瓦斯浓度进行全程监控。监控小组组长对瓦斯隧道瓦斯检测进行总体负责;副组长和组员对隧道实施小组所报数据进行审核, 并且对瓦斯进行不定时的抽检, 进而在一定程度上确保现场不会发生“漏检”、“假检”和“少检”的现象。

4 瓦斯监测方法

4.1 自动监控系统

使用KJ101N矿用安全自动监控系统对瓦斯自动监控系统进行处理, 在反映隧道风流中瓦斯, 一氧化碳的最高浓度及隧道内的风速的位置悬挂传感器。

KJ101N矿用安全自动监控系统详细布置:中心机房设在离隧道口约30m的值班室, 机房设备由监控主机、矿用隔爆兼本安型监控分站、矿用本安全电路用接线盒、UPS电源、矿用信息传输接口, 主机配KJ101N监控软件。

接线及信息传输形式:所有传感器的信息都由监控分站传输到信息传输接口, 再由信息传输接口到监控主机进行数据分析。其信息流程:

(1) 风机与施工用电连接:监控主机→信息传输接口→监控分站→两孔接线盒→机电设备开停传感器→隔爆兼本安型断电器→配电箱→监控分站→信息传输接口→监控主机。

(2) 甲烷连接:监控主机→信息传输接口→监控分站→甲烷传感器。

(3) 一氧化碳连接:监控主机→信息传输接口→监控分站→一氧化碳传感器。

(4) 风速风量传感器连接:监控主机→信息传输接口→监控分站→风速风量传感器。隧道内连接用线一般采用两孔接线盒连接至隧道深处, 当需增加检测传感器时可采用三孔接线盒连接。

(5) 监测项目。根据有关规定, 结合本隧道地质情况及瓦斯涌出情况, 甲烷浓度、一氧化碳浓度, 风速风量等成为隧道出口段监控的项目。

(6) 监控系统的布设。根据技术要求在距洞口50m处拱顶设置GTH500型电化学式一氧化碳传感器, KJ101-45B型甲烷传感器及GFW15型风速风量传感器各1台;瓦斯传感器主要设置在易引起瓦斯发生积聚、且位置相对固定、重要的地方, 通常隧道瓦斯探测器设置在掌子面处 (开掘处) 、衬砌处、加宽带和回风口四类环境, 隧道瓦斯涌出在不同的环境具不同的涌出特征。

4.2 人工检测。

现场瓦检员、进洞工班长按每次上下班和工作期间1次/h用CJG10型光干涉瓦斯检测仪检测;管理人员按每次上下班检测和工作期间1次/2h用AZJ-2000型便携式甲烷检测报警仪进行检测。

4.2.1 检测要求

(1) 成立专门瓦斯检测班, 并由经过专业培训合格且取得证件人员组成, 每班3人, 共9人。

(2) 严格执行“一炮三检制”和三人连锁放炮制。

(3) 瓦斯检查工作必须严格执行巡回检查制度、交接班制度、请示报告制度。

(4) 瓦斯检查过程中不得使瓦斯和二氧化碳浓度超过0.5%或其他有害气体浓度超过规定的区域。

4.2.2 检测频率

检测频率要求能代表全部可能存在瓦斯灾害的时间段。

(1) 检测段瓦斯浓度含量在0.5%以下时, 每隔0.5~1h检查一次;在0.5%以上时, 应随时检查, 不得离开掌子面, 发现异常及时报告, 并采取有效措施保证施工安全。

(2) 适当对洞内死角, 尤其是对隧道上部、坍塌洞穴、避人 (车) 洞等各个凹陷处通风不良、瓦斯易积聚的地点增加检测频率;当班未作业的工作面, 每班至少检查一次。

(3) 装药前、装药后、爆破后均必须单独增加检测。根据检测结果判断是否在允许作业范围之内。

(4) 如停风区中瓦斯浓度超过0.5%时, 必须制定排瓦斯的安全措施, 控制风速, 回风系统必须同时停电撤人。

(5) 因全面停电, 主要通风机停止运转后, 必须恢复通风, 排出瓦斯。

(6) 出现异常情况时随时检测。

4.2.3 检测数据分析

(1) KJ101N矿用安全自动监控系统。KJ101N矿用安全自动监控系统对瓦期突出区域和瓦斯易积聚处进行实时监控。在每天下午17:00前将当天数据进行汇总, 并将瓦斯浓度绘制成曲线图。KJ101N矿用安全自动监控系统检测数据统一上报分部总工, 由分部总工进行评估。在瓦斯检测数据在0.4%以下正常施工;在瓦斯检测数据在0.4%以上0.5%以下的由分部自行进行加强通风;在浓度达到0.5%或0.5%以上时, 现场管理人员应逐级上报, 一边到现场进行隧道撤人和加强通风的现场指导。

(2) CJG10X型光干涉瓦斯检测仪。瓦检员将每次使用CJG10X型光干涉瓦斯检测仪检测的数据登记瓦斯检查记录, 并将数据输入电脑, 绘制成瓦斯浓度变化曲线图, 由分部技术员对瓦斯进行分析, 判断瓦斯涌出的变化。瓦斯记录在正常情况下, 每星期给局指统一上报一次;如遇瓦斯超限或瓦斯涌出情况, 每天向局指上报一次。局指在不定期检查时, 将抽检数据记于在隧道瓦斯记录中, 以备检查。同时每天向经理部有关部门上报。

5 结论

广元至达州铁路巴中至达州段一期工程, 因其所处的地理环境和地质情况结合大多隧道都属于瓦斯隧道, 在施工过程中遇到多种安全事故情况, 施工中认真分析出现问题的原因, 采取有针对性的预防措施, 较好地避免了各类安全事故的发生。同时对已出现的安全事故, 采取科学有效地技术措施进行处置。总之, 通过瓦斯监测系统的应用, 取得了显著的效果, 有效地保证了瓦斯隧道的施工安全。

参考文献

[1]徐红.浅析KJ2000N网络监测系统在煤矿安全中的应用[J].中小企业管理与科技 (上旬刊) , 2012 (01) .

[2]宋聚勇.探析公路高瓦斯隧道瓦斯治理费用测算[J].价值工程, 2012 (10) .

[3]纪宁波.低瓦斯隧道施工中瓦斯处理方案研究[J].城市道桥与防洪, 2013 (08) .

[4]王春梅, 周仕强, 李磊.KJ90监测系统在瓦斯隧道施工中的应用[J].公路隧道, 2011 (12) .

瓦斯监测系统 篇2

用 户 使 用 手 册

第一章，安装部分

1.系统登陆

1，首选要检查一下系统所必备的程序在不在。打开控制面板—>管理工具里边有没有如下产红色圈里的项目，如图：

如果没有，你需要找到你的WINDOWS系统盘来通过控制面板的添加删除程序来安装此程序； 2，如果第一步没有任何问题，你需要确认你的系统是事已经安装了微软公司的.NET框架的Framework 1.1程序，切记：IIS的安装一定要在Framework 1.1程序之前。安装完在控制面板—>管理工具里有如图所示的程序：

3,完成前两步后，你就可以将程序包拷贝到你所要安装的目录文件夹，（最好放在C盘以外的其它盘）然后对其右键执行WEB共享，如下图所示：

然后点击如图圈里先项会出现如图所示

接下来只要点上图的确定按纽就可以了；

4，接下来我们回到控制面板—>管理工具打开IIS（全名：Internet 信息服务(IIS)管理器）,会如图所示：

然后对其右键属性出现如图所示：

接下来按照图中点击图中主目录后会出现如图所示：

按照图中所示把目录设为程序所在根目录就可以了；

5，在客户机上都要安装IE6.0才能使用该程序，如果您的IE还不是6。0版本，请您与管理员联系，让他来更新您的IE版本；

如果你的已经是IE6。0，您现在就可以在IE地址栏里输入程序所在服务器的IP；如：我的服务器的IP为:http://219.150.157.201你就可以打开程序并使用了；如下图：

现在您就可以使用该项系统了；

第二章，使用部分

1.系统登陆

当用户在IE浏览器地址栏中输入本系统服务器地址，就进入了本系统的登陆界面。如图1－1－1所示：

图1－1－1登陆窗口

当用户在登陆框中正确的输入自己的用户名和密码点击“用户登录”就可正常进入该系统进行操作。如图1－1－2所示：

图1－1－2登陆演示窗口

1）用户验证：由于用户名和密码是验证用户身份的唯一标志，所以登陆时不得为空。各使用用户请牢记自己的用户名和密码，如登陆系统时用户名和密码输入错误或为空，系统将出现以下提示，如图1－1－3所示：

图1－1－3登陆错误窗口

2）权限设置：不同的用户拥有不同的权限约束，所有用户都由系统管理员进行管理(创建并授权)。当有新用户使用本系统，可以根据需要向系统管理员提出申请，由系统管理员创建用户并根据用户的具体情况授予适当的使用权限。本系统共有4类用户，分别为：系统管理员，矿局用户，矿区用户和矿井用户。系统管理员具有管理本系统最高权限，可对系统所有数据进行浏览，添加，修改及删除，并具有管理系统其他所有用户的权限。矿局用户只具有浏览该矿局以下所属各矿区及矿井数据的权限，但不可以进行修改和删除。矿区用户只具有浏览该矿区以下所属各矿井数据的权限，不可以进行修改和删除。矿井用户只具有浏览本矿井数据的权限，也不可以进行修改和删除。

2.系统操作主界面

由于不同用户拥有不同的权限约束，所以各类用户登陆进入系统的主界面也有所不同。用户验证成功后系统进入操作主界面。如下图所示： 1）系统管理员操作主界面：

图2－1系统管理员操作主界面

2）矿局用户系统操作主界面：

图2－2矿局用户系统操作主界面

3）矿区用户系统操作主界面：

图2－3矿区用户系统操作主界面

4)矿井用户系统操作主界面：

图2－4矿井用户系统操作主界面

当用户点击系统左上角自己的用户名，便可对个人信息进行修改。如图2－5所示：

图2－5用户维护

修改页面如图2－6所示：

图2－6用户修改

当用户点击系统左上角的用户注销时，如图2－7所示，用户将自动退出本系统，返回到登陆页面，如图1－1－1所示：

图2－7用户注销

本系统共分为七大模块：实时监控、数据查询、图例查询、数据报表、参数管理、系统设置、在线帮助。每一个模块下又分了若干子功能，下面针对每一功能模块进行详细的描述。

3.模块功能描述

1）实时监控：系统默认的功能模块，根据用户的权限设置，系统自动对各个矿区的实时采集到的数据进行全屏显示，并且每15秒钟刷新一次，该模块共分3个子功能实时数据、设备信息、报警监控。·实时数据：从客户端采集到的最新的传感器监测数据，可以根据树型目录结构进行选择查询，并具有权限和所属矿区的约束。如图3-1-1所示。

图3－1－1实时监控

·设备信息：主要查看传感器的基本信息，根据左边的树型结构列出的矿区和矿井，点击后就在右边窗口中显示所选矿井下所有传感器信息和设备统计表。如图3－1－2所示：

图3－1－2传感器信息

·超限监控：根据用户所属矿区，系统自动对本矿区的实时采集到的报警数据进行全屏显示，并且每15秒钟刷新一次。如果有报警数据就出现一条报警记录，并伴有报警声音，一直鸣叫，直到报警结束，人工进行标记。

·故障监控：自动采集各矿区产生故障的时间及原因，进行记录，实现对各矿区进行实时监控，以便更好的解决故障。如图3－1－3所示：

图3－1－3故障监控

2）数据查询：该本系统具有对采集到的数据进行保存的功能，以便用做历史查询。本模块可用做对历史数据，报警数据及报警处理的查询。

·历史数据：可以查询某矿区或某个传感器所有历史数据。

矿井名为必要查询条件，如不选择具体矿井将出现以下情况。如图3－2－1所示：

图3－2－1无矿井编号

查询条件包括：矿井编号，日期及传感器安装位置。如图3－2－2所示：

图3－2－2查询方法

当正确选择了矿井名，日期及传感器安装位置，便可查询到想要的历史数据了。如图3－2－3所示：

图3－2－3历史数据查询

·报警数据：可以查询某矿区或某个传感器所有报警数据。

矿井编号仍然为必要查询条件，如不选择具体矿井，将会出现如图3－2－1类似情况。

本功能需要2个查询条件：矿井编号及日期。当用户选择了具体矿井及日期，如该矿井当天无报警数据则显示为空，如当天有报警数据，则显示如图3－2－4所示：

图3－2－4报警数据查询

·报警处理：可以查询某矿区或某个传感器报警数据的处理结果和意见。

矿井编号仍然为必要查询条件，如不选择具体矿井，将会出现如图3－2－1类似情况。

本功能需要2个查询条件：矿井编号及日期。当用户选择了具体矿井及日期，如该矿井当天无报警数据则显示为空，如当天有报警数据，则显示报警处理结果。如图3－2－5所示：

图3－2－5报警处理意见

点击意见可以添加对报警数据的处理意见。如图3－2－6所示：

图3－2－6报警处理意见

3）图例统计查询：该模块可实现将系统所采集到的实时数据以图例的形式表现出来的功能。图例包括：曲线图，柱状图和巷道图。绘制图例仍需3个条件：矿井编号，日期，传感器安装位置，如图3－2－2所示。

·全天曲线图：将系统采集到的某矿全天数据以曲线的形式表现出来。如图3－3－1所示：

图3－3－1曲线图

·全天柱状图：将某矿系统采集到的全天数据以柱状图的形式表现出来。如图3－3－2所示：

图3－3－2柱状图

·小时曲线图：将某矿系统采集到的某个小时内的数据以曲线图的形式表现出来。如图3－3－3所示：

图3－3－3小时曲线图

·小时柱状图：将某矿系统采集到的某个小时内的数据以柱状图的形式表现出来。如图3－3－4所示：

图3－3－4小时柱状图

·巷道图：如图3－3－5所示：

图3－3－5巷道图

4）图例报警统计：该模块可实现将系统所采集到的报警数据以图例统计的形式表现出来的功能。图例包括：超限状态统计，超限时长统计，超限矿井统计，报警年统计，报警月统计；

·超限状态统计：将所选矿局、矿区或矿井采集到的某个月内的报警数据按报警状态以饼状图的形式表现出来。如图3－4－1所示：

图3－4－1超限状态统计[矿局]

图3－4－2超限状态统计[矿区]

图3－4－3超限状态统计[矿井]

·超限时长统计：将所选矿局、矿区或矿井采集到的某个月内的报警数据按报警时长以饼状图的形式表现出来。如图3－4－4所示：

图3－4－4超限时长统计[矿局]

图3－4－5超限时长统计[矿区]

图3－4－6超限时长统计[矿井] ·超限矿井统计：将所选矿局、矿区或矿井采集到的某个月内的报警数据按报警矿井以饼状图的形式表现出来。如图3－4－6所示：

图3－4－6超限矿井统计[矿局]

图3－4－7超限矿井统计[矿区]

图3－4－8超限矿井统计[矿井] ·报警年统计：将所选矿局、矿区或矿井采集到的某一年内的报警数据按报警次数以饼状图的形式表现出来。如图3－4－9所示：

图3－4－9报警年统计[矿局]

图3－4－10报警年统计[矿区]

图3－4－11报警年统计[矿井] 22

·报警月统计：将所选矿局、矿区或矿井采集到的某一月内的报警数据按报警次数以饼状图的形式表现出来。如图3－4－12所示：

图3－4－12报警月统计[矿局]

图3－4－13报警月统计[矿区]

图3－4－14报警月统计[矿井]

5）数据报表：该模块将系统所采集到的数据统计整理成报表形式，方便用户浏览及打印。数据报表包含3个子模块，分别为：矿井日报表，报警日报表及报警月报表。

·矿井日报表：根据所属矿井记录每一小时数据的最大值，最小值，平均值及报警次数。如图3－5－1所示：

图3－5－1矿井日报表

·报警日报表：根据所属矿井显示查询日期当天所有报警数据。如图3－5－2所示：

图3－5－2报警日报表

·报警月报表：根据所属矿井显示该矿井在当前月所累积的报警数据。如图3－5－3所示：

图3－5－3报警月报表

6）参数管理：该功能只对具有管理员权限的用户可见。管理员用户通过该模块可对本系统所使用的各类参数进行添加，浏览，修改及删除等操作。·计量单位：如图3－6－1-1所示：

图3－6－1-1计量单位

单击修改后的界面

图3－6－1-2修改计量单位

·传感器编码：如图3－6－2所示：

图3－6－2传感器编码

·传感器类别：如图3－6－3所示

图3－6－3传感器类别

·传感器状态：如图3－6－4所示：

图3－6－4传感器状态

管理员用户可以对参数进行添加，如图3－6－5所示：

图3－6－5参数添加

管理员用户还可对参数进行修改，如图3－6－6所示：

图3－6－6参数修改

7）系统设置：本模块也是只对具有管理员权限的用户可见。系统管理员通过该模块可实现对矿井、矿区、矿局的维护，还可实现用户管理，登陆日志管理及短信设置的管理等功能。

·矿井维护：系统管理员通过该功能可对各矿井数据进行添加，浏览，修改及删除等操作。如图3－6－1所示：

图3－7－1矿井维护

·矿区维护：系统管理员通过该功能可对各矿区数据进行添加，浏览，修改及删除等操作。如图3－6－2所示：

图3－7－2矿区维护

·矿局维护：由于本系统只隶属于伊川县煤炭局，所以该模块只实现对矿局信息的修改功能。如图3－6－3所示：

图3－7－3矿局维护

·用户管理：系统管理员通过该模块可实现对所有用户的管理功能，可根据需要添加，修改或删除不同权限的用户。如图3－6－4所示：

图3－7－4用户管理

·登陆日志：记录各用户登陆的时间，IP地址，分别管理员进行管理。如图3－6－5所示：

图3－7－5登陆日志

·短信设置：实现将报警信息及时方便的传送到各矿区领导手机上的功能。具体设置如图3－6－6所示：

图3－7－6短信设置

8）审核校验：本模块也是只对具有管理员权限的用户可见。系统管理员通过该模块可实现对矿井、矿区、矿局数据进行正确与否的校验，以方便管理员快速定位出错数据、查找出错原因进行对系统监控的维护操作。

·矿井编号校验：系统管理员通过该功能可对错误的矿井编号进行审核校验操作。如图3－8－1所示就是对矿井编号为05130101的错误进行校验的结果：

图3－8－1矿井编号审核校验

·传感器编码校验：系统管理员通过该功能可对错误的传感器编码进行审核校验操作。如图3－8－2所示就是对矿井编号为05130435的错误进行校验的结果：

图3－8－2传感器编码审核校验

·传感器类别校验：系统管理员通过该功能可对错误的传感器类别进行审核校验操作。如图3－8－3所示就是对矿井编号为05130435的错误进行校验的结果：

图3－8－3传感器类别审核校验

·传感器状态校验：系统管理员通过该功能可对错误的传感器类别进行审核校验操作。如图3－8－4所示就是对矿井编号为05130435的错误进行校验的结果：

图3－8－4传感器状态审核校验

·传感器编号校验：系统管理员通过该功能可对错误的传感器编号进行审核校验操作。如图3－8－5所示就是对矿井编号为05130435的错误进行校验的结果：

图3－8－5传感器编号审核校验

·计量单位校验：系统管理员通过该功能可对错误的计量单位进行审核校验操作。如图3－8－6所示就是对矿井编号为05130435的错误进行校验的结果：

图3－8－4计量单位审核校验

9)在线帮助：本模块主要为用户提供使用帮助及一些特色服务，如软件下载，留言板，新闻动态及巷道图的上传。

·操作手册：以图文结合的方式给各使用用户提供帮助，为用户进行正确指导，以便用户能更好的使用本系统，使用手册即本页面。如图3－9－1所示：

图3－9－1操作手册

·软件下载：本页面主要提供一些常用软件的下载。

·留言板：各系统用户可将自己的意见或建议发表在留言板上，也可在工作之余进行相互交流。这样既有利于系统管理员收集大家的意见，也可方便各用户之间的交流。如图3－7－2所示：

图3－9－2留言板

用户点击“发表留言”按钮即可将留言发布在留言板上了。本留言板还提供多种表情及头像可供选择。如图3－9－3所示：

图3－9－3发表留言

点击右上角的超级管理则弹出管理员登陆页面。如图3－9－4所示：

图3－9－4超级管理登陆

在正确输入管理员帐号和密码后，系统将进入超级管理员管理页面。管理员可在此修改留言板的设置，如改变背景色或边框色，也可对用户留言进行回复或删除。如图3－7－5所示：

图3－9－5留言板管理

·新闻动态：用户可自行浏览，添加或维护近期的新闻与动态，而且不同的用户。如图3－9－6所示：

煤矿瓦斯监测装置的设计与开发 篇3

摘要：文章介绍了基于Mega16单片机的瓦斯监测装置。该装置具有测量、通信、存储、查询、显示等功能，能够满足现场测量的需要。

关键词：瓦斯 监测 ATmega16

0 引言

瓦斯监测是煤矿安全中非常重要的环节，因此高性能的瓦斯监测装置对煤矿的安全系统十分重要。现有的许多瓦斯监测装置存在着可操作性差，显示不方便，反应速度慢等问题。因此，笔者开发了基于Mega16单片机的瓦斯监测装置。

1 瓦斯检测装置硬件设计

1.1 总体设计：

该瓦斯监测装置主要由微处理器8位AVR ATmega16、传感器采集电路、数据预处理电路、人机接口电路等组成。其工作原理如下：瓦斯传感器队瓦斯浓度进行检测，并产生一个电压信号；数据预处理电路对此信号进行放大处理并将信号传送到AVR ATmega16芯片的A/D转换通道中。AVR ATmega16芯片控制A/D模块工作得到数字信号并取若干次转换的平均值，并将该信号与预设的标准值进行比较并存储，当数字信号超过标准值时就产生声光报警，低于标准值则不报警。人机接口包括键盘和LCD显示屏，键盘主要用来调试日期，进行系统复位，LCD屏用来显示实时瓦斯浓度以及实时时钟给出的日期和时间。当系统进入死机状态时，看门狗可以对系统进行复位。

1.2 瓦斯传感器与信号预处理电路 催化燃烧式传感器突出的优点是传感器模块化设计，体积小，安全性高，而且随着对催化燃烧探头的原理与生产工艺的深入研究，载体催化元件的稳定性，抗中毒性，输出线性等都有了大幅度的提高，更适合于在恶劣环境下对煤矿瓦斯的检测。所以本系统选择催化燃烧式瓦斯传感器。信号预处理电路可以将传感器输出信号处理为适合A/D转换的范围。

1.3 A/D转换 A/D转换装置主要通过ATmega 16芯片自带的A/D转换接口，这样可以节省硬件成本，同时还起到简化外接电路、节省端口的目的。内置A/D转换装置具有10位精度、±2LSB的绝对精度、13?s~260?s的转换时间、在最大精度下可达到每秒15kSPS的采样速率、8路可选的单端输入通道、ADC的电压输入范围0～Vcc、可选择的内部2.56V的ADC参考电压源、ADC转换完成中断等优点。因而，ATmega 16完全适任本设计装置的预期的任务。

1.4 数据存储 ATmega 16单片机的强大的功能还体现在它的存储功能上。ATmega 16支持EEPROM和flash的读写。单片机在对转换信号进行处理后，将所得数据送至芯片自带的EEPROM或flash中。由于EEPROM和flash支持多次读写，且掉电不会丢失数据，因而非常适合在本设计中作为存储器使用。

1.5 人机接口 LCD显示屏是以HD44780为模型，它具有14个管脚，其中包括8个数据地址管脚，选片管脚，读写管脚等。本LCD屏不能显示汉字，可用来显示日期、时间和瓦斯浓度的装置。本LCD显示系统可以显示两行40个字符，第一行轮流显示日期和时间，其显示更替由按键决定。第二行显示瓦斯浓度。该瓦斯监测装置的键盘模块是9位键盘，通过此键盘可以对传感器的多项内容进行设置，例如日期、时间和报警标准值。

1.6 声光报警 当瓦斯浓度超过预置的报警值时，及时进行现场报警显得尤为重要。为了加强报警效果，本传感器采用声光同时报警的方式，当监测到甲烷浓度值超过报警值时，蜂鸣器开始鸣响，高亮红色数码管对当前过限浓度也亮起来。

1.7 串行通信 Atmega16本身带有串行通讯口，但其电平为TTL电平，必须通过MAX232进行电平转换才能与PC机进行串行通讯。为了将信号转化为可用，采用MAXIM公司的MAX232/MAX233芯片实现5V电路中和PC实现串口通信的电平转换芯片。存储数据的上传由PC机控制，PC机向测试仪发送启动发送或停止发送指令，即可完成数据上传的启动与终止。

2 瓦斯监测装置软件设计

软件设计大体上可以分为三部分，分别是主程序，串口中断程序，定时器中断程序。

2.1 主程序设计 主程序的主要作用是各项初始化并循环对键盘进行扫描。初始化包括时间的初始化，串口的初始化，LCD的初始化，定时器的初始化等。键盘扫描要判断键盘是否被按下，如果未被按下则再循环扫描，如果被按下则返回不同的数值，并根据不同的数值做出相应的动作，比如进入和退出设置状态，日期的设置，报警复位和系统复位等。

2.2 串口中断程序 串口中断程序主要用于和上位机的通信，当上位机向MEGA16发送命令时，则串口就会产生一个中断来处理上位机的命令，MEGA16会先判断指令是否是有效指令，如果不是则直接清除中断标志位，如果是有效指令则判断指令的类型并执行相应的操作，指令执行完毕之后清除中断标志位并退出中断。

2.3 定时器中断程序 当定时器产生中断时，A/D转化器进行一次AD转换，并存储转换的数据，然后将转换数据与预设的标准值进行比较，如果没有超过标准值则正常显示，如果转换值超过了标准值则先进行声光报警，然后正常显示。而显示日期时要先判断LCD是否处于设置状态，如果没有处于设置状态则正常显示日期，否则还要判断自定义变量是否是偶数，如果是偶数则正常显示日期的数字，如果是奇数则交替显示“-”和日期。最后清除中断标志位并退出中断。

基于单片机设计的瓦斯监测系统 篇4

现国外瓦斯的检测用可燃性气体的检测代替单一CH4气体的测量, 毒气的检测包括H2S的测量;而我国对瓦斯检测主要以检测CH4为主, 毒气的检测以CO检测为主;单从我国检测技术的发展来说, 我国在20世纪80年代初才从国外引进了瓦斯监测监控系统, 而且仅用于部分国有重点煤矿, 因而我国应用瓦斯监测监控系统起步较晚, 到2002年时提出瓦斯防治十二字方针, 即“先抽后采、监测监控、以风定产”, 从而确立了瓦斯防治的指导思想和方法。目前, 瓦斯监测监控系统存在着一部分不够完善的地方:第一, 受各种技术条件制约, 很多煤矿的瓦斯监测一直没有建立整个地区的瓦斯监测监控网络。第二, 尽管我国煤矿的瓦斯灾害防治技术虽已处于世界先进水平, 但防灾抗灾的安全的装备和检测仪表的技术水平与国外相比差距还较大。第三, 瓦斯监控系统对瓦斯传感器的技术要求越来越高, 例如稳定性、精度、性能等, 因此对检测系统中新型传感器的开发研究也越来越重要。

2煤矿瓦斯监测系统

2.1 工作原理

本文采用Al2O3基半导体陶瓷材料传感器 (MP-4) , 感应行道中瓦斯气体的浓度, 其以金属氧化物Al2O3半导体为基础材料, 当瓦斯气体在该内部半导体表面吸附后, 引起其电导率发生变化。由于电导率的改变产生不同的阻抗, 时而产生不同的模拟电压信号, 即检测电路把瓦斯浓度变化的信息转变成电信号, 根据气体浓度和电压信号之间的对应关系, 再对该模拟信号进行分析处理。

采用8位并行的A/D转换器ADC0809, 将连续的电压模拟量, 经过取样、保持、量化和编码等过程, 转换为时间、幅值离散的数字量, 同时将转换结束的数字量送给控制核心芯片AT89C51[1]。单片机AT89C51对传入的数据进行比较处理, 同时将得到的对应浓度的电压信号数据输送到LCD液晶显示板上显示。当检测到的瓦斯浓度低于设定报警阀值时, LCD显示板仅仅显示测得的瓦斯浓度对应的电压值;当行道中瓦斯的浓度达到一级报警时, 报警黄灯亮, 同时启动通风换气设备进行排气;在瓦斯浓度突然达到二级报警时, 红灯亮并伴有声音报警信号, 启动通风换气设备同时非本质安全型仪表断电;当气体的浓度降低到安全点后, 关闭通风换气设备, 停止报警, 达到安全保护的目的。

2.2 单片机的选用

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS单片机, 是一个8位单片机 , 片内含4KB的可反复擦写的PEROM (只读程序存储器) 和128 B的RAM (随机存取数据存储器) [2]。器件采用ATMEL公司的非易失性、高密度存储技术生产, 同时兼容标准MCS-51指令系统, 片内置Flash存储单元和通用8位CPU (中央处理器) , 功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合, 可灵活应用于各种控制领域[3]。

2.3 浓度测试电路

2.3.1 气体传感器的选择

要进行—个具体的测量工作, 首先要考虑采用何种原理的传感器, 而这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为, 即使是测量同一物理量, 也有多种原理的传感器可供选用, 哪一种原理的传感器更为合适, 则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法, 有线或是非接触测量;传感器的来源, 国产还是进口, 还是自行研制, 价格能否承受。

在考虑上述问题之后就能大致确定选用何种类型的传感器, 然后再考虑传感器的具体性能指标, 此设计选用半导体型传感器型号为MP-4。

2.3.2 A/D转换电路

A/D转换电路采用中断方式接口电路进行设计电路, 因为采用中断方式可大大节省单片机时间, 地址译码引脚A、B、C分别与地址总线的低三位A0、A1、A2相连, 以选通INO～IN7中的一个通道, 片选信号输入端接在单片机P2.7端, 启动A/D转换工作时, 由单片机的P2.7和写信号共同控制ADC0809的转换启动和地址锁存, 由于ALE和START连接在一起, 因此ADC0809在锁存通道地址的同时又可启动并进行转换。在读取转换结果时, OE的输入信号用P2.7引脚和低电平的读信号 经“或非门”后产生的正脉冲来提供, 这样就可以打开三态输出锁存器。EOC引脚经过“非门”与AT89C51的undefined端口相连, 当转换结束时向单片机提出中断请求, 即转换结束信号端发出一个脉冲信号, 单片机一旦响应中断请求, 外部中断1的中断服务程序将会读取A/D的转换结果, 同时启动ADC0809的下一次转换, 外部中断1采用跳沿触发方式[4]。8路模拟输入通道提供了检测系统的扩展, 在接上不同的传感器即可实现不同的检测, 如温度、湿度、压力等。

3结语

新型基于单片机设计的瓦斯报警器, 以AT89C51单片机为控制核心, 设计中不仅体现了单片机应用的灵活性, 而且又实现功能多样的智能控制, 设计中使用的ADC0809可扩展连接不同的传感器即可实现对其他物理量的检测, 制作成不同的检测系统。

参考文献

[1]张志良.单片机原理与控制技术 (第二版) [M].北京:机械出版社, 2005:10-130.

[2]李华.MCS-51系列单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1995:15-45.

[3]张洪润, 张亚凡.传感技术与实验[M].北京:清华大学出版社, 2005:48-105.

铁路隧道瓦斯监测及检测方案 篇5

隧道瓦斯监测及检测专项方案

审核： 复核： 编制：

中国电建凯里环城高速公路北段PPP项目

EPC总承包四分部

2017年10月14日

目 录

第一章 瓦斯工区等级的划分及确定方法..........................第二章 瓦斯监测及检测方案...................................一、瓦斯监测及检测.........................................（一）、瓦斯监测的内容及目的...........................（二）、监测依据及执行标准.............................（三）、瓦斯监测体系...................................（四）、监测数据的收集与分析...........................三、防爆措施...............................................(一)、防止瓦斯浓度超限和瓦斯积聚.......................(二)、防止引爆瓦斯措施................................

隧道岩层中瓦斯涌出浓度的大小是危险程度的标志，施工中必须将瓦斯浓度控制在安全的限值以内。

（三）、瓦斯监测体系

为了安全起见，隧道施工瓦斯监测采取人工与自动相结合的监测方式，两者监测的数值相印证，避免误报现象。

1、人工检测

人工检测由瓦斯检查员执行检查瓦斯，瓦斯检查员必须经专门培训，考试合格，持证上岗。根据《煤矿安全规程》及有关规定，专职瓦斯检查员必须使用光干涉式甲烷测定器检查瓦斯，同时检测CH4（甲烷）和C02（二氧化碳）两种气体浓度。

（1）、光干涉式甲烷测定器

光学瓦斯检测器是根据光的干涉原理制成的，除了能检查CH4浓度外，还可以检查C02浓度，瓦斯浓度在0％～l0％，使用低浓光干涉甲烷测定器；瓦斯浓度在10％以上，使用检测范围是0％～l00％的高浓度光干涉式甲烷测定器。

光干涉式甲烷测定器属机械式瓦斯检测仪器，具有仪器使用寿命长，经久耐用的特点，但受环境和人员操作等多种因素的影响，为了能保证检测结果准确有效指导施工、防止安全事故的发生，必须注意如下事项：

① 使用前，须检查水分吸收管中的硅胶和外接C02吸收管中的钠石灰是否变质失效，气路是否通畅，光路是否正常；将测微组刻度盘上的零位线与观察窗的中线对齐，使干涉条纹的基准线与分划板上的零位线相对齐，取与待测点温度相近的新鲜空气臵换瓦斯室内气体。

② 检测时，吸取气体一般捏放皮球以5～l0次为宜。

③ 测定甲烷浓度时，要接上C02吸收管，以消除C02对CH4测定结果的影响。

④ 测C02浓度时，应取下C02吸收管，先测出两者的混合浓度，减去已测得的CH4浓度即可粗略算出C02浓度。

⑤ 干涉条纹不清，是由于隧道中空气湿度过大，水分不能完全被吸收，在光学玻璃管上结雾或灰尘附着所致，只要更换水分吸收剂或拆开擦拭即可。

按五点法进行，放炮地点每放一次炮均应按“一炮三检”制要求检测（对爆破地点和起爆地点风流中瓦斯浓度进行检查，CH4浓度低于0.5%方可放炮）。

⑤、浓度控制及措施：

根据《煤矿安全规程》、《铁路瓦斯隧道技术规范》等相关规定，结合本隧道施工工程项目部关于严格控制瓦斯浓度的规定，本方案瓦斯检测浓度控制标准为：当瓦斯浓度达到0.3%时报警（瓦检人员向现场负责人报警，由现场负责人向各级领导汇报并立即组织有关人员查明原因进行处理），当瓦斯浓度达到0.5%时，瓦检人员应立即向现场施工负责人报告，由现场施工负责人立即组织停止工作，撤出人员，切断隧道中电源，并报告项目部经理，由项目经理向各级领导汇报，由有关专业人员制定措施，进行处理。瓦斯浓度低于0.4%方可复电。

⑥、记录：瓦斯检查员检查瓦斯后应记录在当班瓦斯手册和现场瓦斯检查牌板上。⑦、隧道高处瓦斯检查、应使用瓦斯检查杖和折叠人字梯，以保证巷道高处瓦斯检查到位。

⑧、光干涉甲烷测定器每半年必须进行一次检定，合格方可使用，使用人员日常使用中发现仪器故障，必须及时送有关专业人员维修，以确保仪器完好。

2、自动监测

本方案自动监测采用便携式甲烷（自动）检测报警仪和瓦斯安全监测系统进行监测。（1）、便携式甲烷（自动）检测报警仪监测要求：

①、携带人员:进入撑子面和隧道内的以下人员必须携带便携式甲烷（自动）检测报警仪连续监测工作地点瓦斯浓度：

a、放炮员；b、班组长、c、现场值班负责人、d、到隧道检查的各级管理人员（每一行人至少携带一台）、e、流动作业的检修人员、f、各类机车驾驶员、g、其他相关人员；

②、便携式甲烷（自动）检测报警仪报警点的设臵： 报警点一律设臵为CH4浓度0.3%；

③、便携式甲烷（自动）检测报警仪必须由监测组专人统一管理，连续使用8小时必须缴回仪器室充电。每七天必须进行一次调校，每半年必须送专业机构检定一次，合

理如图1所示。

图1 KJ101N一体化监控系统原理示意图

隧道进出口自动瓦斯监测系统分别由l台主控计算机、3台洞内分站、15台低浓度瓦斯传感器、3台风速传感器、2台远程断电仪、1台报警器、l套设备电源和1台备用电源组成（以上设备为现场安设的设备、未含备用设备）。系统瓦斯监测范围设臵为：0％～4％CH4，瓦斯检测反应速度≤30 s；风速监测范围设臵为：0．3～15 m／s。系统可实现洞内传感器声光报警及洞外监控中心自动报警。

（4）、信息传输系统电缆选用及布臵要求

① 监测系统传输电缆要专用，以提高可靠性。

② 监测系统所用电缆要具有阻燃性。

③ 监测系统中各设备之间的连接电缆需加长或作分支连接时，被连接电缆的芯线应采用接线盒或具有接线盒功能的装臵，用螺钉压接或插头、插座插接，不得采用电缆芯线导体的直接搭接或绕接的方式。

④ 具有屏蔽层的电缆，其屏蔽层不宜用作信号的有效通路。在用电缆加长或分支连接时，相应电缆之间的屏蔽层应具有良好的连接，而且在电气上连接在一起的屏蔽层一般只允许一个点与大地相连。

⑤ 所有传输系统直流电源和信号电缆尽量与电力电缆沿隧道两侧分开敷设，若必须在同一侧平行敷设时，它们与电力电缆的距离不得小于0．5m。

（5）、分站的安装要求

①、分站应安装在便于工作人员观察、调度、检验、支护良好、无滴水、无杂物地方。其距离洞口的高度不应小于0．3 m，并加垫木或支架牢固固定。独立的声光报警箱悬挂位臵应满足报警声能让附近的人听到的要求。

②、分站布臵：见监控系统布臵图（图1）主峒进口设1台分站（主峒出口一样设臵）、平导峒进口设1台分站（平导峒出口一样设臵），总回风设臵1台分站（总回风离地面近，可安设在地面）。

（6）、传感器的布臵安装要求

由于各处隧道断面大，为了有效监测瓦斯浓度，应安设瓦斯传感器的隧道内同一断面上设臵两台瓦斯传感器，即巷道右上部、左上部两台瓦斯传感器。各种传感器的安装还必须符合传感器说明书的要求。隧道的传感器布臵必须符合图2要求，并应满足下列要求。

1）、掌子面（工作面）传感器布臵要求

隧道各掌子面设低浓度瓦斯传感器4台（具体位臵见附图2），报警浓度为0.3％CH4，瓦斯断电浓度为0．5％CH4，复电浓度为小于0.4％CH4，断电范围为掌子面中全部非本质安全型电气设备。在实际施工过程中，使用瓦斯自动检测报警断电仪的掌子面，只准人工复电。人工复电前，必须进行瓦斯检查，确认瓦斯浓度低于0.4%后，方可人工复电。各掌子面还设一台温度传感器，连续监测掌子面温度，报警点设臵为30℃。掌子面各类传感器

②出碴时，由于运输车辆的尾气排放等原因，洞内瓦斯浓度会有一定程度的升高，必须引起足够的重视，各种型号的汽车必须配备防爆装臵、出碴施工人员必须使用便携式瓦斯（自动）检测报警仪，连续监测瓦斯浓度。

③节理裂隙发育地段瓦斯浓度升高，施工中根据情况应及时汇报，经项目经理批准可采取超前探测。

二、隧道瓦斯检测安全技术措施

1、对瓦斯隧道施工必须制订并实施相应的瓦斯检测等制度(如一炮三检制、三人连锁爆破制等)。

2、隧道内所有地点瓦斯浓度不得超过0.5%，瓦斯浓度达到0.3%时，应停止放炮;当浓度超过0.5%时，应停止工作，撤出人员，切断电源，待采取措施处理后进行再次检查，确认安全后方可施工。

3、每班进出口各工作面（撑子面）均应安排一名专职瓦检员跟班检测瓦斯，瓦检员应实行现场手上交接班制。

4、所有传感器、报警仪、光干涉式甲烷测定仪均应每天调校一次，每半年送专业机构检定一次，合格后方可使用，确保仪器准确、灵敏、可靠。

5、加强对洞内死角，尤其是隧道上部、坍塌洞穴、避人(车)洞等各个凹陷处通风不良、瓦斯易积聚的地点，严格进行浓度检测，如瓦斯浓度超过0.5%以上时，应立即采取局部加强通风措施进行处理，瓦斯浓度超过0.3%应安设瓦斯传感器。

6、隧道因突然停电时，现场负责人必须立即组织人员撤出隧道，瓦斯检测人员必须立即对隧道进行人工检测，检测每30分钟一次，从洞口逐渐向内进行。检测方法按平时布臵的测点进行。

7、超前探孔内瓦斯检测。超前探孔作业时，掌子面探头必须按本方案要求设臵到位；钻孔完成后，瓦斯检测员立即对孔内浓度进行检测，同时做好记录；当瓦斯检测员发现孔内浓度超过0.3%时，必须立即报告工地负责人，工地负责人必须立即复核，并上报项目部负责人和技术负责人，分析前段岩层瓦斯溢出量，以采取相应防范措施。孔内浓度超过0.5%时，项目部必须立即报告指挥部瓦斯检测督导小组。

8、瓦斯检查人员要做好检查瓦斯的详细记录，每班要进行交接签字，瓦斯检测员、技术员、施工员(工班长)接班时要查阅上班的检测记录，并向项目经理部安全专管部门汇报。

9、每天的瓦斯检测记录交项目经理部安全专项部门，由安全专管部门专职工程师进行数理统计和分析，提前掌握洞内瓦斯溢出的发展动态，发现有异常现象，及时向项目总工程师、项目经理提出采取措施处理的建议。

10、项目经理或总工程师每天应审阅通风瓦斯日报表，进洞时必须携带瓦斯检查仪进行瓦斯检查。

11、当两台或两种以上瓦斯检测仪对瓦斯浓度检测结果不一致时，以浓度显示值高的为准。

12、瓦检员瓦斯浓度检测信息反馈：瓦检员应作好人工瓦斯检测记录，并每天按时交技术室存档。

13、瓦斯监测专业技术人员每天要例行检查各类传感器、监测系统设备（含传输电缆）、监测探头等，检查安设位臵是否正确、仪器有无损坏、是否失效，如发现异常，立即处理，不留隐患。

三、防爆措施

(一)、防止瓦斯浓度超限和瓦斯积聚

打火机、手机及其他易燃物品带入洞内。隧道口周围20m范围内严禁明火。

（2）、严禁穿着易于产生静电的服装进入瓦斯工区；

（3）、上班人员必须由班组点名后进洞;执行进洞挂牌出洞摘牌制度;携带工具应防止敲打、撞击、以免引起火花;不得在洞内大声喧哗。洞内出现险情或警报信号发出后,绝对服从有关人员指挥,有序撤出险区;进洞参观人员,应进行有关防治安全常识的学习,并遵守有关安全规定。

5、设计洞内电气设备均按《煤矿安全规程》防爆要求选型，本隧道电气设备选用防爆型，电缆选用煤矿用阻燃性电缆，通信、信号电缆采用本质安全电路。一旦电气事故产生电火花，这些设备具有耐爆性和隔爆性，或产生的电火花能量不足以点燃瓦斯。

隧道内变压器中性点为不接地方式，电气设备作保护接地。10kV和0.69kV系统都设有绝缘监视和漏电保护，洞内电气设备因某相绝缘损坏，不会发生接地短路故障。当一旦发生单相接地时，该系统内的保护装臵会立即切断故障电源，防止杂散电流的产生，从而杜绝雷管超前爆炸及点燃瓦斯事故的发生。高、低压馈电开关都设有过载、短路保护，探水钻、注浆泵、局部通风机等设备的控制开关都设有过载、短路、断相保护和漏电闭锁装臵；照明及信号都设综合保护装臵，如过载、短路、漏电保护和漏电闭锁装臵，可以有效的防止过热和电火花的产生。

隧道掘进工作面的电气设备设有风、电瓦斯电闭锁。洞内管路每500m作一次可靠接地，以防止静电火花的产生。

通过设备的合理选型和有关保护的设臵以及局部通风机的专供电，提高了局部通风机供电的可靠性，能有效地防止瓦斯爆炸事故的发生。

隧道内的开关都带有闭锁装臵，从结构上保证操作顺序，防止误操作；不停电不能打开盖子，打开盖子后不能送电，能防止带电检修。检修或搬迁隧道电气设备（包括电缆和电线）前，必须切断电源，并用与电源电压相适应的验电笔检验。检验无电后，必须检查瓦斯，在其巷道风流中瓦斯浓度在1.0%以下时，方可进行导体对地放电。控制设备内部安有放电装臵的，不受此限。所有开关手把在切断电源时都必须闭锁，并悬挂“有人工作，不准送电”的警示标识牌，只有执行这项工作的人员才有权取下此标识牌送电。

普通型携带式电气测量仪表必须在瓦斯浓度小于1.0%的地点使用，并实时监测使用环境的瓦斯浓度。

煤矿瓦斯治理的通风系统设计 篇6

【关键词】煤矿 瓦斯治理 通风系统

煤矿瓦斯事故是制约煤炭工业安全发展的突出问题[1-2]，因此研究煤矿瓦斯治理具有重要意义。矿井通风系统、抽采抽放、监测监控、现场管理是影响瓦斯治理的四个关键环节[3]，本文对建立健全、稳定、可靠的矿井通风系统进行了研究。

一、通风设备布置

（一）井下通风设施布置

第一、主要进、回风巷之间的每个联络巷中，必须砌筑永久性风墙；需要使用的联络巷及风井安全出口，必須按设计安设两道连锁的正向风门和两道反向风门。

第二、采空区必须及时封闭。必须随采煤工作面的推进，逐个封闭通至采空区的联通巷道。工作面开采结束后，必须在所有与采区相通的巷道中设置密闭墙，全部封闭采空区。

第三、控制风流的风门、风墙、风桥、风窗等设施必须可靠。不应在倾斜运输巷中设置风门；如果必须设置风门，应安设自动门或设专人管理，并有防止矿车或风门碰撞人员以及矿车碰坏风门的安全措施。

（二）确保风流稳定

为了保证风流稳定，需要在部分通风网路上安设风门、调节风窗和密闭等通风构筑物，并随生产的进度进行及时调节补充，风门间应尽可能设置闭锁装置。确保各用风地点的风量、风速符合《煤矿安全规程》的规定，确保风流稳定。

二、风量计算方法

基于分别计算法计算矿井需风量的公式如下：Q=（∑Q采+ΣQ掘+ΣQ硐+ΣQ它）×K矿通式中：

Q，矿井所需风量总和，m3/min；ΣQ采，回采工作面需风量之和，m3/min；ΣQ掘，掘进工作面需风量之和，m3/min；ΣQ硐，硐室所需风量之和，m3/min；ΣQ它，其它用风量地点所需风量之和，m3/min。K矿通，矿井通风系数，抽出式K矿通取1.15～1.2。

（一）Q采的计算

Q采的计算方式包括：按采煤工作面的瓦斯涌出量计算；按采煤工作面所需风量计算；按采煤工作面温度计算；按炸药使用量计算；按采煤工作面同时工作最多人数计算五种，然后选取其中一个最大值作为Q采，并通过风速验算公式验证。由于篇幅限制，这里只介绍按采煤工作面温度计算公式，因为其计算结果往往大于其它四种计算结果。按采煤工作面温度计算公式为：Q采=60×Vc×Sc式中：Q采为采煤工作面需要风量，m3/min；Vc为回采工作面适宜风速，m/s；Sc为回采工作面平均有效断面，按最大和最小控顶距有效断面的平均值计算，m2；所选择的Q采值需要满足以下验算公式范围：15×Sc≦Q采≦240×Sc。

（二）Q掘的计算

Q掘的计算方式包括按炸药使用量计算、按掘进工作面同时工作的最多人数计算、按局部风机吸风量计算三种。这里分别按照三种方式计算，并选取其中的最大值。下面一一进行介绍。

A、按炸药使用量计算公式为Q采=25Aj式中：Aj为掘进工作面一次使用最大炸药量，kg。B、按掘进工作面同时工作的最多人数计算为Q掘=4·N掘式中：4为每人每分钟供风标准，m3∕min；N掘为掘进工作面同时工作的最多人数。C、按局部风机吸风量计算的公式为Q掘=Qf×I×kf式中：Qf为掘进面局部通风机额定风量，m3∕min。I为掘进面同时运转的局部通风机台数，台；kf为防止局部通风机吸循环风的风量备用系数；一般取1.2～1.3。

（三）Q硐的计算

独立通风硐室主要有井下炸药库、采区变电所、充电硐室及一些需要独立通风的机电硐室等。炸药库配风必须保证每小时4次换气量：Q库=4V/60式中Q库为井下炸药库需要风量，m3∕min。V为井下炸药库的体积，m3。B、充电硐室应按其回风流氢气浓度小于0.5%计算风量。C、机电硐室需风量应根据设备降温要求进行配风。D、选取硐室风量，须保证机电硐室温度不超过30℃，其它硐室温度不超过26℃.

（四）Q它的计算

根据经验，按（ΣQ采+ΣQ掘+ΣQ硐）的10%计算。矿井负压按下列公式计算：h=Q2/S3 +h局R=α·L·P·/S3 式中：H为全矿井风压，Pa。R为井巷摩擦风阻，NS2/m8；α为摩擦阻力系数，NS2/m4；L为井巷长度，m；P为井巷断面周长，m；S为井巷断面积，m2；h局为局部阻力，按全矿风压的10%计算，Pa。等积孔计算公式如下：A=（1.19×Q）/ H （㎡）式中：A为等积孔，㎡；Q为矿井总风量，㎡/s；H为矿井负压，Pa。

三、通风措施

为了提高通风系统可靠性，本文建议执行以下通风措施：（一）根据通风需要，安设风门、调节风门；（二）同一井巷内安设两道风门时，必须保证两道风门不同时开启，防止造成风流短路；（三）勿在巷道内堆放杂物，保证巷道的有效断面；（四）严格按设计掘进、支护巷道，以保护巷道断面尺寸；（五）加强对各种通风设施和巷道的日常管理。（六）对相邻巷道的掘进时，尽量减少放炮震动，同时注意加强支护，防止岩体（或煤体）松动或破碎，以有效防止漏风；（七）加强对各通风设施的管理，对应密闭的地点应采用构筑物或永久密闭装置密闭，以保证满足通风及其它功能需要；（八）加强各通风设施的日常管理，保证设施满足设计和使用功能的需要。

四、结论

通风系统稳定是瓦斯治理的关键环节，对防止局部瓦斯集聚、对井下各作业地点瓦斯浓度的控制、对采煤、掘进工作面及其它巷道风排瓦斯都具有重要的作用。本文从通风设备布置、风量计算方法、通风措施三个方面对矿井通风进行了研究，所得结果对于煤矿通风系统管理具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]岩敦.新一代煤矿通风与安全瓦斯监控系统[J]. 中国煤炭. 2005（09）

[2]郭献文，汪延，周立民. 瓦斯爆炸：煤矿矿难头号杀手[J]. 瞭望. 2005（29）

瓦斯监测系统 篇7

关键词：MQ-2,瓦斯,AT89S52,LCD

事实证明, 在甲烷监测管理工作中最为有效的现代化手段就是运用煤矿瓦斯监测系统, 甲烷事故在装备过监控系统的煤矿中较少发生。瓦斯监控系统保障了煤矿的安全生产并且提高了生产率, 其对于整个煤矿生产系统的自动化程度及管理水平现代化的提高都有着重要的作用。所以这种现代化及具有高精确性的瓦斯监测系统对煤矿安全生产、减少事故发生率及减少生命财产损失都具有深远意义, 其具有着十分广阔的市场应用前景。

1 系统设计方案

1.1 本设计中完整的瓦斯监测系统由以下五个模块组成

(1) 气体传感器:能感知周围环境中瓦斯气体浓度值的敏感元件, 它能将气体体积分数转化成对应电信号。

(2) A/D转换:能够将气体传感器输出的模拟信号转化为数字信号。

(3) 按键设置:根据需要设定气体浓度的上限, 并可以实现气体浓度记录的查询。

(4) 显示单元:根据测量信号与按键信号, 由单片机将待显示的数据进行数据传输给显示处理模块进行显示。

(5) 报警器:当监测气体浓度超出设定报警值时, 蜂鸣器发出报警。

1.2 主要模块器件的选择

(1) 主控器件

随着科学技术的发展, AT89S52常被用作控制器, 通过编程来控制输出电平的高低。AT89S52是8位单片机, 软件编程时编写方便, 多种算术算法及逻辑控制都可以通过编写程序实现。并且AT89S5具有体积小、硬件实现简单、安装方便的优点, 在编程和外围电路的配合使用方面的技术都已日趋成熟。因此本系统选择AT89S52作为主控芯片来实现监测瓦斯气体的功能。

(2) 气体传感器

气体传感器是一种可将气体的成份、体积积分数等信息转换成可以被人员、计算机、仪器仪表等识别的信息的装置。对以上几点的综合考虑, 本系统选择MQ-2气体传感器。MQ-2气体传感器对甲烷、丙烷、氢气、天然气及其它可燃气体的敏感度高。该传感器可检测多种可燃性气体, 是一种适合多种场合应用的低成本传感器。

2 硬件设计

2.1 单片机最小系统电路

单片机包括时钟电路和复位电路, 其中复位电路设计的好坏将直接影响到整个系统工作的可靠性, 时钟电路为系统提供基本的时钟信号。

2.2 时钟电路

单片机的晶振所提供的频率越高单片机的运行速度越快, 单片机每条指令的实现都与晶振密不可分。根据单片机的工作频率的范围来选择晶振。

2.3 气体检测电路

MQ-2气体传感器的气敏元件由测量电极、微型AL2O3陶瓷管、Sn O2敏感层及加热器构成。传感器内部敏感元件被固定于塑料腔体内, 气敏元件正常工作所需要的环境条件由加热器提供。

2.4 显示电路

1602字符型液晶是一种可以同时显示字母、数字及符号等的点阵型液晶模块。其由若干个5*7或5*11等点阵字符位组成, 其中每一个字符都可由一个点阵字符位显示。每位及每行之间都有一个点距的间隔, 可以起到字符间距和行间距的作用。

3 软件设计

本系统采用的是查询方式实现浓度监测的目的。主要包括四段程序的设计:A/D转换, 液晶屏的驱动程序, 浓度设定与查询以及报警程序。

供电后, 系统各模块进行初始化。气体传感器MQ-2进行气体的检测, ADC0832将相应的模拟信号转换为数字信号传送给单片机。根据实际情况判断是否设置浓度的上限值, 若需要则通过按键设置, 否则不设置, 不管是否设置都将在LCD1602显示。当气体的浓度超过上限值时, 报警器报警。进而判断是否需要查询前段时间气体的浓度的范围, 若查询则LCD显示浓度的最大值与最小值, 否则LCD显示此时的气体浓度与设置的上限值。MQ-2气体传感器是可将外界气体浓度转化为模拟信号输出, 但必须经过模数转化成数字信号才能传送到主控部分, ADC0832可以实现模拟信号到数据的转换。

当有查询需要的时候, 先判断是否按下查询按键, 若按键按下则应在进行去抖处理之后再此判断此键是否按下, 确定后调用查询程序来实现查询数据的功能。LCD1602在本系统中既显示气体的浓度, 按键设置的浓度又实现记录查询后气体浓度的上下极值。

运行程序后, 气体传感器MQ-2即可对浓度进行采集, 并送LCD液晶屏显示。我们可以通过按键设置浓度上限值, 当采集到的外界浓度高于当前所设定浓度上限值时, 程序就会进入报警子程序, 触发蜂鸣器进行报警。

4 系统调试

4.1 电路的仿真与调试

首先检查程序中的端口是否与电路图一直, 若没有则更改程序中的端口的引脚。其次将程序导入单片机中, 各个模块检测是否能实现其功能。最后整体检测系统的功能, 比如按键实现浓度的设置与查询。

模块检测常遇到的问题有:LCD1602不能显示, 按键只有一部分可以实现其功能, 查询功能实现不了。因此在程序设计时下功夫, 多调试几次直至出现仿真, 实现功能。

4.2 硬件的调试

按照电路图将元器件焊接在万用板上, 首先用眼观测是否存在虚焊, 如有则重新焊接, 保证没有虚焊的存在。其次用万用表检测电路是否全部导通, 若存在不通点, 则需要更改器件或线路。最后检查显示模块, 温度设置模块, 加热模块和温度采集模块。

5 结束语

在完成LCD液晶显示器的显示以及单片机在完整系统中的运用, 使我们能够体验到单片机在现代控制技术发展的应用, 同时也使我们的动手能力与思维能力有所提高, 为以后在工作岗位上更好地工作奠定了坚实的基础。

参考文献

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[2]刘西青.论国内煤矿瓦斯监控系统现状与发展[M]山西.煤炭出版社.2006年

[3]曾勇, 吴财芳.矿井瓦斯涌出量预测的模糊分形神经网络研究[J].煤炭科学技术, 2004, 32 (2) :32.

[4]马丕梁, 蔡成功.我国煤矿瓦斯综合治理现状与发展战略[J]煤炭科学技术2007年12期

瓦斯监测系统 篇8

瓦斯爆炸是影响煤矿安全生产的重要因素之一,因此,对瓦斯浓度的实时监测非常重要。目前,一般的瓦斯监测系统测量精度低、稳定性及实时性差,而测量精度高、稳定性及实时性强的瓦斯监测系统的开发和使用维护费用又较高。鉴此,笔者选用现今嵌入式开发主流使用的FPGA器件及GJC4型矿用低浓度瓦斯传感器开发了一种瓦斯监测系统,该系统具有监测精确度高、稳定性好、响应速度快、调试运行费用低等特点。

1 系统总体设计

基于FPGA的煤矿井下瓦斯监测系统结构如图1所示。

该系统具有以下功能:(1)准确地监测井下瓦斯浓度并实时显示数据;(2)当瓦斯浓度超标时既能实现井下报警又能实现地面中心站的报警;(3)当瓦斯浓度超标时能及时关断近、远程设备电源。

FPGA采集站安装在煤矿井下,负责采集相关数据、处理数据,并在瓦斯浓度超限时启动报警和通风装置及切断电源。为适应FPGA采集站与上位机之间的长距离传输,在两者之间装有信号中继器,以增强信号。上位机负责报警浓度值的设置、接收并存储FPGA采集站送来的数据,以便对煤矿井下瓦斯浓度的变化进行分析。

2 系统硬件设计

2.1 FPGA的选型

综合考虑系统所用的门电路、宏单元数及I/O引脚数后,选择Altera公司生产的Cyclone系列FPGA器件。Cyclone系列FPGA器件采用一种全新的低成本架构;可实现NiosⅡ嵌入式处理器;通过向NiosⅡ处理器指令集中增加定制指令可以加速软件算法(定制指令可以在1个时钟周期内完成复杂的处理任务);支持一系列串行总线接口,如SPI、I2C、IEEE1394标准和通用串行总线(USB);支持多种通信协议[1,2],如表1所示。

2.2 液晶显示屏

该系统采用有机电致发光器件(Organic Light Emitting Device,OLED)SSD1303T6显示瓦斯浓度。SSD1303T6是晶门科技有限公司采用TAB封装的单色OLED模组,支持的最大分辨率为132×64,可以显示4色区域色,并可编程实现256灰度,可水平滚动显示数据[3]。

2.3 传感器的选型

GJC4型矿用低浓度瓦斯传感器是在有煤层及瓦斯爆炸危险环境中使用的低浓度瓦斯气体本质安全型传感器。该传感器是采用热催化元件制成的固定式智能瓦斯测量仪器,具有瓦斯浓度超限声、光报警及多种信号输出制式等功能,可与矿井安全监控系统配套使用;该传感器能自动地将检测到的瓦斯浓度转换成标准的电信号输送给矿井安全监控系统,从而实现测量值的传输、显示、数据采集、通断控制等功能。该传感器的主要技术指标:

整机工作电压:9~24 V DC(本质安全电源);

测量范围:0.00%~4.00%CH4;

基本测量误差:

0.00%~1.00%CH4±0.10%CH4;

1.00%~2.00%CH4±0.20%CH4;

2.00%~4.00%CH4±0.30%CH4。

2.4 上位机

基于FPGA的煤矿井下瓦斯监测系统在运行时通过UART与上位机通信,上位机中装有与该系统通信的串口通信软件,故可直接使用上位机设定瓦斯上、下限浓度值,不需要额外设计键盘电路。

3 系统软件设计

基于FPGA的煤矿井下瓦斯监测系统软件由NiosⅡ处理器、分频模块、数据采集模块、显示模块、报警及控制模块组成,各模块功能采用VHDL语言描述。该系统主程序流程如图2所示。

3.1 NiosⅡ处理器

由于FPGA是可编程的,在FPGA上实现的NiosⅡ处理器可以根据设计者的需要对其特性进行剪裁,使其符合性能和成本要求。该系统的NiosⅡ处理器是用QuartusⅡ软件中的SOPC Builder系统开发工具设计完成的,其结构如图3所示[4]。

3.2 分频模块

该系统要求1 s刷新显示1次检测结果,所以首先要对输入的50 MHz的时钟脉冲进行分频[5]。分频代码如下:

3.3 数据采集模块

数据采集模块[6]程序流程如图4所示。当瓦斯浓度信号从AD转换器输出之后调用FPGA片上资源实现片上FIFO缓存,由于AD转换器的采样频率与SRAM的读写频率不一致,所以采用读写时钟不同的异步FIFO,以达到数据缓存和转换时钟域的双重目的。将采集到的数据在FPGA中进行信号处理,处理结束后送往显示模块。

3.4 显示模块

显示模块负责实时显示瓦斯传感器测得的瓦斯浓度。FPGA与OLED间通过SPI接口通信。显示模块程序代码如下:

3.5 报警及控制模块

当所测得的瓦斯浓度超过设定值时,FPGA就向报警装置发出相应的信号使其响应,同时启动通风装置并切断电源。当瓦斯浓度达到安全标准之后,FPGA再给通风装置一个停止信号使其停止工作。报警及控制模块程序代码如下(其中ND为瓦斯浓度设定值):

4 结语

基于FPGA的煤矿井下瓦斯监测系统采用VHDL硬件语言描述,用FPGA及相关器件完成了对煤矿井下瓦斯浓度的监测。在实验室模拟条件下的调试与运行结果表明,该系统可实时显示监测到的瓦斯浓度值,并且实现了瓦斯浓度超出范围时报警、启动通风装置和切断电源等功能,达到了预期设计目标。

摘要：针对目前一般的瓦斯监测系统存在测量精度低、稳定性及实时性差,而测量精度高、稳定性及实时性强的瓦斯监测系统的开发和维护费用又较高的问题,提出了一种基于FPGA的煤矿井下瓦斯监测系统的设计方案;详细介绍了该系统的硬件及软件设计。模拟测试结果表明,该系统具有监测精度高、稳定性好、响应速度快、调试运行费用低等特点。

关键词：矿井,瓦斯监测,低浓度瓦斯传感器,FPGA

参考文献

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[3]赵磊,范延滨,王大雷.基于FPGA的具有数字显示的水温测控系统[J].现代电子技术,2009,32(24):118-120.

[4]周景润,图雅,张丽敏.基于QuartusⅡ的FPGA/CPLD数字系统设计实例[M].北京:电子工业出版社,2007:297-317.

[5]潘松,黄继业.EDA技术与VHDL[M].2版.北京:清华大学出版社,2007.

瓦斯监测系统 篇9

近年来, 在煤矿重特大死亡事故中, 瓦斯事故又占到70%以上, 为此国家和煤矿企业投入几十亿元用于瓦斯治理、防范和相关技术装备更新改造。科技部发布的《固体矿产资源技术政策要点》就发展煤矿信息技术提出要求, 重点发展先进无线遥控、具有无线功能、故障自动检测功能、优化控制和智能化功能的井下移动设备等自动化技术。

煤矿行业目前所使用的瓦斯监测设备主要有2种, 即传统的瓦斯监控系统和分散的便携式瓦检仪, 但这两类设备都有局限性。固定式系统监测范围有限, 在某些瓦斯爆炸事故中未起作用。而便携式瓦检仪虽然监测范围大, 但存在分散、无法联网、数据无法自动实时上传、存在人为不利因素、信息孤岛、无法闭锁控制等问题。

2 国内外研究背景

目前国内外对井下无线移动传感器网络技术和产品的研究与开发, 大多数停留在理论分析阶段。目前研究较多的井下无线传感器网络都采用无线传感器网络技术 (Zig Bee) 。Zig Bee的优势是自组无线网络, 表面上看不需要布线, 可以通过无线自组网方式来传输数据, 但在实际使用中, 它需要很多传感器节点, 形成多路由, 然后选择其中一个最佳路由多跳传输, 最后到达主节点。

由于在煤矿井下巷道结构非常复杂, 存在很多分支、拐弯、上下山、起伏、硐室等, 不可能布设大量的无线传感器节点, 而且井下环境很差, 供电也不方便, 因此在井下布置很多无线传感器节点很难维护, 不现实。并且无线信号在井下传输困难, 容易受到人员、车辆、物体的遮挡, 遇到很多分支、拐弯、起伏、进入硐室等情况时信号就会中断, 因此靠自组网技术在井下复杂的巷道条件下传输无线信号是很难实现的, 也是极其不可靠的。最后Zig Bee采用2.4G频率漏泄电缆, 大约是433M漏泄电缆价格的10倍以上, 且无安标证, 无法在煤矿井下使用。因此, Zig Bee等自组网的无线传感器网络不适用于煤矿井下。

目前, 能够实用的、简单、可靠、价格适合实际应用的煤矿井下无线瓦斯传感器系统还基本上没有。

我们研究的矿井无线瓦斯监测管理系统, 在利用433M无线通讯技术和井下千兆工业以太环网平台的基础上, 有效解决井下信号大范围连续覆盖、目标精确定位的问题。

3 系统设计原则

要实现瓦检仪数据的实时上传, 首先解决井下无线信号的覆盖问题。煤矿井下巷道结构错综复杂, 还有各种硐室、设备和车辆, 因此无线信号要在井下实现连续覆盖很困难。

我们根据井下巷道条件, 设计了独特的系统结构以实现巷道信号连续覆盖。系统将便携式瓦检仪与无线通讯技术相结合, 使得瓦斯监测数据能够实时上传, 瓦斯检测和记录自动完成, 充分发挥便携式瓦检仪大范围流动监测的优势, 同时减少各种人为因素的影响。

解决了信号覆盖问题后, 还要解决定位的问题。瓦斯数据上报时, 必须与瓦斯浓度地点信息关联, 区分信号覆盖范围内的多台瓦检仪同时上报数据。

需要进行连续的精确定位的地点, 每隔一定距离布置一台定位器。定位精度取决于定位器布放的密度, 定位器越密, 定位精度越高。

解决了信号覆盖和定位问题后, 在传统瓦检仪中增加无线通讯模块和操作面板, 使其具备无线数据收发功能。该模块与定位器进行无线通讯以获得当前的位置信息;与无线收发器通讯以将瓦斯数据和位置信息上传。为传统瓦检仪增加汉字液晶显示, 以实现更多的显示功能。地面有事需要通知时, 可以通过地面操作终端编辑好短信息, 然后在几秒钟内下发到井下的无线瓦检仪上并在液晶显示屏上显示出来, 可以单发和群发;当井下瓦检仪携带者遇到紧急情况时, 可以将瓦检仪中编辑好中文短信息发送给地面控制室, 从而实现了实时的信息沟通。

系统的研究充分考虑到兼容性、扩展性、远程维护的方便性, 以保证以后的升级和维护, 并为推广时的二次开发提供便利。

4 系统技术原理

系统组成:矿井无线瓦斯监测系统, 由数据通信接口、读卡分站、无线收发器及防爆直流电源、定位器、识别卡、无线瓦检仪、传输电缆或光缆、工业以太环网、通道防雷保安器、计算机、UPS等设备组成。

硬件系统由井下分站设备、发射天线、人员标识卡、以太网交换机、无线瓦检仪组成。井下分站设备用于完成信息采集和识别。分站、人员标识卡、无线瓦检仪设计均采用智能射频芯片, 无线数据传输有极高的纠错机制, 使用灵活, 人员标识卡、无线瓦检仪体积小巧可随身携带, 低功耗、工作电压范围宽、取电方便、使用寿命长。

瓦检仪和识别卡不断向外发送包含自身身份信息的射频信号, 当识别卡进入矿用本安型读卡分站、收发器和定位器检测范围时, 分站和收发器将收到识别卡信息, 并通过数据传输通道将信息转发给控制计算机。

当需要呼叫瓦检仪时, 由控制计算机将提示信息发送给指定的分站和收发器, 再由分站和收发器发给附近的瓦检仪。瓦检仪接收到呼叫信息后, 同时以声、光、振动方式通知携带者。

计算机收到的全部信息将保存到服务器数据库。当计算机与某个分站或收发器通信故障时, 在操作终端给出报警提示。

5 现场应用情况

系统自2012年8月初在徐庄矿安装调试并运行以来, 已经达到了预期的目的, 整体运行情况稳定。目前系统已经形成全矿覆盖的信息化、智能化的高效安全管理模式。通过系统的实施, 逐步提高了徐庄矿本质安全管理的科技化、信息化, 智能化, 规范化。

与目前传统的瓦斯监控系统、人员定位系统相比, 矿井移动无线瓦斯监测系统的监测范围大, 甚至可以到达井下巷道的每一个角落。各个监测点的瓦斯数据实时、自动上传, 没有人为因素干扰, 避免了各种人为因素而造成的监测失效。每一个无线瓦检仪形成一个双向汉字通讯终端, 为井下人员提供了有效的通讯工具, 实现地面控制室与井下人员之间实时的信息沟通, 为紧急事件处理提供了快捷的条件。

将固定在线式系统的自动监测处理、数据实时上传和便携式瓦检仪的大范围移动监测二者的优点有效结合在一起, 实现了技术创新和应用创新。

6 结论

无线瓦斯监测系统集瓦斯监测、人员车辆跟踪管理调度、危险警示、灾后急救等防、管、救一体, 能及时监控井下人员的动态分布、运动轨迹及变化情况和井下瓦斯气体, 使管理人员能够随时准确掌握各个区域当班作业人员的各种信息。当事故发生时, 救援人员也可根据系统所提供的数据、图形, 迅速了解有关人员的位置情况, 及时采取相应的救援措施, 提高应急救援工作的效率。

系统实现煤矿企业安全一体化管理, 改进本质安全管理方式, 提供反应迅速的自动预警功能。对于及时的消除或控制危险因素, 杜绝由于安全隐患未得到及时整改而发生相应事故, 起到至关重要作用, 以此避免了不必要的人员和财产损失。

无线瓦斯监测系统的应用, 可以明显提高矿山安全生产管理水平, 增加管理手段, 提高管理效率。为井下人员提供了有效的通讯工具, 实现地面控制室与井下人员之间实时的信息沟通, 为紧急事件处理提供了快捷的条件。大大提高煤矿行业瓦斯监测和事故预防技术、管理水平, 在预防瓦斯事故、减少事故人员伤亡、事故救援等多方面发挥积极、有效的作用。

摘要：为了提升煤矿瓦斯监测、事故预防技术和管理水平, 本文通过对目前国内外矿井无线传感监测技术研究现状进行简单分析后, 借助于先进的信息技术, 提出了实施煤矿无线瓦斯监测系统的构想, 并对无线瓦斯监测系统设计原则、工作原理、软硬件框架和结构、系统及特点做了详细的论述, 最后对项目的社会效益和经济效益进行了分析。

瓦斯监测系统 篇10

瓦斯灾害是煤矿中最严重的灾害之一。长期以来,为了提高矿井生产的安全性,人们在矿井瓦斯监测方面使用了大量的传感器,获得的监测数据越来越多,也越来越复杂,导致传统的在监测数据和瓦斯浓度之间建立的映射关系方法已不能满足需求,同时由于监测环境的复杂性和传感器的不精确性,使得监测数据具有模糊性、不确定性、不精确性。如果将瓦斯监测数据处理过程看作为多元信息的融合过程,即对各种传感器给出的有用信息进行采集、传输、分析和合成,通过组合获得比任何单个输入数据源更准确的信息,达到传感器之间最佳协调的结果,这将为矿井的安全和工人的生命安全提供可靠的保障。因此,笔者提出一种采用BP神经网络数据融合的瓦斯监测方法对矿井瓦斯进行预测控制。

1 BP神经网络

反向传播网络(Back-propagation Network,简称BP神经网络)是对非线性可微分函数进行权值训练的多层网络。BP神经网络包含了神经网络理论中最精华的部分,由于其结构简单、可塑性强,得到了广泛的应用。特别是它的数学意义明确、步骤分明的学习算法更使其具有广泛的应用背景。

BP网络是一种具有3层或3层以上的多层神经网络,按有教师的学习方法进行网络训练。它的主要思想是把学习过程分为2个阶段:第一阶段(正向传播过程),当1对学习模式提供给网络后,网络神经元的激活值将从输入层经中间层向输出层传播并逐层处理、计算每个单元的实际输出值。传播过程中,每一层神经元的状态只影响网络下一层神经元,最后给出输出结果。如果实际输出与期望值不一致,则转入反向传播过程。第二阶段(反向传播过程),网络神经元按原来的路径,逐层递归地计算实际输出与期望输出之差值(即误差),以便根据该误差调节权值(权重)。按减少期望输出与实际输出之间误差的原则,将误差信号从输出层经过中间层返回到输入层,逐层修正各个神经元之间的连接权值(权重),逐次地向输入层传播,进行计算,再经过正向传播过程。这2个过程的反复运用,使得误差信号最小,网络学习过程就结束。由于权重的修正过程是从输出到输入逐层逆向进行的,所以这种学习算法又称为“误差逆传播算法”。

2 多传感器的数学模型

多传感器的数学模型如图1所示。

由于被测对象多为具有不同特征的非电量,如压力、温度、含量、速度等,因此首先要通过传感器转换电路将这些非电量转换成电信号,然后经过A/D转换将它们转换成能由计算机处理的数字量。数字化后的电信号由于环境等随机因素的影响,不可避免地存在一些干扰和噪音信号,通过预处理,采用滤波等方法滤除数据采集过程中的干扰和噪音,得到有用信号。预处理后的有用信号就送入融合中心进行数据融合,经过特征提取,并对某一特征量进行数据融合计算,最后输出融合结果。

3 系统结构及功能

基于BP神经网络数据融合的瓦斯监测系统以PC机为主机,以单片机系统和瓦斯、温度、风速、CO、粉尘和负压等参数信号构成的测量电路为分机,通过数据处理采集系统把井下瓦斯、温度、风速、CO、粉尘和负压等数据通过红外、超声波、感应等多传感器实时发送到监测中心。监测中心一方面及时显示各种监测参数;另一方面通过对多传感器数据的融合,预测井下环境。图2为基于BP神经网络数据融合的瓦斯监测系统结构框图。

(1) 监测传感器

监测传感器是矿井瓦斯监测系统的感知部分,它用来测量影响矿井安全的各种参量或判断设备、设施的运行状态,主要有甲烷传感器(CH4)、CO传感器、CO2传感器、氧气传感器、温度传感器、风速传感器、压力传感器及各种状态(开关)传感器等。

(2) 井下分站

对井下状态的直接监控是由各个井下分站实现的。各种监测传感器将现场的检测数据直接传送到井下分站中,井下分站进行分析处理,得到对井下状态的直接估计与判断。

井下分站收集、接收各种传感器送来的信号并进行整理,然后根据中心站的命令将各种监测参数和设施、设备的工作状态参数发送给中心站;接收中心站的控制信息,执行中心站的各种控制命令,控制所关联的设备、设施。

(3) 信息传输系统

井下分站和地面中心站的连接部分即是信息传输系统,它直接影响着信息的传输质量。

(4) 地面中心站

地面中心站由计算机和信号传输接口组成。信号传输接口将井下传来的信号解调送入计算机,而计算机则通过信息传输系统向井下各分站进行通信联系,发出指令,指挥各分站向中心站送回各种监测量。计算机通过显示屏显示各种数据。

4 数据融合算法

本文的多传感器数据融合算法分为两级:第一级采用分批估计理论对数据进行融合处理,以获得较为准确的测量结果,并为二级融合做准备;第二级融合采用BP神经网络方法对第一级的输出结果进行处理,以得出准确的结论,给出综合检测结果,并作出安全评定。

4.1 一级融合

一级融合主要是对各个参数的数据进行纵向的融合处理。由于本系统主要检测井下瓦斯、温度、风速、CO、粉尘和负压等参数,因此一级融合主要是对这些参数分别进行融合处理,以得出准确的监测结果。本系统采用分批估计理论对各个环境参数进行一级融合。

分批估计理论是对同一个检测量在不同位置的测量值进行融合处理的一种算法,它是在递推估计理论的基础上推导出来的。

对于1组特定的传感器,首先得出一致性测量数据,然后按照空间位置相邻的传感器不在1组的原则分为2组。

设第一组一致性数据为

undefined

第二组一致性数据为

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2组测量数据的算术平均值分别为

undefined

相应的标准误差分别为

undefined

用undefined、undefined分别表示上一次测量的标准误差和融合结果,用undefined、undefined分别表示当前测量的标准误差和融合结果,undefined、undefined的初始值分别为∞和当前数据的平均值。

根据分批估计理论,处理后得到的方差为

undefined

式中:τ为数据的个数;H为测量方程的系数矩阵,

undefined

;R为测量噪声的协方差,且

undefined

将式(6)代入式(5),可得:

undefined

由分批估计理论导出的数据融合值为

undefined

将相关的R、H、undefined、undefined、undefined及代入式(8),得到融合结果为

undefined

这是经过一次融合的结果,当第二批数据到来时,将undefined、undefined分别代替下一次融合时的undefined和undefined,并利用式(5)和式(8),即可进行下一次的融合……

由上述可见,分批估计算法不光是在空间上的融合,而且在时间上也实现了融合。

4.2 BP神经网络算法的实现

一级融合算法采用分批估计理论得到了瓦斯、温度、风速、CO、粉尘和负压的比较精确的数据。二级融合算法就是把这些数据作为BP神经网络的输入,从而得出井下环境的安全状况信息。

(1) 滤噪层设计(隐层1)

井下瓦斯监测有瓦斯、温度、风速、CO、粉尘和负压多种传感器。不同的传感器有着不同程度的误差,而且不同传感器系统之间也存在着干扰特性,所以有必要消除输入数据噪声。在这里,滤噪部分采用1层滤噪网络层,它的权值对应以下滤噪矩阵:

undefined

式中:对角线元素中的Qi表示第i个传感器的精度,1-Qi表示所含有效值的程度;对角线以外权值Wij是将不同的干扰特性分别集中到传感器检测系统后的值,表示消除第j个传感器对第i个传感器的干扰所需的比例系数。

该滤噪矩阵可将已知的传感器相互之间的不良影响加以滤除,剩下接近被测量真值的测量值。神经网络输入端分别输入瓦斯、温度、风速、CO、粉尘和负压等数据,因此该层神经元数S1=6,该层用已有的滤波权值矩阵,无需训练。

(2) 中期融合层设计(隐层2和输出层)

隐层2的确定比较麻烦,既不能过大,也不能太小。笔者通过反复实验,确定隐层节点数取10为最佳,S2=10;由煤矿安全规程,井下的安全状况可分为安全、较安全、一般安全(危险)、较危险、危险等5个等级,故网络的输出节点为5个,输出层神经元数S3=5。

因BP神经网络要求对输入数据进行规格化处理,通常将各输入量在[0,1]之间进行规格化,由于隐层函数在[0,0.1]和[0.9,1]区间内变化极为缓慢,所以可将其各输入量归一化在[0.1,0.9]之间,最后,根据网络输出值与反归一化公式求出实际输出值,同时综合考虑到传感器加权后对网络输入数据的影响,要使归一化后的输入值仍落在[0.1,0.9]内,则利用归一化公式:

undefined

式中: α为归一化处理所定的区间下限; β为区间跨度。

(3) 对传感器进行加权处理

一个复杂的多传感器测量系统中,所测的物理量不同,传感器也不同,测量精度也有差别。因此,对于不同精度的传感器要给予不同的权值。精度高、可靠性好、抗干扰能力强的传感器要给予较大权值,以便在计算中给予更多的重视;可靠性程度低的传感器则给予的权值要小。

5 训练

BP神经网络的结构主要包括:(1) 网络的层数;(2) 每层的神经元数;(3) 初始权值的选取;(4) 学习速率;(5) 期望误差的选取。本文采用Matlab软件中的神经网络工具箱进行编程仿真演示。通过分析网络要求和比较不同参数的网络性能后,确定了以下参数:网络层数为3层网络;节点数为5-11-5结构;学习速率取lr=0.6;初始权值取[1]之间的随机数;期望误差取0.01;最大步数定为300步。BP神经网络的输入输出节点定义如表1所示。在本文中,应用人工神经网络进行两级融合,经一级融合后得到的井下各参数值作为神经网络的输入,进行两级融合后可得到对井下工况的评价。

经过查找大量文献和实地调研,笔者收集了20个矿井环境样本数据,根据所收集的样本数据进行了BP神经网络训练,确定了各层的节点阈值及

各层之间的连接权重,完成了BP神经网络的设计。

首先,制定BP神经网络训练的初始条件:

(1) 目标精度定为1e-006;训练速度为0.002maxlinlr(P);

(2) 对输入数值进行加权处理并归一化。

然后,开始对网络进行训练,获得最优解,如图3所示。

6 结语

本文针对井下瓦斯安全监测系统对多传感器数据处理方式单一、精确度低、不能完全反映井下安全状况的问题,提出了采用BP神经网络数据融合的方法,应用两级融合的方式,得到了全面、精确的多传感器数据,并通过仿真验证了该方法的可行性。

摘要：井下瓦斯监测系统为多传感器监测系统,它通过不同功能、不同精度、不同位置的传感器,对所需要的被测量进行多方位、多角度的测量。但是,目前对于多传感器所测的数据还没有一种通用的、行之有效的处理方法,井下瓦斯浓度的监测很难作到实时、精确。因此,文章提出了一种基于BP神经网络数据融合的瓦斯监测系统的设计方案,该方案采用改进的BP神经网络算法对多传感器数据进行融合,并采用两级融合的方式对数据进行处理,以得到井下环境特征。仿真结果表明,基于BP神经网络数据融合的瓦斯监测系统具有较高的测量精度,极大地提高了数据采集的可靠性、全面性和有效性。

关键词：矿井,瓦斯监测系统,传感器,数据融合,BP神经网络

参考文献

[1]YAGER R R.Fuzzy Modeling for Intelligent DecisionMaking under Uncertainty[J].IEEE Transactions onSystems,2000,30(1):60~70.

[2]何友,王国宏.多传感器信息融合及应用[M].北京:电子工业出版社,2000.

[3]梨洪生,史龙伟.多传感器融合技术在应变检测中的应用[J].测控技术,2004,23(10):8~10.

瓦斯监测系统 篇11

煤与瓦斯突出(简称突出)是一种煤岩体伴随大量瓦斯突然向采掘空间抛出的煤岩动力灾害,往往会造成严重的人员伤亡与设备损毁。近20多年来,采煤工作面突出事故占总突出事故的比例显著上升,严重威胁着矿井安全高效生产[1]。而且,随着矿井开采深度与强度的不断加大,采煤工作面所面临的突出威胁还将进一步增大。

工作面瓦斯突出防治的首要环节是突出危险性预测,只有通过突出预测,摸清工作面瓦斯突出危险性大小,才能使防突工作有的放矢,大大提高防突效率,节约防突成本。现有的工作面突出危险性预测方法主要有钻屑瓦斯指标法、综合指标法、R值指标法等,但这些方法都只是一种接触式、抽检式、静态的点预测方法,在预测的连续性与全面性方面存在较大缺陷,难以满足高产高效的现代化矿井安全生产的需要[2]。近年来,随着采矿安全技术水平的不断提高,回采工作面矿压监测系统的可靠性与稳定性得到了保障,可以实现采煤工作面矿压动态特征的实时监测与自动采集。但是,这些采集到的海量矿压数据并没有合理地应用于突出危险性预测,而矿压在突出的孕育、发展、发生过程中发挥着重要作用。因此,本文设计了一种基于矿压监测动态特征的采煤工作面瓦斯突出预警系统,提高了采煤工作面突出预测的准确性与及时性。

1矿压监测动态特征基本规律

1.1矿压与瓦斯涌出关系

采掘活动破坏了原岩应力平衡,在重新形成应力平衡的过程中会在采掘空间周围煤体内产生集中应力,破坏煤体的孔隙裂隙结构。煤体结构的破坏一方面造成煤体内吸附的瓦斯大量解吸,形成较大的瓦斯压力梯度,引起瓦斯涌出异常;另一方面造成煤体强度降低,抵御突出等动力灾害的能力降低。以阳煤集团新景矿某回采工作面一次典型的瓦斯涌出异常现象(图1)为例,5月1日工作面瓦斯异常涌出,在此前1~2d,矿压传感器就已经监测到了矿压异常增大现象(图2,图3),而且,从5月1日工作面观测结果来看,煤体破坏程度较高,最大片帮深度达到0.5m。以上现象预示着工作面突出 危险性增大,而造成这种结果的直接原因就是采煤活动引起的应力集中。

1.2矿压与日常预测指标关系

通过对新景矿2个回采工作面连续3个月的日常预测指标值(瓦斯解吸指标K1)进行统计分析,发现90%以上的K1值超标现象都发生在工作面靠近采空区的一侧,而该区域正是邻近工作面回采所形成的支承压力带,进一步说明由于采煤活动引起的矿山压力集中对回采工作面突出危险性的发生发展具有控制作用。

综上所述,矿压是造成采煤工作面突出危险性增大的主要因素,利用矿压监测动态特征进行采煤工作面突出危险性预测是可行的,且这种预测方法在连续性与超前性方面较传统预测方法具有较大优势。

2系统设计原则

(1)可行性原则。系统应该能够持续稳定地访问矿压监测系统数据库,通过指标计算自动判断工作面前方突出危险性大小,并及时发布预警结果。同时,还应兼顾经济性与便捷性原则,最大程度地利用现有资源,尽量减少额外的经济或人力投入。

(2)安全可靠性原则。系统应综合考虑数据存储特点,采用合理的数据库与数据结构,具备安全高效的数据备份与恢复机制,且对数据库应设置严格的访问权限。预警网络也需要通过设置防火墙等手段保障数据传输安全。

(3)可扩展性原则。随着煤矿安全技术水平的不断发展,采煤工作面监测手段也将趋于多样化,因此,预警系统必须具备高度可扩展性,主要包括预警指标的可扩展性与数据采集接口的可扩展性,以保证新的监测技术及系统的监测成果能够纳入预警系统之中。

3系统设计

3.1系统功能设计

基于矿压监测动态特征的采煤工作面瓦斯突出预警系统主要实现突出预警功能,辅助实现对矿压部门大量日常矿压数据的规范化、集约化管理,系统的具体功能如下:

(1)实时获取矿压监测信息,自动绘制矿压实时监测数据曲线,可根据需要绘制最大值、平均值、最小值等变化规律曲线。

(2)实现采煤工作面预警指标的自动计算与实时预警。

(3)实现预警结果的综合管理与多途径(客户端、IE浏览器、手机短信、声光等)发布。

(4)实现矿压预测日报表及其他矿压观测基础数据资料的集中管理与便捷查询。

3.2软件结构设计

由于基于矿压监测动态特征的瓦斯突出预警系统需要实时获取矿压监测系统的数据进行预警指标计算,处理数据量大且对实时性有较高要求,所以系统结构采用服务和客户端联合运行模式。预警服务采用Windows服务模式,开机自动启动,无需人工操作;分为数据采集服务与预警分析服务,分别负责人机交互少、实时性强且操作频繁的矿压监测数据采集功能和预警指标计算功能。预警客户端是一个人机交互窗口,主要实现预警过程控制与结果管理及矿压资料管理,包括预警结果发布与查询、预警指标管理、矿压实时曲线绘制及矿压报表管理等。系统具体软件结构如图4所示。

3.3数据库设计

预警数据库主要用来存储矿压监测传感器布置信息、矿压监测实时数据、矿压监测数据分析结果以及采掘工作面进尺、矿压观测数据、矿压日常管理数据等。考虑到数据存储与安全性的需要,系统数据库平台选择MicrosoftSQLServer2008,它使用集成的商业智能工具提供企业级的数据管理,特别是其数据库引擎为关系型数据和结构化数据提供了更安全可靠的存储功能。预警数据库的主要字段及含义见表1。

3.4数据处理流程设计

基于矿压监测动态特征的瓦斯突出预警系统数据处理流 程[3,4]如图5所示。预警 基础数据 获取方式有自动获取和手动录入2种,矿压监测系统可以自动采集的数据(如支架工作阻力、顶板下沉量等)采用自动获取方式,即由预警服务自动从矿压监测数据库中读取;人工观测的数据(如片帮深度、煤层坚固性系数等)由操作人员通过预警客户端手动录入。2种途径获得的数据分别通过监控网络与办公网络自动上传至服务器端的预警数据库,数据库的数据更新自动触发预警服务进行预警指标计算,将计算结果与矿压预警规则库中的预警指标临界值(系统预设,其值根据矿井基本情况考察确定)对比,确定预警等级并保存至预警数据库。最终预警结果以客户端软件、短信、网页等多种形式同时发布,并及时通知相关责任人员。

3.5网络结构设计

由于煤矿井下生产环境极其复杂且井下监测监控系统种类繁多,所以一般矿井都建立了井下工业以太环网,各监测监控系统分别接入环网,这样可以有效防止某一节点故障影响其他系统性能。矿压监测系统作为井下监测监控系统的一种,也要接入井下环网。预警系统接入办公网络,通过交换机访问矿压监测系统,在办公网络与监控网络之间可架设硬件防火墙,以保障数据安全。预警系统服务器与客户端直接通过办公网络连接,可用防火墙限制服务器访问IP,提高系统内部的安全性。基于矿压监测动态特征的瓦斯突 出预警系 统网络结 构如图6所示。

4现场应用

4.1矿井突出概况

新景矿自2004年11月11日在3号煤层7303工作面发生首次煤与瓦斯突出以来,至今共发生突出17次,其中,有6次发生在采煤工作面,占比为35.3%。采煤工作面突出煤量在10~80t之间,瓦斯涌出量最小为25.5m3,最大为6520m3,突出总体呈现如下特征:突出类型大多数为压出类型,突出强度不大,而吨煤瓦斯涌出量较大,瓦斯超限时间较长[5]。

4.2系统应用效果

在7204工作面进行了为期2个月的系统运行效果跟踪考察,期间系统能够及时准确地采集矿压监测数据并预警,预警结果随着矿压监测数据的更新而持续更新,当班最终预警结果为本班次最高级别预警结果。通过统计,考察期间共发布预警结果50次(其中有10个班次矿压监测系统数据中断),其中红色预警18次,橙色预警1次。系统预警结果与人工矿压分析结果及井下实际情况基本一致,预警准确率达到85%以上;周期来压期间基本都存在0.3m左右的片帮,符合周期来压期间矿压显现基本规律。此外,系统还对9次支护异常情况进行了预警,经过技术人员现场确认,预警支架确实存在支架损坏、安全阀未自动开启等异常状况。

除了预警功能以外,系统还为矿压组的日常工作提供了便利。首先,系统能够自动生成矿压日报表中的相关监 测数据 (取当日危 险性最大 的监测值),相对于以往人工观测的瞬时值,系统生成数据更具参考价值,而且节省了人力;其次,矿压日报表等日常管理数据自动上传至服务器存储,既方便查询又能避免数据丢失;再次,系统还可以自动生成当日矿压监测最大值、最小值以及平均值曲线,方便相关领导与技术人员查看矿压变化趋势。

5结语