第四章 矿井生产系统工况状态参数检测第一节第一节 风门开停状态监测风门开停状态监测 1n唐山市开平区刘官屯煤矿唐山市开平区刘官屯煤矿“12.7”瓦斯煤尘爆炸事故瓦斯煤尘爆炸事故事故时间：2005年12月7日15时14分；事故地点：位于1193（下）工作面切眼，死亡108人；事故原因：回风下山风门打开风流短路，工作面瓦斯积聚，回柱火花引爆瓦斯，煤尘参与爆炸。n徐矿集团张小楼井7.14事故主要原因是同时打开两道风门时，由于人员受风门撞击死亡。同时打开风门事故同时打开风门事故案例案例23nKGE12系列矿用风门开关传感器是磁性驱动的位置开关传感器，系矿用本质安全型产品（图5-1）。固定在门框上固定在门扇上4n该产品可在煤矿井下有甲烷及煤尘爆炸危险的环境中，安装在井下巷道的各级风门上，用来监测风门的开闭状态，为通风管理提供风门状态信息。n可与各种矿井监测监控系统配套使用，其无源开关触点信号可直接提供给矿井监控系统采集、处理。5一、工作原理nKGE12系列风门开关传感器是一种磁性驱动的接近开关，它将触发磁钢装在风门上，而把开关组件安装在对应的门框上。n当风门打开时，触发磁钢远离开关组件，开关组件中的干簧管断开，输出断开信号给监测系统分站，在地面中心站主机显示风门“开”状态。67二、产品性能防爆形式：矿用本质安全型；防爆标志：ExibI（150）；使用环境温度：-5+40；输入电源：1024VDC；动作距离：不小于30mm，不大于70mm；防护等级：IP54；信号输出形式： I型：一组转换接点， II型：恒流-5mA/+5mA，III型：恒流0mA/5mA。8输出信号传输距离:2km；外形尺寸：138mm52mm31mm；触发磁钢材质:氧化物磁钢；触发磁钢特点：抗老化、抗杂散磁场、全密封；n开关组件及触发磁钢两侧各有2个安装孔，用来精确调整开关组件和触发磁钢的距离。9第二节第二节 机电设备开停状态检测机电设备开停状态检测一、一、KGT9KGT9型开/停传感器nKGT9型开/停传感器主要用于检测煤矿主要机电设备（通风机）的运转状态，实现煤矿主要机电设备的集中自动监测，随时全面了解全矿的生产、工作状况。n该传感器把检测到的开/停信号以5mA的恒流或以继电器触点信号的形式传输给监测分站（图5-2）。了解矿井主要设备的运行状态、运转时间长短，统计设备利用率。1011n该传感器适用各种类型交流驱动的用电设备。在供电电流不小于10A的情况下，均可检测出设备的开/停状态。二、主要技术指标供电电源：本安型（15VDC）；最大工作电流:30mA；使用环境：温度为-2040，相对湿度95%；输出信号:恒流5mA；继电器触点信号防爆标志：Exib。 12三、KGT9型开/停传感器的组成nKGT9型开/停传感器由检测线圈、放大检波、信号变换及信号输出等环节组成，如图5-3所示。13n传感器使用时固定在用电设备供电电缆外皮上，检测出电缆内有无电流通过，即可鉴别设备开/停状态。n一般机电设备系三相供电，利用传感器的电感线圈贴近电缆中一相芯线，即可测得微弱的磁感应信号，该信号经放大检波、信号变换及信号输出等环节，将设备开/停信息传给分站，再由分站传至地面。14四、KGKTC10型开/停传感器电路原理nKGKTC10型开/停传感器电路如图5-4所示，图中L为检测线圈。当机电设备工作时，有电流流过供电电缆，在其周围产生磁场，通过电磁感应，在L上感应出电压信号。1516二极管的整流作用二极管的整流作用171819n全波整流电路，可以看作是由两个半波整流电路组合成的。变压器次级线圈中间需要引出一个抽头，把次组线圈分成两个对称的绕组，从而引出大小相等但极性相反的两个电压E2a、E2b。n在0间内，E2a、D1导通；n在-2时间内，E2b对D2为正向电压，D2导通；2021和称为三极管的电流分配系数（电流放大系数）。三个电流中，有一个电流发生变化，另外两个电流也会随着按比例地变化。例如，基极电流的变化量Ib10A，50，根据IcIb的关系式，集电极电流的变化量Ic5010500A，实现了电流放大。硅管为40150，锗管取4080。三极管的电流放大作用三极管的电流放大作用 22n假设三极管的=100，RP=200K，此时的Ib=6v/(200k+100k)=0.02mA，Ic=Ib=2mA，Ic=Ib，三极管处于“放大区”。23n假设RP=0，Rb=1k，此时，Ib=6v/1k=6mA，按Ic=Ib计算，Ic应等于600mA，而实际上，由于图中300欧姆限流电阻（Rc）的存在，实际上Ic=(6v/300)20mA，此时，IcIb，而且，Ic不再受Ib控制，即处于“饱和区”。n当RP和Rb大到一定程度，使Ube死区电压(硅管约0.5V，锗管约0.3）此时be结处于不导通状态，Ib=0，则Ic=0，处于截止区。2425n感应信号经IC放大，电压放大倍数Av=RP1/R1=470/0.511000。放大的电压信号，再经V1、V2及C2构成的整流滤波电路，将交流信号变为直流信号。n直流信号加在V5的基极，使之导通，继电器KA吸合。V6为恒流电路，其基极电位由电位器调整决定。当无磁场时，继电器断开，使输出电流换向。n输出信号取自A、B两端即为恒流信号，若取自继电器的另一个触点，即为触点信号。 26第三节第三节 煤仓贮煤位置检测煤仓贮煤位置检测n煤仓贮煤位置检测，采用超声波料位传感器。超声波料位测量原理与回声测距原理相同，装在料仓顶部的探测器不断发射固定频率的超声波，经被测物料表面的反射，其反射回波部分由探测器接收，根据超声波往返时间即可换算出反射物料表面与探测器发射之间的距离，料仓料位即可得知。27nKG1003KG1003型矿用超声料位计由控制箱、探测器和显示箱组成，适用于连续检测井下各种物料料仓的料位，同时也可适用于地面易爆环境场合的料仓的料位检测。 28KG1003型矿用超声料位计主要技术指标：探测器工作频率：18kHz；探测器重复频率:2.5Hz；测量距离：125m；控制箱输入电压：127VAC；显示箱显示:11个发光二极管显示料位百分数；显示箱输出：15mA。 29n显示箱置于司机操纵台，供司机随时观察料位，控制箱就近安装。探测器安装时应将发射面正对料面，发射的声柱要避开物料流和料仓里的固定构件。30第四节 煤炭运量检测一、电子皮带秤n电子皮带秤由称量框架、荷重传感器、测速器、仪表四部分组成。n胶带运输机有效称量段L的物料重P通至荷重传感器上，传感器中弹性元件产生应变，其应变量与P成正比。弹性元件上贴有四片电阻应变片，组成等臂电桥，如图5-6所示。3132n应变量的变化线性地转换为电桥各臂应变片阻值的变化，在有桥电压U UF的情况下，电桥输出信号U Ug g为 Ug= =kUF/R（5-15-1）n皮带秤有效称量段L L上的物料重为P P，单位长度上的物料重为Pe=P/LP/L，若皮带速度为V，单位时间内通过的物料重Q Qx x=PV/L=PV/L=PeV。33n由于用R/R表示Pe的变化，即R/RPe，再将皮带速度v线性变换为电压U UF F作为电桥的电源，即U UF Fv，则Ug PvPv，那么它就可以线性模拟瞬时输送量Q Qx x。 U Ug gQ Qx x （5-25-2）物料的总累计量n通过积分将U Ug g转换为记数脉冲，最终通过计数器累计，实现物料的总累计量的计量。34K-GGP-85K-GGP-85电子皮带秤的主要技术指标：称重范围:1001002000t/h2000t/h；皮带速度:0.5:0.53m/s3m/s；最大皮带宽度:2000mm:2000mm；系统动态误差：3%；输出特性：瞬时值为1 15mADC5mADC，恒流特性1%/50030mV30mV时动作，10mV10mV时不动作；输出信号：电流为1 15mA5mA，误差士0.03mA0.03mA，频率为2002001000Hz1000Hz，误差士0.03Hz0.03Hz，开关量为5mA5mA，误差0.5mA0.5mA；使用环境：海拔高度1OOOm1OOOm，工作面长度255m255m，温度为5 54040，湿度95%95%。50第六节 矿尘检测技术n矿尘是矿井在生产建设过程中产生的各种煤岩微粒的总称，又称粉尘。煤矿井下矿尘主要是煤尘和岩尘。矿尘按存在状态可分为浮尘和落尘。n矿尘不仅危害人体健康，加大机械设备磨损，降低能见度，而且矿尘在一定条件下还会引起爆炸事故。5120052005年年1111月月2727日，黑龙江七台河东风煤日，黑龙江七台河东风煤矿矿特别重大煤尘爆炸事故，特别重大煤尘爆炸事故，171171人遇难。人遇难。52n矿尘粒度越小，单位体积空气矿尘浓度越大，其危害程度越大。n检测矿尘浓度的方法分质量法和计数法。n质量法是每1m1m3 3空气所含矿尘的质量，单位是mg/mmg/m3 3；n计数法是每1m1m3 3空气所含矿尘的颗粒数，单位是颗粒/m/m3 3。n我国规定用质量法检测矿尘浓度。53一、滤膜采样测尘仪器1、测尘原理n测定时，抽取一定体积的含尘空气，将粉尘阻留在已知质量量的滤膜上，由采样器采样后滤膜的增量来求出单位体积空气中粉尘的质量（mg/mmg/m3 3）。按式（5-45-4）计算粉尘质量浓度：542.粉尘采样器n粉尘采样器由采样头（内装滤膜）、流量计（稳流电路）、抽气泵、计时器和电源等组成。n粉尘采样器可分为呼吸性粉尘采样器和全尘采样器。n呼吸性粉尘采样器与全尘采样器的差别在于，呼吸性粉尘采样器增设了一个前置预捕集器。55n前置预捕集器用以捕集非呼吸性粉尘，能对危害人体的呼吸粉尘和非呼吸性粉尘进行分离。n预捕集器主要有:水平淘析器、旋风分离器和惯性冲击器。水平淘析器、旋风分离器（旋风器）和惯性冲击器截留某一区段粒度（体积大小）的能力与它的采样流量有关，因此，在采样过程中，应严格恒定所要求的采样流量，其原理如图5-105-10所示。 5657n滤膜的作用是捕获粉尘，有40mm40mm和75mm75mm两种规格，分别适用于采集小于和大于200mg/m200mg/m3 3的粉尘。n国内粉尘采样器的型号非常多，有AFQ20AAFQ20A型、AKFC92AKFC92型矿用粉尘采样器和HFC3BTHFC3BT型、ETE30BETE30B型、DS21BDS21B（BRBR）型呼吸性粉尘采样器等。583.使用方法（1 1）采样前的准备）采样前的准备滤膜安装。先用镊子取下滤膜两面的夹衬纸，用万分之一的分析天平称取滤膜的初重m1，然后按滤膜的安装方法（直径为40mm40mm的滤膜用平铺安装法，直径为75mm75mm的滤膜用漏斗状安装法）安装好滤膜，放入采样头或滤膜盒内，同时对采样头或滤膜盒进行编号。59选择采样头。用冲击式预捕集器时，需在玻璃片上涂上硅油；用旋风式预捕集器时，需在下部盒中放上滤膜。对采样器充电。 60（2 2）采样）采样采样前应选择所用的采样头，装上已称初重的滤膜夹，然后安装到仪器上，并将顶盖拧紧，防止漏气。采样。对于有定时器的采样器，应根据需要，通过键盘可在0 099min99min任意预置采样时间。采样时间预置后，打开电源，显示为00，再启动工作按钮，开始采样。同时调节采样流量，使采样流量在20L/min20L/min，只要时间到，仪器就自动停止。对于没有定时器的采样器，打开电源要同时计时，并调节流量到所需的流量。采样时间一到，立即停止计时。取下采样头中的滤膜夹放人原滤膜盒内，要注意样品的保存。61记录。每次采样结束，用记录簿记下采样日期、采样地点、滤膜盒的编号、采样流量、采样时间、工序、工具类型与数量、采样地点的风速和风量、干湿温度、防尘措施等。 （3 3）采样后称重）采样后称重称重前，打开滤膜盒，置于干燥器中。2h2h后用镊子小心将滤膜从滤膜盒中取出称重；称重后，放入干燥器中再干燥30min30min，再称重。当相邻两次的质量差不超过0.1mg0.1mg时，取其最小值。但要注意，称采样前后的滤膜，应使用同一天平和砝码。 62二、快速测尘仪（直读式测尘仪）n随着煤炭工业的发展，对测尘仪器提出了更髙的要求。快速测尘仪能快速测出粉尘浓度，有的仪器还能连续检测。快速测尘常用光电测尘、射线测尘、压电晶体测尘等方式。n光电测尘原理：根据滤膜集尘消光原理和光电效应来实现粉尘浓度测定，其原理如图5-11所示。6364n合上电源开关，微电动机启动，带动气泵抽气，含尘气体经过采样孔，透过滤膜，粉尘被吸附在滤膜上。当采样气体达到规定时间时，延时开关自动关断，采样结束。n进行直接测尘时，小电珠光束透过透镜变为近似平行光束，穿透滤膜，射向硅光电池上，使硅光电池产生光电流通过微安表，指示光敏电流值。硅光电池：直接把光能转换成电能的半导体器件。65通过采样前后干净滤膜与含尘滤膜的光电流I0与I以及流量、时间，由式（5-5）计算出被测粉尘的质量浓度：66n可根据式（5-55-5）专门制造直接读取粉尘浓度的刻度盘。n校正硅光电池是用来对小电珠光强的监测，并通过调整电位器W5W5的阻值，使采样前后的小电珠光强保持一致。 n快速测尘仪已有多家工厂生产，使用较多的是BFCBFC1 1型、ACGACG1 1型和ACHACH系列呼吸性粉尘测定仪。 67n射线射线测尘是利用核辐射原理工作的，它是利用矿尘对射线射线的吸收作用。当放射源产生的射线射线穿过含有矿尘的空气时，一部分射线被矿尘吸收掉，矿尘含量越大，被吸收掉的射线量越大，射线射线的减少量与矿尘浓度成正比。n射线射线快速测尘仪主要由放射源、探测器、电信号转换放大电路和显示器四个部分构成。68n放射源是产生射线，探测器的作用是检测射线，将穿过被测物质的射线接收并转换成电信号输出，探测器以电信号的大小变化将射线强弱的变化反映出来。n常用的探测器是盖格计数管等。探测器输出的电信号再经放大和一些特殊电路处理后，由显示部分指示出测值。nCCZ1CCZ110001000型、CCXCCX10001000型、BDZBDZ型、AZFCAZFC1A1A型等直读式测尘仪和AC-1AC-1型矿用智能测尘仪等 69第七节 煤矿井下人员定位系统n煤矿井下普遍存在入井人员管理困难，管理人员难以及时掌握井下人员的动态分布及作业情况，一旦事故发生，对并下人员的抢救缺乏可靠信息，抢险救灾、安全救护的效率低。70n运用煤矿井下人员定位系统，工作人员佩戴的电子标签通过井下监控节点向监控中心传送他们的位置信息，实时掌握每个人在井下的位置及活动轨迹，对煤矿的安全生产将有积极作用，在一定程度上减少人员伤亡。n平时，上传的位置信息也可以用做工作人员的考勤记录。71系统由井上与井下两部分设备组成。n井上设备：由监控中心（包括服务器）及共享网络终端等组成；n井下设备：以CAN总线作为主传输途径，煤矿井下人员监控节点（读卡基站），配合天线、电子标签、传输介质、中继器等与监控中心挂接，从而实现井下作业人员的定位和安全管理。n定位系统网络结构如图5-12所示。72中继器作用如下图：7374n在坑道、作业面的交叉道口安装监控节点，入井工作人员按照要求佩戴安装电子标签的腰带、安全帽、矿灯。75nRFID（射频识别）读写器通过固定频率的射频载波向电子标签传送信号，电子标签（工作人员随身佩戴）进入读写器的天线工作区域后被激活，并将载有个人信息的射频信号经卡内收发模块发射出去；n读写器天线接收到电子标签发来的射频信号，经过处理后，提取出个人信息，通过现场总线送至井上监控中心，记录井下工作人员经过地点、时间、活动轨迹等实时信息；n还可自动生成考勤作业的统计与管理（人员轨迹）等方面的报表资料，提高管理效益。 76n监控节点由读写器、微控制器（MCUMCU）、）、CANCAN节点组成（图5-135-13）。）。 77n读写器使用的射频芯片具有抗干扰能力强、通信速率高、功耗低、性能稳定等优点。n考虑到成本等方面的问题，设计时RFIDRFID采用的工作频率为915MHz915MHz，经过试验测试，证明在传输距离及数据可靠性等方面可以达到本系统的功能要求。 n读写器与微控制器89C5189C51间利用SPISPI串行接口进行通信。78nCANCAN节点由三部分所构成，独立CANCAN控制器SJA1000SJA1000、CANCAN驱动器82C25082C250和高速光电耦合器6N1376N137，如图5-135-13所示。n为了增强CANCAN节点的抗干扰能力，SJA1000SJA1000控制器并不是直接与82C25082C250驱动器相连，而是通过高速光耦6N1376N137与82C250C250相连，这样就很好地实现了总线上各CANCAN节点间的电气隔离。 79n定位系统的主要功能为：（1）考勤管理功能。通过操作平台专用管理软件对下井人员进行下井次数、井下停留时间等信息分类统计，便于考核，实现工作人员的考勤统计管理功能和有关报表的打印。（2）安全保障功能。系统根据数据库中储存下来的历史数据信息，可迅速知道井下人员及重要设备的分布情况，一旦出现矿井灾难，可对现场被困人员进行定位和搜寻，便于有效救护。80复习思考题1.简述风门开关传感器的组成和工作原理。2.简述电气设备开/停传感器的组成和工作原理。3.煤仓贮煤位置检测的方法是什么？4.煤炭运量检测的方法有哪些？简述其原理。5.简述工作面采煤机组位置检测的方法。6.简述滤膜釆样测尘仪器的原理。817.简述滤膜采样测尘仪器的测尘步骤。8.简述光电快速测尘仪的测尘原理。9.简述煤矿井下人员定位方法原理。10.简述煤矿井下人员定位系统组成。82