【正文】 1 第一章 安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的概述 歷史發(fā)展及國內(nèi)外現(xiàn)狀 對(duì)煤礦井下危險(xiǎn)源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，是煤礦最早關(guān)注的項(xiàng)目。從 20世紀(jì) 60年代后期開始，工業(yè)發(fā)達(dá)國家開始研制礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。主要有法國 OLDHAM 公司的 CTT63／ 40U 集中監(jiān)控系統(tǒng)；波蘭的 CMM— 20M 和 CMM— 1 監(jiān)控系統(tǒng)，英國 MINOS(Mine Operation System)，德國 F— H 公司的 TF200H 信息傳輸系統(tǒng)和 ZM400 遙控系統(tǒng)，美國的 DJN6400 系統(tǒng)以及加拿大康斯培克公司的 MINl600 安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中 ，影響較大的是 20世紀(jì) 70年后期由英國煤管局組織開發(fā)，分別由不同公司生產(chǎn)的 MINOS 系統(tǒng)。該系統(tǒng)最早應(yīng)用于煤礦環(huán)境監(jiān)測(cè)，后來擴(kuò)展了許多生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控的功能。例如，煤倉監(jiān)測(cè)、帶式輸送機(jī)控制等。但總體上講，該監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)仍是以監(jiān)測(cè)功能為主，附加簡單邏輯控制功能。 我國監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較晚， 80 年代初，從波蘭、法國、德國、英國和美國等（如 DAN6400、 TF200、 MINOS 和 Senturion200）引進(jìn)了一批安全監(jiān)控系統(tǒng)，裝備了部分煤礦；在引進(jìn)的同時(shí)，通過消化、吸收并結(jié)合我國煤礦的實(shí)際情況，先后研制出 KJ KJ KJ KJKJ1 KJ1 KJ3 KJ6 KJ7 KJ80、 KJ92 等監(jiān)控系統(tǒng)，在我國煤礦已大量使用。實(shí)踐表明，安全監(jiān)控系統(tǒng)為煤礦安全生產(chǎn)和管理起到了十分重要的作用，各局礦已作為一項(xiàng)重大安全裝備。由于當(dāng)時(shí)相當(dāng)一部分監(jiān)控系統(tǒng)由于技術(shù)水平低、功能和擴(kuò)展性能差、現(xiàn)場(chǎng)維修維護(hù)和技術(shù)服務(wù)跟不上等原因，或者已淘汰、或者停產(chǎn)。因此造成相當(dāng)一部分礦井無法繼續(xù)正常使用已裝備的系統(tǒng)。特別是近年來由于老系統(tǒng)服務(wù)年限將至，已無繼續(xù)維修維護(hù)的必要，系統(tǒng)面臨更新改造的機(jī)遇。 2 隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件 技術(shù)的迅猛發(fā)展和企業(yè)自身發(fā)展的需要，國內(nèi)各主要科研單位和生產(chǎn)廠家又相繼推出了 KJ90、 KJ9KJ10 KJF202 KJ4/KJ2021 和 KJG2021 等監(jiān)控系統(tǒng)，以及 MSNM、WEBGIS 等煤礦安全綜合化和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。同時(shí)，在 “ 以風(fēng)定產(chǎn)，先抽后采，監(jiān)測(cè)監(jiān)控 ” 十二字方針和煤礦安全規(guī)程有關(guān)條款指導(dǎo)下，規(guī)定了我國各大、中、小煤礦的高瓦斯或瓦斯突出礦井必須裝備礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。因此，大大小小的系統(tǒng)生產(chǎn)廠家如雨后春筍般的不斷出現(xiàn)，為用戶提供了更多的選擇機(jī)會(huì)、也促進(jìn)了各廠家在市場(chǎng)競(jìng)爭條件下不斷提高 產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)意識(shí)。 最近幾年來，我國對(duì)煤礦安全生產(chǎn)空前重視，成立了專門的煤礦安全監(jiān)察機(jī)構(gòu)，煤礦安全監(jiān)察局推動(dòng)了各煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的工作，將各煤礦的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)參數(shù)傳送到煤礦安全監(jiān)察分局，監(jiān)察人員可以實(shí)時(shí)地查看各煤礦的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，再通過其他必要的人工檢查、核查，可全面地掌握各煤礦的安全生產(chǎn)情況，提高了煤礦安全監(jiān)察工作的有效性。 我國煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)水平 系統(tǒng)中心站 環(huán)境監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)測(cè)煤礦井下各種有毒有害氣體及工作面的作業(yè)條件，如高濃度甲烷氣體、低濃度甲烷氣體、一氧化碳、氧氣濃度 、風(fēng)速、負(fù)壓、溫度、巖煤溫度、頂板壓力、煙霧等。 生產(chǎn)監(jiān)控。主要監(jiān)控井上、下主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各種生產(chǎn)參數(shù)和重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，如煤倉煤位、水倉水位、供電電壓、供電電流、功率等模擬量；水泵、提升機(jī)、局扇、主扇、膠帶機(jī)、采煤機(jī)、開關(guān)、磁力起動(dòng)器運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)等。 3 中心站軟件。具有測(cè)點(diǎn)定義功能；具有顯示測(cè)量參數(shù)、數(shù)據(jù)報(bào)表、曲線顯示、圖形生成、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障統(tǒng)計(jì)和報(bào)表、報(bào)告打印功能。其中，部分系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)連接功能，并采用國際通用的 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)終端與中心站之間實(shí)時(shí)通信和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 查詢。 隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)日新月異的發(fā)展，目前，各廠家的系統(tǒng)應(yīng)用軟件正不斷更新版本，如 KJF2021 系統(tǒng)中心站應(yīng)用軟件版本 和MSNM局域網(wǎng)絡(luò)終端應(yīng)用軟件版本 圖形化功能，而且具備礦井采空區(qū)火災(zāi)早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和專家決策分析功能；具備皮帶運(yùn)輸機(jī)全線火災(zāi)監(jiān)測(cè)功能；具備井下瓦斯抽放監(jiān)控功能。 局域網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用軟件。撫順分院開發(fā)率先開發(fā)的 WEBGIS 數(shù)字化礦山安全監(jiān)測(cè)監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用軟件版本 ，采用人性化設(shè)計(jì)，利用Web GIS 技術(shù)使得大 到省煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局、礦業(yè)集團(tuán)公司所轄各礦井分布位置，小到各礦采區(qū)工作面實(shí)際尺寸及設(shè)備實(shí)際使用位置，以任意無級(jí)縮小或無級(jí)放大圖形的形式達(dá)到圖形和數(shù)據(jù)的無縫集成和瀏覽；提供完備的安全監(jiān)測(cè)與安全信息管理和監(jiān)管功能；建立煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、對(duì)主要圖紙（通風(fēng)系統(tǒng)圖、采掘工程平面圖、井下運(yùn)輸系統(tǒng)、抽排水管路系統(tǒng)圖、電氣系統(tǒng)布線圖等）實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)瀏覽；實(shí)現(xiàn)安全信息的共享和設(shè)備隱患排查；安全信息的網(wǎng)上公開（公司內(nèi)部）；安全隱患排查及信息發(fā)布（如對(duì)各礦下達(dá)整改通知）等。與 WEBGIS安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相配合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)安 全性分析、診斷、評(píng)價(jià)、管理及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整的科學(xué)決策。 煤礦監(jiān)控系統(tǒng)井下分站。 4 盡管各廠家的監(jiān)控系統(tǒng)井下分站形式多樣，但基本上具備了如下功能： ① 開機(jī)自檢和本機(jī)初始化功能 ； ② 通信測(cè)試功能 ； ③ 分站設(shè)程控功能（實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)儀功能、風(fēng)電瓦斯閉鎖功能、瓦斯管道監(jiān)測(cè)功能和一般的環(huán)境監(jiān)測(cè)功能等） ； ④ 死機(jī)自復(fù)位功能且通知中心站 ； ⑤ 接收地面中心站初始化本分站參數(shù)設(shè)置功能 (如傳感器配接通道號(hào)、量程、斷電點(diǎn)、斷電點(diǎn)、報(bào)警上限和報(bào)警下限等 )； ⑥ 分站自動(dòng)識(shí)別配接傳感器類型（電 壓型、電流型或頻率型等） ； ⑦ 分站本身具備超限報(bào)警功能 ； ⑧ 分站接收中心站對(duì)本分站指定通道輸出控制繼電器實(shí)施手控操作功能和異地?cái)嚯姽δ堋? 系統(tǒng)配接的各種傳感器控制器 傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)能正確反映被測(cè)環(huán)境和設(shè)備參數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品。目前國內(nèi)生產(chǎn)和用于煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器主要有瓦斯、一氧化碳、風(fēng)速、負(fù)壓、溫度、煤倉煤位、水倉水位、電流、電壓和有功功率等模擬量傳感器，以及機(jī)電設(shè)備開停、機(jī)電設(shè)備饋電狀態(tài)、風(fēng)門開關(guān)狀態(tài)等開關(guān)量傳感器，以上傳感器的開發(fā)和應(yīng)用基本滿 足了煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控的需要，但國產(chǎn)傳感器在使用壽命、調(diào)校周期、穩(wěn)定性和可靠性方面與國外同類產(chǎn)品相比還有很大差距，某些傳感器（如瓦斯傳感器）的穩(wěn)定性還不能滿足用戶的需要。 5 實(shí)踐表明，綜合評(píng)價(jià)我國現(xiàn)有煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)及配套傳感器等設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，煤炭科學(xué)研究總院重慶分院的 KJ90、天地科技股份公司常州自動(dòng)化分公司的 KJ9煤炭科學(xué)研究總院撫順分院的KJF2021 和北京瑞賽公司的 KJ4/KJ2021 等系統(tǒng)無論在軟硬件功能、穩(wěn)定性和可靠性、專業(yè)技術(shù)服務(wù)能力、企業(yè)性質(zhì)和生產(chǎn)規(guī)模等方面幾本代表了我國煤礦 監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)水平。 目前礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)使用的現(xiàn)狀 目前雖有不少礦井都裝備了安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，但很多都沒有充分發(fā)揮出應(yīng)有的作用，一些礦井只重視對(duì)生產(chǎn)方面的監(jiān)測(cè)而忽視對(duì)安全方面的監(jiān)控。其實(shí)，安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)是最關(guān)鍵的技術(shù)是對(duì)瓦斯的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，礦井只要生產(chǎn)，就隨時(shí)會(huì)有瓦斯產(chǎn)生，靠工人檢測(cè)只能是間斷性的，而礦井監(jiān)控系統(tǒng)不僅能時(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，還能對(duì)瓦斯超限信號(hào)及時(shí)進(jìn)行報(bào)警和斷電控制，對(duì)保證礦井安全起著人工無法替代的作用。近年來發(fā)生的幾起特大瓦斯爆炸事故，多數(shù)是因?yàn)轭I(lǐng)導(dǎo)對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)重視不夠，管理不到位 ，投入不足，造成瓦斯積聚沒能及時(shí)進(jìn)行斷電控制而發(fā)生的。因此，管好用好礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，真正發(fā)揮其應(yīng)有的作用，是有效預(yù)防瓦斯事故的關(guān)鍵。 煤礦現(xiàn)在存在的問題 礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)滿足了機(jī)械化采煤的需要，但這些系統(tǒng)均存在著控制功能差、通用性差、性能價(jià)格比低等問題，這既不符合監(jiān)測(cè)與控制并重、硬件通用、軟件兼容、現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控與多媒體技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，又滿足煤炭高產(chǎn)、高效、安全生產(chǎn)的需要。這主要 在如下幾個(gè)方面： 1） 現(xiàn)有礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)均針對(duì)某一監(jiān)控對(duì)象開發(fā)，其為單一的多 6 參數(shù)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，包括環(huán)境安全、軌 道運(yùn)輸、帶式輸送、提升運(yùn)輸、供電系統(tǒng)，從而造成硬件不通用、軟件不兼容、信道不共享、信息不共享。一個(gè)礦井要實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)測(cè)監(jiān)控，則需要裝備環(huán)境安全、軌道運(yùn)輸、帶式輸送、提升運(yùn)輸、供電系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、礦山壓力、煤與瓦斯突出、大型機(jī)電設(shè)備、健康狀況等數(shù)個(gè)互不兼容的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，從而造成設(shè)備重復(fù)投資、電纜重復(fù)敷設(shè)、維護(hù)人員增加，浪費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力。 2） 現(xiàn)有監(jiān)測(cè)礦井監(jiān)控系統(tǒng)均在同一技術(shù)水平上重復(fù)開發(fā)，若需進(jìn)行新領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，又需重新開發(fā)，開發(fā)周期長，在開發(fā)過程中浪費(fèi)大量的人力物力和財(cái)力。 3） 現(xiàn)有礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控系 統(tǒng)均沒有將數(shù)據(jù)、文字、聲音、圖像等多種媒體統(tǒng)一監(jiān)測(cè)、傳輸，難以提高信息的利用率。 4） 現(xiàn)有礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)均沒有針對(duì)礦井機(jī)電一體化和一定監(jiān)控的功能，這主要表現(xiàn)在沒有用于機(jī)電一體化的、體積小、功能齊全的本質(zhì)安全型嵌入式職能監(jiān)控站和便攜式一起接入的移動(dòng)監(jiān)控網(wǎng)。 5） 現(xiàn)有礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議暈自我定義，互不兼容，沒有符合礦井電氣防爆等特殊要求的總線標(biāo)注，從而造成不同廠家的設(shè)備無法接入，無法共享傳輸電纜。 6） 現(xiàn)有礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)均采用主從式傳輸 。 這種傳輸方式的可靠性受地面主站設(shè)備及主千電纜影響很大，當(dāng)?shù)孛嬷?站設(shè)備或主干電纜發(fā)生故障時(shí)，將會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)癱瘓 。 當(dāng)該傳輸方式用于環(huán)境安全、軌道運(yùn)輸、帶式輸 送、供電系統(tǒng)等單一方面監(jiān)控時(shí)，一邊不回出現(xiàn)主站瓶頸效應(yīng)；當(dāng)用于全礦井多方面綜合監(jiān)控時(shí)，由于信 息量的增加，必然會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的主站瓶頸效應(yīng)。雖然可以通過提高傳輸速度的方法 7 來避免或減少瓶頸效應(yīng)。但經(jīng)過理論分析和試驗(yàn)表明 :采用礦用電纜，系統(tǒng)傳輸距離為 10km 時(shí)，最大傳輸速率可為 4800bps(在無中繼條件下 )。 7)現(xiàn)有礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)軟件均為某一特定系統(tǒng)開發(fā)，通用性差，難以滿足環(huán)境安全、軌道運(yùn)輸、帶式輸送、提升運(yùn)輸、供電系統(tǒng) 、排水系統(tǒng)、礦山壓力、火災(zāi)、水災(zāi)、煤與瓦斯突出、大型機(jī)電設(shè)備健康診斷等多方面綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)控的需要。 8)現(xiàn)有監(jiān)控分站均為某一監(jiān)控目的而開發(fā)，功能單一，用戶難以通過簡單的操作實(shí)現(xiàn)環(huán)境安全、軌道運(yùn)輸、帶式輸送等多方面底層監(jiān)控目的。 9)現(xiàn)有傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般采用星形結(jié)構(gòu)與監(jiān)控分站連接 (除個(gè)別系統(tǒng)外 )，這種結(jié)構(gòu)雖然可使用一根多芯電纜既給傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電，又傳遞信號(hào)，但由于電纜復(fù)用率低，需鋪設(shè)大量的電纜，導(dǎo)致系統(tǒng)投資大，維護(hù)不便 。 10） 現(xiàn)有傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般需經(jīng)監(jiān)控分站接人系統(tǒng) （ 個(gè)別除外 )，這樣雖然便于監(jiān)控 分站實(shí)現(xiàn)就地 控制，但當(dāng)個(gè)別傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)距離監(jiān)控分站較遠(yuǎn)、距離系統(tǒng)電纜較近時(shí)，就顯得十分不合理，既不便于系統(tǒng)維護(hù)，又增加了系統(tǒng)電纜投資 。 11)現(xiàn)有傳感器輸出信號(hào)為模擬信號(hào) (頻率型、電流型和電壓型 )和開關(guān)量信號(hào)，采用模擬信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)很難實(shí)現(xiàn)傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電纜多路復(fù)用 。 12)現(xiàn)有傳感器的電路均針對(duì)某一種傳感元件設(shè)計(jì)，僅能實(shí)現(xiàn)標(biāo)校、顯示、聲光報(bào)警等基本功能，不能實(shí)現(xiàn)同一電路可以配接不同傳感元件 (如監(jiān)測(cè)甲烷濃度的黑白元件，監(jiān)測(cè)溫度的半導(dǎo)體元件等 )的功能， 8 不便于用戶維護(hù)。現(xiàn)有傳感器不能實(shí)現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)測(cè)。若 研制多參數(shù)傳感器，如甲烷和風(fēng)速二參數(shù)傳感器，既能測(cè)出監(jiān)測(cè)點(diǎn)甲烷濃度，又可測(cè)出監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速，便于通風(fēng)調(diào)度 。一氧化碳和溫度二參數(shù)傳感器，既能測(cè)出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的一氧化碳濃度，又可測(cè)出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度，便于監(jiān)測(cè)自然發(fā)火情況。這樣，可以減少傳感器的數(shù)量，降低設(shè)備成本，便于安裝與維護(hù)。 13） 控制功能 (特別是地面遠(yuǎn)程控制功能 )難以滿足減少井下危險(xiǎn)環(huán)境從業(yè)人員的需要。 我國煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題 不規(guī)范 由于現(xiàn)有廠家的監(jiān)控系統(tǒng)幾乎都采用各自專用通信協(xié)議，所以，很難找到兩個(gè)相互兼容的系統(tǒng)。目前，信息傳輸系 統(tǒng)的兼容性已成為裝備監(jiān)控系統(tǒng)的各集團(tuán)公司、礦井進(jìn)一步補(bǔ)套和擴(kuò)充系統(tǒng)功能的制約因素，主要是用戶在裝備了某廠家的系統(tǒng)后，在眾多型號(hào)、價(jià)格不同、功能各具特色的監(jiān)控系統(tǒng)的軟件、硬件（如分站）的補(bǔ)套以及服務(wù)等方面，就別無選擇地依賴于這個(gè)廠家。有些礦井為了安全生產(chǎn)的需要，在系統(tǒng)存在嚴(yán)重問題和得不到技術(shù)服務(wù)的條件下，不得不廢棄原有系統(tǒng)而另選擇其他的系統(tǒng)。因此，通信協(xié)議不規(guī)范的后果是造成設(shè)備重復(fù)購置、系統(tǒng)補(bǔ)套受制于人和不能隨意進(jìn)行軟硬件升級(jí)改造。 井下信息傳輸設(shè)備 物理 接口協(xié)議不規(guī)范 井下信息傳輸設(shè)備 物理 接口協(xié)議不規(guī)范也是制約用戶進(jìn)一步補(bǔ)套和擴(kuò)充系統(tǒng)功能的關(guān)鍵因素。如 KJF2021 和 KJ4/KJ2021 系統(tǒng)，盡管兩種系統(tǒng)均采用 FSK 技術(shù)，以及信息傳輸波特率均為 1200bps 或 9 2400bps，但其傳輸信息的調(diào)制頻率不同和傳輸信息的收發(fā)電壓幅值不同也造成這兩種系統(tǒng)的 分站不能兼容。 傳感器等質(zhì)量不過關(guān) 與監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)配接的甲烷傳感器已成為礦井瓦斯綜合治理和災(zāi)害預(yù)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)裝備，并越來越受到使用單位和研究人員的普遍重視。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，國產(chǎn)安全檢測(cè)用甲烷傳感器幾乎全部采用載體催化元件，然而，長期以來我國載體催化元件一直存在使用壽命短、工作穩(wěn)定性差和調(diào)校期頻繁的缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約著礦