郭庄煤矿“四位一体”安全监测系统电路设计及管理分析

宋凯敏

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西 长治046000）

0 引言

“四位一体”是我国总结的一套行之有效的防治煤与瓦斯突出事故综合措施，内容为：突出危险性预测、防治突出措施、防治突出措施效果检查、安全防护措施。经过多年发展，目前我国大中型煤矿均已安装较为完善的监测监控系统，为保证井下安全生产提供了重要基础。为了实现“实情上报、上报实情”“高灵敏、高可靠、全覆盖、真数据”的监测目标，需严格执行“四位一体”系统传感器管理规定。

1 煤矿概况

郭庄煤矿位于山西省屯留县境内，隶属于潞安矿业集团，设计煤炭年产量为60万t，可采储量约4 615万t，开采深度420 m，且开采地质条件良好，经过多次技术升级改造，煤矿整体设备水平已经实现现代化。为提高井下作业安全性，相关领导积极引进监测监控系统，涉及到了所有危险源。

2 煤矿监测监控系统简介

郭庄煤矿所安装的监测监控系统可用于对井下环境、工况参数监测，包括：甲烷浓度、一氧化碳浓度、风速、负压、温度、烟雾、馈电状态、风门状态、风筒状态、局部通风机开停、主通风机开停等，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制[1]。该系统主要原理图见下图1，主要组成如下：

图1 郭庄煤矿监测监控系统原理图

1）井上部分。该部分主要由：监控主机、环网交换机、UPS电源、打印机等组成。在地面监控系统中心站监控主机采用双机热备配置，井下监控分站上传的监控数据同时写入监控主机、备机数据库。监控主备机通过环网交换机接入工业环网，与井下环网交换机和分站等设备进行通讯，负责整个监控系统的实时数据处理、显示、存储功能[2]。

2）井下部分。井下传感器监控参数转换成数字信号接入监控分站，由监控分站通过环网交换机接入工业环网，上传监测数据值到监控中心站。各类监测传感器和断电执行器与分站之间为485传输制式，采用矿用阻燃屏蔽四芯通讯电缆连接，实现监控数据采集上传及控制断电等[3]。

3 “四位一体”系统主要传感器模块电路设计分析

由“四位一体”监测监控系统原理图可知各类型传感器是核心监测设备，其灵敏度、可靠度等直接影响着监测效果，在此对几种主要传感器（系统）模块电路进行设计分析。

3.1 温湿度传感器电路设计

井下采用的温湿度传感器为瑞士盛思锐公司所产的SHT15（集温、湿度为一体），供电电压2.4～5.5V，工作电流仅为28μA，温度、湿度分辨率分别为±0.01℃、0.03%RH，具有精度高、功耗低等优点[4]。

在电路设计时，会将SHT15与单片机（PIC16F690）通过IC两线通信方式进行数据交换，为保证传输的稳定性，在DATA脚增设拉电阻，可提高端口驱动能力，并且电源与地脚并接一个电容（0.1μF），可达到去耦效果，具体电路结构设计如图2所示[5]。

图2 SHT15电路结构原理图

3.2 瓦斯传感器电路设计

瓦斯传感器是“四位一体”中最重要的传感器类型，因此对其可靠性有着很高要求，而催化式瓦斯传感器成本低、结构简单、受外界环境影响小，而且在郭庄煤矿应用多年，所以本系统选择LXK-7型瓦斯传感器，主要技术参数见表1。

表1 LXK-7型瓦斯传感器技术参数

由于瓦斯传感器输出的差分电压主要是受瓦斯浓度影响，而且分差信号往往较小，因此要设计对应的信号采集放大电路，具体设计原理图如图3所示。为了减小整个系统能耗，设计在传感器供电端连接1个三极管开关电路，即当传感器节点休眠时，三极管断开，可显著节省电源功耗[6]。

图3 LXK-7信号采集放大电路原理图

3.3 声光报警系统电路设计

当传感器监测到瓦斯、温湿度等参数超标后，便会启动声光报警系统，该系统主要由单片机（Bell）引脚控制，平时该单片机为低电平状态，一旦出现异常情况，引脚就会输出一个高电平，开启三极管，进而使声光报警系统启动，系统原理见下图4所示[7]。

图4 声光报警系统电路原理图

4 “四位一体”安全监测系统管理措施分析

4.1 “四位一体”传感器移动管理措施分析

“四位一体”安全监测系统会随着工作地点改变而进行不断移动，而这些电子设备本身精度很高，且“身骄肉贵”，稍有不慎便可能导致传感器损坏。因此为保证传感器在移动过程中性能稳定，同时避免出现传感器误报警事故，郭庄煤矿制定了“四位一体”移动传感器管理措施，具体如下：

1）传感器移动前由现场安全员、瓦检员、跟班队长共同汇报，向公司生产调度室、安全调度室、通风调度室、监控室、自动化部请示（包括所移动传感器时间、地点、内容、位置等），经相关部门同意后方可作业。

2）传感器移动时，必须由作业队跟班队长、操作员或兼职监控员进行操作，由瓦检员指定传感器移动位置，通风部指定吊挂位置，安全员现场监管移动过程，确保传感器在规定的要求距离范围内及正确位置上。

3）工作面传感器要使用专用防护板固定，航空线盘圈后与接线盒固定于传感器防护板的背面，严禁对电线强拉硬拽，不得出现航空线从接线盒中拉出、与传感器接头处拉断或松动造成传感器误报警、断线等事故。

4）传感器、接线盒要做好防淋水保护，表面及进气口煤尘每班进行清理，每班交接班或传感器移动后应及时检查航空线与接线盒连接情况，排查结束后由安全员、瓦检员、跟班队长向公司调度室、安全调度室、通风调度室、监控室、自动化部进行电话汇报闭合。

4.2 “四位一体”传感器调校管理措施分析

根据相关规定：瓦斯（甲烷）传感器需15 d进行1次现场调校，以保证监测准确、断电可靠，郭庄煤矿制定了“四位一体”传感器断电试验管理措施如下：

1）所有瓦斯（甲烷）传感器调校工作由当班跟班队长、安全员、瓦检员、自动化部调校人员4人共同承担责任。调校前由调校人员向生产调度室、安全调度室、瓦斯监控室、自动化部请示（包括所调校传感器地点及名称），经同意后方可作业。

2）调校人员调校时，先观察传感器外观、接线等是否符合标准，如有损伤则应对传感器或外部连接线进行更换或修复，传感器调校完毕显示值稳定后，重新用标准气体对传感器进行测试，观察是否显示稳定并与标准气体值显示一致，如有误差重新调校。

3）传感器调校完毕后，由瓦检员对比调校前后显示值是否误差过大，如有光瓦则利用光瓦与甲烷传感器显示值进行比对，没有则用便携式甲烷检测仪与传感器进行对比，误差过大时应重新调校，最后将传感器管理牌填写完整。

4）调校完毕后，调校人员检查传感器所在采掘工作面所有非本质安全型电气设备是否断电正常，对管理被控开关的变电所及相关队组跟班队长、安全员进行电话验证是否断电正常。跟班队长、安全员、瓦检员、自动化部调校人员4人共同验收调校结果，并在甲烷传感器调校单上签字确认，确保断电可靠。

5 结论

郭庄煤矿通过实行严格的“四位一体”安全监测系统管理措施，真正做到了装备齐全、数据准确、监测可靠、处置迅速，切实发挥安全监控系统的作用，而且日常多维护可以有效避免错报、误报情况，间接提高了采煤效率，创造了巨大的经济效益。