煤矿安全仪器测控通信技术的研究与贡献

核心提示：　　*煤JT安全技术发展与贡献煤矿安全仪器测控通信技术的研究与贡献测控技术公司（煤炭科学研究总院抚顺分院，辽宁抚顺113001）得的科研、技术成果，并在全国煤炭行业得到了推广和应用，收到了较好的效果。

　　*煤JT安全技术发展与贡献煤矿安全仪器测控通信技术的研究与贡献测控技术公司（煤炭科学研究总院抚顺分院，辽宁抚顺113001）得的科研、技术成果，并在全国煤炭行业得到了推广和应用，收到了较好的效果。

　　1概述抚顺分院从1953年的气体分析室开始，在瓦斯检测敏感元件及监测仪器、矿井通风检测仪表、矿井火灾监测敏感元件及监测装置、煤矿环境监测系统、矿井救灾通信等方面进行了大量的研究。并从常量气体分析到微量气体分析进行仪器及检定管等研制，进一步将气体分析技术发展为现场应用、火灾预报、连续监控，指导了矿井各种有害气体的防治。

　　定部颁发质量标准规程外，还制订了煤矿气体标准采样方法和组建了标准样配气站。1985年完成了煤矿带式输送机自动防灭火系统的攻关项目，确定了峒室火灾监视自动灭火及干粉系列灭火弹的研制项目，在瓦斯检定仪器方面，主要集中于风电瓦斯闭锁装置的研制，研制成功了小型瓦斯检定器、以放射性同位素镅241为辐射源的离子微风计（能测量0.2m/s以下的微风速）。1985年按国家计委合同研究风电瓦斯闭锁（又称局扇沼气电闭锁）装置，可避免因电气火花而引起沼气、煤尘爆炸事故，1987年完成了按规范要求的风电瓦斯闭锁专用装置。1977年完成了AY-1型氧气检测仪，填补了我国地面及井下直接连续测氧仪器的空白。1982年利用定电位三电极电化学原理研制成DCOY型一氧化碳测定仪。仪器提供了一个新型电化学一氧化碳测定元件和配方，为我国携带型CO测量仪的数字化和电子化连续监测传感器的研制打下基础。

　　甲烷（浓度测定）敏感元件已研制出低功耗型、遥测型、抗硫化氢中毒型等JD系列产‘品及LX-3、KD型产品，主要属载体催化氧化式甲烷敏感元件。载体热导元件有JD-R、LX-R系列产品，金属丝热导元件曾用于热导式高浓度、低浓度甲烷裥定仪，半导体气敏电阻敏感元件为甲烷报警器提供了一次元件。固体热传导元件已成功地应用于甲烷及其他可燃气的浓度测定，系列产品有CH4型、C4H1（）型、H2型、CO型等。一氧化碳（浓度测定用）敏感元件，早期用硒试纸方法测定，经“六五”、“七五”、“八五”国家攻关，研制成功COY1型的电极电化学CO敏感元件。电化学氧化敏感元件，成功地应用于氧气测定仪和氧气传感器上，一直成批生产；电化学式二氧化碳、乙烯敏感元件，经过“八五”国家科技攻关，已在自然发火监测方面取得应用。

　　煤矿气体传感器的研究，经“六五”、“七五”、于风电甲烷闭锁装置上，KGJ7（量程：0~40%CFU）型已成功，研制出KG3021（量程：0~500P）、KGA2（量程：0~300P）型电化学一氧化碳传感器、KG3002化学二氧化碳传感器已应用于自然发火监视。KGQ2型（025%z）电化学式氧气传感器、KGQ1型（量程10-6）电化学乙烯传感器、用于自然发火的监视。

　　煤矿气体测定仪方面研制出KRD-1型热导式浓度甲烷测定器及LRD-2型。20世纪70年代研制出半导体气敏电阻原理的甲烷报警仪，80年代采用'载体催化元件研制出W821型高低浓度甲烷检测仪（高浓度部分用载体热导元件）、JJ-1型袖珍甲烷检测报警器、KSW-8型灯式瓦斯报警器、FJ -1型甲烷检测器、JCB-55型甲烷检测报警器、DCOY系列一氧化碳测定仪、AY- 1型氧气测定仪，90年代研制成袖珍式电化学MYJ型CO检测仪。

　　系统的研制，完成了采空区瓦斯抽放监控系统。采用0~100%CH4量程甲烷传感器、0~10kPa测压范围差压传感器及0100xi（T6CO测量范围电化学式一氧化碳传感器共三种传感器并通过启动电磁阀控制瓦斯管道的装置。

　　开发了WCP85型抽瓦斯多参数监控系统，甲烷浓度测定范围为：0~100%，流量测定范围为0100mVmin，温度测定范围为0~100t：；采用电动阀连续控制抽放量。煤矿气体可爆炸测定仪研制BP8 -1型，90年代研制成功BMK-1型测定仪，通过对甲烷、氧及二氧化碳浓度的测定判断爆炸危险性，当有爆炸危险时发出报警信号。

　　研制出红外火源探测器的煤矿自然发火检测系统。最小鉴别温度。51：。矿井火灾早期预报束管连续监测系统、ASZ-n型矿井火灾预报监测系统。该系统设有地面分析站：一氧化碳测定范围为01xiO―6、0~5 0~15%；2为1%2%，对分析结果进行微机处理，显示自然发火倾向。“八五”完成了采空区六参数实时预报系统，系统对CHOXCOCy及温度进行监测（KJF型煤矿安全监测系统），数据通过微机地面处理系统完成。

　　夕卜因火灾监控系统的研究，经“六五”、“七五”、“八五”研制成功DFH型矿用带式输送机自动防灭火系统、DMH型煤矿峒室胶带机自动灭火系统，获省科技进步二等奖、国家级新品称号……38 90年代研制成功MZS-1型煤矿自动洒水灭火系统。采用易熔合金定温火灾探测器进行火情监视，当有火情时发出警报并进行自动洒水灭火。

　　/VV五“和”九五“期间相继研究、开发和生产出ASZ-n型矿井火灾束管监控系统，KJF火灾监控系统，KJS5000型皮带火灾监控系统、BZJC型瓦斯泵站监控系统和FDZB-1A型风电瓦斯闭锁系统，以及多种矿用传感器等。目前已研制出一套集上述系统于一体的符合我国煤矿安全生产实际需要的KJF2000型煤矿安全监控系统。

　　为满足矿山救护作业需求，“九五”期河研制成功KJT95型矿山救灾通信系统。现将重点成果和成果转化简述如下。

　　2重点科研成果2.1甲烷检测元件的研究抚顺分院最早从20世纪60年代中期开始研制甲烷元件即热催化元件，80年代中期达到成熟，在当时国内处于领先水平。

　　甲烷检测元件在煤矿井下使用，大体上存在下述问题：第一，使用寿命长短不一，有的元件可达i2年，有的只能用半年；第二活性下降太快，稳定性差，使用一个星期就要校准灵敏度，在卖际使用时，带来很多工作量；第三，当元件在低浓度甲烷（浓度<1%CFU时）中长期工作时，如果遇到高浓度甲烷（浓度>10%CH4）时，元件将被激活，此时其灵敏度就会有所上升，而且在较短时间内不易恢复，因此将会使测试结果产生偏正误差。

　　我们针对国产元件存在的上述问题进行深人研究，提高与改善元件特性，从而使国产元件接近或达到国外元件的技术水平。

　　2.2WCP8501型瓦斯管道组合传感器WCP8501型瓦斯管道组合传感器集中检测瓦斯的浓度、温度、压力，其结构分为上部的电路。

　　中部的敏感元件封装组件、下部的取样器。

　　取样器。瓦斯管道内的湿度非常大，容易积水，粉尘也非常大容易在瓦斯管道凸出物上附着沉积。因此，取样器必须能防止经过长时期工作后沉积物堵塞取样器。

　　取样器插入瓦斯管道中迎气流的方向开有进气孔，背对气流的方向开有出气孔，在取样器的中间固定有一个阻流板在进气孔和出气孔之间造成一个压差，使气流在取样器中有一部分气流向上流动，经过敏感元件封装组件。一般抽放瓦斯管道在设计时，抽放流量都设计在一定范围之内，因此调整取样器内阻也在一定范围之内。考虑到校准传感器和清洗取样器的需要，在取样器上设有外接孔，当需要校准和清洗时打开外接孔，接入标准气或空气，利用瓦斯管道内抽放的负压进气，达到校准和清洗的作用。整个取样器最后进行精工处理，达到防锈要求。

　　敏感元件封装组件。WCP8501型瓦斯管道组合传感器的所有敏感元件都封装在中部的组件内，敏感元件封装组件下部通取样器，与瓦斯管道气体接触，上部由电气引线通向传感器的电路。上下两部分由密封材料阻隔，取气部分由粉末冶金阻隔，整个结构具有防爆性能，并防止瓦斯管道内的瓦斯气体向外泄漏。

　　传感器的敏感元件选型。瓦斯浓度检测敏感元件采用煤科总院抚顺分院生产的LX-R1型载体热导元件。其性能：电桥电压3.5V，电桥电流170mA，最小灵敏度（<30%时）lmV/l%CH4，线性度利用载体热导元件检测瓦斯浓度，这种方法过去已应用多年，工作可靠。但在瓦斯管道的潮湿环境进行~100%CH4宽量程范围的检测，必须选择合适的工作方式和最佳的处理电路。瓦斯浓度测量电桥采用恒流方式供电，其供电电流为175mA，比原来推荐的工作电流提高了瓦斯浓度检测元件的表面温度大约提高了30X：左右。这样瓦斯浓度检测元件就能更加有效地排除瓦斯管道内的湿度对检测结果的影响。

　　LX-R1型载体热导元件的测量线性范围很窄，只有0~30%CH4是线性，而在30%~100%（范围内的瓦斯浓度测量曲线是非线性。超过30%CH4时，载体热导元件的灵敏度将下降，瓦斯浓度越高，其灵敏度下降的也越多。为此，我们利用折线法非线性变换电路进行线性校正。根据实际测量曲线，我们选取两个校正点就可以满足测量误差要求。第一校正点选在33%CH4浓度处，第二校正点选在66%CFU浓度处。经过二级非线性校正，保证了瓦斯浓度测量在整个测量范围内其误差不超过允许范围。

　　WCP8501型瓦斯管道组合传感器中的温度测量敏感元件选用美国模拟器件公司生产的AD590系列集成温度传感器。

　　WCP8501型瓦斯管道组合传感器的压力敏感元件选用了ICsensors公司的压力敏感元件。

　　WCP8501型瓦斯管道组合传感器选用的是ICsensors公司推出的TO-8封装结构13A型绝对压力敏感元件，具有温度补偿功能，并配有增益设定电阻。

　　WCP8501型瓦斯管道组合传感器的三种敏感元件集中封装在一个组件中，整个传感器体积小，只需在瓦斯管道上开一个取样口，减少了现场的安装工程，维护简单，避免了以往瓦斯管道测量传感器布置分散，不便于管理使用。

　　2.3高精度微压力传感器随着均压通风防灭火技术、采空区均压密封技术在煤矿安全生产中的推广应用，高精度微压力传感器的分辨率和准确性在其中起着关键的作用。GY-1型高精度微压力传感器的研制为煤矿安全生产提供了一个新的监测手段。

　　相对湿度：<98 GY-1型高精度微压力传感器的关键敏感兀件选用的是SiliconMicrostructuresInc.生产的SMI55系列压阻式传感器。

　　压阻式传感器是采用集成电路制造技术在半导体基片上直接生成扩散电阻并组成电桥由于半导体材料是硅材料，所以压阻式传感器又常称为扩散硅压力传感器。

　　由于煤矿井下的气压有时在放炮、开关风门等因素的影响下，会发生瞬间突变，因此，要求压力传感器的敏感元件要有在一定时间内抗压力冲。39击的能力。一般压力敏感元件本身的抗过载能力为满量程的10倍。

　　选取的压力敏感元件的满量程为1kPa，其最大过载能力为3kPaD并设计了GY-1型高精度微压力传感器缓冲装置，可以在5 s时间内抗过载10倍满量程的压力。为了保证该装置可以长期在煤矿井下工作，在进气口处加装了一个过滤器，可以避免井下粉尘进入，堵塞节流孔。

　　压力敏感元件输出信号的温度补偿：当压力敏感元件温度增加时，呈现以下特性：①压力灵敏度下降；②每一压阻的阻值增加。GY-1高精度微压力传感器在整个敏感元件的选型、电子线路设计、数字化处理都进行了深刻地研究，保证了本传感器可以达到预定的技术指标。

　　在试验室对传感器进行了零漂试验考核、恒压带载试验考核、低温零点试验考核、高温零点试验考核等四项考核。再经工业试验，完成了“九五”国家重点科技攻关项目“高精度微压力传感器的研究”。GY-1型高精度微压力传感器，填补了我国矿用高精度压力测量领域的空白，达到了国内领先水平，该传感器经实验室和工业性试验证明，适合于煤矿井下各种需要对压力进行监测的地方。该传感器的敏感元件可靠性强、抗压力冲击性强适合煤矿恶劣环境，二次放大电路选用高精度仪表放大器，信号处理采用单片机数字技术，整机具有测量精度高、显示分辨率高等优点。该传感器已经国家煤矿防爆安全产品质量监督检验中心检验合格。

　　2.4KJT95矿井抢险救灾通信K.IT95矿井抢险救灾通信系统是一种比较理想的矿山救护队用通信手段，该系统是国家“九五”攻关项目，该课题是针对现有通信系统存在的问题，结合国家“七五”、“八五”对矿井通信技术的科研成果，借鉴国内外的先进技术，研制而成的。系统结构简单、性能稳定、组网方便、可靠性高。

　　该系统可提高矿井灾害救护的快速反应能力和协同作战能力，使矿井救护工作达到一个新的水平，在矿井的救灾指挥作业中，为迅速了解灾情、及时正确制定和实施救灾方案、减少事故损失和人身伤亡提供了保障。

　　系统包括KJT9501通信主机（简称主机）、KJT9502通信副机（简称副机）、KJT9503通信手机（简称手机）、KJT9504通信线包（简称线包），KJT9505缠线车（简称线车）等设备。主机供井下指挥部使用；副机和手机供进人灾区的救护队员使用。救护队员使用手机（经副机）向主机方向发话，队员之间可使用手机直接联系。井下指挥部通过现成的电话线可直通井上指挥部，井上指挥部在必要时可介入救灾通信指挥。救护队员随身携带现成缠制好的线包，救灾作业时边行进边自动放线，并随时和井下指挥部、井上指挥部保持联系。通信导线兼作救护队员的探险绳……线车在实战时不下井，其作用是在平时演习时，用它可将放开的线包再缠绕成包，以便再次使用。

　　苏、安徽、云南等省的部分矿山救护队已配备使用，反映效果很好。

　　KJF2000监控系统具备环境监测、胶带火灾预测、采空区自然发火预测和生产监控功能。环境监测――主要监测煤矿井下各种有毒有害气体及工作面的作业条件，如甲烷、一氧化碳、氧气浓度、风速、空气温度、岩煤温度、顶板压力、空气压力、烟雾和粉尘浓度等；生产监控――监控井上、井下主要生产环节的各种生产参数和宽要设备的运行状态参数，如煤仓煤位、水泵状态和排水试、提升机、局扇、压风机、胶带机、采煤机、开关、磁力起动器、供电等的运行状态和参数等。

　　KJF2000系统由地面中心站、多媒体远程数据终端、调制解调器、各种井下分站、井下隔爆兼本质安全型多路电源、远程断电器、各种矿用传感器和矿用机电控制设备及KJF2000安全生产监测软件缉成。整个系统的组成简单框图见图井下分站和传感器安装在井下具有煤尘、沼气、一氧化碳等危险气体的环境中，对煤矿井下的各种安全、生产参数进行实时监测和处理，并将安全生产参数及时传输到地面中心站。各种数据由分站和中心站处理，并能按要求直接发出声、光报警和断电控制信号。地面中心站经过KJFS调制解调器（MODEM）采用专用通讯电缆与井下分站联结通信。通过KJF2000系统可以准确、全而地了解井下安全情况和生产情况，实现对灾害事故的早期预测和预报，并能及时地自动处理。生产调度人员可以掌握井下设备运行情况，准确地指挥生产。

　　目前，KJF2000监控系统已在地面中心站主机、远程数据终端、地面计算机外围设备配置、井下分站、本安电源、矿用传感器和断电器等方面形成了系列产品，同时具备与抚顺分院长期推广的ASZ―型矿井火灾束管监控系统、KJF火灾监控系统、BZJC型瓦斯栗站监控系统和FDZB― 1A型电瓦斯闭锁系统联网的能力。系统可根据用户头际需要而灵活配置。

　　3科技成果的产业化科技成果产业化，将科研成果转化为商品，实现其本身的价值，唯一的目的就是要使其产生良好的社会效益和经济效益。科研成果的产业化不仅要经过成果的产业化过程，而且还要经过产品的商品化过程。作为科研成果的主要转化基地，其目标就是要使那些具有高科技含量、高附加值的国家级新产品和行业重点推广产品，最新攻关成果产品最大限度地面向市场，加速科技成果市场化、产业化的速度，不仅要满足国内市场需求，而且争取打人国际市场，形成一流的规模效益。

　　因此，未来几年内将投人大量的资金，有计划、有步骤、更深层次地进行现有产品的市场开发与推广，不断扩大产品市场份额，提高产品市场占有率，以确保企业产品的科技优势变为经济与社会效益优势。

　　3.1灾害气体敏感元件及传感器的产业化自20世纪50年代末开始，抚顺分院率先研制甲烷检测用载体催化元件，70年代末研制出电化学一氧化碳元件、电化学氧气敏感元件，80年代末研制出乙烯传感器、二氧化碳传感器，90年代研制出胶体电解质一氧化碳传感器。安全监测系统在我国煤矿起步应用较早，70年代已有5个厂家生产瓦斯检测断电仪，80年代通过引进国外先进技术开始装备煤矿环境监测系统，80年代末以来通过对国外技术的消化、吸收和总结我国煤矿特点自行研制开发环境安全监测监控系统。现有各种检测、监控系统20余种，并在各地煤矿大量使用。

　　据统计，我国国有重点煤矿649对，其中瓦斯突出矿井129对，高瓦斯矿井136对，占矿井总数的半数以上，自然发火矿井占61 %，瓦斯爆炸和矿井火灾事故造成的人员伤亡和国家财产损失一直居世界首位。尽管我国已相继借鉴国外技术研制、开发出各种参数的传感器。但由于国内传感器，特别是气体敏感元件制作工艺水平低，生产设备落后，产品性能始终无实质性提高，目前安全监测系统半数以上瘫痪的关键原因是传感器寿命短、稳定性差，系统无法正常运行，一些矿井不得不长年大量购置国外同类产品；其次，现有监测系统无统一标准，互不兼容，现场级总线无标准，造成系统配接设备不能实现开放性互用。

　　煤炭科学研究总院抚顺分院是首次在国内研制、开发和生产载体催化元件、甲烷传感器胶体电解质一氧化碳元件、乙烯传感器、二氧化碳传感器、超声波涡街风速传感器和微压力传感器的煤矿安全专业研究单位。上述产品生产规模逐年扩大。因此在原有研究开发能力和技术基础上通过。41.设备投资、扩建和引进国外先进设备生产线等工艺制造技术，短期内达到世界先进水平，满足矿山、石油化工等行业对灾害气体监测的需要，无疑是一条投人创新基金少、见效快、经济效益和社会效益显著的捷径。

　　3.2煤矿瓦斯检测装置系列产品的产业化瓦斯治理是世界各大采煤国所致力解决的问题，瓦斯预测、监测作为主要的瓦斯灾害防治手段，近年得到了极大的发展。煤科总院抚顺分院作为煤矿安全的专业研究院，在该领域的研究、设计及生产一直处于国内领先水平，现在已形成系列产品，其中包括煤层瓦斯多参数测定仪、便携式甲烷检定器、高低浓度甲传感器、甲烷断电仪、风电瓦斯闭锁装置等。'煤层瓦斯多参数测定仪是国家“七五”、“八五”、“九五”科技攻关项目科研成果，属国内领先水平，曾荣获国家、部级奖励，是将煤矿井下实际经验、实验室实验结果与电子计算机技术结合的产物。可以用简便的方式快速、准确、直接地测定煤层瓦斯多种重要参数。产品已经获得防爆合格证及煤矿安全仪表合格证。

　　便携式甲烷检定器属于携带式甲烷检测仪器，具有体积小、携带方便、检测直观、成本低等特点，由煤矿瓦斯员和管理人员随身佩带或悬挂于工作面作为瓦斯检测报警之用，是一个量大面广的产品。该产品已于1997年获得防爆合格证、煤矿安全仪表合格证及计量证书。

　　风电瓦斯闭锁装置是针对我国煤矿掘进工作面瓦斯灾害频繁研制的，早在1980年版的《煤矿安全规程》即已提出“风电闭锁装置”，而1986年版《煤矿安全规程》提出了“三专一闭锁”设施。现行的1992年版则明确指出：在瓦斯喷出区域、高瓦斯矿井、煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井中的所有掘进工作面应装设两闭锁（风电闭锁、瓦斯电闭锁）设施。当局部通风机停止运转或掘进巷道内瓦斯浓度超限时，能立即自动切断局部通风机供电巷道中的一切电源。而局部通风机都应实现三专（专用变压器、专用开关、专用线路）供电（第134条）。这就是“三专两闭锁”设施。所以，简单地说，风电瓦斯闭锁装置就是实现两闭锁的安全监控设备。

　　抚顺分院于1987年研制成功我国第一台风电瓦斯闭锁装置，并于1989年获煤炭部科技进步三等奖。在不断总结多年的生产实践以及各煤矿反馈的意见与建议及追踪当代最新电子技术水平的基础上，几经改型，在1997年形成目前的产昂。

　　它具有体积小、系统简单可靠等优点，是煤矿掘进工作面必需的安全设备。

　　甲烷断电仪是对煤矿采掘工作面及移动设备实现甲烷检测显示、超限报警，并对被控电气设备进行断点闭锁、解锁控制的装置。根据控制设备的台数分为单点、两点、三点断电仪，目前已成为煤矿生产中不可缺少的安全监控设备。

　　我院的瓦斯检测装备包括：煤层瓦斯多参数测定仪便携式甲烷检定器；风电瓦斯闭锁装置；单点、两点以及三点甲烷断电仪；机载甲烷断电仪；车载甲烷断电仪；专用监控设备（根据用户要求设计的派生产品）。今后要在监控装备方面加大投资，投资的必要性主要从下面几点考虑：该系列产品B被煤炭行业认定为井下安全监控的常规装置，煤炭部曾以行政补贴方式全面推广使用。而早期投人使用的产品多数不符合新的行业标准且已到报废期。

　　全国地方煤矿推广使用的空间极大/由于该系列产品具有投资少、方便使用、易于维护，并很容易扩充为一套小的安全监控系统，因此也非常适合于地方煤矿。

　　由于历史原因，国有大中型煤矿在瓦斯检测方面多采用七八十年代的产品，而这些产品具有不易维护、操作复杂等缺点，并大多已到更新换代期。该系列产品从设计上充分考虑了和老系统的兼容性，因此是理想的更新换代产品。

　　3.3KJF2000监控系统产业化如前所述，该系统具备多种监测功能，从2001年开始在煤矿应用，深受现场欢迎，至今已在煤矿系统推广应用100多套。

　　抚顺分院专门在测控中心和软件中心设立了人员，使KJF2000监控系统加速了产业化进程，目前已形成产业化运营机制。

　　总之，随着科研院所转制形势的深化，抚顺分院在成果产业化上狠下功夫，此举为分院生存发展开辟了广阔的前程。