摘要：煤矿事故发生率近几年比较高，所以，相关单位为了保障矿井生产的顺利进行，消除安全事故的发生，特别研究分析了井下各个生产环节中仪器仪表的使用方面存在的问题。文章介绍了
智能瓦斯巡检系统，防止值班人员出现漏班，空班的现象。还有是对各种甲烷检测仪进行校准。zui后就是对地质探测仪的应用方面进行了论述。
1、前言
近几年来，位于山东省济宁市范围内的省直属煤矿和在此开采的淄博、枣庄矿业（集团）公司所属煤矿以及兖州矿业（集团）公司各煤矿，针对以前在井下各个生产环节中仪表仪器使用方面存在的问题进行了深入的分析，与有关单位共同开展了科技攻关，提出解决方案并且在井下现场进行了实践应用，不仅有力地保障了矿井生产的顺利进行，而且有效地消除了安全事故的发生。
2、瓦斯、通风方面
2.1智能瓦斯巡检系统的研制应用
瓦斯巡检一直存在着数据手工记录、监督困难、历史数据查询麻烦及不能根据历史记录直接进行分析等问题。由山东省岱庄生建煤矿与济南东之林电器公司研制的智能瓦斯巡检系统能自动记录瓦斯检查员姓名、到岗到位时间、巡检地点及巡检内容，并输入计算机进行分析处理、生成现场需要的各种报表，从而便于准确掌握瓦斯检查员到岗到位情况，为杜绝空班、漏检及假检现象的发生提供了新的技术手段。
⑴系统工作原理。
智能瓦斯巡检系统是由XJ-Ⅱ型巡检仪、地点卡、班次卡、人员身份识别卡、计算机和主站软件六部分组成的。管理人员利用主站软件将巡检路线、巡检点、巡检项目、巡检人员等信息录入计算机，制定巡检计划，然后将计划下发到巡检仪中，并且在井下每个瓦斯检查牌板上安装一个射频地点卡。瓦检员携带巡检仪读取自己的身份识别卡和班次卡，然后到各个检查点巡查，并用巡检仪扫描地点卡，检查点的具体名称和实际到达时间就被储存在巡检仪中。瓦检员用光学瓦检仪进行瓦斯检查，并按巡检仪提示依次输入该点瓦斯浓度、二氧化碳浓度、温度以及监控探头显示浓度等数据，这样就完成了一个点的瓦斯检查工作。按照同样的方法，瓦斯检查员对巡检路线其它各个点依次进行巡回检查。瓦检员升井后，将该班次巡检仪交给管理人员，由管理人员将巡检仪数据上传到计算机并存储在数据库内，然后以目前流行的Excel电子表格形式输出瓦斯检查班报和日报，同时将数据保存作为历史记录以备随时查询和打印。
⑵主要软件结构。
①检测作业计划信息输入模块。巡检计划的编制包括响应的部门、专业、巡检仪、地点卡及其现场位置、计划内容、巡检方法及内容等信息。
②巡检管理信息查询和统计输出模块。系统信息可以按照用户设置的条件（何人、何时、何地、何事及何结果等相关字段）任意组合查询。巡检系统提供多种查询方式（按地点、检测员工号、日期或时间段等）。系统信息以目前流行的数据库（Excel、Access等）进行转换输出，方便用户进行系统功能的二次开发。
③异常数据处理模块。系统将检测过程中获得的数据进行统计并分类，生成的异常数据归入“异常数据统计”模块管理。通过对巡检数据的统计，找出异常地点数据，可清楚看出各地点异常情况。系统提供统计、清单、明细和报表四个功能。
④漏检统计模块。该模块的主要功能是考核巡检员能否按计划要求完成巡检，以此来衡量巡检员工作质量。漏检情况可按班组和具体人员等统计。通过统计对比发现巡检人员对巡检工作的认真程度，及时发现工作存在的问题和漏洞并加以改正。
2.2煤矿常用甲烷检测仪器的校准
兖州矿业（集团）公司矿山救护大队对煤矿常用甲烷检测仪器的校准进行了总结。
⑴光干涉甲烷测定器。
其原理是：两相干光经过不同的气体时，由于密度不同，折射率也不同，因而产生光程差。当两光束相遇的时候，光程差决定干涉条纹的移动，条纹移动量随气体密度变化而改变，气体折射率的差值也随之改变。当混合气体成分比例变化即成分气体浓度变化时，其密度也会改变，从而可从干涉条纹的移动判断气体的成分（浓度）。光干涉甲烷测定器的校准是指在规定条件下，对仪器量值与对应标准量值进行复现操作的过程。检定是指依据检定规程对仪器计量性能进行判定的一系列工作；检定比校准要求高，一般由有资质的计量部门进行。实际应用中对光干涉甲烷测定器的日常校准采用压力校准法和标准气样校准法。①压力校准法。其原理是：一定浓度的甲烷气体折射率对应一定温度条件下对应压力的空气折射率，利用外接加压装置对甲烷气室进行加压至相对应的压力，读出仪器示值，看是否在误差范围内来判定仪器的准确性。不同温度下对应的压力按照温度为20℃时的压力进行折算。②标准气样校准法。这是用标准气样对光干涉甲烷测定器进行比对的校准方法。校准时特别要注意检测仪器吸气取样完毕后及时和有压力的气体源分离，以避免因压力存在造成误差，同时注意温度修正，以确保校准准确性。校准状态下标准气样浓度与对应仪器应得读数关系可用公式计算。
⑵催化燃烧式
甲烷检测报警仪。
煤矿常用便携式甲烷检测报警仪目前绝大部分为催化燃烧原理的甲烷测定器。该仪器原理是：利用甲烷在载体催化元件上发生氧化燃烧时产生热量并引起电阻值的变化，然后利用转换电路实现甲烷浓度值的测量。载体催化元件（俗称黑白元件）是甲烷便携仪的主要部件，其具有双值性，即在一定浓度范围内，元件输出的电信号与甲烷浓度成很好的正比例线性关系，然而到一定浓度时出现拐点，甲烷浓度和元件输出的电信号不再呈规则的线性关系，之后呈现反比例关系。常用的甲烷检测仪在0～4%范围内读值精度非常可靠。但是，该仪器寿命较短，一般现在厂家承诺的寿命即元件活性下降到50%所需的时间不少于一年，同时元件的受到环境的影响比较大，矿井的硫化物会使元件出现中毒，环境的湿度大也会降低元件的活性。另外，当催化元件长期工作在低浓度（1%以下）的时候，突然遇到高浓度的甲烷（5%以上）而后又恢复到低浓度的情况下工作，这个时候的元件活性会提高，即所谓的元件“激活”，会使仪器测量结果偏高，需及时进行调校。
2.3“数字光瓦”和便携式瓦斯检测仪在瓦斯测定应用中的不同点
便携式智能光干涉甲烷测定器（俗称“数字光瓦”）和便携式瓦斯检测仪的共同点是都能测定甲烷浓度且具有一定精度；有一定的使用期限，需要定期进行检查、维修、校验，定期送有资质的安全仪器仪表鉴定机构强检；具有携带方便、操作简单、安全可靠的特点。淄博矿业集团公司岱庄煤矿通过“数字光瓦”和便携式瓦斯检测仪的对比分析，找出它们的不同特点。便携式瓦斯检测仪和“数字光瓦”各有优点和不足，但是均为矿井瓦斯管理中*的安全检测仪器，要很好的使用。
⑴测定气体种类不同。
由于结构和原理不同，便携式瓦斯检测仪只能测定瓦斯的浓度，“数字光瓦”能测定瓦斯和二氧化碳的浓度，而且它们的测定方式、方法、步骤和显示方式不同。
⑵测定范围和精度不同。
①便携式瓦斯检测仪。0～2.00%时精度0.10%；2.00%～3.00%时精度0.20%；3.00%～5.00%时精度0.35%；在测定范围内能准确测定瓦斯浓度，超出范围则不能准确测定瓦斯浓度，且会损坏仪器。
②“数字光瓦”。0～10%时精度0.01%；0～时精度0.1%；在测定范围内能准确测定瓦斯浓度，在测定范围外虽不能准确测定瓦斯和二氧化碳浓度，但是不会损坏仪器。
⑶使用期限不同。
便携式瓦斯检测仪不低于1a，“数字光瓦”l0～1。、
⑷使用时的注意事项不同。
①便携式瓦斯检测仪。
在携带和使用过程中严禁猛烈摔打、碰撞和被水浇淋或浸泡；使用中发现电压不足的是应当立即停止使用，否则将会影响仪器的正常工作并且缩短电池使用的寿命；热催化（热效）式便携式瓦斯检测仪不适宜在含有硫化氢的地区以及瓦斯浓度超过仪器允许值的场所中使用，以免仪器产生误差或者损坏；对仪器每10d使用标准气样进行校验，确保仪器准确、可靠。
②“数字光瓦”。
携带和使用的时候防止和其它硬物碰撞，以免损坏仪器内部零件和光学镜片；光干涉条纹不清晰是由于空气湿度过大，光学玻璃上有雾粒或灰尘附在上面造成的，可调动光源灯泡解决或由维修人员拆开进行擦拭，或者调整光路系统；空气中含有一氧化碳、硫化氢等其它气体将使瓦斯测定结果偏高，应再加1个辅助吸收管，内装颗粒活性炭消除硫化氢影响，装有40%氧化铜和60%二氧化锰的混合物消除一氧化碳的影响；在火区、密闭区等严重缺氧地点，由于气体成分变化大，用“数字光瓦”测定瓦斯的结果会比实际浓度偏大很多（氧气浓度每降低1%，瓦斯浓度测定结果约偏大0.2%），这时候不准使用“数字光瓦”测定瓦斯浓度；高原地区的空气密度小、气压低，使用的时候应当对仪器进行相应调整；仪器不用的时候要放在干燥地方，并且取出电池，以防腐蚀仪器；定期对仪器进行检查、维修、校正，不得使用带病或损坏的仪器。
⑸其它方面。
便携式瓦斯检测仪具有操作方便、读数直观、体积小、重量轻、维修方便等特点。“数字光瓦”操作简单，安全可靠而且有足够的精度；但是构造复杂，维修不便。
2.4南屯矿使用瓦斯断电仪有经验
在沿空掘进煤巷和半煤岩巷时，许多大型煤矿一般都由工作面迎头便携式瓦斯检测报警仪、瓦斯断电仪和回风监测系统的瓦斯传感器组成三位一体的自动监控单元。为了保证瓦斯超限后能够立即断电，瓦斯断电仪基本都是安装在掘进机上的。由于瓦斯断电仪没有特殊的减振措施，经常出现误动作。为了寻求合理的改造方案，兖州矿业（集团）公司南屯煤矿对此进行了研究，并在不影响原电路设计本安性能的前提下对软、硬件进行了相关的改进和实验。
他们发现因为连续振动而产生误断电的主要原因有两个：①小信号继电器在振动中易发生机械触点碰合；②校正断电仪必须调整电位器，长期使用导致电位器旋钮松动，在振动的影响下发生平衡电桥零点漂移，当负向漂移达－0.10时，断电仪输出断电信号使被控设备断电。为此，他们对断电继电器重新选型，选用固态继电器代替原小型继电器，利用分立器件、集成器件及微电子技术实现控制回路（输入端）与负载回路（输出端）之间的电隔离及信号耦合，没有任何可动部件或触点，能与逻辑电路兼容、抗*力强。
为了实现遥控功能，在硬件方面设计了由集成脉冲发生器及分立元件组成的发射装置和由红外线接收器与单片机联接实现接收的装置。发射装置共有4个遥控键，输出脉冲个数分别为7、8、9、10，被单片机接收后分别执行开始／结束、浓度值上升、浓度值下降和复位功能。接收装置为设计的核心部分，负责完成脉冲接收和处理。此外，他们还进行了相关软件的设计，尽zui大可能解决误断电故障，保证掘进工作面安全、正常生产。
2.5风量风压监测仪并入矿井安全监控系统
兖州矿业（集团）公司北宿煤矿将风量风压监测仪数据通过模拟信号转变并入矿井安全监测系统，实现了矿井主要通风机工况点在调度室和通防部门等显示终端在线实时监测，提高了设备的自动化水平和通风管理水平。
⑴问题提出。
由于该煤矿总回风条件恶劣、风硐难以进入、风表检测烦琐、U型水柱计液面上下波动等诸多原因的限制，人工测定矿井风量和风压的数据不准确。他们和中国矿业大学采用风量、风压智能监测仪对风硐风量和负压数据实时采集与运算，准确地在线监测矿井总风量、矿井负压或通风机运行工况的大小与变化情况，并经数码管显示输出。经过一年多的运行，发现风量、风压智能监测仪必须安设在主要通风机附近，读取数据必须到南、西风机房查看或询问，不能够及时地读取主要通风机的工况点。为了解决这个问题，该矿利用微机技术、数据采集技术和现代通讯技术，将风量风压监测仪并入矿井KJ95安全监控系统网络，通过监控网络将矿井风量和负压数据传输到调度室和通防部门等显示终端。
⑵工作原理。
①风量风压监测仪的工作原理。
仪器以单片机为核心，配以传感器、V/I、A/D、E2PROM、按键、数码管和电源等外围元部件组成。传感器输出的原始信号经过V/I变换，调理成4～20mA电流信号，流经采样电阻变成电压信号后，通过V/F变换进行A/D转换，转换分辨率超过13位，转换精度高，具有良好的稳定性和线性。计算机内存储有相应的传感器转换函数以及现场工况参数，经过数学运算求出被测量值，经数码管显示输出。
②信号转换器的工作原理。
对输入的标准电流信号，经取样变成电压信号，再经过放大，输出给V/F转换器，输出200～1000Hz的频率信号。实现了矿井主要通风机工况点实时监测。
③并网的工作原理。
风量风压监测仪配有风量传感器和负压传感器。传感器输出的原始信号经过V/I变换，调理成4～20mA电流信号，经信号转换器对输入的标准电流信号取样变成电压信号，再经过放大，输出给V/F转换器，输出200～1000Hz的频率信号。监控分站将采集的含有风量和风压信息的频率信号处理后，传输到监控系统中心站，并通过中心站主机显示器、大屏幕和模拟盘等外设终端实时显示出来。
⑶实际应用。
风量、风压监测仪并入安全监控系统网以后，通过几年来的使用，技术上*可靠，而且实用性强。由于信号转换远距离传输与监测系统联网，矿领导、调度室或通风部门在局域网上随时可看到矿井通风机运行工况。另外，通防科安全监测队值班人员发现监测数据出现异常或信号中断等故障，可及时通知相关人员进行处理，节约了大量人力和时间。
3、地质、矿压
3.1便携式矿井地质探测仪在煤矿的应用
枣庄矿业（集团）公司新安煤矿在辅助轨道巷和辅助胶带巷的开拓过程中，揭露F7断层落差4.5m，倾角50º。为了确定F7断层走向和延展长度，以便靠近断层布置3116工作面，提高资源回收率，在相临的3112运输顺槽利用KDZ1114-3型便携式矿井地质探测仪进行震波探测，对F7断层追踪探测。
⑴探测方法。
此次试验采用单点探测方法，即利用声波在波阻抗不同的介质界面反射原理来探测介质的速度和厚度。在矿井地质中，煤层密度一般情况下多为1.3～1.5t/m3，波速0.8～1.5m/s；岩层密度在2.4～3.0t/m3，波速2.5～3.5m/s。所以，煤、岩界面反射系数一般比较大，多在0.6以上，是1个强反射界面，有利于震波反射法进行超前探测或煤厚探测。因其采用单个检波器来接收单次锤击所反射回来的声波，并对此数据进行解析得到相应的结果，因此称为单点探测。单点探测技术是源于反射地震波勘探中的自激自收方式。它是通过接收岩、煤层界面的地震波垂直反射信号来解析计算目的层距离或厚度的。单点探测接收的反射波是震源在界面的垂点反射回来的反射波，所以解析的距离总是等于或小于实际位置。探测目的层与探测方向的夹角大于等于60º。
⑵数据采集。
①参数设置。
此次测试结合井下实际工作条件，实测过程中采用单点及单道共偏移连续追踪方式采集数据，在单边排列调查的基础上选择出信号*窗口。采样间隔100μs，采样点数1024个，前放增益24～48dB，采样频率0～1000Hz，通道数4个。
②施工设备。
此次探测采用KDZ1114-3型便携式矿井地质探测仪进行数据采集。传感器声波检层法中采用高频系列检波器，其频率响应为14～2000Hz。震源视实际情况分别采用落重法，即用4kg重锤进行锤击启动，具体使用的软硬件系统设备主要有：KDZ1114-3便携式矿井地质探测仪主机；KDZ震波探测解析系统软件，支持WINDOWS界面；信号传输装置包括4通道信号采集线10m和信号传输延长线30m；启动装置包括多方式启动线4m、启动延长线30m双接头和启动触发器若干；数据通讯装置包括D89通讯电缆3m接头和打印机电缆1mDB25转DB36；震源激发接收装置包括高阻尼检波器100Hz×2、10Hz×2以及其它辅助工具。
⑶体会。
通过震波探测之后，按探测结果进行3116工作面布置，没有遇到F7断层，后来通过钻探验证，断层位置与探测结果相差1.2m，效果很好。该项技术的应用为矿井高产提供了技术保障。KDZ1114-3型便携式矿井地质探测仪作为断层预测预报以及煤厚探测的理想辅助工具，可以提高采区的勘探精度，不仅对于指导生产施工和优化设计有着重大的指导意义，而且提高了煤巷万t掘进率和综采工作面回采率，减少了工程施工的盲目性。
3.2顶板离层仪在岱庄煤矿的应用
淄博矿业集团公司岱庄煤矿采用顶板离层仪对巷道进行监测，合理确定支护方式及参数，有效对巷道支护采取超前措施，变被动支护为主动支护，使掘进速度和支护强度结合起来，加快了施工的速度。
该矿的首采煤层为3上煤层，煤厚2.0～3.2m。煤层顶板裂隙发育，以粉砂岩为主，次为中砂岩，为复合顶板。底板以粉砂岩为主，次为泥岩，厚0.54～15.46m。顶板围岩抗压强度较低，属于不稳定岩层。顺槽采用锚网索支护。
⑴围岩松动圈的确定。
①围岩松动圈的测试。
采用BA-II型松动圈测试仪在1301长壁面顶帮布置测点进行观测。从综合测试结果看，原岩整体性较差，波速较低，均小于2.0×103m/s，松动圈0.7～1.0m，且这一范围的划分标志点不明显，随时间推移还有发展的趋势，常规支护方式难以保证巷道稳定。
②收敛变形的测试。
由测试结果看出：巷道初期变形大，后期变形小，所以巷道掘出后初期支护非常重要，一方面能有效控制巷道初期变形，同时对后期稳定也产生重要影响。
③顶板离层的测试。
在轨道及皮带顺槽内每隔50m安设1个顶板离层仪，每个测孔设2个基点，深部基点深度4～5m，布置在顶板砂岩中，浅部基点在锚杆端部深度2～2.5m。根据顶板离层量对顶板离层进行分析。由分析结果看出：浅层顶板离层较深层严重，浅层顶板的承载力低，深部砂岩顶板变形和离层相对较小。这正是采用锚索支护的基础。工程测试结论：3煤层顶底板围岩稳定性较差、易离层，单一的支护方式难以有效控制巷道稳定，必须根据现场实际揭露的巷道顶底板岩性，合理确定支护方式及参数。
④锚杆受力的测试。
测试结果表明顶板锚杆受力明显大于两帮锚杆（轨道顺槽2#断面测点），zui大载荷为58kN。
⑵矿压观测资料的分析。
①周期来压步距
从巷道周期来压步距数据看出：轨道巷外侧是已采区，皮带巷外侧是实体煤，皮带巷矿压显现没有轨道巷明显，顶板zui大下沉速度仅为轨道巷1/2～1/3；老顶断裂多位于煤壁前方4～8m，以4m为多；轨道巷老顶初次断裂在8～12m，其余均在8m范围内。
②超前支撑力分布。
通过观测分析可知，超前支承压力高峰区约在煤壁前方8～12m，超前巷道围岩破坏区约在自煤壁向前8m左右，故应加强该段巷道的超前支护。
③巷道固定点收敛变形分析。
主要用于观测工作面推进过程中超前支承压力影响范围及巷道变形规律。通过观测，轨道巷两帮移近量较大，累计移近量达306mm，顶底移近量仅为35mm，说明煤层挤出现象严重应加强两帮煤层支护。工作面回采过程中的超前影响范围大致在70～80m，顶板下沉速度显著增加的范围在工作面前方20～30m。
3.3煤层静压式底板比压仪的应用
煤矿井下采煤工作面的综采液压支架在松软底板下使用的时候发生移架和运煤溜子顶起，其重要原因之一就是底板容许比压过小，使得底板遭到支护体的破坏和支架被压入底板所致。济宁矿业集团花园煤矿测定了煤层底板岩层的容许比压等力学参数，对采场底板控制的设计和支架适用性分析具有重要意义。
⑴工作面概况。
首采工作面为-500m综采工作面，开采3#煤层，设计为条带开采，走向长259m、倾向长33.6m。工作面煤层赋存稳定，煤层可采厚度2.13～3.55m，平均厚度2.70m。工作面煤层顶板依次为：厚度5.45m的粉砂岩，深灰色，粉砂状结构，水平及微波状层理，含大量黄铁矿薄膜及植物化石碎片；厚度32.50m的中粒砂岩，灰白色，厚层状，中粒砂状结构，成分以石英为主，分选磨圆较好，具炭化面，夹泥岩条带等。工作面煤层底板依次为：厚度2.85m的泥岩，灰黑色，泥质结构，含大量黄铁矿薄膜及植物根部化石；厚度6.72m的粉砂岩，深灰色，粉砂状结构，波状层理发育，中部夹细砂岩条带，裂隙发育，岩石破碎
⑵底板比压测试。
①方案。采用DYB-3型静压式底板比压仪对底板比压进行测试。由于比压仪顶盖比底座压模的承压面积大，仪器产生的推压力对底板产生的比压大于顶板，因此当仪器施压时主要是向下延伸，并使底座压模压入底板。压模压入底板的深度是随着对底座压模产生的比压（可通过压力表所示的油缸压力换算而得）的变化而变化的，所以底板比压仪器的安装和使用要点是垂直于顶、底板，接触真顶和真底。在工作面内均匀选点。②结果。对工作面进行了3个测站的底板比压测试，根据底板岩性状况均统一选择Φ100mm的压模。根据原始观测记录，整理出各次的压入量hi值，再整理出各次泵压的压模底板比压值，绘出曲线图。由曲线图可知*阶段和第二阶段之间的交点为底板表分层临破坏前的拐点。此拐点的比压值即为该测点的底板抗压强度值。工作面煤层底板的极限比压（亦称*极限抗压入强度）是各测站实测底板比压的统计平均值。*、第二、第三测站的底板抗压强度值分别为10、14、11MPa，底板刚度值分别为1.429、3.500、1.222MPa/mm，可得工作面煤层底板的极限比压为14.58MPa、工作面煤层底板的刚度值为2.05MPa/mm。
⑶工作面底板比压分类。
考虑安全系数为0.75，计算得工作面的容许底板比压为10.94MPa、工作面煤层底板容许刚度为1.54MPa/mm。根据《缓倾斜煤层采煤工作面底板分类》（MT553-1996）要求，对于新建矿井，其煤层底板可以参考有关指标进行分类，确定工作面底板为IIIb类较软底板。⑷工作面支架选型的底板比压适应性。工作面综采支架中间架的底板比压为0.2～1.8MPa，小于煤层容许底板比压，因而是适宜的。
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