含煤隧道瓦斯和通风状况远程实时监测装置的制作方法

本发明属于含煤隧道瓦斯参数实测，以及隧道施工与运行管理的安全领域，涉及一种含煤隧道瓦斯和通风状况远程实时监测装置。

背景技术

在我国，隧道施工越来越频繁，隧道施工中遇到煤的情况也越来越多，导致隧道施工瓦斯事故不断增加。为此，对隧道含煤段进行煤层瓦斯参数和通风参数等的实时测定，以及该参数变化范围的预警、报警和切断施工动力源(电、水、压风)等显得尤为重要。

隧道施工期间一旦遇到煤炭，煤炭中将会挥发出瓦斯等有害气体，致使其所有施工顺序、工艺、材料，甚至装备等多方面都将发生较大的改变；由于技术手段落后、监测监控装备等匮乏，现在的瓦斯参数和通风参数等的检测都是人工巡回检测，数据也是人工记录，特别在隧道大断面的条件下，给人工检测带来诸多不便，带来的主要问题是检查精度受环境条件、人为因素的影响较大，更不能连续实时监控瓦斯压力和瓦斯浓度的变化规律以便于施工过程的管理，给现场施工留下了安全隐患。隧道施工过程中，通风参数(风速、风向)也是施工中的重要参数，一旦通风风速偏小或偏大时，易于造成瓦斯积聚事故，或危害环境，这在含煤隧道施工过程中一直是被忽视的问题。至于对含煤隧道瓦斯和通风参数变化进行监控，现场基本无相关设备；当瓦斯参数和通风参数异常时，没有预警、报警及切断工作区域的电源、水源和压风等施工动力源；人员在没有预警的情况下，施工动力源又没有切断而继续工作，工作人员一旦在工作中存在违章行为，将会导致瓦斯爆炸和瓦斯突出等重大事故的发生，造成人员伤亡、隧道破坏和施工装备损坏，给安全生产带来重大隐患。因此，在含煤隧道施工过程中，必须加强对隧道含煤段瓦斯情况和通风情况的实时监测，当有这些参数出现异常时，可以采取预警、报警和切断所有工作地点施工动力源等应急措施，当恢复正常时又能自动复原施工动力源(电、水、压风)等，确保施工人员、装备、材料以及整个隧道环境的生产安全。

技术实现要素：

为了达到上述目的，本发明提供一种含煤隧道瓦斯和通风状况远程实时监测装置，远程实时监测作业空间瓦斯压力、瓦斯浓度以及通风风速、风向，能在瓦斯压力、瓦斯浓度及通风风速、风向异常时进行预警、报警及切断施工动力源，解决了当前含煤隧道瓦斯与通风状况监测人工化、瓦斯参数与通风测试异常时无预警、报警和切断施工动力源不及时等引发的安全事故问题，有效保障隧道施工的安全性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，含煤隧道瓦斯和通风状况远程实时监测装置包括监测主机、数据端口、瓦斯监测单元、风速风向监测单元、开关单元和声光报警监测单元；所述监测主机经数据端口与瓦斯压力监测分站、瓦斯浓度监测分站、通风监测分站、施工动力源监测分站和声光报警监测分站连接；所述瓦斯监测单元由位于同一竖直平面的四个瓦斯压力传感器和三个瓦斯浓度传感器组成；隧道含煤段隧道壁上方圆弧段均匀发散设置钻孔，四个瓦斯压力传感器均匀分布于钻孔孔底，三个瓦斯浓度传感器均匀垂直固定在隧道含煤段隧道壁拱顶上，且位于两侧的瓦斯浓度传感器与隧道壁顶部的距离≤300mm、与隧道壁侧壁距离≥200mm；钻孔贯穿隧道壁，钻孔底部为煤体；所述风速风向监测单元由三个位于同一竖直平面的风速风向传感器组成，三个风速风向传感器均匀固定在隧道含煤段隧道壁拱顶上；所述开关单元由电源开关、水源开关和压风开关组成；第一组开关单元位于隧道隧道口的隧道壁上，其余设置于隧道内部隧道壁上；声光报警器安装在隧道含煤段的隧道壁一侧的拱脚处；相邻所述瓦斯监测单元间隔为5米，相邻所述风速风向监测单元间隔为20米，风速风向监测单元与距离其最近的瓦斯监测单元相距2.5米，相邻所述声光报警器间隔为100米，相邻所述开关单元间隔为1000米，所述瓦斯压力传感器通过数据传输线与瓦斯压力监测分站连接，所述瓦斯浓度传感器通过数据传输线与瓦斯浓度监测分站连接；所述风速风向传感器通过数据传输线与通风监测分站连接；所述电源开关、水源开关和压风开关分别通过数据传输线与施工动力源监测分站连接；所述声光报警器通过数据传输线与声光报警监测分站连接。

进一步的，所述监测主机上设有用于打印瓦斯参数和通风参数的打印机。

进一步的，所述瓦斯压力传感器是py204压力表，量程为0～10mpa，精度为±0.2％，响应时间≤5ms。

进一步的，所述瓦斯浓度传感器是国标gj4/40煤矿用高低浓度甲烷传感器，量程为低浓：(0.00～10.00)％ch4，高浓：(10.0～100.0)％ch4。

进一步的，风速风向传感器由速度传感器、风向传感器和传感器支架组成，速度传感器和风向传感器通过传感器支架固定在隧道壁上。

进一步的，所述数据端口是kj328-j矿用信息传输接口。

进一步的，所述瓦斯压力监测分站、瓦斯浓度监测分站、通风监测分站、施工动力源监测分站和声光报警监测分站均是kj328-f矿用监测分站。

进一步的，所述声光报警器是tlhd2l双喇叭声光报警器。

进一步的，所述电源开关是kbz-1000/1140/660隔爆型真空馈电开关；所述水源开关是zdks-2自动防水开关；所述压风开关是zdkf-1自动压风控制开关。

进一步的，所述速度传感器量程为0～20m/s，误差范围为±0.5m/s，具有自动调节零点功能和自动调节灵敏度功能；所述风向传感器量程为0～360°，精度为±3°；所述传感器支架由套筒和螺钉组成。

本发明的有益效果是，含煤隧道瓦斯和通风状况远程实时监测装置，瓦斯压力传感器、瓦斯浓度传感器及风速风向传感器监测隧道含煤段的瓦斯参数及通风参数，利用监测主机进行监测与控制；当瓦斯、通风参数异常时，实时预警、报警及切断施工动力源，全面实施了含煤隧道瓦斯参数及通风参数的实时监测监控。解决了当前含煤隧道瓦斯参数和通风参数等监测人工化、瓦斯参数与通风参数异常时无预警、报警及切断施工动力源不及时等引发的安全事故问题，通过监测主机监测隧道内瓦斯状况和通风状况，及时预警、报警并控制各施工动力源开关的断开、闭合、闭锁和解锁，确保施工人员、装备、材料以及隧道环境的生产安全。

附图说明

图1是本发明的含煤隧道瓦斯和通风状况远程实时监测装置结构示意图；

图2是本发明的含煤隧道瓦斯和通风状况远程实时监测装置纵向剖面图；

图3是本发明的含煤隧道瓦斯和通风状况远程实时监测装置ⅰ-ⅰ横向剖面图；

图4是本发明的含煤隧道瓦斯和通风状况远程实时监测装置ⅱ-ⅱ横向剖面图；

图5是本发明的含煤隧道瓦斯和通风状况远程实时监测装置ⅲ-ⅲ横向剖面图。

图中，1.监测主机，2.数据端口，3.打印机，4.瓦斯压力监测分站，5.瓦斯浓度监测分站，6.通风监测分站，7.施工动力源监测分站，8.声光报警监测分站，9.瓦斯压力传感器，10.瓦斯浓度传感器，11.风速风向传感器，12.电源开关，13.水源开关，14.压风开关，15.声光报警器，16.隧道，17.隧道壁，18.围岩，19.煤体，20.工作面，21.数据传输线，22.钻孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

含煤隧道瓦斯和通风状况远程实时监测装置，如图1所示，包括监测主机1、数据端口2、瓦斯监测单元、风速风向监测单元、开关单元和声光报警监测单元；监测主机1经数据端口2与瓦斯压力监测分站4、瓦斯浓度监测分站5、通风监测分站6、施工动力源监测分站7和声光报警监测分站8连接；如图2～图5所示，隧道16与围岩18之间设有隧道壁17，煤体19位于围岩18中，本发明在工作面20后面的隧道16内设置监测装置。瓦斯监测单元由位于同一竖直平面内的四个瓦斯压力传感器9和三个瓦斯浓度传感器10组成；其中，四个瓦斯压力传感器9均匀分布于隧道16含煤段拱顶部的钻孔22孔底煤体中，三个瓦斯浓度传感器10均匀垂直固定在隧道16含煤段拱顶部，且位于含煤隧道拱脚两侧的瓦斯浓度传感器10与隧道壁17距离小于等于300mm、与隧道壁17侧壁距离大于等于200mm；钻孔22贯穿隧道壁17，其底部为煤体19；风速风向监测单元由位于同一竖直平面内的三个风速风向传感器11组成，三个风速风向传感器11均匀分布在隧道壁17拱顶部；开关单元由电源开关12、水源开关13和压风开关14组成，第一组开关单元布置在隧道16隧道口的隧道壁17上，其余设置于隧道16内部隧道壁17上；声光报警器15安装在隧道16含煤段隧道壁17一侧的拱脚处；由于每个瓦斯监测单元的测量范围可以达到2.5米，每个风速风向监测单元的测量范围可以达到10米，开关单元的有效传输数据范围是500米，所以设置相邻瓦斯监测单元间隔为5米，相邻风速风向监测单元间隔为20米，风速风向监测单元与距离其最近的瓦斯监测单元相距2.5米，相邻开关单元间隔设置为1000米；另外，考虑到井下噪声较大，声光报警器15的声音传播有效范围选为50米，所以相邻声光报警器15的间隔为100米。瓦斯压力监测分站4通过数据传输线21连接瓦斯压力传感器9，瓦斯浓度监测分站5通过数据传输线21连接瓦斯浓度传感器10，通风监测分站6通过数据传输线21连接风速风向传感器11，施工动力源监测分站7通过数据传输线21连接电源开关12、水源开关13和压风开关14，声光报警监测分站8通过数据传输线21连接声光报警器15。监测主机1上设有打印机3，用于打印监测主机1采集的瓦斯参数和通风参数。

瓦斯压力传感器9的量程为0～10mpa，精度为±0.2％，工作温度为-20°～85°，湿度0～95％rh，响应时间≤5ms，稳定性≤±0.15％fs/年。

瓦斯浓度传感器10的量程为：低浓：(0.00～10.00)％ch4，高浓：(10.0～100.0)％ch4。

速度传感器监测隧道16含煤段风速，量程为0～20m/s，误差范围为±0.5m/s，工作环境温度满足当地气温条件，具有自动调节零点功能和自动调节灵敏度功能，稳定性好；风向传感器监测风向，量程为0～360°，精度为±3°，工作环境温度满足当地气温条件；传感器支架由套筒和螺钉组成，起固定作用。

考虑到瓦斯容重比空气轻，瓦斯易于积聚在隧道16含煤段顶部，所以分别在隧道16含煤段拱顶和两边拱脚处设有一个瓦斯浓度传感器10、瓦斯压力传感器9和风速风向传感器11，又考虑到隧道16含煤段煤层可能会受到地质构造影响的问题，故在隧道16含煤段顶部设有2个瓦斯压力传感器9，监测含煤隧道变化段瓦斯积聚地点处的瓦斯压力、瓦斯浓度及通风风速和风向。

五个监测分站有双向通信及工作状态指示功能、累计量采集及显示功能，用于将各个传感器输出信号传入数据端口2，接收数据端口2传送的控制命令，并控制声光报警器15报警及开关单元各开关闭合与断开；各监测分站的硬件结构包括：中央控制器、数据采集及分析处理电路、上位机通信接口。

数据端口2的型号是kj328-j矿用信息传输接口，便于实现数据电子化、数据传输快捷化；监测分站的型号是kj328-f矿用监测分站，使得设备的兼容性良好；瓦斯压力传感器9的型号是py204防水型压力传感器，测量误差小；瓦斯浓度传感器10的型号是国标gj4/40煤矿用高低浓度甲烷传感器，有效测量区域宽、精度高；风速传感器的型号是dp-fs485，测量精确度高、响应速度快；声光报警器15的型号是tlhd2l双喇叭工业用声光报警器，可连续监测、体积小、质量轻、操作简单；电源开关12的型号是kbz-1000/1140/660隔爆型真空馈电开关，性能可靠，有效防止“假断电”现象；压风开关14的型号是zdkf-1自动压风控制开关，易使用、易维护；水源开关13的型号是zdks-2自动水控制开关，消耗低、抗冲击能力强。

监测主机1通过数据传输线21与各监测分站相连，实时采集隧道16含煤段施工过程瓦斯参数和通风参数，并存储采集数据，数据采集时间间隔为每5分钟一次，实现隧道16含煤段施工过程瓦斯参数和通风参数的实时监测。当瓦斯参数和通风参数异常时，即参数达到限制值时，监测主机1作出决策，并通过数据传输线21发送命令至各监测分站，进而控制声光报警器15报警、开关单元断开，实现异常预警、报警及切断施工动力源，以免异常事故发生。

在监测主机1通过瓦斯压力监测分站4采集的瓦斯压力值达到0.55mpa、瓦斯浓度监测分站5采集的瓦斯浓度值达到0.5％ch4或通风监测分站6采集的风速低于0.25m/s时，监测主机1通过声光报警监测分站8控制声光报警器15发光发声，进行预警；在监测主机1通过瓦斯压力监测分站4采集的瓦斯压力值达到0.74mpa、瓦斯浓度监测分站5采集的瓦斯浓度值达到1％ch4或通风监测分站6采集的风速低于0.25m/s或高于12m/s、风向改变时，监测主机1通过声光报警监测分站8控制声光报警器15发光发声预警、报警及切断隧道16内所有开关单元并闭锁，停工等待瓦斯处理；在监测主机1通过瓦斯压力监测分站4采集的瓦斯压力值低于0.74mpa、瓦斯浓度监测分站5采集的瓦斯浓度值低于1％ch4或通风监测分站6采集的风速介于0.25m/s和12m/s、风向回归正常时，监测主机1通过施工动力源监测分站7，进行自动解锁，并恢复施工动力源。

本发明通过监测主机1，进行瓦斯压力和瓦斯浓度异常预警、报警和切断电、水、压风等施工动力源的控制，全面实施了含煤隧道瓦斯及通风状况的实时监测监控。解决了当前隧道16瓦斯数据监测人工化；瓦斯参数与通风参数异常时，将实时预警、报警及切断电、水、压风等施工动力源不及时，引发安全事故的问题；通过监测主机1的控制，做到相关设备的闭锁和解锁，确保施工人员、装备、材料以及隧道16环境的生产安全。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。