北京龙德智慧矿山爆破监控系统原理

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1、智慧矿山二氧化碳防灭火系统一、目的及意义在煤化工过程中，有大量的二氧化碳产生，如果不对提炼过程中产生的二氧化碳进行回收利用，不仅造成经济损失，而且会严重污染大气环境。采用低温液化原理和净化流程。对煤化工过程中产生的二氧化碳进行回收，产出高纯度低压的二氧化碳，不仅可以保护大气环境，而且企业的经济效益也十分可观。同时煤矿井下发生高温火点或火区是极易导致火灾事故和瓦斯爆炸事故的重大危险源之一,也是造成开采压煤、威胁正常生产、影响经济效益提高的主要因素。许多煤矿属于容易自燃的煤层，工作面采高高、采面长、开采强度一般比较大， 一旦发生自然发火，实行封闭停产灭火，极易造成巨大经济损失。因此防火问题，始终是

2、煤矿突出重点。为了预防煤矿工作面生产期间发生自然发火，以及一旦发火，实施快速灭火，各煤矿虽然矿采取一系列防灭火综合措施，包括灌浆、注泡、撒惰化剂等多重措施，起到了一定积极作用，也暴露了许多防灭火技术的局限性。如在日常生产中许多矿井采用上述技术，基本可以控制住自然发火。但对于在一些特殊情况下，如因异常情况影响开采正常推进，特别是开采到停采线，要进行机组支架大搬家，需要若干时间，发火期的三代难以正常实现更替，将会使自燃发火带停滞时间超过自燃发火期，引起自燃。如何保障煤矿能够实施快捷有效地防灭火，近几年来，国内外不少煤矿积极采用液态CO2实施防灭火，不仅从技术上或经济适用上均取得取得了比较明显效果。

3、根据这样的信息，将大量回收液化煤化CO2副产品，变害为利，开展将其推广应用于矿井防灭火实践研究更是有重大现实意义。液态二氧化碳作为一种新型防灭火技术具有灭火迅速、降温效果显著、安全可靠、操作简单等优点，一直以来受到国内外的广泛关注。所以，开展液态二氧化碳灌注技术进行矿井防灭火，对于保障煤矿火灾防治、保证矿井安全生产具有极其重要的意义。液态二氧化碳灌注防灭火技术的关键是研发液态二氧化碳低温气化装置、研发液态二氧化碳直接注入火区技术保证液态二氧化碳降温效果，同时研发液态二氧化碳输送装置及配套管路设备，确定液态二氧化碳灌注系统工艺、技术参数，建设千万吨级矿井井下移动式液态二氧化碳输运及灌注防灭火系统

4、，实现封闭矿井的大型火灾快速灭火技术，现已在全国范围具有广阔的前景。二 、重点内容1、回收液化煤化厂CO2副产品项目：本项技术整合了工业催化、化学工程、化工机械、化工工艺和化工自动化五个专业的技术优势，长期从事多种气体回收、分离、净化技术的科学研究和技术开发工作，已成功地开发出多种气源二氧化碳回收净化技术。尤其是开发成功吸附精馏法二氧化碳回收净化技术，通过研制选择吸附二氧化碳中微量杂质的高效吸附剂，结合特殊精馏技术，可以把多种高浓度气源中的二氧化碳提纯到99.99%以上，达到（GB106212006）国家食品添加剂和国际饮料协会标准。这一技术已经在2004年12月通过教育部级科技成果鉴定，被评

5、为国际先进、国际首创的工业化生产技术，并获得两项国家专利授权（专利号ZL03238678.8）、（ZL200310105015.6，国际专利主分类号B01J20/18）和四项专利受理；2005年4月13号和12月21号的中国化工报科技创新版，两次大篇幅报道了该技术工业化成功的事例。2005年5月20号和2006年9月27号国家气体专业委员会两次在大连召开全国二氧化碳行业会议，重点推广该项技术，受到全国同行专家的好评。2005年9月和11月该技术同时被评为辽宁省和教育部重点科技成果，获得石油化工部和辽宁省政府两个科技进步奖、全国技术市场协会金桥奖。2、液态CO2防灭火技术项目：1）国内外常规防灭

6、火技术分析和比较煤矿井下火灾发生离不开三要素:可燃物的存在、热源、具有一定浓度氧的空气供给。实践表明，只要能够消除至少其中一个因素就会防止火灾发生或者把火灾消灭。这是我们采取防灭火措施应考虑的基本理念。按照这个理念，国内外已研究探索形成了一系列成熟的煤矿矿井防灭火技术。1）.1灌浆技术在20世纪50年代，灌浆技术成为我国煤矿防灭火技术的主要手段，并且一直沿用到今天。灌浆技术是一项传统的、简单易行的、比较可靠的防灭火技术。在一些缺少灌浆材料的矿区，通常采用注水来代替灌浆，增加煤体的水分，也取得了较好的效果。灌浆防灭技术的原理是通过浆液包裹煤块保水增湿减缓煤体氧化速度、浆体固化沉淀物充填煤体缝隙隔

7、绝漏风阻止氧化来达到防灭火的效果。1).2阻化剂技术阻化剂技术在美国、波兰、前苏联等国家得到了较好的应用；近些年来，阻化剂技术在我国也得到推广应用。该技术主要是让利用阻化原理将具有阻化性能的药剂送入拟处理区，利用阻化剂的负催化作用，煤炭经阻化处理后，在煤炭表面上形成一层能抑制氧与煤接触的保护膜，阻止了氧气和煤结构上的活动链环的羧基反应，使煤炭和氧的亲合力降低，阻化剂有一种主动排斥氧和煤化合的功能，但它并不和煤、氧等物质化合，从而达到防灭火的目的。目前常用的阻化剂主要是氯化物阻化剂防灭火技术包括：喷洒阻化剂防灭火技术，是将含有阻化剂的水溶液均匀喷洒到煤体表面，以达到防灭火的目的汽雾阻化防灭火技术

8、，是将受一定压力下的阻化剂水溶液通过雾化器转化成为阻化剂汽雾，汽雾发生器喷射出的微小雾粒可以漏风风流为载体飘移到采空区内，从而达到采空区防灭火的目的。1).3惰性气体技术惰性气体技术从20世纪70年代开始在德、法、英等发达国家煤矿中大量使用；从80年代起，我国开始了氮气防灭火技术的研究与推广。惰化技术是将惰性气体送入拟处理区，达到抑制煤自燃或扑灭已生火灾的技术。按惰性气体的种类可分为氮气防灭火技术、燃油惰气防灭火技术和CO2防灭火技术。氮气防灭火技术是集约化综采及综放开采条件下采空区防灭火的主要技术手段，但从目前看，氮气防灭火系统仍落后于综采、综放开采技术的发展，还需要进一步提高制氮装备的稳定

9、性和可靠性。燃油惰气灭火技术主要用在当发生外因火灾或因自燃火灾而导致的封闭区，以民用煤油和空气为原料，经过急剧的化学反应，形成惰性气体产物（主要成分是CO2及少量的O2、微量CO、水蒸汽等)，然后将具有一定压力的惰气注入预处理区，达到防灭火的目的。CO2防灭火技术是利用液态CO2对预处理区进行防灭火的技术，利用CO2分子量比空气大、抑爆性强、吸附阻燃等特点，可在一定区域形成CO2惰化气层，对低位火源具有较好的控制作用，并能压挤出有害气体以控制灾区灾情。1).4堵漏技术堵漏风技术用于采空区密闭堵漏风、隔离煤柱裂隙堵漏风、无煤柱工作面巷道巷帮隔离带堵漏风等多个场合，初期的堵漏防灭火措施主要为灌注黄

10、泥浆、砂浆等，近年来研究成功了各种性能优良的新型充填堵漏材料，如无机固化粉煤灰、轻质膨胀快速密闭堵漏材料等。1).5凝胶技术近年来，凝胶技术在我国得到较广泛应用，适用于处理巷道帮、顶、高温区域、撤面期间的自燃隐患以及火区治理。凝胶技术应用于防火时起到覆盖、堵漏、隔氧、阻化的作用，应用于灭火时起到降温、覆盖、堵漏、隔氧、防复燃的目的。凝胶主要由基料、促凝剂和水组成，把所选择的基料和促凝剂按一定比例配成水溶液，再按一定比例均匀混合后，发生“胶凝作用”化学反应，形成无流动性、半固体状的凝胶。凝胶分为无机凝胶和高分子凝胶两大类，其防灭火机理是凝胶通过钻孔或煤体裂隙进入高温区，其中一部分未成胶时在高温下

11、水分迅速汽化，快速降低煤表面温度，残余固体形成隔离层，阻碍煤氧接触而进一步氧化自燃；而流动的部分混合液随着煤体的温度的升高，在不远处及煤体孔隙里形成胶体，包裹煤体，隔绝氧气，使煤氧化、放热反应终止；干涸的胶体还可以降低原煤体的孔隙率，使得通过的空气量大大减少，从而抑制复燃。1).6泡沫防灭火技术泡沫防灭火技术是以化学方法产生膨胀惰性泡沫，以进行防灭火处理的一种技术手段。常用的泡沫防灭火技术有化学惰气泡沫防灭火技术和三相泡沫防灭火技术。化学惰气泡沫防灭火材料由多种原料组成，其原料皆为固态粉状，井下灭火时一般采用钻孔压注方法将其溶液注人自然发火的区域。发生化学反应生成的惰气泡沫可迅速向周围空间、漏

12、风通道及煤壁裂隙扩展，充填火区空间，窒息火区，而且惰泡具有较好的稳定性，可以起隔绝空气的作用。目前国内外主要防灭火技术及优缺点见表1所示。表1 防灭火技术与材料优缺点比较防灭火技术主要材料优点缺点经济成本（元/m3）预防性灌浆技术黄泥、粉煤灰，矸石、砂子、水泥砂浆、石膏、高水材料等。1包裹煤体，隔绝煤与氧气的接触；2吸热降温；3工艺简单；4成本较低。1只流向地势低的部位，不能向高处堆积，对中、高及顶板煤体起不到防治作用；2浆体不能均匀覆盖浮煤；容易形成“拉沟”现象；覆盖面积小；3易跑浆和溃浆，造成大量脱水，恶化井下工作环境，影响煤质。1030注水技术矿井水或自来水1吸热降温速度快，大量的水能迅

13、速降低火源表面的温度；2大量的水蒸气能降低空气中氧气的浓度，有利于惰化防灭火区域；3成本低。1流动性强，覆盖面积小，只流向地势低的部位，难以在高处停留；2易出现“拉沟”现象而跑水，恶化井下环境；3流过一些空隙，会把微小的煤尘冲刷走，增加煤体的空隙率，使漏风通道更加通畅；4一旦水分挥发到一定程度后，容易放出润湿热，使煤层自燃的可能性增加。很少阻化剂技术MgCl：、水玻璃、NaCl、Ca(OH)2以及有机物质如甲基纤维素、离子型表面活性剂等1惰化煤体表面活性结构，阻止煤炭的氧化；2吸热降温，并使煤体长期处于潮湿状态。1不容易均匀分散在煤体上，且喷洒工艺难实施；2腐蚀井下设备，影响井下工人的身体健康

14、。3050惰性气体技术氮气、二氧化碳等惰性气体1减少区域氧气浓度；2可使火区内瓦斯等可燃性气体失去爆炸性；3对井下设备无腐蚀，不影响工人身体健康。1易随漏风扩散，不易滞留在注入的区域内；2注氮机需要经常维护；3降温灭火效果差。成本较低堵漏技术罗克休、马力散、高水速凝材料、堵漏凝胶、聚胺酯泡沫等1聚胺酯泡沫抗压性好、堵漏效果好；2隔绝氧气进入煤体，防止漏风效果较好。1工作量大；2成本高；3聚胺酯泡沫在高温下分解放出有害气体；4罗克休等泡沫材料高温下易燃烧。801000凝胶技术铵盐凝胶1包裹煤体、封堵裂隙效果较好；2耐高温；3对局部火源效果明显。1流量小，流动性差，较难大面积使用；2时间长了胶体会

15、龟裂；3胺盐凝胶会产生有毒有害气体；4成本较高。6080高分子凝胶100150惰性气体泡沫技术氮气泡沫、二氧化碳泡沫等1避免“拉沟”现象；2水能均匀分布；3适于采空区或煤堆深都的煤炭自燃。1泡沫很容易破灭；2只有液相水，一旦水分挥发，防灭火性能就消失。成本较低2）液态CO2防灭火的机理及效果分析2).1 CO2的物理性质1CO2常温、常压下是无色略带酸味的窒息气体。CO2不可燃，正常情况下也不助燃。2CO2在大气中的体积分数仅为0.037%。它在不同的压力、温度条件下有三种形态，即在低温加压下（-20、2MPa）或高压常温（约8MPa、30）下气体可变为液态，液体气化过程中，当温度降到-78.

16、5后将形成雪花状的固态干冰（固体碳酸）。3CO2熔点为-56.6(0.52MPa)，临界温度为31.3，临界压力7.28 MPa， CO2具有升华特性，升华点为-78.5(0.1 MPa)。4CO2相对空气密度为1.529，密度为1.976kg/m3(0、0.1 MPa)，液态CO2的密度随温度的变化而变化较大，-20时，其密度是1.01kg/L，在温度为15、0.1 MPa下，1t液态CO2体积膨胀约640倍。2).2液态CO2防灭火机理分析1窒息氧作用煤的自然发火是煤与氧的氧化反应过程，氧气是氧化反应的必要条件，没有氧气，氧化反应就无法进行。试验结果证明，氧浓度低于8%时失燃,低于3%时，

17、氧化反应彻底被中止，燃烧现象不能持续进行。向发火或具有高温火点的采空区内注入液态CO2立即会形成大量的高浓度CO2，会使采空区内原有O2浓度相对减小，并且由于CO2比空气密度大，重于空气，以及煤体对CO2具有较强吸附作用（吸附量为48L/kg，而煤对氮气的吸附量为8 L/kg，前者是后者的6倍）等特点 ，很容易替代O2而覆盖煤体燃烧点表面，减少煤体燃烧体表面O2浓度，使O2浓度低于自然发火的临界O2浓度，从而防止煤的氧化自燃，或使已形成的火灾因缺O2而窒息灭火。与此同时，大量的高浓度CO2的扩散会必然会提高采空区内气体静压，进而会降低采空区的漏风量，造成氧化自燃带供氧不足，进而阻止氧化反应的进

18、程。2冷却降温作用煤的燃烧过程实际就是煤的氧化过程，其氧化速度与供氧有关系，也与温度有关系。煤炭自燃往往经历三个阶段:升温氧化阶段(110-130)，加速升温阶段(140-190)，急速升温阶段(200以上)。如直接喷注液态CO2时，可使火源明显降温，加速熄灭火源。液态CO2喷入火区空间会瞬间气化，体积将膨胀640倍左右，需要吸收大量热，温度急剧下降到-78.5。1KG液态CO2蒸发气化需要吸收577.8103焦耳KG的热量。加之煤对 CO2极易吸附特点，在吸附过程中将吸附热转移给CO2气体，从而会遏止燃烧的链锁反应。同时扩散采空区内的CO2气体也会吸收氧化反应过程中所产生的热量，降低周围介质

19、的温度，以减缓煤的升温速度，促使煤的氧化反应由于聚热条件的破坏而延缓或终止。3. 惰化抑爆作用气化后的CO2在冲淡可燃气与氧的含量过程中，也使火区空间气体惰化程度不断增大，从而使混合气失去可爆性。CO2 的惰化作用优于其他惰性气体。在以氮气注入的火区阻爆临界氧浓度为12%，火区内明火被熄灭的临界氧浓度为9.5%；而以CO2注入的火区阻爆临界氧浓度为14.6%，火区内明火被熄灭的临界氧浓度为11.5%。经两者比较，CO2惰气的阻燃、阻爆性能明显优于氮气，两者相差2个百分点以上。2).3研制液态CO2防灭火工艺系统装备的实际意义通过表1对国内外常规防灭火技术和材料的优缺点比较，以及结合国内个别煤矿

20、试验将液态CO2用于煤矿矿井防灭火的应用实践，如兖州南屯矿2003年11月曾利用在地面将液态CO2气化成气态CO2通过管路输入井下火区实施灭火，取得明显灭火效果；鹤岗矿区在去年曾经试验过将液态CO2直接从地面利用通往井下火区管道向火区灌注，也取得灭火明显效果。我们总结分析，相比其它常规防灭火技术，液态CO2防灭火技术存在以下优点：（1）液态CO2灌注入火区空间会瞬间体积膨胀气化，并吸收大量热，使得火区温度和氧气浓度降低加快，降温效果明显。（2）适用范围广，液态CO2经过吸收热量气化后，可充扩散充满任何形状的燃烧空间，因而便于对矿井采空区深部、高冒窝等人们不便接近的地点进行灭火。（3）液态CO2

21、灌注火区后，能有效降低煤氧复合速度，迅速抑制燃烧，更有利于防止瓦斯、煤尘爆炸。（4）负面损失少，不会损坏设备和井巷设施，因而灭火后恢复工作量少且容易。（5）输送便利。（6）灭火用材成本低于其他灭火成本。通过对液态CO2防灭火作用和机理研究，以及国内外防灭火技术比较分析，我们认为利用液态CO2防灭火技术思路是没问题的，正好充分体现通过控制煤矿矿井火灾三要素（可燃物的存在、热源、具有一定浓度氧的空气供给）之一的防灭火理念，而且利用其防灭火与其他防灭火技术方法比较具有速度快，操作简单，成本低，防灭火效果显著可靠等特点，是一项先进的防灭火技术，甚至可能将不失为当前煤矿井下防灭火最佳技术措施。但是要想将

22、这项技术措施推开，必须解决高压低温下防止管道爆裂及保障CO2以液态形式注入火区等工艺安全问题，研究开发出适宜于液态CO2特性及煤矿井下特点的液态CO2防灭火工艺系统装备，并制订和落实相关安全保障措施。3)各种有关装备的安全可靠性论证；质量保证体系液态二氧化碳灭火装置的主机部件是低温压力容器。为保证中华人民共和国国务院令第373号发布的特种设备安全监察条例和国家质量技术监督局颁发的压力容器安全技术监察规程及有关技术法规的全面贯彻执行，保证产品质量，确保压力容器在煤矿井下安全运行，特制定本质量保证体系。3).1.1 质量目标质量目标是：生产符合特种设备安全监察条例、压力容器安全技术监察规程、GB1

23、50-2011、GB151-1999等有关标准和规范要求的合格产品、优质产品、名牌产品。3).1.2 质量保证体系公司对压力容器质量保证体系作了明文规定，并设置了压力容器质量控制系统、控制环节和控制点，以保证压力容器产品质量目标的实现。我公司压力容器制造质量保证体系中设置了设计、工艺准备、材料、制造检验（含探伤）四大控制系统。 以特种设备安全监察条例、压力容器安全技术监察规程等法规为准则，国家标准，专业标准及有关规范为基础，制定了我公司压力容器质保体系，它是压力容器设计、工艺准备、材料、制造和检验必须遵循的法规性文件。1）设计、工艺质控系统压力容器设计图纸必须由压力容器设计资格的单位提供。压力

24、容器的图样必须由总经理任命的承接设计工艺责任人员负责。设计零件图、测绘、工艺性工作均应符合容规现行标准、规范、图样要求。2）材料质控系统公司对压力容器所需的原材料（包括焊接材料、外协件、外购件），从材料计划、订货、采购、验收到保管发放，均由压力容器材料质控系统保证。3）焊接质控系统公司对压力容器焊接材料、焊工、焊接工艺评定，焊缝返修，产品焊接试板的质量控制提出了具体要求和规定。压力容器焊接工艺评定应符合国家标准钢制压力容器焊接工艺评定的规定。4）检测质控系统公司对压力容器检测的管理，人员资格、职责、设备、条件，工艺流程和探伤程序做出规定，以保证无损检测结果正确可靠。所有压力容器的X射线探伤，必

25、须经过初评和复评，并按“无损检测管理制度”执行。压力容器产品最终无损检测结果，由探伤室负责出具报告，并按“无损检测管理制度”进行审批。3).1.3 产品检验公司对压力容器产品的检验人员、检验程序以及“停点”的检查内容做出规定，以保证压力容器的检验符合规程、GB1502011、GB1511999标准的要求。产品检验包括原材料复验，生产工序检验和成品检验，统一由检验科负责。产品及其主要零部件和关键工序检验应按标准、规范和产品图样文字的规定进行。检验科应编制检查工艺，并有检查记录。转运储罐须经耐压试验和气密性试验并合格后方能出厂。3).1.4 质量保证体系与组织机构质量保证体系是制造压力容器的法规性

26、文件。质量管理制度和各质控系统责任人员的职责权限，是实施质量保证体系正常运行的管理基础,全厂各类质控系统责任人员必须认真贯彻执行。质量保证体系由总经理批准后生效，并由质量保证体系中各类质控系统责任人贯彻执行。全厂质量保证体系机构由质保责任人员组成，在总经理的领导下由质保工程师直接主持和担负质量保证法规的实施和质量控制，监督活动。质量保证工程师及各类质控系统责任人员，由总经理任命，报上级监督机构和主管部门备案。3、项目主要技术难点及重点目前对于液态二氧化碳在采空区内与环境的热交换机理有待进一步明确，液态二氧化碳防灭火工艺有待进一步成熟与完善。现有的注液态二氧化碳技术与传统的二氧化碳防灭火技术类似

27、，并没有充分发挥液态二氧化碳临界状态对采空区火灾的降温惰化作用，因此需要保障液态二氧化碳可控温的调节，这也是本研究的难点。此外由于液态二氧化碳温度低，一般为-56.6，低温液态二氧化碳的井下罐装及运输，特别是在井下条件复杂，大量液态二氧化碳源井下供给难度非常大，同时管路受压、受砸特别严重，对低温液态二氧化碳输送管道的要求也很高，如何科学有效的解决这系列关键性技术难题成为技术成败的关键。因此，项目实施过程要重点解决以下问题：（1）输送液态二氧化碳的管路低温绝热输送的关键技术与温度的可控式调节；（2）液态二氧化碳在采空区内的运移规律及热交换过程；（3）如何对二氧化碳废气进行液化回收。鉴于以上三方面

28、的原因，多年防灭火技术仅限于现场试验及井下局部应用阶段。通过本项目的研究和实施，研究建立液态二氧化碳防灭火技术及成套装备、实现极复杂条件下矿井大型火灾快速治理、解决煤层自然发火的有效防治，并大规模推广应用到矿井的高效安全生产具有重要意义。成果表述1）二氧化碳液化回收及防治煤矿火灾的液态二氧化碳灌注技术以火区的降温惰化为主，集二氧化碳回收利用“降温+抑爆+惰化+淹没覆盖”的作用机理，构建矿用井下移动式液态二氧化碳输送及灌注系统，构建地面液态二氧化碳输送及灌注系统，构建一套完整的液态二氧化碳防灭火装备；2）通过地面钻孔和管路液态二氧化碳灌注直接灭火、井下钻孔和埋管移动式液态二氧化碳灌注防治自燃火灾

29、等在现场的实施，形成一套完善的液态二氧化碳防灭火工艺技术：确定注液态二氧化碳参数。鉴于液态二氧化碳在采空区内的扩散半径，为防止低温二氧化碳大量涌出到工作面，冻坏工作面支架液压部件造成不必要的损失，合理优化并确定注液态二氧化碳口位置、孔间距、注二氧化碳量、注二氧化碳压力等注二氧化碳技术参数，并制定井下不确定环境下，液态二氧化碳释放口及输送管路的保护措施；通过测试注CO2前后火区内的温度、压力及N2、O2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4等气体的浓度，确定注液态二氧化碳的防灭火惰化指标；研究液态二氧化碳气化对采空区覆盖积水成冰的机理，为加强液氮的冷却效果，研究采空区液态二氧化碳温度的可控式

30、调节；合理分配工作面的风量，加强堵漏工作；3）基于传热传质学、流体力学理论下的液态二氧化碳与采空区空气的热对流，液态二氧化碳在综放工作面采空区内的运移机理及综放采空区防灭火注液态二氧化碳的CFD数值模拟研究。（2）创新点1）二氧化碳液化回收及防灭火技术研究的关键是研究二氧化碳液化回收减排及液态二氧化碳直接注入火区技术保证液态二氧化碳降温效果，同时确定液态二氧化碳灌注系统工艺、技术参数。2）液态二氧化碳在采空区内的运移规律及热交换过程。3、预期经济、社会、环境效益（1）经济效益此套技术为煤化工二氧化碳废气回收利用及自然发火矿井提供科学的决策依据，与常规防灭火技术相比，其防火、灭火效率可提高一倍，

31、防灭火成本降低一半，同时能减少矿井因自燃火灾引起的停工、停产，提高煤炭的回收率，新增利润上亿元，将取得显著的经济效益。项目推广应用后，将为类似矿区扑灭矿井火灾提供成熟的技术和经验，有助于促进经济社会发展。（2）社会效益开展防治煤矿火灾的液态二氧化碳回收灌注技术及成套装备的研究工作，密切联系了煤矿防灭火需求，适应了国家实施新一轮节能减排防灭火的战略机遇，此套技术能为矿井火灾治理及预防自然发火提供科学决策依据。预期研究成果不仅可保障煤矿安全开采，避免发生高瓦斯矿井火灾治理过程中的人员伤亡事故，而且对丰富和完善高瓦斯矿井火灾治理和易自燃矿井防灭火技术保障体系具有较大的促进作用。该项目的研究成功将为国

32、内建设和谐矿区提供了有力的安全技术保障，有力的保障了高效生产煤炭能源的安全，顺应了科学发展观及建设和谐社会的大趋势，对于自治区的发展具有重要的意义。（3）环境效益液态二氧化碳气化后产生的二氧化碳气体为惰性气体，二氧化碳气体分子化学活性差，状态稳定，对煤的吸附效果好。因此，火区环境能实现零污染。智慧矿山爆破安全监控系统解决方案1. 总体方案1.1系统基本功能对放炮过程中的“不安全因素”的实时监控，重点是对瞎炮、哑炮的杜绝；放炮不安全区域人员的误入控制；三人连锁控制；安全距离控制。1.2 功能实现办法1. 放炮过程中的不安全因素的实时监控，重点是对瞎炮、哑炮的杜绝；放炮不安全区域人员的误入控制；通

33、过 “十个不能，一个监控”来实现现场的实时监控，具体实现如下：十个不能：（1） 警戒人员没有到位，就不能放炮。（2） 放炮安全距离不够，就不能放炮；（从而确保放炮的安全距离）（3） 不进行三人连锁，就不能放炮；（确保放炮时，责任人必须到现场完成自己的职责）（4） 网络电阻超限，就不能放炮；（杜绝瞎炮、哑炮的产生）（通过，母线电阻测量和网络电阻测量，在测量值不合格时，自动对放炮监控终端（FD200LS）的充电系统进行闭锁。当网络电阻超过标准值时，放炮监控终端（FD200LS）自动闭锁，不能充电放炮；当电阻值小于标准值，但是一直在波动，说明接线不牢固，不能放炮；网络电阻虽然没有超限，但是，阻值不断

34、增加，说明母线或者脚线落水，容易出现瞎炮，放炮监控终端（FD200LS）将自动闭锁，不能充电放炮。）（5） 瓦斯超限，就不能放炮；（6） 粉尘超限，就不能放炮；（7） 风量不足，就不能放炮；（8） 喷雾设施没有打开，就不能放炮；（9） 有人在危险区域，就不能放炮；（10） 没有停电，就不能放炮；一个监控：矿山各级领导能够通过网络对放炮全过程进行实时监控。1.3系统组成根据井下放炮情况，同时井下光纤、安全监控系统已经建立，充分利用现有的资源，所以智能连锁放炮监测监控系统的主要组成如下：1、 主系统：系统监控主机1台，数据传输控制装置1台，放炮管理机1台，放炮监控系统软件1套（含网络管理软件），终

35、端管理软件1套，UPS不间断电源1台，打印机一台。2、 井下设备：由放炮区域控制器1台、安全距离定位器1台、人员监控器3台，放炮监控终端3台，三人连锁卡20张、语音警示仪1台、本安电源3台、通讯与供电线路等组成。详见配置清单。设备的布置原则是：放炮区域控制器：放炮地点安全距离外1台。安全距离定位器：放炮安全距离地点1台。语音警示仪：放炮地点安全距离外1台。人员监视器：每个放炮地点3台，间距50米。三人连锁卡：每个参加连锁人员一个，大概为放炮员的6倍。放炮监控终端：每个放炮员1台，每班同一个工作面最多同时存在1名放炮员。系统主通讯采用了矿井已经安装使用的通讯线缆，放炮监控系统的放炮区域控制器通过

36、通讯线缆与数据传输装置进行通讯将数据接出。具体数量详见附表。系统结构如下示意图。图：井下布置图一、方法与步骤及原理系统上电首先用磁性钥匙打开磁性开关，给控制电路供电；此时液晶屏会显示开机主界面。二 、检测放炮监控终端开机后会自动检测放炮区域，如果在区域内，则可以进行后续操作；如果不在区域内，则不能进行后续操作。三 、母线阻值、网络阻值测量将放炮网络的两端分别连接到的两个专用测量端子上，如果电阻值超出允许范围，将提示放炮网络连接有问题，应该马上检查，一切合格后再重新进行操作；如果电阻值在允许范围内，液晶提示进行充能操作。四 、人员信息验证放炮区域检测通过后，根据液晶提示，便可通过专门人员的虹膜和

37、三人连锁卡验证，验证通过后，方可进行网络电阻测量的操作步骤。五、 危险区域人员监测放炮终端机自动对警戒线内的人员进行监测，如果危险区域内有人，放炮监控终端机自动闭锁，不能进入下一步。如果危险区域内没有人，在放炮监控终端机进入下一步。六、 瓦斯监测 系统通过读取放炮地点安全监控系统中的数据，如果瓦斯超限，放炮监控终端机就自动闭锁，如果瓦斯正常则进入下一步。七、 充电和放炮用专用钥匙将开关7的位置拨到“充电”位置，进行充电。当充电指示灯亮起时，说明充电完成，可以放炮，此时，将放炮钥匙拨到“放炮”位置即可完成一次放炮操作。八、 操作完成后，一定不要忘记带上防尘帽。1.4 基本功能实现的原理与途径1.

38、 警戒人员不到位，就不能放炮。2. 放炮安全距离不够，就不能放炮。通过放炮监控终端（FD200LS）和安全距离定位器综合作用实现的，使用时按照煤矿安全规程设定好安全距离的，在放炮安全位置处设定一台安全距离定位器，放炮监控终端（FD200LS）只有收到设定的定位器发出的信号时，才能启动进入工作状态，否则，不工作。3. 不进行三人（多人）连锁，就不能放炮。确保放炮时，责任人必须到现场完成自己的职责。 通过虹膜识技术和三人连锁卡射频技术实现，如三人联锁中其中一人离开放炮监控周边一定距离，系统将自动闭锁，不能放炮。此虹膜技术能够准备无误的采集传输人员信息，靠近设备，并按照设备的语音提示观看一下镜头，就

39、完成识别过程，下传给放炮监控终端机，实现三人联锁放炮。4. 网络电阻超限或者不合格（可能有瞎炮），就不能放炮。瞎炮处理是放炮过程的一个很大安全隐患，瞎炮处理非常容易造成人员伤亡事故。智能放炮监控系统，可以提前预测是否可能产生瞎炮，以便于提前采取措施，预防瞎炮的产生，实现本质安全。坚决杜绝因双绞线接线不牢、不标准而引起的落炮，从而有效的杜绝瞎炮、哑炮。这种不合格状态有三种情况： 一是，数值超标，就不能放炮； 二是，数值虽然不超标，但是一直在波动，就不能放炮； 三是，数值虽然不超标，但是一直在升高，就不能放炮。 5. 瓦斯超限，就不能放炮。瓦斯检测值从两个方面获得： 一个是现场悬挂的无线瓦斯传感器

40、获得，无线瓦斯传感器由放炮员随身携带，也可以悬挂在现场可能有瓦斯超限的地方，该传感器采用无线传输的方式将瓦斯数据传输到系统中； 另一个就是从矿现有安全监控系统的地面主机获取瓦斯数据。6. 粉尘超限，就不能放炮。当粉尘超限时，系统自动闭锁不能放炮。粉尘数据来源可以通过两种途径实现，一个是在放炮监控终端（FD200LS）上直接接入粉尘传感器，直接由传感器控制起爆系统。另一个是，本系统直接获取矿提供的粉尘监控系统设定位置的粉尘数据。7. 喷雾设施没有打开，就不能放炮。放炮之前必须喷雾降尘，严防粉尘爆炸。放炮规程规定，放炮前必须首先打开喷雾设施降尘。本系统可以将喷雾设施是否打开作为控制放炮的条件。信号

41、接入的途径有两种，一是直接接入已有安全监控系统的防尘喷雾的开关信号（当然，信号必须能够数字化）根据开关信号判断是否可以放炮，也可以将喷雾设施的开关量直接接入放炮监控终端，直接开关由传感器控制起爆系统。8. 有人在放炮危险区域，就不能放炮。就是放炮时，首先监测放炮区域（警戒区域）是否有人，有人系统就自动闭锁，不能放炮。是否有人的信息的判断方法：通过安装在放炮警戒区域内的放炮监视器来完成控制，有人员在危险区域，就终止作业，不能放炮。9. 工作地点可能有电，就不能放炮。 工作地点的电器设备失爆，是造成瓦斯爆炸的一个原因。放炮时，切断工作地点的电源，就能避免这类事故。通过接收工作地点的供电继电器的是否

42、供电的信号，系统可以实现供电时，发爆器闭锁，不能放炮。10. 工作地点风量不足，就不能放炮。1.5 技术参数1. 系统容量：单套系统接口最大可接入放炮区域控制器128台。2. 系统可以监控的安全因素为10种以上，可根据需要增加或者减少监控因素。3. 系统连接方式：系统连接方式为can,TCP/IP,采用信号线缆或者光纤通讯系统误码率：108。4. 放炮监控终端与系统之间的最大无线通讯距离3-10 m。5. 供电：井下设备采用本安电源供电，远程供电距离不小于2 km。6. 系统存储性能：有关记录在地面中心站保存半年以上。7. 软件画面响应时间：调出整幅画面85%的响应时间2 s，其余画面5 s。

43、8. 地面系统与井下控制器离线控制功能：即当地面主机与井下控制器中断通讯时，井下控制器具有离线管理功能，以确保井下放炮的正常运行。9. 设备故障处理功能：当放炮安全环境参数传感器出现设备故障时（数据超限、信号不通），这时，地面主机自动弹出对话窗，并报警，经过井下确认，地面领导批准后，可由操作员设置为故障命令，系统自动进行故障处理。（就是将故障作为合理数据来实施控制）10. 语音报警功能：进入放炮程序时，每个环节都由语音警示仪发出命令，以警示周边人此区域正在进行放炮。1.6 主要设备技术参数1.61放炮监控终端 （FD200LS）l 防爆型式:矿用隔爆兼本质安全型l 防爆标志：ExdibIl 引

44、爆能力（发）： 200 l 脉冲电压峰值(V): 3000l 允许最大负载电阻： 1220 （镍铬桥丝2米铁脚线工业瞬发电雷管）l 电源: 3节3.7V聚合物锂离子电池（型号：873445M，容量：1300mAh）l 控制模块额定工作电压：DC 3.7Vl 一节电池的最高开路电压： DC 4.2V l 一节电池的最大短路电流： 3Al 放炮部分额定工作电压：DC 7.4V（两节873445M型，1300mAh电池串联）l 两节电池的最高开路电压： DC 8.0Vl 两节电池的最大短路电流： 6Al 本安参数： 语音口 开路电压：DC4.2 V；短路电流10mAl 通讯口 开路电压：DC10 V

45、；短路电流20mAl 外接电缆长度: 300m;分布电感: 1mH/km;分布电容: 0.1F/kml 引燃冲量（A.ms）:8.7且 12.0l 供电时间(ms):4l 充电时间(S):20l 外形尺寸:214*158*53mml 重量:1.6kgl 可设置多人连锁；l 自动存储放炮数据；l 计算机对其进行参数设置；l 执行企业标准编号：GB7958-2000l 使用环境条件：环境温度为-20+40，相对湿度95%（25）,大气压力80110 kPa,瓦斯浓度1%.l 数据传输装置与区域控制器间的数据传输a）通信路数：1路；b）传输方式：即收即发；c）传输速率：3k,5k，10kd）最大传输

46、距离：10Kme）传输信号电压幅值：1 V5 Vf）传输信号电流幅值： 30 mAl 区域控制器与人员监视器间的数据传输a）通信路数：1路；b）传输方式：即收即发；c）传输速率：3k,5k,10kd）最大传输距离：10Kme）传输信号电压幅值：1 V5 Vf）传输信号电流幅值： 30 mA1.62无线接收器（人员监视器）KJ225-s安装在放炮警戒区域内，监控警戒区域是否有人存在。监控的原理是通过精密监控放炮警戒区域内的灯光来实现对人员的监控，因为井下人员必须携带矿灯，有人活动就一定有灯光存在。放炮时必须关闭放炮区域的一切照明设施和主动发光设施。a） 供电电压：9VDC-24VDC；b） 功耗

47、：2W；c） 有线通讯方式：CAN,1路；d） 传输速率：3Kbps，5Kbps，10Kbps，20Kbps；e） 最大传输距离：10Km（电缆型号：MHYVR127/0.52）；f） 通讯信号工作电压幅值：1 V5 V；g） 监视范围：0到100米； h） 安装示意图：1.63 人连锁监测仪KJ225-S采用虹膜识别技术，能够准备无误的采集传输人员信息，通信无线传输下传给放炮终端机，实现三人连锁放炮。使用时，首先将全部参加三（四）人连锁的人员信息在地面录入，到井下工作时，只要靠近设备，并按照设备的语音提示观看一下镜头，就完成识别过程，速度快，准确率高。 接 口：2.4G无线通信； 工作温度：

48、-20-60 使用方式：壁挂式 眼睛角度：俯仰旋转45 注册时间：双目3s 操作提示：语音向导光学引导 识别时间：双目1s(戴眼镜3s) 工作距离：250-350mm 工作电压：DC+12V-DC+24V 峰值电流：400mA 环境光强：0-5000Lux 采集图像：15362048 认证方式：双目单眼 精 确 度：FAR0.0000001%FRR0.1% 戴眼镜FRR1% 照明方式:红外照明符合ANSI/IEC60825-1安全标准 虹膜特征数据存储容量: 1,2000个虹膜特征数据 符合标准:国际标准ISO/IEC19794-6:2005安装示意图：1.64 语音警示仪语音警示仪用于对放炮

49、过程的报警和提示。放炮过程中，放炮终端机与系统无线连接成功后，系统进入放炮作业过程，这时语音警示仪进入工作状态，播报放炮监控终端发送的放炮信息，即时根据放炮过程的进展，一步一步提示警示放炮过程的进展，引导操作人员进行下一步的操作，同时警示报警放炮作业，直到放炮过程完成为止。声音清晰响亮，标准普通话。同时还有双色LED点阵汉字显示功能，当放炮时显示屏红色显示“放炮”两字，平时显示绿色指示灯表示平安不放炮。设备主要由信息采集处理模块、传输模块、嵌入式软件等组成。与放炮监控终端之间采用无线通讯连接。a） 本安型设备；b） 供电电压：9VDC-24VDC；c） 功耗：10W；d） 有线通讯方式：CAN

50、,1路；e） 传输速率：3Kbps，5Kbps，10Kbps，20Kbps；f） 最大传输距离：10Km（电缆型号：MHYVR127/0.52）；g） 通讯信号工作电压幅值：1 V5 V；h） 无线通讯方式：2.4G；i） 传输速率：1M；j） 无线最大发送功率：0dBm;k） 无线传输最大距离：20米；l） 语音清晰响亮，声级强度大于90分贝，信号灯可视距离大于100米；1.65 放炮区域控制器KJ225-F放炮区域控制器主要由信息采集处理模块、传输模块、后备电源、嵌入式软件组成。主要功能就是双向通讯-一方面将接收到的人员信息、放炮监控终端（FD200LS）信息、放炮操作信息传到地面；另一方

51、面将地面的指令传到放炮监控终端（FD200LS），再一个功能就是给安全距离定位器供电。一个放炮区域控制器最多可以连接8个放炮监控器。放炮区域控制器与放炮监控器之间采用CAN总线通讯，距离最大可以达到10千米。放炮区域控制器与放炮监控数据传输装置的信号传输可以采用CAN总线方式，也可以直接接光端机，采用光缆通讯的方式，也可以直接接因特网交换机。 放炮区域控制器内存容量为5000条记录。放炮区域控制器需要布置在安全环境好的巷道或者硐室为宜。每个放炮区域控制器需要一个矿用本安电源供电（不间断的供电不小于2小时），由此保证放炮区域控制器在断电等特殊情况下的连续工作。技术参数a）具有数据接口的双向通讯功

52、能；b）具有与放炮监控器的通讯功能，并进行数据处理。 c）具有数据校验功能。d）支持模拟CAN总线与CAN总线功能。主要参数a） 供电电源： DC 18Vb） 安全型式： 矿用本质安全型 ExibI2.放炮区域控制器与传输装置的数据传输a） 传输路数：1路； b）传输方式：主从式、半双工、CAN、单极性； c）传输速率：4800bps； d）最大传输距离：10Km（电缆型号：MHYVR127/0.52） e）通讯信号工作电压幅值：1 V5 V f）通讯信号工作电流幅值： 80 mA3.放炮区域控制器与无线收发模块间的数据传输a）通信路数：可编程多路；b）传输方式：即收即发、单向、CAN、单极性

53、；c）传输速率：2.4GHz；d）最大传输距离：20m（电缆型号：MHYVR 147/0.52）e）传输信号电压幅值：1 V5 Vf）传输信号电流幅值： 20 mA安全距离定位器KJ225-S功耗 a）额定工作电压：DC18V b）工作电流： 100 mA与控制器的通讯 a）传输路数：1路 b）传输方式：主从式、半双工、CAN； c）传输速率：5000bps d）最大传输距离：10Km（电缆型号：MHYVR147/0.52） e）通讯信号工作电压幅值：1V5V f）通讯信号工作电流幅值： 30 mA三人连锁卡 KJ225-K主要技术参数1. 供电电源a）额定工作电压：3V（由锂电池供电）b）工

54、作电流： 2mA2. 电池参数a）型号：一次性锂离子纽扣电池（生产厂家：常州市锂霸电池有限公司)(CR2477)b）开路电压： 3.5 Vc）短路电流： 1.2 A3. 无线信号传输a）传输方式：GFSKb）传输频率：2.40.08GHzc）发射场强： 0dBm d）最大传输距离:30m4. 最大编码容量：16777216个。5.外形尺寸：73mm44mm27mm放炮数据传输装置(KJ225-J）放炮数据传输装置的功能就是传输监控主机到放炮区域控制器和放炮区域控制器到主机的信号传输，并实现地面线路和井下线路的隔离，保证矿井的安全。主要由信号转换模块组成，完成通讯信号的转换。采用光栅隔离技术实现

55、本安与非本安运行环境的隔离，实现店面线路和井下线路的隔离。采用220V电源供电。电源电压： AC 220V（10%）工作电压 18V工作电流： 100mA通讯速率： 1200bps9600bps间自动调整 外型尺寸： （43030080）mm 重 量： 3500 克l 地面主机与放炮数据传输装置间的数据传输1） 放炮数据传输装置： RS232；2） 传输信号方式： 半双工、串行异步传输；3） 传输电缆： 标准计算机通讯电缆；4） 传输速率： 4800 bps ；5） 最大数据传输距离： 15 m；l 放炮数据传输装置与放炮区域控制器间的数据传输6） 传输信号方式： 半双工、串行异步传输；7）

56、传输电缆： 通讯电缆（MHYVR 127/0.52）；8） 巡检周期： 30 S；传输电缆（MHYVR 127/0.52）+20导体直流电阻： 18.1 /km线对工作电容： 0.06 uF/km电感： 800 uH/km地面中心站:设备配备: 中心站的标准配置为：工控主机2台2小时不间断电源 1套，打印机一台。采用CAN总线传输时，需要信号避雷器2个。地面中心站主机采用工控机，配备两台，双机热备。最低配置为：a)操作系统：Windows2000以上操作系统；b)内存：1G以上；c)硬盘：160G以上。d) 17寸液晶显示信号避雷器（LAXCH303-24CH）工作电压： 24 V额定放电电流

57、： 5 A最大放电电流： 10 A 防护电平（线-线）：50 V防护电平（线-地）：30 V响应时间： 1 ns 传输速率： 1 Mbps产品外形尺寸： （422525）mm 地面中心站（机房）是整个系统的控制中枢，通过串行接口与及井下所有通讯放炮监控传输装置与放炮区域控制器连接，通过网卡和网络交换机与地面局域网各终端连接。工控机（上位机）对井下所有放炮区域控制器巡回采集记录数据，刷新数据。防护电平（线-地）：30 V响应时间： 1 ns 传输速率： 1 Mbps产品外形尺寸： （422525）mm 地面中心站（机房）是整个系统的控制中枢，通过串行接口与及井下所有通讯放炮监控传输装置与放炮区域

58、控制器连接，通过网卡和网络交换机与地面局域网各终端连接。工控机（上位机）对井下所有放炮区域控制器巡回采集记录数据，刷新数据。1.66使用环境条件：1 安装于机房、调度室的设备，应在下列条件下正常工作： 环境温度:1535； 相对湿度:40%70%； 温度变化率：小于10/h，且不结露； 大气压力:80 kPa106 kPa2 除有关标准另有规定外，系统中用于煤矿井下的设备应在下列条件下正常工作： 环境温度：030； 平均相对湿度：不大于95%(+25)； 大气压力：80kPa106kPa； 有爆炸性气体温和物，但无显著振动和冲击、无破坏绝缘的腐蚀气体； 无显著摇动和剧烈冲击振动的环境。3 无淋

59、水、无强腐蚀性气体、无显著摇动和剧烈冲击振动的环境。4 无强电磁干扰的场所。1.67安装与调试：1 地表监控主机安装与要求：地表监控主机的安装参照电脑安装文件进行；监控主机及其相关连的设备要有专门的安放地点，要有良好的接地屏蔽措施；地表监控主机要设专人维护。2 放炮监控传输装置的安装与要求：l 放炮监控传输装置安在地表监控主机机房内；l 放炮监控传输装置不能安在靠近热源、潮湿、粉尘大的地点；l 放炮监控传输装置的232串口与地表监控主机RS232串口插接牢固；l 放炮监控传输装置与地表监控主机的连接线不大于15米；l 放炮监控传输装置的电源线连接牢固可靠。l 放炮监控传输装置的外壳接地线由外壳

60、接地螺栓引出，接入大地，并保持良好的接地连接，接地电阻不大于4。l 放炮监控传输装置的电源插头插接在AC220V电源插座上。l 地面主机房，应该进行整体的防雷设计。3 避雷器的安装与要求：输入端和输出端严禁接反。接地线端子必须接地。避雷器属外购件,严格参照产品说明书有关要求执行。4 放炮区域控制器、安全距离定位器的安装与要求： 产品的安装位置 ： 该产品可安装在放炮地点附近，固定到巷道壁上。 l 放炮区域控制器的固定：可安装在井下巷道一侧墙壁上。安装时先用防爆电钻按有关电气安装要求在巷道壁上适当的高度钻孔，然后将8 100mm的膨胀螺丝固定在巷道壁上，在膨胀螺丝上安装挂钩，将放炮区域控制器挂在

61、挂钩上。安全距离定位器的固定同放炮区域控制器。l 安全距离定位器的固定：是确定放炮安全位置的重要设施，安装时先用防爆电钻按有关电气安装要求在巷道壁上适当的高度钻孔，然后将8 100mm的膨胀螺丝固定在巷道壁上，在膨胀螺丝上安装挂钩，将安全距离定位器挂在挂钩上，并用打铁锁锁死，锁的钥匙由安全员持有，需要移动时，由安全员负责移动。l 放炮区域控制器、安全距离定位器的外部连接放炮区域控制器固定安装完成后，拧开放炮区域控制器外壳的两个闭锁螺丝，打开机壳外盖；同时拧开通讯和电源接口的缩口固定螺丝，取出封口胶垫，将通讯和电源电缆串接好缩口固定螺丝、橡胶垫圈后通过放炮区域控制器接口，拧紧缩口固定螺丝；把通讯和电源电缆固定到各自的接线柱上，检查机壳外盖的封闭胶垫圈完好后，上紧闭锁螺丝。安全距离定位器要连接到放炮区域控制器，连接要求同放炮区域控制器，安全距离定位器的电源来自放