《矿山安全检测监测技术》实验指导书.docx

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《矿山安全检测监测技术》实验指导书

《矿山安全检测监测技术》

实验指导书

重庆大学资源及环境科学学院

二00八年九月

实验一矿山安全检测仪表误差实验..........................................................................................................................4

1实验目的4

2实验设备及材料4

3试验设备及原理4

3.1仪器的使用方法5

3.2CH4浓度测定6

3.3CO2浓度的测定6

4实验步骤6

5实验报告7

实验二矿井内空气中有害气体浓度测定8

1实验目的8

2实验仪器8

（1）检定管8

（2）取样唧筒8

（3）标准气体物质9

3实验方法和步骤9

4实验报告9

实验三矿井内空气中矿尘浓度测定10

1试验目的10

2试验原理和设备10

3试验方法10

4.实验报告11

实验四大气压、空气湿度和空气密度测定12

1.试验目的12

2.试验仪表12

（1）大气压测定12

（2）空气相对湿度测定13

3实验内容13

4实验报告13

实验五煤矿安全监测监控系统实验14

1实验目的14

2实验仪器14

3实验内容和方法14

1）煤矿安全监测监控系统14

2）煤矿安全监控系统软件15

3）井下监控分站19

4）传感器的使用方法24

4.实验报告25

《矿山安全检测监测技术》

实验指导书

实验一矿山安全检测仪表误差实验

1实验目的

1　掌握光干涉甲烷检定器、甲烷报警仪、U型水柱计使用方法、工作原理等。

2　了解测量误差类型，分析各种误差来源，掌握不同量程仪表的误差表示方法和精度要求。

3　熟悉数据处理方法，掌握测量数据修正方法。

2实验设备及材料

①0～10%和0～100%光干涉甲烷检定器各一台；

②低浓度（0～4%）甲烷报警仪和全量程（0～100%）甲烷报警仪各一台；

③15000PaU型水柱计和1500mmHg水银计各一只，并分别将水柱计和水银计灌注8000Pa水和800mmHg水银；

④0.5%、2%、2.5%和50%标准甲烷气体物质各一份；

⑤波纹管调压器一只；

⑥精度±0.25%F.S，量程0～0.1MPa标准压力表一只；

⑦玻璃三通及硅胶管若干。

3试验设备及原理

①2%CH4和2%CO2标准气体物质各一份；

②AQG-1型光干涉式甲烷检定器测一台。

煤矿井下普遍使用AQG-1型光干涉式甲烷检定器测CH4和CO2的浓度，它的外形和内部构造见图1-1。

图1-1AQG-1型光干涉式甲烷检定器外形结构

检定器根据光干涉原理制成，它的关学原理如图3-2所示。

灯泡1发出的一束白光，经光栅2和透镜3变成一束平行光射到平行平面镜4后，分成两束光线。

其中一束自平面镜的a点反射，经右空气室，大三棱镜和左空气室回到平行平面镜，再经镜底反射镜面的b点，另一束在a点折射进入镜底后反射出来，往返经过甲烷室也回到平面镜，于b点反射后与第一束光一同进入三棱镜6再经90度反射进入望远镜。

这两束光由于光程差（光程为光线通过的路程和所遇过的介质的折射率的乘积），在透镜7的焦点平面上就白色光特有的干涉条纹（通常称“光谱”）条纹中有两条黑纹和若干条彩纹。

光通过气体介质的折射率与气体密度有关，如果以空气和甲烷室都充满新鲜空气时干涉条纹的位置为基准（即为零点），当含CH4的空气进入甲烷室时由于气体密度的变化，光程也随之发生变化，于是干涉条件产生位移，位移量的大小与CH4浓度的高低成线性关系。

所以根据干涉条纹中任一条纹（通常为黑色条纹）的移动距离的大小，就能直接测出空气中的CH4浓度。

3.1仪器的使用方法

仪器使用前要进行下列准备：

（1）充填吸收剂水分吸收管中装入氯化钙（或硅胶），二氧化碳吸收管中装入石灰，吸收剂颗粒过大不能充分起吸收作用，过小则阻塞气路，吸收管两端填以脱脂棉，以免煤尘及吸收剂进入仪器内部，吸收剂变质时应及时更换。

（2）气密性检查，堵住进气口，用手捏扁吸气球，然后放松，球体不起表明仪器不漏气，放开进气口，球体即膨起，表明气路畅通可以使用。

（3）光路系统检查，装好电池后，按下光源电门8，由目镜观察并转动目镜筒，调整到分划板刻度清晰时，再看干涉条纹是否清晰，如不清晰可转动光源电门7，由微读数观测窗看微读数电源是否接通。

图1-2　检定器的光学系统

1－光源2－光栅　3－透镜　4－平行平面镜　5－大三棱镜　6－三棱镜　7－物镜

8－测微玻璃9－分划板10－场镜11－目镜12－目镜保护玻璃13－空气室14－甲烷室

3.2CH4浓度测定

首先，在新鲜风流中对零：

按压微读数电门7，逆时针转动微调螺旋3，将微读数调到零点，捏放橡皮球5～6次，使甲烷室内充满新鲜空气，按压下光源电门8，由目镜观察干涉条纹的同时，转动主调螺旋2，使条纹中的某一黑线正对分划板的零点，盖紧主调螺旋盖15，就可以进行测定了。

测定时，在测定地点捏放橡皮球5～6次，将待测气体吸入甲烷室，按下光源电门8，读出黑基线位移后的整数值，再转动微调位螺旋3，使黑线遇到和该读数重合，由微调读数盘上读数读出小数，例如，位移的整数为2，微读数为0.46，则CH4浓度为2.46％。

该仪器还可以用来测定其它气体，但是必须加装专门的吸收管并进行测定结果校正。

3.3CO2浓度的测定

空气中同时存在CH4和CO2时，先测出CH4浓度，然后取下吸收管，测出CH4浓度和CO2的混合浓度。

因为CO2的折射率（1.000418）与CH4浓度的折射率（1.000411）相差不大，一般测定时，后一读数减去前一读数即为CO2浓度。

精度测定时，还要乘以校正系数k，kCO2＝0.952。

4实验步骤

①分别用0～10%和0～100%光干涉甲烷检定器对0.5%、2%、2.5%和50%标准甲烷气体物质进行从低到高测量，并记录数据；

②分别用0～10%和0～100%光干涉甲烷检定器对0.5%、2%、2.5%和50%标准甲烷气体物质进行从高到低测量，并记录数据；

③分别用低浓度甲烷报警仪和全量程甲烷报警仪对0.5%、2%、2.5%和50%标准甲烷气体物质进行从低到高测量，并记录数据；

④分别用低浓度甲烷报警仪和全量程甲烷报警仪对0.5%、2%、2.5%和50%标准甲烷气体物质进行从高到低测量，并记录数据；

⑤并联U型水柱计、水银计和标准压力表，用波纹调压器对压力实验系统进行充气，并分别记录0.0Pa、1000.0Pa、2000.0Pa、3000.0Pa、4000.0Pa、5000.0Pa、6000.0Pa时的水柱计、水银计和压力表显示值；

⑥完成步骤⑤后，将压力系统升至50mmHg，将待压力稳定后，慢慢卸除波纹管压力，并分别记录50.0mmHg、40.0mmHg、30.0mmHg、20.0mmHg、10.0mmHg、0.0mmHg时的水柱计、水银计和压力表显示值。

5实验报告

①描述试验设备（设备型号、量程、精度）；

②记录实验过程及数据；

③整理分析数据（分析测量绝对误差、相对误差、随机误差）；

④结论。

实验二矿井内空气中有害气体浓度测定

1实验目的

学习并掌握检定管法测空气中有害气体浓度的原理和方法。

2实验仪器

（1）检定管

检定管为装有某种检测用试剂的玻璃管，待测气体通过检定管时与该试剂发生化学反

应，并呈现一定的颜色或变色长度，从而测出该气体的浓度。

根据变色深浅测定浓度的叫比色法检定管。

根据变色长短测定浓度的叫比长法检定管。

煤矿常用的有CO、CO2、H2S和SO2检定管。

本次实验只用比长法检定管测CO或H2S浓度。

a）比长法CO检定管

比长法CO检定管（图1-1）内装有发烟硫酸及硅胶做载体吸收I2O5的指示剂，当CO与I2O5接触时，发生如下的反应：

碘与SO3作用成棕色化合物，它的长度与通过检定管得空气中CO浓度成正比。

根据棕色化合物的长度由检定管的刻度上可以直接读出CO浓度。

123456

图2-1比长式CO检定管

1－堵塞物　　2－活性碳　　3－硅胶　　4－消除剂　　5－玻璃粉　　6－指示剂

b）比长法H2S检定管

管内装有以陶瓷做载体吸附醋酸铅和氯化钡的白色指示剂。

它与H2S发生下列化学反应：

加入氯化钡可生成一部分Pb2CI2S以增加色柱长度，提高测定精度。

（2）取样唧筒

AQY-50型CO检定器唧筒。

它由唧筒活塞4、吸气口1、排气口2和三通开关组成，活塞杆上有0-50毫升的刻度，可以控制取样数量和送气速度。

三通开关用以控制气流方向，当开关把手与吸气口平行时，唧筒与吸气口连通，它与排气口平行时，则连通排气口。

位于两者之间时（450），各路都不通。

图2-2抽气唧筒

1-气体入口；2-检定管插孔；3-三通阀阀把；4-活塞柱；5-比色板；6-温度计

（3）标准气体物质

100PPMCO和0.01%H2S标准气体物质各一份

3实验方法和步骤

1、在测定地点将开关把手置于吸气位置，并将唧筒往复推压2-3次，以清洗唧筒，然后将活塞杆拉出，气体试样就被抽吸在唧筒内了。

再将开关把手置于（450）封闭位置。

2、将检定管两端用小锉刀切断，把进气端插入唧筒的排气口上，再将开关把手置于排气口位置，按照检定管的使用说明书对送气量和送气时间的要求，使气样流过检定管CO与指示胶起反应，产生棕色环。

3、读数，由变色环上端指示的数字直接从检定管上读出CO浓度（PPM）。

如果气样中CO含量超过检定管测量上限，可减少通气量，如通气量为VmmL，则：

4、H2S气体检测方法和步骤重复1～3。

测定结果=检定管×（100÷V）（式中100指要求送气量为100mmL检定管）

如果气样中CO含量低于检定管测量下限，可增加通气次数，如果通气次数为N，则：

测定结果=检定管读数÷N

4实验报告

①描述试验设备（设备型号、使用方法）；

②记录实验过程及数据；

③结论。

实验三矿井内空气中矿尘浓度测定

1试验目的

掌握重量法中虑膜测尘的方法

2试验原理和设备

虑膜法测尘是使一定体积的空气通过特制的虑膜，粉尘被截留在虑膜上，由虑膜的增重（ΔW）和通过的空气量算出空气中的矿尘浓度。

式中

——虑膜的增重，mg；

——通过虑膜的空气量，L/min；

——采样时间，min。

虑膜由直径很细的合成纤维制成，有良好的静电吸附作用，阻尘率高（97.3～99.8），对空气的阻力比集尘管低得多，吸湿性小，容易干燥，近年国内广泛采用这一方法测尘。

虑膜测尘的设备有：

抽气装置、秒表、采样器、胶皮管、采样器固定架、万分之一天平或扭力天平、干燥器等。

图3-1粉尘采样器

3试验方法

（1）虑膜称重，用镊子取下虑膜两面的衬纸，将虑膜在分析天平上称重后装入虑膜夹。

（2）装虑膜，扭下虑膜夹的固定盖，将虑膜中心对准虑膜夹的中心，铺于锥形环上，套好固定盖，将虑膜夹紧，倒转过来将螺丝底座拧入固定盖，放入样品盒中备用。

（3）取样，将虑膜夹放入采样漏斗1内（图4-1），盖好顶盖2，拧紧。

按图4-2所示，将采样器连接于流量计和抽气装置，采样器应置于产尘箱采料口（在现场，粉尘浓度为1mmg，采样器的高度应在人的呼吸带内距底板1.3～1.5米）。

图3-2粉尘采样系统

取出虑膜夹，使受尘面向上装入样品盒内，准备称重。

为了保证测尘精度，要求在同一测定以相同流量平行采取两个试样，两者之差不得超过20％。

本实验只采取单独试样。

（4）称重，仔细地将虑膜由夹内取出，将含尘一面向里折2～3折。

一般情况下，虑膜先放在干燥器内干燥30分钟后在称量，如虑膜表面有小水珠，则置于干燥箱内。

每隔30分钟称重一次，直到相邻两次称重差不超过0.2mg。

（5）计算空气中矿尘浓度。

4.实验报告

①描述试验设备（设备型号、使用方法）；

②记录实验过程；

③结论。

实验四大气压、空气湿度和空气密度测定

1.试验目的

掌握测定大气压（P）和空气湿度的常用仪表的构造、原理和使用方法，计算空气密度。

2.试验仪表

（1）大气压测定

常用的仪表有水银气压计和空盒气压计。

a）水银气压计

常用的水银气压计有动槽式和定槽式两种。

动槽式水银气压计的主要部件是一根倒置于可动水银槽内的玻璃管，管的上端水银面上是真空的，槽内液面则通向大气，所以玻璃管内水银柱高度就表示了大气压力（毫米汞柱或毫巴）。

测定时，转动底部调节螺丝4，使槽内水银液面正好与象牙指针2触及，然后转动螺丝6，使游标1的下切口与水银顶面相切，由刻度尺7和游标1读出大气压的读值（P读），因为刻度是金属的，热胀冷缩，所以要进行读值的温度校正，由温度计8读出测定的温度，从表5—1查出温度校正值

P温，则实际的大气压：

P0=P读+

P温

定槽式水银气压计的下部水银槽是固定不动的，除不必调节槽内液面高低外，其余使用方法同上。

表4-1黄铜刻度尺换算到0℃时的温度校正值

温度

℃

大气压计数值（P读）mmHg

740

750

760

770

780

-1.21

-1.22

-1.24

-1.26

-1.27

-1.81

-1.83

-1.86

-1.89

-1.91

-2.41

-2.44

-2.48

-2.51

-2.54

-3.01

-3.05

-3.09

-3.13

-3.17

-3.61

-3.66

-3.71

-3.75

-3.80

b）空盒气压计

如图4-1所示，空盒气压计由一个波纹状金属真空盒和一套杠杆机构组成。

大气压变化时盒面变形值经杠杆机构放大，带动盒面指针转动指出大气压值。

空盒气压计使用前应用水银气压计校正，校正时用小螺丝刀微微拧转盒背面（或侧面）的调节螺丝，使指针所示气压值与水银气压计一致。

测定时，将其水平放置，用手指轻轻敲击盒面数次，消除指针的蠕动现象，等待数分钟后再读值，读值应根据仪器所附检定证进行刻度和温度的补充校正。

例如，某空盒气压计读值为770mmHg，查取它的刻度校正值为-0.1mmHg，温度校正为-0.03（mmHg/℃×15℃）=-0.45mmHg，补充校正为+0.6mmHg，则实际大气压为770-0.1-0.45+0.6=770.05mmHg。

1-金属盒；2-弹簧；3-指针

图4-1空盒气压计

（2）空气相对湿度测定

如图4-2风扇湿度计，它们都由两支水银温度计组成，其中，一支为干温度计（又叫干球），另一支的水银球上包着纱布，叫湿温度计（又叫湿球）。

测定前将湿球上的纱布用清水润湿。

用风扇湿度计测定时，用小风扇罩上的锁匙将发条上紧，风扇转动，使空气以一定速度（1.7～3.0m/s）流经干、湿温度计的水银球周围，1～2分钟，两支温度计示数稳定即可读取。

3实验内容

①分别用水银气压机和空盒气压计测大气压（重庆732～736mmHg）。

②风扇湿度计测空气的相对湿度，计算绝对湿度（重庆75～85%）。

4实验报告

①描述试验设备（设备型号、使用方法）；

②记录实验过程并记录数据；

③按实验数据处理方法计算空气密度；④结论。

图4-2风扇湿度计

实验五煤矿安全监测监控系统实验

1实验目的

通过动手技能的训练，使学生能够正确使用煤矿安全监测监控系统仪器仪表及设备，加强和深化综合应用安全监测监控技术的能力，根据具体安全问题及要求，提出切实可行的监测监控技术方案、并进行设备选型、安装调试及维护监测监控系统的能力。

2实验仪器

①KJ111煤矿安全监控系统软件、看门狗1套（含计算机）；

②KJJ33数据通讯接口1套；

③KJF监控分站1套；

④FDW-1分站电源1套；

⑤FDB-1备用电源1套；

⑥信号发生器1套；

⑦频率计1套；

⑧万用表1套；

⑨KG9701低浓度甲烷传感器4套；

⑩GFD6型煤矿用风筒风量开关传感器1套；

⑾GYH25矿用氧气传感器1套；

GQL0.1（A）矿用本质安全型烟雾传感器1套；

⑾KGT9-E系列矿用机电设备开停传感器1套；

⑿GFK30（B）系列矿用风门开闭状态传感器1套；

⑿GKD127V（A、B、C、E）系列馈电状态传感器1套；

⒀GC1000J型矿用粉尘浓度传感器1套；

⒁KGW5型数字式温度传感器1套；

⒂GTH1000煤矿用一氧化碳传感器1套；

⒃GPD5000F（A）型煤矿用负压传感器1套；

⒄GUY5（A）型煤矿用投入式液位传感器1套。

3实验内容和方法

1）煤矿安全监测监控系统

煤矿安全监测监控系统包括：

环境安全监控系统、轨道运输监控系统、胶带运输监控系统、提升运输监控系统；供电监控系统、排水监控系统、瓦斯抽采监控系统、人员定位系统、矿山压力监控系统、火灾监控系统、水灾监控系统、煤与瓦斯突出监控系统、大型机电设备健康状况监控系统等。

系统结构及组成如图5-1所示。

图5-1煤矿安全监测监控系统结构图

知识目标

1　熟悉矿井监测监控系统（coalminesafetymonitoringsystem）组成及分类（传感器技术、电子技术、计算机技术和信息传输技术）基本功能和使用方法。

2　了解常用煤矿监测监控系统。

2）煤矿安全监控系统软件

知识目标

1　了解煤矿安全监控系统软件构成。

2　熟悉煤矿安全监控系统软件系统设置方法。

3　掌握煤矿安全监控系统软件使用方法。

能力目标

1　煤矿安全监控系统软件一般通过自解压就可完成。

需要注意的是程序运行需要Access数据驱动的支持，换句话说需要安装MicrosoftOfficeAccess。

②端口设置

系统监控主机开机后，在WINDOWS2000/XP桌面上双击煤矿安全监控系统软件监控软件快捷方式，弹出“通讯参数设置”对话框，进行通讯端口和数据传输速率设置。

选择时注意对应监控主机所连接的COM口，传输速率必须和接口设备的速率一致（通常选择2400波特），如下图5-2所示。

图5-2通讯参数设置

点击“确定”按钮进入煤矿安全监控系统软件中心站主控软件主页面，如图5-3所示。

图5-3中心站软件界面

③用户设置

安装煤矿安全监控系统软件后，首先需要设置用户及口令，只有合法用户才能使用系统软件。

在系统的“系统设置”菜单中有：

增减用户、测点定义、交叉断电、流量定义四项内容。

单击“系统设置”中的“增减用户”会弹出“系统口令”对话框，如图5-4所示。

图5-4系统口令对话框

初始的口令为“12345678”，也可以通过“修改口令”按钮，按自己的要求和格式修改口令，或通过“放弃”按钮取消本次操作。

单击“确定”按钮系统会弹出“增减用户”对话框，如图5-5。

图5-5增减用户对话框

④功能设置

功能设置包括生产班次设置及功能设置两种，主要用于设定生产班次、头班时间和选定超限是否响铃报警、是否启动随即打印功能等。

具体操作方法：

打开选项标题点击“功能设置”，弹出“生产班次及功能设置”对话框，见图5-6。

按框内文字提示选定、设置班次及所需的功能以及头班的时间，然后点击“确定”交系统确认、存盘并返回主控软件主页。

⑤分站设置

由于系统中分站的数量及类型不同，软件通过分站号及分站类型来确定分站。

因此需对其进行设置选择，方法如下。

打开“系统设置”中的“测点定义”项，输入自己的用户名和密码，单击“确认”就进入了“综合监控系统分站及测点定义”。

在“综合监控系统分站及测点定义”对话框中，设有“选分站号”、“分站类型”、“分站位置”及“分站端口配置”等四个主要选项。

如图5-7

图5-7分站及测点定义

a.在“选分站号”的下拉菜单中选定所安装分站的分站号，在“分站类型”的下拉菜单中选定该分站的类型和型号【分站类型有大型分站、中型分站、小型分站、开关量分站和计算机模拟分站5种，对应于八模八开八控互换、八模八开六控互换、四模四开四控互换、二模二开二控互换、提升分站、KDF-4（4路）、KDF-4（2路）或KFD-2、KFD-3、KFD-3X等】。

“分站位置”栏填写该分站在井下安装的具体位置，以方便正确的表示。

b.单击打开“分站端口配置”系统弹出“分站端口特性”对话框，其中共可定义16个通道口的特性，通过单选框的选择来确定分站通道口的采集特性。

需要注意的是它的设置应与井下分站相应通道所连接的传感器类型一致，模拟量传感器选择模拟量或开关量传感器选择开关量，点击“确定”按钮后，所选的配置生效，并返回“综合监控系统分站及测点定义”。

这里可继续进行测点定义，单击“存盘返回”可回到主界面，如图5-8。

图5-8分站端口分配对话框

⑥模拟量传感器定义

模拟量传感器所监测的物理量都有一个确定的数值，比如瓦斯传感器监测的瓦斯浓度，风速传感器监测的风流速度等。

在“综合监控系统分站及测点定义”中选择设置好端口特性的分站，如图6-7，单击“继续”按钮就可进行“模拟量定义”。

所弹出对话框如图5-9。

图5-9模拟量定义对话框

在本窗口中首先需要通过“测点号”选项选定需要定义的模拟量传感器号，然后参照上图填写所选传感器的上限断电值、复电值以及对应的控制口；下限断电、复电值及对应的控制口；及上、下限报警值。

同时还要选择传感器的测量范围、信号制式及测量单位。

最后根据实际连接情况选择填写风量系数，上溢、断线和负漂的对应控制口；及随机打印、响铃报警和运行记录功能。

设置完毕点击“定义有效”按钮，设置参数就能保存生效了。

需要注意的是不同安装地点的传感器他们的上限报警值、复电，下限报警值、复电等值的设置需参见煤矿安全规范。

注：

对应的控制口的作用是：

当传感器超过对应的限值时，用来对井下设备进行断电控制或声光报警；选择传感器的量程。

各传感器的量程如下：

低沼：

0—4水位：

0—5负压：

0—5风速：

（0—15氧气：

0—25高沼：

0—40温度：

0—40湿度：

0—100一氧化碳：

0—500；填上安装位置，支持中英文输入。

最多准输入16个字符；单位：

在下拉式输入框中选取相应传感器对应的单位符号即可；风量系数：

为井下被测段的断面面积；测点删除：

表示此测点不用，可删除，在测点号中，选择要删除的测点，按测点删除按钮即可。

3）井下监控分站

知识目标

1　了解井下监控分站的功能、结构原理、主要参数。

2　熟悉井下监控分站工作原理。

3　掌握井下监控分站接线、调试方法。