陳佩佩

摘要：針對(duì)采空區(qū)及皮帶巷等特殊的地理環(huán)境，研制了一套適合煤礦井下的隔爆兼本安型火災(zāi)感知監(jiān)測(cè)裝置，該裝置具有火災(zāi)識(shí)別與報(bào)警功能，傳輸距離不小于10000米。內(nèi)接氣體采集板傳感器測(cè)量?jī)?nèi)因火災(zāi)，環(huán)境參數(shù)包括溫度、甲烷、一氧化碳和二氧化碳，優(yōu)化集成煤礦井下束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，礦上實(shí)際使用結(jié)果表明，該裝置可實(shí)現(xiàn)井下24小時(shí)連續(xù)、在線、就地對(duì)煤礦火災(zāi)參數(shù)的采集和分析，可有效地對(duì)井下火災(zāi)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，保證井下的安全。

關(guān)鍵詞：采空區(qū);本質(zhì)安全;光纖測(cè)溫;煤自燃發(fā)火

中圖分類號(hào)：TP319? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）19-0226-02

近年來(lái)，隨著礦井開(kāi)采強(qiáng)度增大，采空區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，特別是小煤礦破壞區(qū)遺留大量的煤炭自燃[1]，火區(qū)高溫火源點(diǎn)的辨識(shí)難度增大，加大了有毒有害氣體的治理難度[2～3]由煤炭自燃所引起的火災(zāi)是制約煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，由煤自燃火災(zāi)誘發(fā)瓦斯、煤塵爆炸事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)[4～5]。由于采空區(qū)區(qū)域的特殊性及復(fù)雜性，一旦發(fā)生火災(zāi)，就會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。受限于采空區(qū)區(qū)域復(fù)雜的環(huán)境，采空區(qū)自燃發(fā)火監(jiān)測(cè)至今尚未得到圓滿解決，現(xiàn)階段通過(guò)電阻率法、紅外探測(cè)法和自燃溫度探測(cè)法對(duì)礦井火災(zāi)實(shí)施監(jiān)測(cè)，均不能解決煤礦對(duì)井下火災(zāi)實(shí)時(shí)預(yù)警的需求?，F(xiàn)階段對(duì)于采空區(qū)自燃發(fā)火監(jiān)測(cè)常采用光纖測(cè)溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用特殊的測(cè)溫光纜為傳感器，僅能做到沿線的監(jiān)測(cè)，容易形成盲區(qū)，且對(duì)井下煤自燃發(fā)火的監(jiān)測(cè)因素不全面[6]。本文設(shè)計(jì)的礦用隔爆兼本質(zhì)安全型火災(zāi)感知監(jiān)測(cè)裝置，以束管監(jiān)測(cè)氣體測(cè)量為主，分布式光纖測(cè)溫為輔，對(duì)火災(zāi)信息進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，判定煤自燃程度，確定發(fā)火位置，可以有效地解決采空區(qū)自燃發(fā)火的監(jiān)測(cè)難題。

1 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型火災(zāi)感知監(jiān)測(cè)裝置主要構(gòu)成

礦用隔爆兼本質(zhì)安全型火災(zāi)感知監(jiān)測(cè)裝置安裝于煤礦井下采用分腔結(jié)構(gòu)，分為本安腔、隔爆腔和接線腔，隔爆腔置于前面為固定開(kāi)門(mén)，本安腔在裝置側(cè)壁，本安腔包含多參數(shù)傳感器，傳感器設(shè)計(jì)成便于拆卸的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)就近標(biāo)校，同時(shí)保留通過(guò)井下控制器進(jìn)行標(biāo)校的功能。接線腔置于裝置上端通過(guò)隔爆面與隔爆腔分開(kāi)滿足隔爆要求主要用于裝置的接線，喇叭嘴分布在上面較細(xì)部分，隔爆腔包括變壓器、AC/DC 開(kāi)關(guān)電源、本安電源、控制器、顯示屏和測(cè)溫主機(jī)組成。

2礦用隔爆兼本質(zhì)安全型火災(zāi)感知監(jiān)測(cè)裝置工作原理

礦用隔爆兼本質(zhì)安全型火災(zāi)感知監(jiān)測(cè)裝置交流電源由交流輸入端子接入，通過(guò)變壓器和電源模塊轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓等級(jí)給裝置內(nèi)其他單元供電。氣體采樣由控制器通過(guò)設(shè)定的邏輯控制電磁閥和抽氣泵選擇氣路，外部氣體首先吸入束管，經(jīng)過(guò)9選1管路控制閥，再通過(guò)束管送入氣室進(jìn)行分析，將檢測(cè)的結(jié)果通過(guò)RS485通訊傳給控制器，再由控制器通過(guò)RS232傳給測(cè)溫主機(jī)在液晶顯示屏上進(jìn)行氣體濃度、氣路壓力、當(dāng)前通道號(hào)及狀態(tài)等信息的顯示，氣體最后由抽氣泵排出;氣體的標(biāo)校采用標(biāo)校氣路送入標(biāo)校氣樣，控制器給傳感器傳輸標(biāo)校值完成標(biāo)校工作。分布式光纖測(cè)溫通過(guò)外接的感溫光纜實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，并將相關(guān)信息顯示在液晶屏上，可在不開(kāi)蓋的情況下實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。監(jiān)測(cè)裝置的原理設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2.1本安電源模塊的硬件設(shè)計(jì)

礦用隔爆兼本質(zhì)安全型火災(zāi)感知監(jiān)測(cè)裝置本安電源主要用于給抽氣泵、管路控制閥、光電傳輸接口、傳感器、控制器、顯示屏、聲光報(bào)警器和鍵盤(pán)供電。外部交流 127/660V電壓輸入，通過(guò)變壓器和開(kāi)關(guān)電源換成相應(yīng)的電壓等級(jí)給裝置內(nèi)模塊電路及設(shè)備供電。

礦用隔爆兼本質(zhì)安全型火災(zāi)感知監(jiān)測(cè)裝置使用的本安電源為“ib”級(jí)本質(zhì)安全型電源，本安參數(shù)如下： Uo：18.5V;Io：1.3A;Co：4.7?F;Lo：80?H，需要雙重過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路[7] ，本安電源的過(guò)流過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

該電路主要使用LT4363控制芯片和SI4410場(chǎng)效應(yīng)管兩種核心器件設(shè)計(jì)了過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路，LT4363芯片具有電壓限制功能和電流限制功能，負(fù)載端出現(xiàn)過(guò)流和短路故障能起到保護(hù)作用，從而能將電流限制在設(shè)定的安全值上，通過(guò)控制N溝道的超低內(nèi)阻的MOSFET，LT4363保護(hù)電路采用模塊澆封化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了可靠、自適應(yīng)和節(jié)省空間的設(shè)計(jì)。

2.2控制器模塊的工作原理

控制器模塊按照設(shè)定的管路采樣方式控制電源模塊電磁閥的選通和關(guān)閉，通過(guò)RS485通道獲取傳感器采集的CH4、CO2、CO氣體濃度值及抽氣泵進(jìn)氣端負(fù)壓，給傳感器下發(fā)標(biāo)校命令，通過(guò)接受遙控發(fā)射器信號(hào)進(jìn)行控制，通過(guò)RS232傳輸接口與測(cè)溫主機(jī)進(jìn)行通信，接收測(cè)溫主機(jī)下發(fā)的參數(shù)設(shè)置及控制命令，將采集的氣體濃度值、抽氣泵進(jìn)氣端負(fù)壓值、當(dāng)前采集通道號(hào)、遙控信號(hào)等數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔y(cè)溫主機(jī)。

控制器模塊硬件電路包括MPU和外圍接口電路組成，總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，MPU采用LPC1778，芯片封裝為L(zhǎng)QFP144，具有JTAG調(diào)試接口和ISP下載接口。

2.3氣體采樣及標(biāo)校工作原理

氣體采樣及標(biāo)校工作由傳感器檢測(cè)模塊、控制器、電磁閥及抽氣泵共同完成，通過(guò)理論分析在采空區(qū)合理敷設(shè)束管，采空區(qū)氣體在抽氣泵的負(fù)壓作用下經(jīng)過(guò)電磁閥到達(dá)氣體分析柜檢測(cè)，其中電磁閥和抽氣泵由控制器控制同時(shí)運(yùn)行。電磁閥組共9路，氣體通路進(jìn)氣端與敷設(shè)在采空區(qū)的束管連接，出氣端與氣體分析室進(jìn)氣端連接進(jìn)入傳感器檢測(cè)模塊進(jìn)行采樣。由控制器對(duì)氣路進(jìn)行選擇控制，實(shí)現(xiàn)某一氣路的開(kāi)閉。抽氣泵連接到氣體分析室傳感器檢測(cè)模塊的進(jìn)氣端，將采空區(qū)內(nèi)的氣體壓到氣體分析室分析后排到外界環(huán)境。

系統(tǒng)工作時(shí)，先啟動(dòng)抽氣泵，使井下氣體被吸入束管，到達(dá)電磁閥前并處于等待檢測(cè)狀態(tài)。傳感器檢測(cè)模塊的分析結(jié)果通過(guò)RS485通信方式傳輸至控制器的數(shù)據(jù)采集口上，經(jīng)過(guò)內(nèi)部的信號(hào)處理，通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行處理，分別在屏幕和打印機(jī)上表現(xiàn)出來(lái)，完成某一路束管氣體的檢測(cè)分析過(guò)程。根據(jù)用戶設(shè)定的控制器多路檢測(cè)方案、檢測(cè)順序和檢測(cè)次數(shù)自動(dòng)循環(huán)進(jìn)行抽氣，無(wú)須人工控制，可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)連續(xù)在線檢測(cè)與分析，也可由上位機(jī)軟件控制隨時(shí)抽氣檢測(cè)，所有分析數(shù)據(jù)均可保留，以便工作人員對(duì)數(shù)據(jù)的后期分析。

氣體標(biāo)校啟用定點(diǎn)采樣模式，9路氣體管路輸入中的1路為標(biāo)校入口，該入口連接束管長(zhǎng)度約為0.5m，通過(guò)人工設(shè)置控制器定點(diǎn)采樣的方法，提供標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行標(biāo)校。

2.4 分布式光纖測(cè)溫模塊的工作原理

分布式光纖測(cè)溫模塊主要采用技術(shù)選型測(cè)溫主機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用光纖中傳輸?shù)母吖β使饷}沖與光纖分子作用產(chǎn)生拉曼散射光譜信號(hào)，光纖所處的空間溫度場(chǎng)調(diào)制了光纖是背向拉曼散射的強(qiáng)度（反斯托克斯背向拉曼散射光的強(qiáng)度），經(jīng)波分復(fù)用器和光電檢測(cè)器采集帶有溫度信息的背向拉曼散射光信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理可以解調(diào)出實(shí)時(shí)的溫度信息，從而實(shí)現(xiàn)分布式光纖測(cè)溫。

根據(jù)采空區(qū)的遺煤分布情況分析煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域，合理敷設(shè)感溫光纖，由測(cè)溫主機(jī)將溫度信息通過(guò)RJ45網(wǎng)絡(luò)通訊接口傳輸給上位機(jī)分析。測(cè)溫主機(jī)具有多路光纖測(cè)溫通道，最多可擴(kuò)展8路，每個(gè)通道采用多模光纖采集可達(dá)15km，空間采樣最小分辨率為1米，溫度測(cè)量范圍為-40℃～120℃，整個(gè)通道范圍測(cè)量精度為±1℃。測(cè)溫主機(jī)具有實(shí)時(shí)溫度值數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史溫度值數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)刷新間隔為2s，歷史數(shù)據(jù)保存間隔為5min，可設(shè)置溫升報(bào)警、溫差報(bào)警、定溫報(bào)警等多個(gè)報(bào)警點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的礦用隔爆兼本質(zhì)安全型火災(zāi)感知監(jiān)測(cè)裝置解決了目前煤礦行業(yè)對(duì)采空區(qū)煤自燃監(jiān)測(cè)參數(shù)單一、監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性較差的問(wèn)題，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井下采空區(qū)、巷道及工作面溫度及氣體變化情況。該裝置可以實(shí)時(shí)、連續(xù)、大范圍對(duì)井下采空區(qū)、巷道及工作面火災(zāi)隱患區(qū)域的氣體和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到煤礦火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)警的目的，可以有效提高采空區(qū)煤自燃發(fā)火識(shí)別與預(yù)警的時(shí)效性、準(zhǔn)確性和可靠性，通過(guò)該裝置可以全面提高采空區(qū)煤自燃發(fā)火預(yù)警的時(shí)效性、準(zhǔn)確性和可靠性，能有效地保障礦井安全生產(chǎn)。

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