孫繼平，李小偉，徐旭，張森森

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

礦井電火花會(huì)引起礦井熱動(dòng)力災(zāi)害（主要包括礦井火災(zāi)、瓦斯和煤塵爆炸）。礦井火災(zāi)會(huì)產(chǎn)生大量熱量和高溫，產(chǎn)生大量CO2，CO 等有毒有害氣體，消耗大量O2，造成人員傷亡，巷道、設(shè)施和設(shè)備損毀。礦井瓦斯和煤塵爆炸包括瓦斯爆炸、瓦斯煤塵爆炸和煤塵爆炸。礦井瓦斯和煤塵爆炸會(huì)產(chǎn)生大量熱量和高溫，產(chǎn)生爆炸沖擊波和高壓，產(chǎn)生大量CO2，CO 等有毒有害氣體，消耗大量O2，造成人員傷亡，巷道、設(shè)施和設(shè)備損毀。盡早感知礦井電火花，并采取電火花防治措施，可避免或減少礦井火災(zāi)、瓦斯和煤塵爆炸。盡早感知礦井火災(zāi)、瓦斯和煤塵爆炸，及時(shí)應(yīng)急救援，可減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1-4]。

1 礦井電火花及其監(jiān)測方法

礦井電火花主要有電纜和電氣設(shè)備漏電產(chǎn)生的電火花（以下簡稱漏電電火花）；大功率無線電發(fā)射在金屬支護(hù)和機(jī)電設(shè)備金屬上感生電動(dòng)勢放電產(chǎn)生的電火花（以下簡稱感應(yīng)電火花）。電氣開關(guān)分合和電氣設(shè)備故障等也會(huì)在隔爆外殼內(nèi)產(chǎn)生電弧和電火花（以下簡稱殼內(nèi)電火花）。因隔爆外殼的隔爆作用，殼內(nèi)電火花不會(huì)引起隔爆外殼外的瓦斯和煤塵爆炸及礦井火災(zāi)。為避免或減少漏電電火花，《煤礦安全規(guī)程》要求煤礦井下供電電網(wǎng)應(yīng)具有漏電保護(hù)、過流保護(hù)和保護(hù)接地。由于漏電保護(hù)、過流保護(hù)和保護(hù)接地維護(hù)不及時(shí)和錯(cuò)誤操作，漏電電火花時(shí)有發(fā)生。

1.1 漏電電火花

煤礦井下環(huán)境惡劣，有淋水，空氣潮濕，空間狹小，設(shè)備多，采煤工作面和掘進(jìn)工作面不斷推進(jìn)，電纜隨工作面移動(dòng)，漏電電火花時(shí)有發(fā)生。①礦用電纜和電氣設(shè)備受潮或進(jìn)水，造成絕緣電阻下降，產(chǎn)生電火花。②礦用電纜和電氣設(shè)備長期過負(fù)荷運(yùn)行，造成絕緣老化，產(chǎn)生電火花。③礦用電纜受擠、壓、砸等機(jī)械作用，造成電纜外護(hù)套絕緣和芯線絕緣破損，產(chǎn)生電火花。④礦用電纜長期彎曲產(chǎn)生裂縫，潮氣或淋水侵入，產(chǎn)生電火花。⑤采用金屬絲吊掛橡套電纜，金屬絲嵌入絕緣層內(nèi)接觸芯線，產(chǎn)生電火花。⑥礦用電纜和電氣設(shè)備接頭松動(dòng)脫落，接觸金屬外殼，產(chǎn)生電火花。⑦礦用電氣設(shè)備違規(guī)增添電氣元件，或維修時(shí)工具遺留在設(shè)備內(nèi)，造成電氣間隙變小，對外殼放電，外殼帶電，產(chǎn)生電火花。⑧礦用電氣設(shè)備產(chǎn)生電弧，外殼帶電，產(chǎn)生電火花。⑨嚴(yán)重過電壓，擊穿電纜或電氣設(shè)備對地絕緣，產(chǎn)生電火花。

1.2 感應(yīng)電火花

隨著煤礦智能化建設(shè)，礦井移動(dòng)通信、人員定位、車輛定位、無線攝像機(jī)、無線傳感器、便攜式無線終端等無線通信設(shè)備和系統(tǒng)在煤礦井下獲得了廣泛應(yīng)用。為提高無線傳輸距離，5G，WiFi6，UWB，ZigBee 等無線基站的發(fā)射功率和天線增益較大。大功率無線電發(fā)射在金屬支護(hù)和機(jī)電設(shè)備金屬上感生電動(dòng)勢，當(dāng)感生電動(dòng)勢較高時(shí)，將對地放電，產(chǎn)生電火花。為避免或減少感應(yīng)電火花，GB 3836.1-2010《爆炸性環(huán)境 第1 部分：設(shè)備 通用要求》規(guī)定煤礦井下無線電輻射閾值應(yīng)不大于6 W。該規(guī)定缺乏充分的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因此，近年來，人們開展了煤礦井下最大允許無線電輻射閾值研究。GB 3836.1-2010 規(guī)定了煤礦井下單臺(tái)無線發(fā)射設(shè)備天線無線電輻射閾值應(yīng)不大于6 W，但沒有考慮多臺(tái)近距離無線發(fā)射設(shè)備天線無線電輻射能量疊加效應(yīng)，這也是急需解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。

1.3 礦井電火花監(jiān)測方法

瓦斯在空氣中爆炸濃度一般為5%～16%[5]。當(dāng)空氣中混入煤塵等可燃物，瓦斯爆炸下限會(huì)降低。當(dāng)空氣中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到爆炸濃度，恰好有電火花等火源，就會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸。瓦斯爆炸會(huì)發(fā)生揚(yáng)塵，引發(fā)煤塵爆炸。電火花熱量也會(huì)引起礦井火災(zāi)。因此，研究礦井電火花感知方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)礦井電火花，并采取電火花防治措施，可避免或減少礦井火災(zāi)、瓦斯和煤塵爆炸事故發(fā)生。

礦井電火花會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的紫外光，但可見光和放電聲音相對較小。感應(yīng)電火花等每次放電能量較小的礦井電火花本身溫度較高，但電火花周邊物體升溫不明顯。因此，礦井電火花、特別是放電能量較小的礦井電火花較難監(jiān)測。迄今為止，未見有效的礦井電火花監(jiān)測方法。

2 礦井熱動(dòng)力災(zāi)害及其監(jiān)測方法

2.1 礦井火災(zāi)及其監(jiān)測方法

礦井火災(zāi)包括礦井內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)。礦井內(nèi)因火災(zāi)是指在沒有外來火源條件下，煤炭等可燃物與空氣接觸，氧化發(fā)熱并不斷積聚熱量，進(jìn)而燃燒起火的火災(zāi)。礦井內(nèi)因火災(zāi)主要發(fā)生在采空區(qū)。礦井外因火災(zāi)是指由外來熱源引起的火災(zāi)。電氣設(shè)備和電纜漏電、過負(fù)荷和短路，電焊和氣焊等明火，違章爆破產(chǎn)生的火焰，瓦斯和煤塵爆炸，膠帶與滾筒和托輥摩擦等機(jī)械摩擦均會(huì)引起外因火災(zāi)。礦井外因火災(zāi)會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害氣體和高溫，造成人員窒息中毒和燒傷；燒毀設(shè)備和設(shè)施；引起瓦斯和煤塵爆炸；火勢較大時(shí)，產(chǎn)生火風(fēng)壓，造成風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，破壞通風(fēng)系統(tǒng)，使事故進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，監(jiān)測礦井火災(zāi)，及時(shí)應(yīng)急救援，對避免或減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失具有重要意義。

礦井外因火災(zāi)監(jiān)測方法主要有溫度、煙霧、氣體（CO2，CO，O2）等傳感器，光纖分布式測溫，可見光圖像，遠(yuǎn)紅外圖像，近紅外圖像等監(jiān)測方法[6-9]。傳感器監(jiān)測屬于點(diǎn)監(jiān)測，每臺(tái)傳感器監(jiān)測范圍小，當(dāng)傳感器離火源較遠(yuǎn)時(shí)，受空氣運(yùn)移時(shí)間影響，響應(yīng)時(shí)間長，一般用于膠帶、電氣設(shè)備等重點(diǎn)監(jiān)測。光纖分布式測溫主要用于膠帶、電纜和電氣設(shè)備溫度監(jiān)測，但光纜易損壞，安裝維護(hù)困難?？梢姽鈭D像、遠(yuǎn)紅外圖像、近紅外圖像監(jiān)測屬于面監(jiān)測，監(jiān)測范圍廣，但易受煤礦井下光源和設(shè)備等干擾。因此，有必要研究新的礦井火災(zāi)監(jiān)測方法，減小礦井火災(zāi)感知的誤報(bào)率和漏報(bào)率，縮短響應(yīng)時(shí)間，為應(yīng)急救援贏得寶貴時(shí)間。

2.2 瓦斯和煤塵爆炸及其監(jiān)測方法

當(dāng)空氣中瓦斯?jié)舛然蛎簤m濃度達(dá)到爆炸濃度，并有一定能量的點(diǎn)火源，就會(huì)發(fā)生瓦斯和煤塵爆炸。引爆瓦斯和煤塵的火源有電氣火源、爆破火源、摩擦撞擊火源、煤炭自燃火源、電焊和氣焊等產(chǎn)生的明火等。其中，電氣火源引爆瓦斯和煤塵最多。瓦斯和煤塵爆炸會(huì)產(chǎn)生大量熱量和高溫，燒傷人員，燒毀設(shè)備和設(shè)施，引發(fā)礦井火災(zāi)；產(chǎn)生爆炸沖擊波和高壓，造成人員創(chuàng)傷，巷道、設(shè)施和設(shè)備損毀及位移；產(chǎn)生大量CO2，CO 等有毒有害氣體，消耗大量O2，造成人員窒息中毒傷亡。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)瓦斯和煤塵爆炸，快速應(yīng)急救援，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，提出了基于CO2、CO、O2、溫度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、聲音、震動(dòng)、煙霧、粉塵、紅外線、紫外線、圖像的瓦斯和煤塵爆炸感知方法[10-12]，但未見有瓦斯和煤塵爆炸紫外圖像感知方法的研究。

3 煤礦井下光源及其對圖像監(jiān)測的影響

煤礦井下沒有陽光、月光和星光，光源主要有礦燈、車燈、巷道燈、信號(hào)燈、攝像機(jī)補(bǔ)光燈（含可見光補(bǔ)光燈和近紅外補(bǔ)光燈）、手機(jī)燈等。LED 光源具有本質(zhì)安全防爆、抗振動(dòng)、抗跌落、抗沖擊、功耗低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛用于礦燈、車燈、巷道燈、信號(hào)燈、攝像機(jī)補(bǔ)光燈、手機(jī)燈。本質(zhì)安全防爆具有安全性好、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，煤礦井下電氣設(shè)備應(yīng)優(yōu)選本質(zhì)安全型防爆電氣設(shè)備。本質(zhì)安全防爆手機(jī)燈采用LED 光源；攝像機(jī)補(bǔ)光燈采用LED 光源；煤礦井下本質(zhì)安全型礦燈、車燈、巷道燈和信號(hào)燈均采用LED 光源。礦用LED 燈正在逐漸替代礦用白熾燈和日光燈。隨著高亮高效LED 光源技術(shù)發(fā)展，礦用LED 燈將全面替代礦用白熾燈和日光燈。

可見光圖像受LED 燈、白熾燈、日光燈、紅色物體等干擾；近紅外圖像受LED 燈、白熾燈、日光燈等干擾；遠(yuǎn)紅外圖像受白熾燈、日光燈、LED 燈、作業(yè)人員、工作設(shè)備和車輛等干擾；紫外圖像受白熾燈和日光燈干擾大，受LED 燈干擾小。隨著LED 燈在煤礦井下全面替代白熾燈和日光燈，采用LED 光源的礦燈、車燈、巷道燈、信號(hào)燈、攝像機(jī)補(bǔ)光燈、手機(jī)燈等各種照明和信號(hào)設(shè)備，對煤礦井下紫外圖像干擾小。

4 礦井電火花及熱動(dòng)力災(zāi)害紫外圖像感知方法

為盡早感知礦井電火花、礦井外因火災(zāi)、瓦斯和煤塵爆炸，筆者提出了礦井電火花及熱動(dòng)力災(zāi)害紫外圖像感知方法，如圖1 所示。在采煤工作面、掘進(jìn)工作面和巷道，設(shè)置紫外攝像機(jī)、拾音器和空氣壓力傳感器，實(shí)時(shí)采集礦井紫外圖像、聲音和空氣壓力；對紫外圖像預(yù)處理；當(dāng)有紫外圖像時(shí)，排除日光燈、白熾燈和LED 燈干擾后，判別有電火花紫外圖像，進(jìn)行電火花報(bào)警；判別有火災(zāi)紫外圖像，進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警；有紫外圖像，但判別不是電火花和火災(zāi)紫外圖像，同時(shí)拾音器監(jiān)測到爆炸音或空氣壓力傳感器監(jiān)測到空氣壓力突然升高，則發(fā)出瓦斯和煤塵爆炸報(bào)警。

圖1 礦井電火花及熱動(dòng)力災(zāi)害紫外圖像感知方法Fig.1 Ultraviolet image perception method of mine electric spark and thermal dynamic disaster

礦井電火花及熱動(dòng)力災(zāi)害紫外圖像感知方法具有外部干擾小，可靠性高，同時(shí)感知電火花、外因火災(zāi)、瓦斯和煤塵爆炸多種災(zāi)害等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)論

（1）GB 3836.1-2010 中煤礦井下無線電輻射閾值應(yīng)不大于6 W 的規(guī)定，缺乏充分的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也沒有考慮多臺(tái)近距離無線發(fā)射設(shè)備天線無線電輻射能量疊加效應(yīng)，這都是急需解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。

（2）煤礦井下光源主要有礦燈、車燈、巷道燈、信號(hào)燈、攝像機(jī)補(bǔ)光燈、手機(jī)燈等。本質(zhì)安全防爆手機(jī)燈采用LED 光源；攝像機(jī)補(bǔ)光燈采用LED 光源；煤礦井下本質(zhì)安全型礦燈、車燈、巷道燈和信號(hào)燈均采用LED 光源。LED 燈具有本質(zhì)安全防爆、抗振動(dòng)、抗跌落、抗沖擊、功耗低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，必將全面替代礦用白熾燈和日光燈。

（3）可見光圖像受LED 燈、白熾燈、日光燈、紅色物體等干擾；近紅外圖像受LED 燈、白熾燈、日光燈等干擾；遠(yuǎn)紅外圖像受白熾燈、日光燈、LED 燈、作業(yè)人員、工作設(shè)備和車輛等干擾；紫外圖像受白熾燈和日光燈干擾大，受LED 燈干擾小。隨著LED 燈在煤礦井下全面替代白熾燈和日光燈，煤礦井下各種照明和信號(hào)設(shè)備對煤礦井下紫外圖像干擾小。

（4）提出了礦井電火花及熱動(dòng)力災(zāi)害紫外圖像感知方法：在采煤工作面、掘進(jìn)工作面和巷道，設(shè)置紫外攝像機(jī)、拾音器或空氣壓力傳感器，實(shí)時(shí)采集礦井紫外圖像、聲音和空氣壓力；對紫外圖像預(yù)處理；排除日光燈、白熾燈和LED 燈干擾；判別有電火花紫外圖像，進(jìn)行電火花報(bào)警；判別有火災(zāi)紫外圖像，進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警；有紫外圖像，但判別不是電火花和火災(zāi)紫外圖像，同時(shí)拾音器監(jiān)測到爆炸音或空氣壓力傳感器監(jiān)測到空氣壓力突然升高，則發(fā)出瓦斯和煤塵爆炸報(bào)警。該方法具有外部干擾小，可靠性高，同時(shí)感知電火花、外因火災(zāi)、瓦斯和煤塵爆炸多種災(zāi)害等優(yōu)點(diǎn)。