陳佩佩

摘要：針對采空區(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)測裝置，該裝置具有火災(zāi)識別與報(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量內(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)測系統(tǒng)和分布式光纖測溫系統(tǒng)的優(yōu)勢，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、就地對煤礦火災(zāi)參數(shù)的采集和分析，可有效地對井下火災(zāi)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，保證井下的安全。

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

中圖分類號：TP319? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）19-0226-02

近年來，隨著礦井開采強(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)測至今尚未得到圓滿解決，現(xiàn)階段通過電阻率法、紅外探測法和自燃溫度探測法對礦井火災(zāi)實(shí)施監(jiān)測，均不能解決煤礦對井下火災(zāi)實(shí)時(shí)預(yù)警的需求?，F(xiàn)階段對于采空區(qū)自燃發(fā)火監(jiān)測常采用光纖測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用特殊的測溫光纜為傳感器，僅能做到沿線的監(jiān)測，容易形成盲區(qū)，且對井下煤自燃發(fā)火的監(jiān)測因素不全面[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)測裝置，以束管監(jiān)測氣體測量為主，分布式光纖測溫為輔，對火災(zāi)信息進(jìn)行全面監(jiān)測，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)測難題。

1 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型火災(zāi)感知監(jiān)測裝置主要構(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門，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隔爆面與隔爆腔分開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 開關(guān)電源、本安電源、控制器、顯示屏和測溫主機(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)測裝置交流電源由交流輸入端子接入，通過變壓器和電源模塊轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓等級給裝置內(nèi)其他單元供電。氣體采樣由控制器通過設(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9選1管路控制閥，再通過束管送入氣室進(jìn)行分析，將檢測的結(jié)果通過RS485通訊傳給控制器，再由控制器通過RS232傳給測溫主機(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。分布式光纖測溫通過外接的感溫光纜實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，并將相關(guān)信息顯示在液晶屏上，可在不開蓋的情況下實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。監(jiān)測裝置的原理設(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)警器和鍵盤供電。外部交流 127/660V電壓輸入，通過變壓器和開關(guān)電源換成相應(yīng)的電壓等級給裝置內(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)測裝置使用的本安電源為“ib”級本質(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，需要雙重過壓、過流保護(hù)電路[7] ，本安電源的過流過壓保護(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場效應(yīng)管兩種核心器件設(shè)計(jì)了過壓過流保護(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，通過接受遙控發(fā)射器信號進(jìn)行控制，通過RS232傳輸接口與測溫主機(jī)進(jìn)行通信，接收測溫主機(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、遙控信號等數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔y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LQFP144，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模塊、控制器、電磁閥及抽氣泵共同完成，通過理論分析在采空區(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)過電磁閥到達(dá)氣體分析柜檢測，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)入傳感器檢測模塊進(jìn)行采樣。由控制器對氣路進(jìn)行選擇控制，實(shí)現(xiàn)某一氣路的開閉。抽氣泵連接到氣體分析室傳感器檢測模塊的進(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狀態(tài)。傳感器檢測模塊的分析結(jié)果通過RS485通信方式傳輸至控制器的數(shù)據(jù)采集口上，經(jīng)過內(nèi)部的信號處理，通過上位機(jī)軟件進(jìn)行處理，分別在屏幕和打印機(jī)上表現(xiàn)出來，完成某一路束管氣體的檢測分析過程。根據(jù)用戶設(shè)定的控制器多路檢測方案、檢測順序和檢測次數(shù)自動循環(huán)進(jìn)行抽氣，無須人工控制，可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)連續(xù)在線檢測與分析，也可由上位機(jī)軟件控制隨時(shí)抽氣檢測，所有分析數(shù)據(jù)均可保留，以便工作人員對數(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，該入口連接束管長度約為0.5m，通過人工設(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 分布式光纖測溫模塊的工作原理

分布式光纖測溫模塊主要采用技術(shù)選型測溫主機(jī)來實(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，光纖所處的空間溫度場調(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)用器和光電檢測器采集帶有溫度信息的背向拉曼散射光信號，經(jīng)信號處理可以解調(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，由測溫主機(jī)將溫度信息通過RJ45網(wǎng)絡(luò)通訊接口傳輸給上位機(jī)分析。測溫主機(jī)具有多路光纖測溫通道，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，溫度測量范圍為-40℃～120℃，整個(gè)通道范圍測量精度為±1℃。測溫主機(jī)具有實(shí)時(shí)溫度值數(shù)據(jù)庫、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

本文提出的礦用隔爆兼本質(zhì)安全型火災(zāi)感知監(jiān)測裝置解決了目前煤礦行業(yè)對采空區(qū)煤自燃監(jiān)測參數(shù)單一、監(jiān)測準(zhǔn)確性較差的問題，可實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測井下采空區(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，從而達(dá)到煤礦火災(zāi)預(yù)測預(yù)警的目的，可以有效提高采空區(qū)煤自燃發(fā)火識別與預(yù)警的時(shí)效性、準(zhǔn)確性和可靠性，通過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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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】