陳佩佩

(天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

煤礦在開(kāi)采過(guò)程中會(huì)受到火災(zāi)、瓦斯、礦塵、頂板和水災(zāi)等災(zāi)害的威脅,采空區(qū)遺煤厚，煤層埋藏淺，易出現(xiàn)裂縫漏風(fēng)，產(chǎn)生自燃現(xiàn)象，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，礦井自燃發(fā)火和自燃征兆的頻頻出現(xiàn)給礦井的安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅[1]。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，小煤礦破壞區(qū)遺留大量的煤炭自燃[2]，火區(qū)高溫火源點(diǎn)的辨識(shí)難度增大，有害氣體的治理難度增加[3-5]?，F(xiàn)階段對(duì)于采空區(qū)自燃發(fā)火監(jiān)測(cè)尚未得到圓滿解決，目前對(duì)煤自燃的監(jiān)測(cè)常采用光纖測(cè)溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效地監(jiān)測(cè)采空區(qū)煤自燃的問(wèn)題，但其采用特殊測(cè)溫光纜為傳感器，只能做到沿線的監(jiān)測(cè)，容易形成盲區(qū)，而且該系統(tǒng)對(duì)井下煤自燃發(fā)火的監(jiān)測(cè)因素不全面[6]。

通過(guò)分析研究，本文設(shè)計(jì)的煤礦火災(zāi)多參數(shù)感知監(jiān)測(cè)裝置集分布式光纖測(cè)溫技術(shù)與井下束管監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，采用以束管監(jiān)測(cè)氣體測(cè)量為主，分布式光纖測(cè)溫為輔，并關(guān)聯(lián)一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲烷、煙霧、溫度、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器進(jìn)行測(cè)量，可對(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)自然發(fā)火的監(jiān)測(cè)難題。

1 煤礦火災(zāi)多參數(shù)感知監(jiān)測(cè)裝置概況

煤礦火災(zāi)多參數(shù)感知監(jiān)測(cè)裝置安裝于煤礦井下，可以實(shí)現(xiàn)采空區(qū)溫度的連續(xù)分布式監(jiān)測(cè)和CH4、O2、CO2、CO的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)及對(duì)周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)。其中氣體的監(jiān)測(cè)采用井下束管監(jiān)測(cè)的原理，通過(guò)裝置內(nèi)部電源板為抽氣泵供電，抽取采空區(qū)內(nèi)部的氣體，通過(guò)布置的束管傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)裝置內(nèi)部多參數(shù)系統(tǒng)傳感器，獲取采集的氣體濃度值。井下束管作為氣體管路通道，實(shí)現(xiàn)氣體從采空區(qū)向多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置的采樣，其長(zhǎng)度不超過(guò)2 000 m，大大縮短了束管長(zhǎng)度，解決了束管漏氣等問(wèn)題，每個(gè)監(jiān)測(cè)裝置共設(shè)計(jì)9路氣體管路接入。采用分布式光纖測(cè)溫原理對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以特殊的多模感溫光纖為傳輸通道和感溫介質(zhì)，通過(guò)與監(jiān)測(cè)裝置連接，每1 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，發(fā)射光信號(hào)沿線測(cè)量溫度，監(jiān)測(cè)裝置最多可連接30路感溫光纜。另外，監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)關(guān)聯(lián)一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲烷、煙霧、溫度、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器進(jìn)行信息監(jiān)測(cè)以及聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警，可以智能辨識(shí)，提前判斷煤自燃情況。

2 煤礦火災(zāi)多參數(shù)感知監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)及原理

2.1 基本結(jié)構(gòu)

煤礦火災(zāi)多參數(shù)感知監(jiān)測(cè)裝置采用分腔結(jié)構(gòu)，前端為固定開(kāi)門，上方開(kāi)蓋接線，左側(cè)腔體為本安腔，喇叭嘴分布在上方較細(xì)部分。該裝置的本質(zhì)安全型電源、控制器、氣體傳感器(CH4、O2、CO2、CO)、負(fù)壓傳感器、顯示屏和測(cè)溫主機(jī)組成，并關(guān)聯(lián)一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲烷、煙霧、溫度、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器進(jìn)行信息監(jiān)測(cè)。

2.2 工作原理

監(jiān)測(cè)裝置的工作原理如圖1所示，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),為裝置內(nèi)其他單元供電。監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)抽氣泵完成氣體的抽氣和采樣，具有9路采樣通道，且同一時(shí)間僅能選擇1路通道抽氣采樣，將氣體送入傳感器分析。光纖測(cè)溫控制核心通過(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，根據(jù)用戶設(shè)定的報(bào)警條件，通過(guò)開(kāi)關(guān)量板和交換機(jī)模塊將報(bào)警信息傳輸給其他設(shè)備，同時(shí)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。

圖1 采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

3 煤礦火災(zāi)多參數(shù)感知監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

煤礦火災(zāi)多參數(shù)感知監(jiān)測(cè)裝置研發(fā)設(shè)計(jì)主要包括本質(zhì)安全型電源模塊、傳感器檢測(cè)模塊、控制器模塊、氣路與氣泵模塊、分布式光纖測(cè)溫模塊及軟件設(shè)計(jì)模塊。

3.1 本質(zhì)安全型電源模塊的硬件設(shè)計(jì)

煤礦火災(zāi)多參數(shù)感知監(jiān)測(cè)裝置本質(zhì)安全型電源模塊的總體設(shè)計(jì)如圖2所示，由交流127/660 V電壓輸入，通過(guò)變壓器和電源模塊轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓等級(jí)為裝置內(nèi)模塊電路及設(shè)備供電，經(jīng)變壓器后輸出AC 220 V電壓,將AC 220 V電壓分2路，1路為測(cè)溫主機(jī)供電，1路為開(kāi)關(guān)電源供電。開(kāi)關(guān)電源的輸出24 V作為4個(gè)DC-DC模塊的輸入電壓，通過(guò)電源模塊轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的直流電壓，1路本質(zhì)安全隔離18 V，為聲光報(bào)警器供電；1路本質(zhì)安全隔離18 V，為控制器、氣體傳感器、負(fù)壓傳感器和光電傳輸接口供電；1路本質(zhì)安全隔離5 V，為本質(zhì)安全鍵盤供電；1路非本質(zhì)安全12 V，為顯示屏供電；1路非本質(zhì)安全24 V，為抽氣泵供電；1路非本質(zhì)安全24 V，為管路控制閥供電。為抽氣泵和管路控制閥供電是根據(jù)控制器的開(kāi)關(guān)量信號(hào)控制，當(dāng)接收開(kāi)關(guān)量信號(hào)為低電平時(shí)，不輸出24 V，當(dāng)開(kāi)關(guān)量信號(hào)為高電平時(shí)，輸出24 V。

圖2 本質(zhì)安全型電源模塊的總體設(shè)計(jì)

煤礦火災(zāi)多參數(shù)感知監(jiān)測(cè)裝置使用的本質(zhì)安全型電源為“ia”級(jí)本質(zhì)安全型電源，其參數(shù)為：Uo18.5 V；Io1.3 A；Co4.7 μF；Lo80 μH，需要三重過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路[7]，本質(zhì)安全型電源的過(guò)流過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

圖3 過(guò)流過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)電路

該電路由過(guò)壓快速保護(hù)電路級(jí)聯(lián)組成，采用具有電流限制功能的LT4363控制芯片和N溝道超低內(nèi)阻的SI4410場(chǎng)效應(yīng)管為核心器件，LT4363芯片可對(duì)負(fù)載端的過(guò)流和短路故障做出快速響應(yīng)，能將電流限制在檢測(cè)電阻器設(shè)定的安全值，通過(guò)控制N溝道的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)。

3.2 傳感器檢測(cè)模塊的硬件設(shè)計(jì)

煤礦火災(zāi)多參數(shù)感知監(jiān)測(cè)裝置中氣體采集總體設(shè)計(jì)如圖4所示，其采用采集板加變送器的電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)原單位現(xiàn)有的各氣體變送器進(jìn)行氣體濃度測(cè)量，然后通過(guò)采集主板的IIC與各氣體變送器通信，獲得各氣體的測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)4種氣體濃度的采集。傳感器檢測(cè)模塊主要包括采集主板、紅外CH4變送器、CO變送器、紅外CO2變送器、O2變送器、電源等。被測(cè)采空區(qū)內(nèi)氣體通過(guò)氣管抽取到測(cè)量氣室，然后由傳感器測(cè)量各氣體濃度。

圖4 傳感器檢測(cè)模塊總體設(shè)計(jì)

3.3 控制器模塊的硬件設(shè)計(jì)

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)RS-485通道獲取傳感器采集的CH4、O2、CO2、CO氣體濃度值及抽氣泵進(jìn)氣端負(fù)壓，并關(guān)聯(lián)一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲烷、煙霧、溫度、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器進(jìn)行信息監(jiān)測(cè)，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，并具有RS-232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)?？刂破髂K硬件電路由電源、MPU和外圍接口電路組成，總體設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 控制器模塊總體設(shè)計(jì)

MPU采用LPC1778，芯片封裝為L(zhǎng)QFP144,具有5路UART，其中UART1可支持MODEM握手信號(hào)，具有JTAG調(diào)試接口和ISP下載接口。將電源模塊的18 V輸入電壓經(jīng)軟啟動(dòng)電路輸入，通過(guò)穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換成5 V電壓，再轉(zhuǎn)換得到3.3 V電壓。5 V電壓隔離為2路RS-485接口芯片供電，3.3 V電壓為芯片及其他外圍設(shè)備供電。

3.4 分布式光纖測(cè)溫模塊

分布式光纖測(cè)溫采用技術(shù)選型測(cè)溫主機(jī)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用無(wú)源分布式測(cè)量原理，通過(guò)測(cè)溫光纖采集最多30路通道溫度，通過(guò)RS-232接口與控制器交互，獲取氣體濃度值及管路氣壓值，并對(duì)控制器下發(fā)命令，采用RJ45網(wǎng)口將數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸接口上傳至上位機(jī)，進(jìn)行通道溫度數(shù)據(jù)、氣體參數(shù)的顯示，其接口如圖6所示。

測(cè)溫主機(jī)具有多路光纖測(cè)溫通道，最多可擴(kuò)展至30路，每個(gè)通道采用多模光纖,采集可達(dá)15 km，空間采樣最小分辨率為1 m，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2 s，歷史數(shù)據(jù)保存間隔為5 min?？稍O(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)。

圖6 分布式光纖測(cè)溫模塊接口

4 結(jié)論

采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置可對(duì)采空區(qū)煤自燃發(fā)火關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，本文提出的分布式光纖測(cè)溫及氣體檢測(cè)技術(shù)解決了采空區(qū)煤自燃監(jiān)測(cè)參數(shù)單一的問(wèn)題。氣體多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)并采集CO、CH4、O2、CO2氣體濃度并通過(guò)分布式光纖進(jìn)行溫度采集，可以準(zhǔn)確地確定發(fā)火點(diǎn)位置，解決了現(xiàn)有人工監(jiān)測(cè)手段的監(jiān)測(cè)種類單一，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)少，不能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)等問(wèn)題。該裝置可以實(shí)時(shí)、連續(xù)、大范圍對(duì)礦井火災(zāi)隱患區(qū)域的氣體和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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，對(duì)煤礦和人身安全具有重要意義。