董軍軍, 侯志堅(jiān), 白武帥, 鐘 華

(1. 北京科技大學(xué) 自然科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心, 北京 100083;2. 北京科技大學(xué) 高等工程師學(xué)院, 北京 100083)

用于煤自燃監(jiān)測(cè)的無(wú)源溫度報(bào)警器開(kāi)發(fā)

董軍軍1, 侯志堅(jiān)1, 白武帥2, 鐘 華2

(1. 北京科技大學(xué) 自然科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心, 北京 100083;2. 北京科技大學(xué) 高等工程師學(xué)院, 北京 100083)

煤自燃占礦井火災(zāi)的60%,因此礦井的溫度檢測(cè)對(duì)于預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生非常必要。敘述了無(wú)源溫度報(bào)警器的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方案。無(wú)源溫度報(bào)警器利用電磁感應(yīng)原理檢測(cè)溫度，利用無(wú)源優(yōu)勢(shì)滿足了煤礦冒落區(qū)不準(zhǔn)電源進(jìn)入的要求,彌補(bǔ)了其他測(cè)溫設(shè)備的不足,具有靈敏度高、安全可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的市場(chǎng)前景。

無(wú)源溫度報(bào)警器； 煤自燃； 記憶合金； 釹鐵硼永磁材料； 電磁感應(yīng)

煤炭自燃是煤礦火災(zāi)主要原因之一。我國(guó)存在有煤炭自燃的礦井占礦井總數(shù)的56%,具有自然發(fā)火危險(xiǎn)的煤層占累計(jì)可采煤層數(shù)的60%；煤炭自燃而引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的85%～90%。近年來(lái)，我國(guó)廣泛采用綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù),但這種采煤方法采空區(qū)遺留殘煤多、冒落高度大、漏風(fēng)嚴(yán)重,使得自然火災(zāi)發(fā)生頻繁,據(jù)2000年對(duì)國(guó)有煤礦的不完全資料統(tǒng)計(jì)共發(fā)生火災(zāi)168次,其中內(nèi)因火災(zāi)154次,封閉采區(qū)或工作面59個(gè),影響煤量3 080 Mt,凍結(jié)煤量4 217 Mt,發(fā)火率為0.318次/Mt[1]。

煤炭自燃已成為制約高產(chǎn)高效礦井安全生產(chǎn)與發(fā)展的主要因素之一。礦井火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展不僅燒毀大量的煤炭資源和設(shè)備,而且產(chǎn)生大量的高溫?zé)熈骱陀泻怏w,危及井下工作人員的生命安全,有時(shí)還誘發(fā)瓦斯、煤塵爆炸,進(jìn)一步擴(kuò)大其災(zāi)難性。因此煤礦采空區(qū)煤自燃的溫度檢測(cè)對(duì)于煤礦火災(zāi)的預(yù)警有著重要的實(shí)際意義。

1 采空區(qū)煤自燃機(jī)理

目前存在幾種學(xué)說(shuō)來(lái)解釋煤的自燃,如黃鐵礦作用、細(xì)菌作用、酚基作用、煤氧復(fù)合作用、自由基作用等學(xué)說(shuō),這些理論從不同的方面解釋了煤自燃發(fā)火的原理。這些學(xué)說(shuō)都驗(yàn)證了溫度是引起煤自燃的重要指標(biāo),同時(shí)也在自燃過(guò)程中發(fā)揮重要的作用。在陳家溝煤礦綜放采空區(qū)自然三代判定的研究實(shí)驗(yàn)[2]中得出煤樣的臨界溫度為56.5 ℃,干裂溫度為108.2 ℃,在該溫度下采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化升溫速率顯著升高,裂變溫度為160.7 ℃,根據(jù)煤自燃發(fā)火規(guī)律將于10 h后發(fā)生自燃。煤自燃過(guò)程的各溫度節(jié)點(diǎn)對(duì)無(wú)源溫度報(bào)警器的預(yù)警溫度設(shè)計(jì)具有重要意義。

2 目前采空區(qū)溫度檢測(cè)裝置優(yōu)缺點(diǎn)分析

目前國(guó)內(nèi)外煤礦自燃特征信息監(jiān)測(cè)方法主要有標(biāo)志氣體分析法[3]、測(cè)溫法[4]、氣味檢測(cè)法[5]、計(jì)算機(jī)模擬法[6]等。但標(biāo)志性氣體一般生成量較少,并隨著風(fēng)流流動(dòng),受風(fēng)流擾動(dòng)影響大,難以推斷高溫區(qū)域、自燃發(fā)展速度等,且氣味傳感技術(shù)發(fā)展不夠成熟,傳感器也比較昂貴,導(dǎo)致了上述兩種靠氣體濃度變化的溫度監(jiān)測(cè)方法無(wú)法在煤礦中普通使用[7]。計(jì)算機(jī)模擬法由于受到氣流和外界因素的干擾,且模型又建立在一定的假設(shè)基礎(chǔ)上,所以與實(shí)際存在一定差異[6]。

目前采空區(qū)測(cè)溫方法主要有以下兩種[8]:傳感器測(cè)定法和紅外線測(cè)定法。紅外線測(cè)定法要求與測(cè)點(diǎn)之間無(wú)遮擋物,對(duì)采空區(qū)的發(fā)火點(diǎn)及離巷壁較遠(yuǎn)處的探測(cè)有很大困難。普遍使用的方法為傳感器測(cè)定法,但仍然存在信號(hào)微弱易受大功率電氣設(shè)備干擾、對(duì)溫度敏感性差、高溫潮濕環(huán)境中熱感元件易與井下氣體反應(yīng)從而使測(cè)量失真等難以解決的問(wèn)題。

目前我國(guó)煤礦工作環(huán)境較差,水、火、瓦斯、煤塵、頂板等嚴(yán)重威脅井下人員安全，特別是采空區(qū)條件十分復(fù)雜,高溫、高濕、高壓、高塵、冒落、電磁干擾等導(dǎo)致無(wú)法滿足正常條件下的溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備的安置,而我國(guó)國(guó)有重點(diǎn)煤礦中采空區(qū)煤礦自燃災(zāi)害占自燃火災(zāi)的60%[9],所以開(kāi)發(fā)一套穩(wěn)定、適用于惡劣環(huán)境的溫度監(jiān)測(cè)儀器就顯得尤為重要。

3 無(wú)源溫度報(bào)警器的設(shè)計(jì)與研制

3.1 設(shè)計(jì)原理

該無(wú)源溫度報(bào)警器分為溫度觸發(fā)裝置和電磁感應(yīng)裝置兩部分。溫度觸發(fā)裝置利用記憶合金的熱膨脹性質(zhì),在溫度達(dá)到預(yù)警溫度時(shí),記憶合金變形釋放由其限制的釹鐵硼永磁體,釹鐵硼永磁體由于重力及彈簧彈力作用迅速下落,穿過(guò)下方的線圈通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)符合要求3A、1mS的瞬時(shí)電流脈沖,該脈沖激發(fā)報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)高溫報(bào)警功能。設(shè)計(jì)原理框圖見(jiàn)圖1。

圖1 設(shè)計(jì)原理框圖

3.2 設(shè)計(jì)方案及裝置設(shè)計(jì)

3.2.1 整體設(shè)計(jì)

無(wú)源溫度報(bào)警器的整體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 無(wú)源溫度報(bào)警器整體設(shè)計(jì)

3.2.2 記憶合金溫度觸發(fā)裝置

該無(wú)源溫度報(bào)警器的溫度觸發(fā)裝置的感溫材料選用性能優(yōu)良、用途廣泛的鎳鈦系合金。鎳鈦記憶合金具有以下幾個(gè)優(yōu)良性能:一是單位體積產(chǎn)生的能量密度更大,能夠有足夠大的形變滿足裝置釋放釹鐵硼永磁體的要求；二是提高加熱、冷卻循環(huán)周期,可以提高該溫度報(bào)警裝置的靈敏度和迅速預(yù)警的功能；三是鎳鈦系記憶合金不同成分的相變溫度范圍比較廣,記憶合金記憶行為的動(dòng)作溫度可以通過(guò)合金內(nèi)部不同材料的添加和配比而增大或減小,從而研制出不同預(yù)警溫度的溫度報(bào)警開(kāi)關(guān)；四是鎳鈦系記憶合金具有優(yōu)良的耐蝕性和耐磨性,不需要防護(hù)措施。記憶合金元件采用線切割工藝加工成型。

3.2.3 電磁感應(yīng)

(1) 釹鐵硼永磁體。燒結(jié)釹鐵硼永磁體(Nd2Fe4B)是當(dāng)今綜合磁性能最優(yōu)的永磁材料,相比于粘結(jié)、注塑和鑄造的釹鐵硼,燒結(jié)釹鐵硼永磁體有較高的剩磁和矯頑力以及優(yōu)越的機(jī)械性能和相對(duì)低廉的價(jià)格。燒結(jié)釹鐵硼永磁體的技術(shù)已經(jīng)比較成熟,將這一成熟技術(shù)應(yīng)用到無(wú)源溫度報(bào)警器,作為電磁感應(yīng)部分的關(guān)鍵部件,其優(yōu)良的磁性性能和穩(wěn)定性能很好地滿足裝置要求。選用的釹鐵硼永磁鐵技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 釹鐵硼永磁體技術(shù)參數(shù)

釹鐵硼永磁體在通常環(huán)境中可能被腐蝕,會(huì)導(dǎo)致磁體磁性能惡化和架構(gòu)的失效,考慮到無(wú)緣溫度報(bào)警器的使用環(huán)境(較高溫度和濕度條件),必須對(duì)永磁體進(jìn)行防腐蝕的處理。目前主要采用的方法有合金化法、鍍層防護(hù)法,相比較而言鍍層防護(hù)法更為簡(jiǎn)單和普遍,是實(shí)際應(yīng)用中最有效的手段[10]。該裝置中永磁體防腐蝕采用Zn-Ni合金鍍層,它具有優(yōu)異的耐腐蝕性能、良好的性?xún)r(jià)比和低氫脆性,市場(chǎng)應(yīng)用非常廣泛[11]。

(2) 永磁體組裝設(shè)計(jì)方案。無(wú)源溫度報(bào)警器所采用的釹鐵硼永磁體(見(jiàn)圖3)采用新型組裝方式以提高磁場(chǎng)性能。相同磁極對(duì)接產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相同,同向疊加,場(chǎng)強(qiáng)近似為單個(gè)磁體磁極部分產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)的二倍,成倍提高區(qū)域性磁感應(yīng)強(qiáng)度。釹鐵硼永磁體對(duì)接磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖4所示。

圖3 釹鐵硼永磁體實(shí)物

圖4 釹鐵硼永磁體對(duì)接磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

通過(guò)對(duì)不同形式對(duì)接的兩磁體進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試發(fā)現(xiàn),同磁極對(duì)接部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度要明顯增大,且中間波峰值近似等于兩極波峰值的2倍,利用這種組裝方式能夠很好地提高磁場(chǎng)性能,獲得更大的磁場(chǎng),有利于電磁感應(yīng)產(chǎn)生滿足要求的電流脈沖,利用DS1022C示波器測(cè)得電壓194 mV、持續(xù)時(shí)間12 ms。

圖5 電流脈沖示波器波形圖

(3) 電磁感應(yīng)線圈。電磁感應(yīng)線圈是產(chǎn)生電流的關(guān)鍵器件,通過(guò)理論計(jì)算確定導(dǎo)線直徑、匝數(shù)等技術(shù)參數(shù)[12]。釹鐵硼永磁體同極相對(duì)的創(chuàng)新裝配方式得到近似2倍的磁場(chǎng)強(qiáng)度,且磁場(chǎng)方向垂直于外圍線圈,當(dāng)磁鐵下落時(shí)與線圈產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),線圈切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。線圈采用并聯(lián)方式繞制，共繞制5層,每層19匝,滿足大電壓的要求，同時(shí)降低了線圈內(nèi)阻。線圈感應(yīng)電壓為

(1)

由于磁體新型裝配方式,磁場(chǎng)分布有垂直于線圈和穿過(guò)線圈兩種形式,所以切割磁感線和磁通量變化共同作用產(chǎn)生感應(yīng)電壓。線圈電阻有：

(2)

線圈本身的電阻可以通過(guò)線圈長(zhǎng)度、直徑等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)求得磁體下落過(guò)程中的電流值為

(3)

根據(jù)磁體下落距離Z和下落速度v求得電流脈沖持續(xù)時(shí)間為

(4)

式(1)—(4)中:B為磁場(chǎng)強(qiáng)度(T)；N為線圈層數(shù)；rN為N圈處線圈半徑(m)；d為導(dǎo)線直徑(m)；R為電阻(Ω)；ρ為銅導(dǎo)線電阻率(Ω·m)；L為線圈長(zhǎng)度(m)；S為導(dǎo)線橫截面面積(m2)；t為磁體下落時(shí)間，也是電流脈沖持續(xù)時(shí)間(s)；n為每層線圈匝數(shù)；U為感應(yīng)電壓(V)；I為感應(yīng)電流(A)。

代入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)得到:U=145 mV,R=0.026 6 Ω,I=5.45 mA,t=9.5 ms

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù):U=194 mV,R=0.06 Ω,I=3.23 mA,t=12 ms。

結(jié)果符合要求。

4 實(shí)驗(yàn)效果與討論

報(bào)警裝置所用永磁體采用“磁王”釹鐵硼,裝置觸發(fā)后能產(chǎn)生I=3.23 A,t=12 ms的電流脈沖,信號(hào)強(qiáng)勁,經(jīng)信號(hào)分選識(shí)別后不易受井下大型電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾,傳播距離遠(yuǎn)。由于磁體通過(guò)線圈由彈簧驅(qū)動(dòng),裝置可以安放在任何地點(diǎn),任何角度,且不必?fù)?dān)心掉落、掩埋等問(wèn)題。溫度觸發(fā)元件為記憶合金,溫度觸發(fā)范圍可以控制在-65～300 ℃,完全滿足煤自燃過(guò)程預(yù)警要求。記憶合金相對(duì)于普通熱電阻、熱電偶具有耐腐蝕,在高溫、高壓、高濕條件下可以正常工作且合金強(qiáng)度大不易受機(jī)械損壞等顯著優(yōu)勢(shì)。目前針對(duì)煤自燃過(guò)程規(guī)律初步設(shè)計(jì)了80 ℃、110 ℃、140 ℃ 3種型號(hào)的報(bào)警裝置,可以根據(jù)不同煤礦產(chǎn)煤的性質(zhì)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

無(wú)源溫度報(bào)警器自身的優(yōu)勢(shì):

(1) 煤礦采空區(qū)復(fù)雜的環(huán)境導(dǎo)致一般溫度監(jiān)測(cè)裝置的溫度傳感元件容易受腐蝕、破壞或在高溫條件下發(fā)生監(jiān)測(cè)失真,且由于能耗問(wèn)題無(wú)法長(zhǎng)期正常工作。無(wú)源報(bào)警器根據(jù)電磁感應(yīng)原理達(dá)到了裝置的無(wú)源化,解決了有源報(bào)警裝置所固有的不能永久工作的問(wèn)題；

(2) 無(wú)源報(bào)警裝置性能穩(wěn)定,測(cè)量精度高,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠；

(3) 能夠根據(jù)具體要求在任意溫度時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警且提供預(yù)警地點(diǎn),為判斷自燃危險(xiǎn)程度,確定自燃區(qū)域提供了可靠依據(jù),對(duì)預(yù)防采空區(qū)自燃有十分重要的意義；

(4) 可重復(fù)使用,經(jīng)濟(jì)耐用,有廣泛的市場(chǎng)前景。

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Development of passive temperature alarm switch in coal spontaneous combustion monitoring field

Dong Junjun1, Hou Zhijian1, Bai Wushuai2, Zhong Hua2

(1. Basic Experimental Center for Natural Science,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China; 2. School of Advanced Engineer,University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083,China )

The coal spontaneous combustion is accounted for 60% of the mine fire.As a crucial indicator of coal spontaneous combustion, the temperature detection seems very important,and can prevent the happening of the fire. The passive temperature alarm system makes full use of the advantages of passive electromagnetic induction principle to meet the requirement that there’s no power supply into the coal mined-out area,and can make up for the deficiency of the other temperature measurement equipment.It has several advantages of high sensitivity, safety and reliability, and the low price, and has broad market prospects.

passive temperature alarm; coal spontaneous combustion;memory alloy; NdFeB permanent magnet materials; electromagnetic induction

2015- 03- 13

北京科技大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目(2011重點(diǎn))“研究型和創(chuàng)新型基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)”(JG2011Z14)；北京科技大學(xué)本科生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2011年)

董軍軍(1963—)，女，北京，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)教學(xué)及方法研究.

TP212.11

A

1002-4956(2015)9- 0076- 04