陳佩佩

(天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

煤礦在開采過程中會受到火災、瓦斯、礦塵、頂板和水災等災害的威脅,采空區(qū)遺煤厚，煤層埋藏淺，易出現(xiàn)裂縫漏風，產(chǎn)生自燃現(xiàn)象，由煤炭自燃所引起的火災是制約煤礦安全生產(chǎn)的主要災害之一，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)帶來嚴重威脅[1]。近年來，隨著礦井開采強度增大，采空區(qū)范圍不斷擴大，小煤礦破壞區(qū)遺留大量的煤炭自燃[2]，火區(qū)高溫火源點的辨識難度增大，有害氣體的治理難度增加[3-5]?，F(xiàn)階段對于采空區(qū)自燃發(fā)火監(jiān)測尚未得到圓滿解決，目前對煤自燃的監(jiān)測常采用光纖測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效地監(jiān)測采空區(qū)煤自燃的問題，但其采用特殊測溫光纜為傳感器，只能做到沿線的監(jiān)測，容易形成盲區(qū)，而且該系統(tǒng)對井下煤自燃發(fā)火的監(jiān)測因素不全面[6]。

通過分析研究，本文設計的煤礦火災多參數(shù)感知監(jiān)測裝置集分布式光纖測溫技術與井下束管監(jiān)測技術的優(yōu)勢，采用以束管監(jiān)測氣體測量為主，分布式光纖測溫為輔，并關聯(lián)一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲烷、煙霧、溫度、風速和風向傳感器進行測量，可對火災信息進行全面監(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)自然發(fā)火的監(jiān)測難題。

1 煤礦火災多參數(shù)感知監(jiān)測裝置概況

煤礦火災多參數(shù)感知監(jiān)測裝置安裝于煤礦井下，可以實現(xiàn)采空區(qū)溫度的連續(xù)分布式監(jiān)測和CH4、O2、CO2、CO的實時在線監(jiān)測及對周圍環(huán)境的監(jiān)測。其中氣體的監(jiān)測采用井下束管監(jiān)測的原理，通過裝置內(nèi)部電源板為抽氣泵供電，抽取采空區(qū)內(nèi)部的氣體，通過布置的束管傳輸?shù)奖O(jiān)測裝置內(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，實現(xiàn)氣體從采空區(qū)向多參數(shù)監(jiān)測裝置的采樣，其長度不超過2 000 m，大大縮短了束管長度，解決了束管漏氣等問題，每個監(jiān)測裝置共設計9路氣體管路接入。采用分布式光纖測溫原理對溫度進行監(jiān)測，以特殊的多模感溫光纖為傳輸通道和感溫介質(zhì)，通過與監(jiān)測裝置連接，每1 m布置一個測點，發(fā)射光信號沿線測量溫度，監(jiān)測裝置最多可連接30路感溫光纜。另外，監(jiān)測裝置通過關聯(lián)一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲烷、煙霧、溫度、風速和風向傳感器進行信息監(jiān)測以及聲光報警器進行報警，可以智能辨識，提前判斷煤自燃情況。

2 煤礦火災多參數(shù)感知監(jiān)測裝置結構及原理

2.1 基本結構

煤礦火災多參數(shù)感知監(jiān)測裝置采用分腔結構，前端為固定開門，上方開蓋接線，左側腔體為本安腔，喇叭嘴分布在上方較細部分。該裝置的本質(zhì)安全型電源、控制器、氣體傳感器(CH4、O2、CO2、CO)、負壓傳感器、顯示屏和測溫主機組成，并關聯(lián)一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲烷、煙霧、溫度、風速和風向傳感器進行信息監(jiān)測。

2.2 工作原理

監(jiān)測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，通過變壓器和電源模塊轉(zhuǎn)換成相應的電壓等級,為裝置內(nèi)其他單元供電。監(jiān)測裝置通過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。光纖測溫控制核心通過外接的感溫光纜實時采集環(huán)境溫度，并對數(shù)據(jù)進行分析判斷，根據(jù)用戶設定的報警條件，通過開關量板和交換機模塊將報警信息傳輸給其他設備，同時將相關信息顯示在液晶屏上，可在不開蓋的情況下實現(xiàn)人機交互。

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

3 煤礦火災多參數(shù)感知監(jiān)測裝置設計

煤礦火災多參數(shù)感知監(jiān)測裝置研發(fā)設計主要包括本質(zhì)安全型電源模塊、傳感器檢測模塊、控制器模塊、氣路與氣泵模塊、分布式光纖測溫模塊及軟件設計模塊。

3.1 本質(zhì)安全型電源模塊的硬件設計

煤礦火災多參數(shù)感知監(jiān)測裝置本質(zhì)安全型電源模塊的總體設計如圖2所示，由交流127/660 V電壓輸入，通過變壓器和電源模塊轉(zhuǎn)換成相應的電壓等級為裝置內(nèi)模塊電路及設備供電，經(jīng)變壓器后輸出AC 220 V電壓,將AC 220 V電壓分2路，1路為測溫主機供電，1路為開關電源供電。開關電源的輸出24 V作為4個DC-DC模塊的輸入電壓，通過電源模塊轉(zhuǎn)換成相應的直流電壓，1路本質(zhì)安全隔離18 V，為聲光報警器供電；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)控制器的開關量信號控制，當接收開關量信號為低電平時，不輸出24 V，當開關量信號為高電平時，輸出24 V。

圖2 本質(zhì)安全型電源模塊的總體設計

煤礦火災多參數(shù)感知監(jiān)測裝置使用的本質(zhì)安全型電源為“ia”級本質(zhì)安全型電源，其參數(shù)為：Uo18.5 V；Io1.3 A；Co4.7 μF；Lo80 μH，需要三重過壓、過流保護電路[7]，本質(zhì)安全型電源的過流過壓保護設計電路如圖3所示。

圖3 過流過壓保護設計電路

該電路由過壓快速保護電路級聯(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場效應管為核心器件，LT4363芯片可對負載端的過流和短路故障做出快速響應，能將電流限制在檢測電阻器設定的安全值，通過控制N溝道的MOSFET，LT4363保護電路采用模塊澆封化設計，實現(xiàn)了可靠、自適應和節(jié)省空間的設計。

3.2 傳感器檢測模塊的硬件設計

煤礦火災多參數(shù)感知監(jiān)測裝置中氣體采集總體設計如圖4所示，其采用采集板加變送器的電路結構，通過原單位現(xiàn)有的各氣體變送器進行氣體濃度測量，然后通過采集主板的IIC與各氣體變送器通信，獲得各氣體的測量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)4種氣體濃度的采集。傳感器檢測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。被測采空區(qū)內(nèi)氣體通過氣管抽取到測量氣室，然后由傳感器測量各氣體濃度。

圖4 傳感器檢測模塊總體設計

3.3 控制器模塊的硬件設計

控制器模塊按照設定的管路采樣方式控制電源模塊電磁閥的選通和關閉，通過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氣端負壓，并關聯(lián)一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲烷、煙霧、溫度、風速和風向傳感器進行信息監(jiān)測，給傳感器下發(fā)標校命令，通過接受遙控發(fā)射器信號進行控制，并具有RS-232傳輸接口，與測溫主機進行通信，接收測溫主機下發(fā)的參數(shù)設置及控制命令，將采集的氣體濃度值、抽氣泵進氣端負壓值、當前采集通道號、遙控信號等數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔y溫主機?？刂破髂K硬件電路由電源、MPU和外圍接口電路組成，總體設計如圖5所示。

圖5 控制器模塊總體設計

MPU采用LPC1778，芯片封裝為LQFP144,具有5路UART，其中UART1可支持MODEM握手信號，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)軟啟動電路輸入，通過穩(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備供電。

3.4 分布式光纖測溫模塊

分布式光纖測溫采用技術選型測溫主機實現(xiàn)，應用無源分布式測量原理，通過測溫光纖采集最多30路通道溫度，通過RS-232接口與控制器交互，獲取氣體濃度值及管路氣壓值，并對控制器下發(fā)命令，采用RJ45網(wǎng)口將數(shù)據(jù)通過傳輸接口上傳至上位機，進行通道溫度數(shù)據(jù)、氣體參數(shù)的顯示，其接口如圖6所示。

測溫主機具有多路光纖測溫通道，最多可擴展至30路，每個通道采用多模光纖,采集可達15 km，空間采樣最小分辨率為1 m，溫度測量范圍為-40 ℃～120 ℃，整個通道范圍測量精度為±1 ℃。測溫主機具有實時溫度值數(shù)據(jù)庫、歷史溫度值數(shù)據(jù)，實時數(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置溫升報警、溫差報警、定溫報警等多個報警點。

圖6 分布式光纖測溫模塊接口

4 結論

采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測裝置可對采空區(qū)煤自燃發(fā)火關鍵參數(shù)進行實時在線監(jiān)測，本文提出的分布式光纖測溫及氣體檢測技術解決了采空區(qū)煤自燃監(jiān)測參數(shù)單一的問題。氣體多參數(shù)監(jiān)測裝置監(jiān)測并采集CO、CH4、O2、CO2氣體濃度并通過分布式光纖進行溫度采集，可以準確地確定發(fā)火點位置，解決了現(xiàn)有人工監(jiān)測手段的監(jiān)測種類單一，監(jiān)測數(shù)據(jù)少，不能實時在線監(jiān)測等問題。該裝置可以實時、連續(xù)、大范圍對礦井火災隱患區(qū)域的氣體和溫度進行監(jiān)測，達到煤礦火災預測預警的目的，可以有效提高采空區(qū)煤自燃發(fā)火識別與預警的時效性、準確性和可靠性，對煤礦和人身安全具有重要意義。