基于多傳感器的采空區火災監測系統設計

文/易瑜,婁底職業技術學院

基于多傳感器的采空區火災監測系統設計

文/易瑜,婁底職業技術學院

本文構建了一種綜合多種傳感器信息，并運用數據融合中分層融合思想的煤礦采空區火災預警系統模型。介紹了傳感器性能，設計了火災監測系統架構，構建了多傳感器分層數據融合模型，對采空區遺煤發火階段狀態進行了預測。

傳感測溫；氣體監測；火災監測

引言

火災是煤礦主要災害之一，其中采空區遺煤自燃發火占很高比例。研究表明，采空區自燃區域隨著工作面的推進而移動。有學者提出的采空區自燃危險區域判定理論認為采空區自燃地區有散熱帶、自燃危險帶和窒息帶，受工作面推進速度影響，煤炭自燃主要發生在自燃危險帶內。建立了采空區自燃危險區判定模型。找到采空區自燃危險帶，并采取一定的技術手段，就可有效防治采空區火災。

1 傳感器性能介紹

礦用傳感器不同于普通傳感器，在安全防爆、顯示值穩定性、響應時間、誤差范圍

以及體積大小，電池電量等多方面有嚴格要求。根據前文所述綜合多方面考量，選取目前應用最為廣泛的三種傳感器作以介紹。

1.1 KYJ-2000型遙控甲烷傳感器

KYJ-2000型遙控甲烷傳感器用于監測煤礦井下空氣中的甲烷含量。它是一種紅外遙控智能型檢測儀表，采用本安電路設計，可以對甲烷濃度進行連續檢測。該儀器最大特點是:免開蓋就可用遙控器調零、調精度(靈敏度)和非線性補償等。并具有精度高、兼容性好、穩定可靠等優點。

1.2 溫度傳感器

礦井環境溫度是礦井生產環境的重要指標外，還是煤炭自然發火的重要指標之一。因此，礦井環境溫度監測是礦井安全監測的重要指標之一。目前溫度傳感器主要有以下幾種:

1.2.1 半導體式溫度傳感器

利用半導體三極管基級一發射極電壓Ube的溫度特性及外部電路，可測得環境溫度的變化。集成電路傳感器AD590等就是將晶體管電路與放大電路等集成在一個芯片上。

1.2.2 紅外式溫度傳感器

溫度高于絕對零度(-273 0C)的任何物體均會產生紅外輻射，輻射頻率P隨溫度增大而增大。

1.2.3 光纖式溫度傳感器

光纖式溫度傳感器采用的工作原理較多，利用半導體材料吸收光譜特性隨溫度變化的原理，研制出裝有GeAs(砷化鍺)、CdTe(蹄化福)等晶片的光纖溫度傳感器。

1.3 風速傳感器

bKGF2礦用智能風速傳感器，主要用于煤礦井下各種坑道、風口、通風機井口等處的風速、風量的檢測，以確保煤礦的安全生產。

2 火災監測系統設計架構

采空區火災監測系統是一種綜合安全防滅火監測系統，由監控中心站、環網交換機、監控分站、分布式光纖測溫主機、傳感器組、聲光報警器、閥門及其控制器、傳輸電纜(光纜)、滅火管網以及常規消防聯動設施構成。通過對采空區發火特征參數進行在線檢測、分析監測數據。通過井下環網準確地將井下的氣體分析結果傳輸給地面中心站，實現礦井采空區發火區域定位，進行實時、無盲區溫度監測及火災特征參數監測，達到對采空區火災預警、發火區域惰性氣體充填和發火區域自動封堵提示預警，以及發火區域火災發展趨勢預測等。

3 多傳感器的采空區火災監測系統設計

基于無線傳感器網絡技術的煤礦安全監測系統在繼承了無線傳感器網絡的自動感知、自動組網、多跳中繼傳遞等特性的同時，充分考慮到了煤礦井下的實際情況。如圖1所示，該系統主要由以下五個部分構成:

3.1 移動無線傳感器網絡節點:由井下礦工攜帶，電池供電，帶有探測瓦斯濃度等環境質量監測傳感器，具有無線傳輸數據的功能，并在環境監測數據超標時自動報警。每個移動節點提供一個唯一的編號，用以確定攜帶者的身份、位置等信息。

3.2 固定無線傳感器網絡節點:按一定的間距固定在支巷道道壁上，具有環境數據和無線傳輸數據的功能；并在環境監測數據超標時自動報警。每個固定節點的位置需要在計算機數據庫中備案，以此為固定坐標點用以確定運動節點的坐標位置。

3.3 基站接收機節點:安裝在主巷道內，接收固定式無線傳感器網絡節點的數據，并通過通信電纜將數據傳輸給信息收集數據庫服務器。

4 火災監測系統主要功能特點

該火災監測系統采用多元信息融合探測技術:以分布式光纖測溫系統為主與井下發火區域特征參數傳感器實時檢測數據進行多判據信息融合，從而實現煤炭自燃發火區域的探測和識別。該系統具有以下特點：

4.1 分布式光纖測溫技術在采空區實現了無盲區溫度檢測和定位。監測范圍廣，感溫光纜既是信號傳輸通道又是傳感器，由感溫光纜即可監測光纜沿線每一點溫度值，溫度監測實時、連續、范圍大。

4.2 報警功能豐富，報警分區可根據現場條件變化任意設定，且每個分區可設定不同的報警值；可設置多種報警方式，并可設多級預警模式，能在火災發生前做到早期預警。本質安全，采用感溫光纜作為溫度傳感器，不需供電，本質安全系統聯動。

5 結論

通過前期系統的實驗研究、方案設計，對基于復合傳感信號的采空區火災監測系統方法及技術手段等方面進行總結:

5.1 基于煤自然發火相關理論，研究煤在自燃過程中指標氣體產生規律及其與煤溫的對應關系；根據CO、O2、CxHx類等指標氣體濃度及其比值和溫度變化率隨煤溫的發展變化情況進行逆向反推，對采空區遺煤發火階段狀態進行預測。

5.2 結合現場觀測，通過監控系統上位機分別采用模糊識別方法，建立了煤自燃多源信息融合預警模型。

5.3 采用先進的傳感溫度檢測技術和基于激光、紅外等多種氣體傳感器組相結合的礦井采空區遺煤自燃特征信息融合的監測方法，確定出采空區煤自燃特征參數監測點布置，優化測點布置方案，提高了系統監測的可靠度和靈敏度。

[1]易瑜，吳蓮貴.礦井安全智能監測無線傳感器網絡關鍵技術研究[J].甘肅科技，2014.11.

本文為2016年婁底市科技局科研項目：基于多傳感器數據融合的煤礦采空區火災預警系統；湖南省教育廳優秀青年項目：基于物聯網和云計算技術的葡萄園監測系統研究（編號：16B219）；婁底職業技術學院課題：基于物聯網的農業溫室智能管理系統的研究成果。

易瑜（1980-），女，湖南婁底職業技術學院，副教授，碩士研究生，研究方向：教育管理，網站設計與安全管理。