礦用隔爆兼本質安全型火災感知監測裝置的設計

陳佩佩

摘要：針對采空區及皮帶巷等特殊的地理環境，研制了一套適合煤礦井下的隔爆兼本安型火災感知監測裝置，該裝置具有火災識別與報警功能，傳輸距離不小于10000米。內接氣體采集板傳感器測量內因火災，環境參數包括溫度、甲烷、一氧化碳和二氧化碳，優化集成煤礦井下束管監測系統和分布式光纖測溫系統的優勢，礦上實際使用結果表明，該裝置可實現井下24小時連續、在線、就地對煤礦火災參數的采集和分析，可有效地對井下火災進行實時的監測，保證井下的安全。

關鍵詞：采空區;本質安全;光纖測溫;煤自燃發火

中圖分類號：TP319? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）19-0226-02

近年來，隨著礦井開采強度增大，采空區范圍不斷擴大，特別是小煤礦破壞區遺留大量的煤炭自燃[1]，火區高溫火源點的辨識難度增大，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是制約煤礦安全生產的主要災害之一，由煤自燃火災誘發瓦斯、煤塵爆炸事故時有發生，嚴重影響煤礦的安全生產[4～5]。由于采空區區域的特殊性及復雜性，一旦發生火災，就會造成巨大的經濟損失和人員傷亡。受限于采空區區域復雜的環境，采空區自燃發火監測至今尚未得到圓滿解決，現階段通過電阻率法、紅外探測法和自燃溫度探測法對礦井火災實施監測，均不能解決煤礦對井下火災實時預警的需求?，F階段對于采空區自燃發火監測常采用光纖測溫系統，該系統采用特殊的測溫光纜為傳感器，僅能做到沿線的監測，容易形成盲區，且對井下煤自燃發火的監測因素不全面[6]。本文設計的礦用隔爆兼本質安全型火災感知監測裝置，以束管監測氣體測量為主，分布式光纖測溫為輔，對火災信息進行全面監測，判定煤自燃程度，確定發火位置，可以有效地解決采空區自燃發火的監測難題。

1 礦用隔爆兼本質安全型火災感知監測裝置主要構成

礦用隔爆兼本質安全型火災感知監測裝置安裝于煤礦井下采用分腔結構，分為本安腔、隔爆腔和接線腔，隔爆腔置于前面為固定開門，本安腔在裝置側壁，本安腔包含多參數傳感器，傳感器設計成便于拆卸的結構，實現就近標校，同時保留通過井下控制器進行標校的功能。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部分，隔爆腔包括變壓器、AC/DC 開關電源、本安電源、控制器、顯示屏和測溫主機組成。

2礦用隔爆兼本質安全型火災感知監測裝置工作原理

礦用隔爆兼本質安全型火災感知監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換成相應的電壓等級給裝置內其他單元供電。氣體采樣由控制器通過設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，經過9選1管路控制閥，再通過束管送入氣室進行分析，將檢測的結果通過RS485通訊傳給控制器，再由控制器通過RS232傳給測溫主機在液晶顯示屏上進行氣體濃度、氣路壓力、當前通道號及狀態等信息的顯示，氣體最后由抽氣泵排出;氣體的標校采用標校氣路送入標校氣樣，控制器給傳感器傳輸標校值完成標校工作。分布式光纖測溫通過外接的感溫光纜實時采集環境溫度，并對數據進行分析判斷，并將相關信息顯示在液晶屏上，可在不開蓋的情況下實現人機交互。監測裝置的原理設計框圖如圖1所示。

2.1本安電源模塊的硬件設計

礦用隔爆兼本質安全型火災感知監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，通過變壓器和開關電源換成相應的電壓等級給裝置內模塊電路及設備供電。

礦用隔爆兼本質安全型火災感知監測裝置使用的本安電源為“ib”級本質安全型電源，本安參數如下： Uo：18.5V;Io：1.3A;Co：4.7?F;Lo：80?H，需要雙重過壓、過流保護電路[7] ，本安電源的過流過壓保護設計電路如圖2所示。

該電路主要使用LT4363控制芯片和SI4410場效應管兩種核心器件設計了過壓過流保護電路，LT4363芯片具有電壓限制功能和電流限制功能，負載端出現過流和短路故障能起到保護作用，從而能將電流限制在設定的安全值上，通過控制N溝道的超低內阻的MOSFET，LT4363保護電路采用模塊澆封化設計，實現了可靠、自適應和節省空間的設計。

2.2控制器模塊的工作原理

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RS485通道獲取傳感器采集的CH4、CO2、CO氣體濃度值及抽氣泵進氣端負壓，給傳感器下發標校命令，通過接受遙控發射器信號進行控制，通過RS232傳輸接口與測溫主機進行通信，接收測溫主機下發的參數設置及控制命令，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、遙控信號等數據傳輸到測溫主機。

控制器模塊硬件電路包括MPU和外圍接口電路組成，總體設計框圖如圖3所示，MPU采用LPC1778，芯片封裝為LQFP144，具有JTAG調試接口和ISP下載接口。

2.3氣體采樣及標校工作原理

氣體采樣及標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合理敷設束管，采空區氣體在抽氣泵的負壓作用下經過電磁閥到達氣體分析柜檢測，其中電磁閥和抽氣泵由控制器控制同時運行。電磁閥組共9路，氣體通路進氣端與敷設在采空區的束管連接，出氣端與氣體分析室進氣端連接進入傳感器檢測模塊進行采樣。由控制器對氣路進行選擇控制，實現某一氣路的開閉。抽氣泵連接到氣體分析室傳感器檢測模塊的進氣端，將采空區內的氣體壓到氣體分析室分析后排到外界環境。

系統工作時，先啟動抽氣泵，使井下氣體被吸入束管，到達電磁閥前并處于等待檢測狀態。傳感器檢測模塊的分析結果通過RS485通信方式傳輸至控制器的數據采集口上，經過內部的信號處理，通過上位機軟件進行處理，分別在屏幕和打印機上表現出來，完成某一路束管氣體的檢測分析過程。根據用戶設定的控制器多路檢測方案、檢測順序和檢測次數自動循環進行抽氣，無須人工控制，可實現24小時連續在線檢測與分析，也可由上位機軟件控制隨時抽氣檢測，所有分析數據均可保留，以便工作人員對數據的后期分析。

氣體標校啟用定點采樣模式，9路氣體管路輸入中的1路為標校入口，該入口連接束管長度約為0.5m，通過人工設置控制器定點采樣的方法，提供標準氣體進行標校。

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選型測溫主機來實現，利用光纖中傳輸的高功率光脈沖與光纖分子作用產生拉曼散射光譜信號，光纖所處的空間溫度場調制了光纖是背向拉曼散射的強度（反斯托克斯背向拉曼散射光的強度），經波分復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，經信號處理可以解調出實時的溫度信息，從而實現分布式光纖測溫。

根據采空區的遺煤分布情況分析煤自燃危險區域，合理敷設感溫光纖，由測溫主機將溫度信息通過RJ45網絡通訊接口傳輸給上位機分析。測溫主機具有多路光纖測溫通道，最多可擴展8路，每個通道采用多模光纖采集可達15km，空間采樣最小分辨率為1米，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據庫、歷史溫度值數據，實時數據刷新間隔為2s，歷史數據保存間隔為5min，可設置溫升報警、溫差報警、定溫報警等多個報警點。

3 結束語

本文提出的礦用隔爆兼本質安全型火災感知監測裝置解決了目前煤礦行業對采空區煤自燃監測參數單一、監測準確性較差的問題，可實時動態監測井下采空區、巷道及工作面溫度及氣體變化情況。該裝置可以實時、連續、大范圍對井下采空區、巷道及工作面火災隱患區域的氣體和溫度進行監測，從而達到煤礦火災預測預警的目的，可以有效提高采空區煤自燃發火識別與預警的時效性、準確性和可靠性，通過該裝置可以全面提高采空區煤自燃發火預警的時效性、準確性和可靠性，能有效地保障礦井安全生產。

參考文獻：

[1] 王昕，翁明月.特厚煤層小煤礦采空區探測與充填復采技術[J].煤炭科學技術，2012，40（10）：41-44，48.

[2] 馬曙，楊明濤，李曉華，等.高瓦斯自燃煤層采空區瓦斯抽采及防滅火技術實踐[J].煤礦開采，2012，17（1）：83-85.

[3] 邵昊，蔣曙光，王蘭云，等.尾巷對采空區煤自燃影響的數值模擬研究[J].采礦與安全工程學報，2011，28（1）：45-50.

[4] 單亞鋒，馬艷娟，付華，等.分布式光纖測溫系統在煤礦火災監測中的應用[J].傳感技術學報，2014，27（5）：704-708.

[5] 陳輝，芮騏驊.基于ZigBee的礦井采空區溫度監控系統[J].煤礦機電，2015（3）：7-10.

[6] 謝俊文，盧熹，上官科峰，等.分布式光纖測溫技術在大傾角易燃煤層采空區自燃監測中的應用研究[J].煤礦安全，2014（11）：118-121.

[7] 朱前偉.礦用本質安全電源的基本要求和設計方法[J].工礦自動化，2012，38（2）：22-25.

【通聯編輯：朱寶貴】