郭莊煤礦甲烷濃度監測系統的設計

李亞超

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司，山西 長治046100）

引言

煤炭是我國主要的一次性能源，在我國具有豐富的儲量及開采量，對于我國經濟的發展提供了充足的動力。在煤礦的開采生產中，煤礦安全問題是長期以來一直存在的問題，特別是礦井中含有的甲烷氣體，容易造成煤礦的瓦斯爆炸，對煤礦的生產造成嚴重的威脅。在煤礦的安全監測系統中，建立有效的甲烷濃度監測系統[1]，實時監測井下系統的甲烷濃度，并進行及時反饋，可以提高煤礦安全監控水平，保證煤礦的安全生產，避免發生安全事故。

1 甲烷濃度監測系統的整體方案

由于郭莊煤礦井下生產環境惡劣，采用布線的方式會造成監測系統極大的工作量，并且維護的成本較高，不利于監測系統的擴展，同時有線設備的使用修復性較差，因此，郭莊煤礦的甲烷濃度監測系統采用無線傳輸的技術實現。進行甲烷濃度監測系統的設計，首先要保證礦井的安全性，避免甲烷的中毒、爆炸等安全事故[2]。確定甲烷的濃度范圍，采用高靈敏度的傳感器，能夠及時有效地對礦井中甲烷含量的變化做出響應。由于礦井的環境復雜，延伸范圍廣，對于傳感器的節點設置必須合理有效，對煤礦的井下環境進行全面的監測，并且能穩定有效地實時反饋監測的數據。隨著開采工作的進行，監測系統要具有良好的可擴展性，能滿足生產向前推進的需求。

設計采用基于ZigBee的無線傳輸甲烷濃度監測系統，系統的整體結構如圖1所示，系統可以分為井上的監控中心和井下的數據采集系統兩部分[3]。井上監控中心對礦井中布置的傳感器數據進行分析處理，可以實時查看井下位置的甲烷濃度及變化情況，并針對不同的區域設定相應的安全閾值，保證數據處理的有效性。井下數據采集系統，通過布置在井下的傳感器進行數據的采集，經過ZigBee無線模塊將數據傳輸至路由器中。路由器進行數據的轉發，實現無線網絡的覆蓋，將傳感器數據進行上傳給協調器，并且可以接收來自監控中心的指令。協調器作為井下數據采集的中樞，將路由器的數據進行匯總向上傳輸，并接收監控中心的指令傳輸給路由器[4]。

圖1 甲烷濃度監測系統整體結構圖

2 甲烷濃度監測系統的設計

2.1 甲烷檢測傳感器的選擇

對礦井內的甲烷濃度進行檢測常使用非光譜學的方法，采用紅外光譜吸收型的傳感器，其結構如下頁圖2所示，在充滿甲烷氣體的氣室中，當含有甲烷氣體的特征光譜的紅外光通過時，甲烷氣體吸收相對應的能量，使得紅外光的能量發生一定的衰減，從而計算得到甲烷氣體的濃度。采用這種類型的傳感器進行甲烷氣體的檢測[5]，具有較快的響應速度、較高的靈敏度、良好的穩定性和防爆性，使用壽命超過5年以上。

2.2 終端節點的設計

系統的終端節點包括甲烷傳感器、控制模塊及電源模塊。如圖3所示：甲烷傳感器進行井下甲烷濃度數據的采集，并進行信號的輸出；控制模塊采用CC2530作為核心芯片進行傳感器信號的轉換，將傳感器輸出的模擬量轉換成數字量信號，并進行數據的發送；電源模塊為各個甲烷傳感器及控制模塊提供電能，為了減少系統的布線設置，對供電模塊采用電池供電的方式，保證終端節點的穩定運行[6]。

圖2 紅外光譜吸收型甲烷傳感器

圖3 終端節點的結構及連接

2.3 路由器節點的設計

在井下數據采集系統中，路由器節點作為中間的連接，對傳感器的信息進行數據的轉換打包上傳至協調器，并將協調器來自監控中心的指令向終端節點進行傳輸，路由器同時保證ZigBee無線傳輸的網絡覆蓋，實現網絡的穩定傳輸。路由器節點的結構及連接如圖4所示，從圖4中可以看出，路由器節點中同時設置了聲光報警器，當檢測到的甲烷濃度超過設定值時，會產生相應的警報，同時具有聲音及紅光閃爍，保證作業人員能及時有效接收到預警信息。

圖4 路由器節點的結構及連接

2.4 協調器節點的設計

協調器節點的結構及連接如圖5所示，協調器進行ZigBee無線網絡的啟動及維護，保證網絡的穩定傳輸，協調器即相當于井上監控中心及井下數據采集系統的中間路由器，將所有路由器的數據進行匯總向上傳輸，并接收監控中心的指令向路由器傳輸，由路由器進行分配執行。

圖5 協調器節點的結構及連接

3 結論

1）甲烷濃度監測系統分為井上的監控中心，可以實現對數據的監控及相關指令的下發，井下的數據采集中心，通過甲烷傳感器進行井下甲烷濃度數據的采集，然后將數據傳輸至路由器節點，進行數據的轉換及打包發送，協調器將所有路由器的數據向監控中心傳輸，并向路由器下發監控中心的指令，由路由器進行分配執行。

2）系統采用ZigBee無線傳輸的技術可以實時的掌握井下甲烷濃度情況，可靠性高，成本低，并且具有靈活的可拓展性，可以滿足煤礦擴大生產的需求。