礦井火災環境信息動態感知與應急隔離系統

肖國強， 范新麗， 馬礪， 駱偉， 吳明明

(1.貴州發耳煤業有限公司， 貴州 六盤水 553001；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；3.兗州煤業股份有限公司， 山東 鄒城 273500；4.鄂爾多斯市營盤壕煤炭有限公司， 內蒙古 鄂爾多斯 017300)

0 引言

煤礦火災易產生高溫和大量有毒有害氣體，引發次生災害，嚴重威脅安全生產[1]。對災變區域環境進行準確監測與隔離，可降低災變區域的氧氣濃度，控制火災發展，阻斷事故反應鏈，同時，為掌握火區發展狀態、制定滅火方案提供數據支撐。

火災區域環境信息監測是火災應急控制的基礎。由于火災區域環境影響因素多，需要研究多種信息參數協同應用的火災區域監測技術[2-4]。文獻[5]提出了基于氣體傳感器、可見光圖像、溫度傳感器和煙霧傳感器等多信息融合的礦井火災感知方法，提高了火災區域監測數據的可靠性。文獻[6]提出了基于雙目視覺的礦井火災感知與定位方法，具有監控范圍廣、成本低、響應快和可視化等優點。

火災區域隔離是有效控制火災發展和蔓延的主要方法，能夠切斷次生事故的反應鏈，縮小火災影響范圍，減少人員傷亡和財產損失[7]。常用的密閉隔離措施如混凝土密閉墻、聚氨酯噴涂密閉、噴膠等難以滿足快速切斷災害事故鏈的要求，無法對密閉環境進行實時動態監測及預報[8]。文獻[9-10]設計了用于隔離煤礦火區的快速充氣氣囊，提高了火災區域應急處置能力。文獻[11]提出通過電控、氣控和手動3種協同控制方法對火災區域進行遠程快速密閉隔離，但未對具體的監測和控制技術實現進行詳細闡述。

本文在上述文獻的基礎上，設計了礦井火災環境信息動態感知與應急隔離系統，實現了火災環境參數實時采集和報警、密閉隔離裝置遠程控制等功能，可對火災區域進行快速密閉隔離。

1 系統總體設計

1.1 系統架構

礦井火災環境信息動態感知與應急隔離系統包括感知層、網絡層和應用層3個部分，如圖1所示。

圖1 礦井火災環境信息動態感知與應急隔離系統架構Fig.1 The architecture of dynamic information perception and emergency isolation system for mine fire environment

感知層主要由多參數傳感器、紅外攝像儀、PLC控制器、礦用本安型電磁閥、高精度壓力傳感器、位置傳感器等構成。多參數傳感器、紅外攝像儀分別用于采集環境參數和視頻信息。PLC控制器用于控制電磁閥，執行密閉隔離裝置(主體為密閉囊袋)充氣啟停控制命令。高精度壓力傳感器用于監測囊袋氣壓。位置傳感器用于監測囊袋下落密閉過程，保證囊袋在整個巷道斷面中充填。

網絡層以無線傳感器網絡和RS485有線通信網絡為基礎，通過井下環網交換機搭建工業以太網絡系統，通過Modbus等通信協議構建網絡平臺[12-14]。

應用層通過分析整理監測數據，定位數據異常區域并啟動應急預案，發送應急隔離控制指令。通過實時監測和報警，引導井下危險區域的工作人員及時撤離危險區域。

1.2 系統流程

礦井火災環境信息動態感知與應急隔離系統流程如圖2所示。

圖2 礦井火災環境信息動態感知與應急隔離系統流程Fig.2 The process of dynamic information perception and emergency isolation system for mine fire environment

在預先判定的危險區域布置監測節點，通過多參數傳感器和紅外攝像儀對多個測點的環境信息進行同步采集并傳輸至地面監控平臺。監控平臺根據環境監測數據及視頻信息對井下危險區域狀況進行研判。當傳感器監測到CO體積分數呈現上升趨勢時，系統報警。當CO體積分數達到24×10-6時，工作區域人員撤離，測試系統壓力條件，通過遠程控制方式控制密閉隔離裝置開啟，控制信號通過局域網傳輸至井下PLC控制器，通過控制電磁閥實現對囊袋充填。囊袋通過預設滑軌傳動系統從存儲倉擴展至整個斷面，實現應急密閉隔離。

通過高精度壓力傳感器對囊袋內部氣壓進行實時監測，并通過PLC控制器、井下基站、工業以太網絡將壓力數據傳輸至地面監控平臺。監控平臺根據壓力監測數據設定囊袋充氣壓力的安全范圍(300～550 Pa)。當囊袋內部壓力低于安全范圍下限時，啟動囊袋自動補氣裝置，為囊袋補充氣量；當內部壓力達到設定范圍上限時，自動停止充氣，以提升密閉效果。

2 系統關鍵技術實現

2.1 多參數傳感器

多參數傳感器主要由礦用本安型外殼、溫濕度傳感器、CO傳感器、CO2-CH4傳感器、O2傳感器、煙霧傳感器、聲光報警模塊、射頻發射模塊、電源模塊、紅外遙控模塊等組成，如圖3所示。各傳感器測量范圍及精度見表1。

圖3 多參數傳感器結構Fig.3 The structure of multi-parameter sensor

表1 傳感器測量范圍及精度Table 1 Sensor measuring range and accuracy

將CO傳感器、CO2-CH4傳感器、O2傳感器集成于電路板中，可同時得到多種氣體監測數據，解決了災區環境監測參數單一的問題。同時，選用電化學氣體傳感器和紅外氣體傳感器，其響應速度快、靈敏度高。

礦用多參數傳感器底部設有離子式煙霧傳感器，可感知火災區域環境煙霧；外部設有濾水片，可降低空氣濕度對各傳感器檢測精度的影響；外部還設有顯示屏，可顯示氣體濃度和環境參數。礦用多參數傳感器預留了標準Modbus RTU協議的RS485通信接口，可通過紅外遙控模塊實現校準。

2.2 密閉隔離裝置及其控制

密閉隔離裝置主要由密閉囊袋、導向軌及控制部分組成。囊袋選用強度高、質量小、氣密性佳、彈性好的復合纖維材料，內部平行分布有彈性和強度較大的塑性纖維柔性骨架結構。同時，囊袋外部設有充氣口、充填口、泄壓口及壓力監測口。通過PLC控制器打開囊袋啟動結構，使囊袋沿軌道快速下降，打開電磁閥，啟動充氣系統，實現氣體充填，如圖4所示。

1-密閉囊袋；2-泄壓口；3-導向軌；4-充填口；5-密閉壓力監測；6-多參數傳感器；7-攝像儀；8-啟動結構。圖4 密閉隔離裝置Fig.4 Airtight isolation device

3 試驗分析

在山東兗礦集團鮑店煤礦5312輔助運輸巷道聯絡巷風門前15 m處及人員定位基站處對系統進行工業性試驗。5312輔助運輸巷道聯絡巷為寬5 m、全高4 m的矩形煤巷，如圖5所示。結合現場實際應用環境，將密閉隔離裝置安裝在5312輔助運輸巷道聯絡巷風門前15 m處巷道頂部，當災變發生時可阻擋風流前進。將PLC控制器、電磁閥、壓力傳感器與井下壓風管路連接，通過PLC控制器控制電磁閥啟停，通過壓力傳感器對囊袋內部壓力進行實時監測。在距離密閉隔離裝置兩側5 m位置布置多參數傳感器。PLC控制器直接由127 V照明電源供電，將127 V井下照明電源轉換為12 V后為監測基站及傳感器供電。

圖5 試驗地點Fig.5 Test location

在地面控制平臺向密閉隔離裝置發送控制信號，測試PLC控制器能否正常啟動電磁閥。同時，通過壓力傳感器記錄囊袋充氣過程中壓力傳感器數值變化，并實時觀察囊袋狀況，當達到預設壓力值550 Pa后，停止充氣。采用傾斜式壓差計測量密閉前后壓差。囊袋內部壓力變化如圖6所示，密閉前后壓差及漏風率如圖7所示。

圖6 囊袋內部壓力變化Fig.6 Pressure changes inside the airtight bag

圖7 囊袋密閉前后壓差及漏風率Fig.7 Pressure difference and air leakage rate before and after the airtight bag is sealed

由圖6和圖7可知，密閉囊袋在5 min內完成開啟，停止充氣后，囊袋內部壓力基本保持穩定，可滿足現場使用要求。密閉囊袋兩側壓差保持相對穩定，漏風率在5%以內。

4 結語

設計了礦井火災環境信息動態感知與應急隔離系統，通過多參數傳感器采集井下溫度、濕度及氣體含量信息，通過遠程控制方式控制密閉隔離裝置啟停，并通過高精度壓力傳感器對囊袋內部氣壓進行實時監測。現場試驗結果表明，該系統實現了火災環境參數實時采集和報警、密閉隔離裝置遠程控制等功能，密閉囊袋可在5 min內完成開啟，停止充氣后，囊袋內部壓力基本保持穩定，滿足現場應用要求。