礦井電火花及熱動力災害紫外圖像感知方法研究

孫繼平，李小偉，徐旭，張森森

（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

0 引言

礦井電火花會引起礦井熱動力災害（主要包括礦井火災、瓦斯和煤塵爆炸）。礦井火災會產生大量熱量和高溫，產生大量CO2，CO 等有毒有害氣體，消耗大量O2，造成人員傷亡，巷道、設施和設備損毀。礦井瓦斯和煤塵爆炸包括瓦斯爆炸、瓦斯煤塵爆炸和煤塵爆炸。礦井瓦斯和煤塵爆炸會產生大量熱量和高溫，產生爆炸沖擊波和高壓，產生大量CO2，CO 等有毒有害氣體，消耗大量O2，造成人員傷亡，巷道、設施和設備損毀。盡早感知礦井電火花，并采取電火花防治措施，可避免或減少礦井火災、瓦斯和煤塵爆炸。盡早感知礦井火災、瓦斯和煤塵爆炸，及時應急救援，可減少人員傷亡和財產損失[1-4]。

1 礦井電火花及其監測方法

礦井電火花主要有電纜和電氣設備漏電產生的電火花（以下簡稱漏電電火花）；大功率無線電發射在金屬支護和機電設備金屬上感生電動勢放電產生的電火花（以下簡稱感應電火花）。電氣開關分合和電氣設備故障等也會在隔爆外殼內產生電弧和電火花（以下簡稱殼內電火花）。因隔爆外殼的隔爆作用，殼內電火花不會引起隔爆外殼外的瓦斯和煤塵爆炸及礦井火災。為避免或減少漏電電火花，《煤礦安全規程》要求煤礦井下供電電網應具有漏電保護、過流保護和保護接地。由于漏電保護、過流保護和保護接地維護不及時和錯誤操作，漏電電火花時有發生。

1.1 漏電電火花

煤礦井下環境惡劣，有淋水，空氣潮濕，空間狹小，設備多，采煤工作面和掘進工作面不斷推進，電纜隨工作面移動，漏電電火花時有發生。①礦用電纜和電氣設備受潮或進水，造成絕緣電阻下降，產生電火花。②礦用電纜和電氣設備長期過負荷運行，造成絕緣老化，產生電火花。③礦用電纜受擠、壓、砸等機械作用，造成電纜外護套絕緣和芯線絕緣破損，產生電火花。④礦用電纜長期彎曲產生裂縫，潮氣或淋水侵入，產生電火花。⑤采用金屬絲吊掛橡套電纜，金屬絲嵌入絕緣層內接觸芯線，產生電火花。⑥礦用電纜和電氣設備接頭松動脫落，接觸金屬外殼，產生電火花。⑦礦用電氣設備違規增添電氣元件，或維修時工具遺留在設備內，造成電氣間隙變小，對外殼放電，外殼帶電，產生電火花。⑧礦用電氣設備產生電弧，外殼帶電，產生電火花。⑨嚴重過電壓，擊穿電纜或電氣設備對地絕緣，產生電火花。

1.2 感應電火花

隨著煤礦智能化建設，礦井移動通信、人員定位、車輛定位、無線攝像機、無線傳感器、便攜式無線終端等無線通信設備和系統在煤礦井下獲得了廣泛應用。為提高無線傳輸距離，5G，WiFi6，UWB，ZigBee 等無線基站的發射功率和天線增益較大。大功率無線電發射在金屬支護和機電設備金屬上感生電動勢，當感生電動勢較高時，將對地放電，產生電火花。為避免或減少感應電火花，GB 3836.1-2010《爆炸性環境 第1 部分：設備 通用要求》規定煤礦井下無線電輻射閾值應不大于6 W。該規定缺乏充分的理論分析和實驗驗證。因此，近年來，人們開展了煤礦井下最大允許無線電輻射閾值研究。GB 3836.1-2010 規定了煤礦井下單臺無線發射設備天線無線電輻射閾值應不大于6 W，但沒有考慮多臺近距離無線發射設備天線無線電輻射能量疊加效應，這也是急需解決的關鍵科學技術問題。

1.3 礦井電火花監測方法

瓦斯在空氣中爆炸濃度一般為5%～16%[5]。當空氣中混入煤塵等可燃物，瓦斯爆炸下限會降低。當空氣中瓦斯濃度達到爆炸濃度，恰好有電火花等火源，就會發生瓦斯爆炸。瓦斯爆炸會發生揚塵，引發煤塵爆炸。電火花熱量也會引起礦井火災。因此，研究礦井電火花感知方法，及時發現礦井電火花，并采取電火花防治措施，可避免或減少礦井火災、瓦斯和煤塵爆炸事故發生。

礦井電火花會產生較強的紫外光，但可見光和放電聲音相對較小。感應電火花等每次放電能量較小的礦井電火花本身溫度較高，但電火花周邊物體升溫不明顯。因此，礦井電火花、特別是放電能量較小的礦井電火花較難監測。迄今為止，未見有效的礦井電火花監測方法。

2 礦井熱動力災害及其監測方法

2.1 礦井火災及其監測方法

礦井火災包括礦井內因火災和外因火災。礦井內因火災是指在沒有外來火源條件下，煤炭等可燃物與空氣接觸，氧化發熱并不斷積聚熱量，進而燃燒起火的火災。礦井內因火災主要發生在采空區。礦井外因火災是指由外來熱源引起的火災。電氣設備和電纜漏電、過負荷和短路，電焊和氣焊等明火，違章爆破產生的火焰，瓦斯和煤塵爆炸，膠帶與滾筒和托輥摩擦等機械摩擦均會引起外因火災。礦井外因火災會產生大量有毒有害氣體和高溫，造成人員窒息中毒和燒傷；燒毀設備和設施；引起瓦斯和煤塵爆炸；火勢較大時，產生火風壓，造成風流逆轉，破壞通風系統，使事故進一步擴大。因此，監測礦井火災，及時應急救援，對避免或減少人員傷亡和財產損失具有重要意義。

礦井外因火災監測方法主要有溫度、煙霧、氣體（CO2，CO，O2）等傳感器，光纖分布式測溫，可見光圖像，遠紅外圖像，近紅外圖像等監測方法[6-9]。傳感器監測屬于點監測，每臺傳感器監測范圍小，當傳感器離火源較遠時，受空氣運移時間影響，響應時間長，一般用于膠帶、電氣設備等重點監測。光纖分布式測溫主要用于膠帶、電纜和電氣設備溫度監測，但光纜易損壞，安裝維護困難。可見光圖像、遠紅外圖像、近紅外圖像監測屬于面監測，監測范圍廣，但易受煤礦井下光源和設備等干擾。因此，有必要研究新的礦井火災監測方法，減小礦井火災感知的誤報率和漏報率，縮短響應時間，為應急救援贏得寶貴時間。

2.2 瓦斯和煤塵爆炸及其監測方法

當空氣中瓦斯濃度或煤塵濃度達到爆炸濃度，并有一定能量的點火源，就會發生瓦斯和煤塵爆炸。引爆瓦斯和煤塵的火源有電氣火源、爆破火源、摩擦撞擊火源、煤炭自燃火源、電焊和氣焊等產生的明火等。其中，電氣火源引爆瓦斯和煤塵最多。瓦斯和煤塵爆炸會產生大量熱量和高溫，燒傷人員，燒毀設備和設施，引發礦井火災；產生爆炸沖擊波和高壓，造成人員創傷，巷道、設施和設備損毀及位移；產生大量CO2，CO 等有毒有害氣體，消耗大量O2，造成人員窒息中毒傷亡。為及時發現瓦斯和煤塵爆炸，快速應急救援，減少人員傷亡和財產損失，提出了基于CO2、CO、O2、溫度、氣壓、風速、風向、聲音、震動、煙霧、粉塵、紅外線、紫外線、圖像的瓦斯和煤塵爆炸感知方法[10-12]，但未見有瓦斯和煤塵爆炸紫外圖像感知方法的研究。

3 煤礦井下光源及其對圖像監測的影響

煤礦井下沒有陽光、月光和星光，光源主要有礦燈、車燈、巷道燈、信號燈、攝像機補光燈（含可見光補光燈和近紅外補光燈）、手機燈等。LED 光源具有本質安全防爆、抗振動、抗跌落、抗沖擊、功耗低、壽命長等優點，近年來被廣泛用于礦燈、車燈、巷道燈、信號燈、攝像機補光燈、手機燈。本質安全防爆具有安全性好、體積小、質量輕等優點，煤礦井下電氣設備應優選本質安全型防爆電氣設備。本質安全防爆手機燈采用LED 光源；攝像機補光燈采用LED 光源；煤礦井下本質安全型礦燈、車燈、巷道燈和信號燈均采用LED 光源。礦用LED 燈正在逐漸替代礦用白熾燈和日光燈。隨著高亮高效LED 光源技術發展，礦用LED 燈將全面替代礦用白熾燈和日光燈。

可見光圖像受LED 燈、白熾燈、日光燈、紅色物體等干擾；近紅外圖像受LED 燈、白熾燈、日光燈等干擾；遠紅外圖像受白熾燈、日光燈、LED 燈、作業人員、工作設備和車輛等干擾；紫外圖像受白熾燈和日光燈干擾大，受LED 燈干擾小。隨著LED 燈在煤礦井下全面替代白熾燈和日光燈，采用LED 光源的礦燈、車燈、巷道燈、信號燈、攝像機補光燈、手機燈等各種照明和信號設備，對煤礦井下紫外圖像干擾小。

4 礦井電火花及熱動力災害紫外圖像感知方法

為盡早感知礦井電火花、礦井外因火災、瓦斯和煤塵爆炸，筆者提出了礦井電火花及熱動力災害紫外圖像感知方法，如圖1 所示。在采煤工作面、掘進工作面和巷道，設置紫外攝像機、拾音器和空氣壓力傳感器，實時采集礦井紫外圖像、聲音和空氣壓力；對紫外圖像預處理；當有紫外圖像時，排除日光燈、白熾燈和LED 燈干擾后，判別有電火花紫外圖像，進行電火花報警；判別有火災紫外圖像，進行火災報警；有紫外圖像，但判別不是電火花和火災紫外圖像，同時拾音器監測到爆炸音或空氣壓力傳感器監測到空氣壓力突然升高，則發出瓦斯和煤塵爆炸報警。

圖1 礦井電火花及熱動力災害紫外圖像感知方法Fig.1 Ultraviolet image perception method of mine electric spark and thermal dynamic disaster

礦井電火花及熱動力災害紫外圖像感知方法具有外部干擾小，可靠性高，同時感知電火花、外因火災、瓦斯和煤塵爆炸多種災害等優點。

5 結論

（1）GB 3836.1-2010 中煤礦井下無線電輻射閾值應不大于6 W 的規定，缺乏充分的理論分析和實驗驗證，也沒有考慮多臺近距離無線發射設備天線無線電輻射能量疊加效應，這都是急需解決的關鍵科學技術問題。

（2）煤礦井下光源主要有礦燈、車燈、巷道燈、信號燈、攝像機補光燈、手機燈等。本質安全防爆手機燈采用LED 光源；攝像機補光燈采用LED 光源；煤礦井下本質安全型礦燈、車燈、巷道燈和信號燈均采用LED 光源。LED 燈具有本質安全防爆、抗振動、抗跌落、抗沖擊、功耗低、壽命長等優點，必將全面替代礦用白熾燈和日光燈。

（3）可見光圖像受LED 燈、白熾燈、日光燈、紅色物體等干擾；近紅外圖像受LED 燈、白熾燈、日光燈等干擾；遠紅外圖像受白熾燈、日光燈、LED 燈、作業人員、工作設備和車輛等干擾；紫外圖像受白熾燈和日光燈干擾大，受LED 燈干擾小。隨著LED 燈在煤礦井下全面替代白熾燈和日光燈，煤礦井下各種照明和信號設備對煤礦井下紫外圖像干擾小。

（4）提出了礦井電火花及熱動力災害紫外圖像感知方法：在采煤工作面、掘進工作面和巷道，設置紫外攝像機、拾音器或空氣壓力傳感器，實時采集礦井紫外圖像、聲音和空氣壓力；對紫外圖像預處理；排除日光燈、白熾燈和LED 燈干擾；判別有電火花紫外圖像，進行電火花報警；判別有火災紫外圖像，進行火災報警；有紫外圖像，但判別不是電火花和火災紫外圖像，同時拾音器監測到爆炸音或空氣壓力傳感器監測到空氣壓力突然升高，則發出瓦斯和煤塵爆炸報警。該方法具有外部干擾小，可靠性高，同時感知電火花、外因火災、瓦斯和煤塵爆炸多種災害等優點。