基于多传感器的采空区火灾监测系统设计

文/易瑜,娄底职业技术学院

基于多传感器的采空区火灾监测系统设计

文/易瑜,娄底职业技术学院

本文构建了一种综合多种传感器信息，并运用数据融合中分层融合思想的煤矿采空区火灾预警系统模型。介绍了传感器性能，设计了火灾监测系统架构，构建了多传感器分层数据融合模型，对采空区遗煤发火阶段状态进行了预测。

传感测温；气体监测；火灾监测

引言

火灾是煤矿主要灾害之一，其中采空区遗煤自燃发火占很高比例。研究表明，采空区自燃区域随着工作面的推进而移动。有学者提出的采空区自燃危险区域判定理论认为采空区自燃地区有散热带、自燃危险带和窒息带，受工作面推进速度影响，煤炭自燃主要发生在自燃危险带内。建立了采空区自燃危险区判定模型。找到采空区自燃危险带，并采取一定的技术手段，就可有效防治采空区火灾。

1 传感器性能介绍

矿用传感器不同于普通传感器，在安全防爆、显示值稳定性、响应时间、误差范围

以及体积大小，电池电量等多方面有严格要求。根据前文所述综合多方面考量，选取目前应用最为广泛的三种传感器作以介绍。

1.1 KYJ-2000型遥控甲烷传感器

KYJ-2000型遥控甲烷传感器用于监测煤矿井下空气中的甲烷含量。它是一种红外遥控智能型检测仪表，采用本安电路设计，可以对甲烷浓度进行连续检测。该仪器最大特点是:免开盖就可用遥控器调零、调精度(灵敏度)和非线性补偿等。并具有精度高、兼容性好、稳定可靠等优点。

1.2 温度传感器

矿井环境温度是矿井生产环境的重要指标外，还是煤炭自然发火的重要指标之一。因此，矿井环境温度监测是矿井安全监测的重要指标之一。目前温度传感器主要有以下几种:

1.2.1 半导体式温度传感器

利用半导体三极管基级一发射极电压Ube的温度特性及外部电路，可测得环境温度的变化。集成电路传感器AD590等就是将晶体管电路与放大电路等集成在一个芯片上。

1.2.2 红外式温度传感器

温度高于绝对零度(-273 0C)的任何物体均会产生红外辐射，辐射频率P随温度增大而增大。

1.2.3 光纤式温度传感器

光纤式温度传感器采用的工作原理较多，利用半导体材料吸收光谱特性随温度变化的原理，研制出装有GeAs(砷化锗)、CdTe(蹄化福)等晶片的光纤温度传感器。

1.3 风速传感器

bKGF2矿用智能风速传感器，主要用于煤矿井下各种坑道、风口、通风机井口等处的风速、风量的检测，以确保煤矿的安全生产。

2 火灾监测系统设计架构

采空区火灾监测系统是一种综合安全防灭火监测系统，由监控中心站、环网交换机、监控分站、分布式光纤测温主机、传感器组、声光报警器、阀门及其控制器、传输电缆(光缆)、灭火管网以及常规消防联动设施构成。通过对采空区发火特征参数进行在线检测、分析监测数据。通过井下环网准确地将井下的气体分析结果传输给地面中心站，实现矿井采空区发火区域定位，进行实时、无盲区温度监测及火灾特征参数监测，达到对采空区火灾预警、发火区域惰性气体充填和发火区域自动封堵提示预警，以及发火区域火灾发展趋势预测等。

3 多传感器的采空区火灾监测系统设计

基于无线传感器网络技术的煤矿安全监测系统在继承了无线传感器网络的自动感知、自动组网、多跳中继传递等特性的同时，充分考虑到了煤矿井下的实际情况。如图1所示，该系统主要由以下五个部分构成:

3.1 移动无线传感器网络节点:由井下矿工携带，电池供电，带有探测瓦斯浓度等环境质量监测传感器，具有无线传输数据的功能，并在环境监测数据超标时自动报警。每个移动节点提供一个唯一的编号，用以确定携带者的身份、位置等信息。

3.2 固定无线传感器网络节点:按一定的间距固定在支巷道道壁上，具有环境数据和无线传输数据的功能；并在环境监测数据超标时自动报警。每个固定节点的位置需要在计算机数据库中备案，以此为固定坐标点用以确定运动节点的坐标位置。

3.3 基站接收机节点:安装在主巷道内，接收固定式无线传感器网络节点的数据，并通过通信电缆将数据传输给信息收集数据库服务器。

4 火灾监测系统主要功能特点

该火灾监测系统采用多元信息融合探测技术:以分布式光纤测温系统为主与井下发火区域特征参数传感器实时检测数据进行多判据信息融合，从而实现煤炭自燃发火区域的探测和识别。该系统具有以下特点：

4.1 分布式光纤测温技术在采空区实现了无盲区温度检测和定位。监测范围广，感温光缆既是信号传输通道又是传感器，由感温光缆即可监测光缆沿线每一点温度值，温度监测实时、连续、范围大。

4.2 报警功能丰富，报警分区可根据现场条件变化任意设定，且每个分区可设定不同的报警值；可设置多种报警方式，并可设多级预警模式，能在火灾发生前做到早期预警。本质安全，采用感温光缆作为温度传感器，不需供电，本质安全系统联动。

5 结论

通过前期系统的实验研究、方案设计，对基于复合传感信号的采空区火灾监测系统方法及技术手段等方面进行总结:

5.1 基于煤自然发火相关理论，研究煤在自燃过程中指标气体产生规律及其与煤温的对应关系；根据CO、O2、CxHx类等指标气体浓度及其比值和温度变化率随煤温的发展变化情况进行逆向反推，对采空区遗煤发火阶段状态进行预测。

5.2 结合现场观测，通过监控系统上位机分别采用模糊识别方法，建立了煤自燃多源信息融合预警模型。

5.3 采用先进的传感温度检测技术和基于激光、红外等多种气体传感器组相结合的矿井采空区遗煤自燃特征信息融合的监测方法，确定出采空区煤自燃特征参数监测点布置，优化测点布置方案，提高了系统监测的可靠度和灵敏度。

[1]易瑜，吴莲贵.矿井安全智能监测无线传感器网络关键技术研究[J].甘肃科技，2014.11.

本文为2016年娄底市科技局科研项目：基于多传感器数据融合的煤矿采空区火灾预警系统；湖南省教育厅优秀青年项目：基于物联网和云计算技术的葡萄园监测系统研究（编号：16B219）；娄底职业技术学院课题：基于物联网的农业温室智能管理系统的研究成果。

易瑜（1980-），女，湖南娄底职业技术学院，副教授，硕士研究生，研究方向：教育管理，网站设计与安全管理。