矿用隔爆兼本质安全型火灾感知监测装置的设计

陈佩佩

摘要：针对采空区及皮带巷等特殊的地理环境，研制了一套适合煤矿井下的隔爆兼本安型火灾感知监测装置，该装置具有火灾识别与报警功能，传输距离不小于10000米。内接气体采集板传感器测量内因火灾，环境参数包括温度、甲烷、一氧化碳和二氧化碳，优化集成煤矿井下束管监测系统和分布式光纤测温系统的优势，矿上实际使用结果表明，该装置可实现井下24小时连续、在线、就地对煤矿火灾参数的采集和分析，可有效地对井下火灾进行实时的监测，保证井下的安全。

关键词：采空区;本质安全;光纤测温;煤自燃发火

中图分类号：TP319        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）19-0226-02

近年来，随着矿井开采强度增大，采空区范围不断扩大，特别是小煤矿破坏区遗留大量的煤炭自燃[1]，火区高温火源点的辨识难度增大，加大了有毒有害气体的治理难度[2～3]由煤炭自燃所引起的火灾是制约煤矿安全生产的主要灾害之一，由煤自燃火灾诱发瓦斯、煤尘爆炸事故时有发生，严重影响煤矿的安全生产[4～5]。由于采空区区域的特殊性及复杂性，一旦发生火灾，就会造成巨大的经济损失和人员伤亡。受限于采空区区域复杂的环境，采空区自燃发火监测至今尚未得到圆满解决，现阶段通过电阻率法、红外探测法和自燃温度探测法对矿井火灾实施监测，均不能解决煤矿对井下火灾实时预警的需求。现阶段对于采空区自燃发火监测常采用光纤测温系统，该系统采用特殊的测温光缆为传感器，仅能做到沿线的监测，容易形成盲区，且对井下煤自燃发火的监测因素不全面[6]。本文设计的矿用隔爆兼本质安全型火灾感知监测装置，以束管监测气体测量为主，分布式光纤测温为辅，对火灾信息进行全面监测，判定煤自燃程度，确定发火位置，可以有效地解决采空区自燃发火的监测难题。

1 矿用隔爆兼本质安全型火灾感知监测装置主要构成

矿用隔爆兼本质安全型火灾感知监测装置安装于煤矿井下采用分腔结构，分为本安腔、隔爆腔和接线腔，隔爆腔置于前面为固定开门，本安腔在装置侧壁，本安腔包含多参数传感器，传感器设计成便于拆卸的结构，实现就近标校，同时保留通过井下控制器进行标校的功能。接线腔置于装置上端通过隔爆面与隔爆腔分开满足隔爆要求主要用于装置的接线，喇叭嘴分布在上面较细部分，隔爆腔包括变压器、AC/DC 开关电源、本安电源、控制器、显示屏和测温主机组成。

2矿用隔爆兼本质安全型火灾感知监测装置工作原理

矿用隔爆兼本质安全型火灾感知监测装置交流电源由交流输入端子接入，通过变压器和电源模块转换成相应的电压等级给装置内其他单元供电。气体采样由控制器通过设定的逻辑控制电磁阀和抽气泵选择气路，外部气体首先吸入束管，经过9选1管路控制阀，再通过束管送入气室进行分析，将检测的结果通过RS485通讯传给控制器，再由控制器通过RS232传给测温主机在液晶显示屏上进行气体浓度、气路压力、当前通道号及状态等信息的显示，气体最后由抽气泵排出;气体的标校采用标校气路送入标校气样，控制器给传感器传输标校值完成标校工作。分布式光纤测温通过外接的感温光缆实时采集环境温度，并对数据进行分析判断，并将相关信息显示在液晶屏上，可在不开盖的情况下实现人机交互。监测装置的原理设计框图如图1所示。

2.1本安电源模块的硬件设计

矿用隔爆兼本质安全型火灾感知监测装置本安电源主要用于给抽气泵、管路控制阀、光电传输接口、传感器、控制器、显示屏、声光报警器和键盘供电。外部交流 127/660V电压输入，通过变压器和开关电源换成相应的电压等级给装置内模块电路及设备供电。

矿用隔爆兼本质安全型火灾感知监测装置使用的本安电源为“ib”级本质安全型电源，本安参数如下： Uo：18.5V;Io：1.3A;Co：4.7?F;Lo：80?H，需要双重过压、过流保护电路[7] ，本安电源的过流过压保护设计电路如图2所示。

该电路主要使用LT4363控制芯片和SI4410场效应管两种核心器件设计了过压过流保护电路，LT4363芯片具有电压限制功能和电流限制功能，负载端出现过流和短路故障能起到保护作用，从而能将电流限制在设定的安全值上，通过控制N沟道的超低内阻的MOSFET，LT4363保护电路采用模块浇封化设计，实现了可靠、自适应和节省空间的设计。

2.2控制器模块的工作原理

控制器模块按照设定的管路采样方式控制电源模块电磁阀的选通和关闭，通过RS485通道获取传感器采集的CH4、CO2、CO气体浓度值及抽气泵进气端负压，给传感器下发标校命令，通过接受遥控发射器信号进行控制，通过RS232传输接口与测温主机进行通信，接收测温主机下发的参数设置及控制命令，将采集的气体浓度值、抽气泵进气端负压值、当前采集通道号、遥控信号等数据传输到测温主机。

控制器模块硬件电路包括MPU和外围接口电路组成，总体设计框图如图3所示，MPU采用LPC1778，芯片封裝为LQFP144，具有JTAG调试接口和ISP下载接口。

2.3气体采样及标校工作原理

气体采样及标校工作由传感器检测模块、控制器、电磁阀及抽气泵共同完成，通过理论分析在采空区合理敷设束管，采空区气体在抽气泵的负压作用下经过电磁阀到达气体分析柜检测，其中电磁阀和抽气泵由控制器控制同时运行。电磁阀组共9路，气体通路进气端与敷设在采空区的束管连接，出气端与气体分析室进气端连接进入传感器检测模块进行采样。由控制器对气路进行选择控制，实现某一气路的开闭。抽气泵连接到气体分析室传感器检测模块的进气端，将采空区内的气体压到气体分析室分析后排到外界环境。

系统工作时，先启动抽气泵，使井下气体被吸入束管，到达电磁阀前并处于等待检测状态。传感器检测模块的分析结果通过RS485通信方式传输至控制器的数据采集口上，经过内部的信号处理，通过上位机软件进行处理，分别在屏幕和打印机上表现出来，完成某一路束管气体的检测分析过程。根据用户设定的控制器多路检测方案、检测顺序和检测次数自动循环进行抽气，无须人工控制，可实现24小时连续在线检测与分析，也可由上位机软件控制随时抽气检测，所有分析数据均可保留，以便工作人员对数据的后期分析。

气体标校启用定点采样模式，9路气体管路输入中的1路为标校入口，该入口连接束管长度约为0.5m，通过人工设置控制器定点采样的方法，提供标准气体进行标校。

2.4 分布式光纤测温模块的工作原理

分布式光纤测温模块主要采用技术选型测温主机来实现，利用光纤中传输的高功率光脉冲与光纤分子作用产生拉曼散射光谱信号，光纤所处的空间温度场调制了光纤是背向拉曼散射的强度（反斯托克斯背向拉曼散射光的強度），经波分复用器和光电检测器采集带有温度信息的背向拉曼散射光信号，经信号处理可以解调出实时的温度信息，从而实现分布式光纤测温。

根据采空区的遗煤分布情况分析煤自燃危险区域，合理敷设感温光纤，由测温主机将温度信息通过RJ45网络通讯接口传输给上位机分析。测温主机具有多路光纤测温通道，最多可扩展8路，每个通道采用多模光纤采集可达15km，空间采样最小分辨率为1米，温度测量范围为-40℃～120℃，整个通道范围测量精度为±1℃。测温主机具有实时温度值数据库、历史温度值数据，实时数据刷新间隔为2s，历史数据保存间隔为5min，可设置温升报警、温差报警、定温报警等多个报警点。

3 结束语

本文提出的矿用隔爆兼本质安全型火灾感知监测装置解决了目前煤矿行业对采空区煤自燃监测参数单一、监测准确性较差的问题，可实时动态监测井下采空区、巷道及工作面温度及气体变化情况。该装置可以实时、连续、大范围对井下采空区、巷道及工作面火灾隐患区域的气体和温度进行监测，从而达到煤矿火灾预测预警的目的，可以有效提高采空区煤自燃发火识别与预警的时效性、准确性和可靠性，通过该装置可以全面提高采空区煤自燃发火预警的时效性、准确性和可靠性，能有效地保障矿井安全生产。

参考文献：

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[2] 马曙，杨明涛，李晓华，等.高瓦斯自燃煤层采空区瓦斯抽采及防灭火技术实践[J].煤矿开采，2012，17（1）：83-85.

[3] 邵昊，蒋曙光，王兰云，等.尾巷对采空区煤自燃影响的数值模拟研究[J].采矿与安全工程学报，2011，28（1）：45-50.

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[5] 陈辉，芮骐骅.基于ZigBee的矿井采空区温度监控系统[J].煤矿机电，2015（3）：7-10.

[6] 谢俊文，卢熹，上官科峰，等.分布式光纤测温技术在大倾角易燃煤层采空区自燃监测中的应用研究[J].煤矿安全，2014（11）：118-121.

[7] 朱前伟.矿用本质安全电源的基本要求和设计方法[J].工矿自动化，2012，38（2）：22-25.

【通联编辑：朱宝贵】