大面积采空区煤自燃无线监测预警系统设计及应用

王 宇

（国家能源集团神东煤炭柳塔煤矿安管办，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

1 问题的提出

柳塔煤矿是神东矿区建成的第一个特大型现代化高产高效煤矿，辖大柳塔和活鸡兔两个矿井，拥有井田面积126.8km2，煤炭地质储量13.68亿t，可采储量6.76亿t。截至2015年底，大柳塔矿累计生产原煤18401.4万t，全员工效达到197.37t/工，矿井生产能力和各项经济技术指标均达到世界领先水平。

随着柳塔煤矿的大力开采，矿井采空区的范围也在增加，在回采期间采空区遗煤较多且存在比较严重的漏风情况，在受到巷道采掘、气压变化的影响下，遗煤发生氧化自燃现象，加剧了该矿防灭火形势的严峻性。当前对于柳塔煤矿的遗煤自燃防控管理存在着以下的问题：（1）遗煤自燃的环境复杂，不容易识别；（2）煤体导热性差，遗煤自燃的发生程度不容易判定；（3）井下采空区范围广，人工巡检有盲区；（4）指标气体与温度或压差的关联性不强，做为自燃预警判断的指标缺乏依据；（5）灌浆、注氮等防灭火技术的应用缺乏针对性，其防灭火效果及有效时间缺乏管控。

针对以上问题，柳塔煤矿安管办经理论论证、现场调研，提出设计了大面积采空区煤自燃无线监测预警系统。该系统主要是通过对气体分析法、测温法两方法指标进行结合实现对煤矿自燃的特征信息检测，对煤自燃早期隐患防控技术水平的提高具有重要意义。

2 煤自燃无线监测预警系统的架构

该大面积采空区煤自燃监测预警系统的构架如图1所示，基于云网络为纽带实现了传感器、感知网络、485通信、嵌入式Web、Internet、计算机、数据库、云网络等设备与技术的融合，可以实现对井下采空区煤自燃的监测预警与管控。从图1中可以看到，该系统由应用层、网络层、感知层组成。

应用层主要由数据库服务器、文件服务器、网页服务器和用户组成，通过云网络技术实现信息的传递与共享，基于云网络的方式对监测信息进行整合处理，对数据进行分析研判，进而做出相应的火灾状态确定、火灾预警播报和火灾趋势推测。煤矿调度管控中心、安全监控中心以及相关部门、领导都能对自燃的动态信息时时进行掌控，并及时做出相应的应急反应。

网络层由矿用防爆管线交换机、工业光纤冗余环网、局部子环网、无线感知网络（WSN）、RS485总线组成。以该煤矿已有工业以太环网为主干，多种通信网络为分支，无线传感器网络和485总线网络为末梢，组成网络平台。

感知层由集温湿度、CO、O2、CH4、压差传感器于一体的矿用本安型多参数无线传感器组成，通过监测分站1和监测分站2共同完成监测作业。煤火灾害无线监测预警系统架构如图1所示。

图1 煤火灾害无线监测预警系统架构

3 矿用本安型多参数无线传感器的设计

设计的矿用本安型多参数无线传感器性能先进，智能化水平高，采样精度高，建立的传感器网络采用现场总线冗余技术、监控计算机、网桥等相关设备及技术，提出了把单个分散的测量对象通过智能化、数字化形成网络节点，通过无线、远程的异构网络有机结合的构思加以实现。

该装置主要包括：分布式MESH结构无线自组网模块YL-800N（800NS）、SHT21最新数字温湿度传感器、英国alphasense CO-DF-一氧化碳传感器、CO传感器为英国city 4CM、英国Alphasense公司的O2-G2氧气传感器、英国DYNAMENT红外甲烷（CH4）气体传感器、GST-XQ6309红外遥控收发模块、STM-CortexM3系列微处理器、参考电压芯片选用REF3030等。从而设计出集温/湿度、CO、CO2、CH4、O2、压差于一体的多参数无线传感器，内外电源可以同时供电，通过红外收发模块实现遥控校准。

4 现场工业性试验

4.1 系统的布置与安装

通过对柳塔煤矿大面积采空区的观测分析，确定了该矿煤自燃危险区域及防御区域。选择在12115S工作面、12116S工作面、12117S工作面相关区域开展大面积采空区煤自燃无线监测预警系统的工业性试验。施工安装：在12115S、12116S和12117S上下巷闭墙位置、1211N下巷位置进行系统的布置；现场按实况设定相应监测钻孔，钻孔之间的距离设定为150m左右；安装好A-D-E钻孔式保护套；放置传感器探头；再安装相应的管线。现场布置情况见图2所示。

图2 系统现场布置拓扑图

4.2 系统的调试

系统安装后，结合巷道现场的环境情况，确定出煤自燃隐蔽区域早期隐患监测点布置的关键参数，并进行优化，同时调整布置方案。通过对监测数据对比分析，来分析考察数据采集的时效性、可靠性，并及时进行优化调整，力争保障系统运行的稳定与安全。

4.3 运行结果分析

从2017年5月至2017年10月期间，整个试运行阶段系统运行稳定。系统能对试验区域内的环境进行气体浓度变化-温度变化-压差变化实现实时的动态监测，实现多测点气体浓度-温度-压差趋势曲线显示，实现监测区域内环境异常信息的报警。系统应用以来，环境异常信息的报警准确率达100%，有效地提高了该矿试验区域内煤矿自燃灾害监测预警的水平。

5 结论

（1）本文研制出大面积采空区煤自燃无线监测预警系统，通过矿用本安型多参数无线传感器对采空区煤自燃特征信息气体浓度-温度-压差实现联合监测，可以实现对井下采空区煤自燃的监测预警与管控。

（2）通过软硬件系统的工业性试验，验证了该监测系统的时效性、可靠性和稳定性，确定出煤自燃危险区域无线监测点布置的关键参数，优化测点布置方案，解决了大面积采空区沿空侧和密闭区动态监测的技术难题。