煤矿火灾多参数感知监测装置设计*

陈佩佩

(天地(常州)自动化股份有限公司， 江苏 常州 213015)

0 引言

煤矿在开采过程中会受到火灾、瓦斯、矿尘、顶板和水灾等灾害的威胁,采空区遗煤厚，煤层埋藏浅，易出现裂缝漏风，产生自燃现象，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，矿井自燃发火和自燃征兆的频频出现给矿井的安全生产带来严重威胁[1]。近年来，随着矿井开采强度增大，采空区范围不断扩大，小煤矿破坏区遗留大量的煤炭自燃[2]，火区高温火源点的辨识难度增大，有害气体的治理难度增加[3-5]。现阶段对于采空区自燃发火监测尚未得到圆满解决，目前对煤自燃的监测常采用光纤测温系统，该系统能有效地监测采空区煤自燃的问题，但其采用特殊测温光缆为传感器，只能做到沿线的监测，容易形成盲区，而且该系统对井下煤自燃发火的监测因素不全面[6]。

通过分析研究，本文设计的煤矿火灾多参数感知监测装置集分布式光纤测温技术与井下束管监测技术的优势，采用以束管监测气体测量为主，分布式光纤测温为辅，并关联一氧化碳、二氧化碳、氧气、甲烷、烟雾、温度、风速和风向传感器进行测量，可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然发火的监测难题。

1 煤矿火灾多参数感知监测装置概况

煤矿火灾多参数感知监测装置安装于煤矿井下，可以实现采空区温度的连续分布式监测和CH4、O2、CO2、CO的实时在线监测及对周围环境的监测。其中气体的监测采用井下束管监测的原理，通过装置内部电源板为抽气泵供电，抽取采空区内部的气体，通过布置的束管传输到监测装置内部多参数系统传感器，获取采集的气体浓度值。井下束管作为气体管路通道，实现气体从采空区向多参数监测装置的采样，其长度不超过2 000 m，大大缩短了束管长度，解决了束管漏气等问题，每个监测装置共设计9路气体管路接入。采用分布式光纤测温原理对温度进行监测，以特殊的多模感温光纤为传输通道和感温介质，通过与监测装置连接，每1 m布置一个测点，发射光信号沿线测量温度，监测装置最多可连接30路感温光缆。另外，监测装置通过关联一氧化碳、二氧化碳、氧气、甲烷、烟雾、温度、风速和风向传感器进行信息监测以及声光报警器进行报警，可以智能辨识，提前判断煤自燃情况。

2 煤矿火灾多参数感知监测装置结构及原理

2.1 基本结构

煤矿火灾多参数感知监测装置采用分腔结构，前端为固定开门，上方开盖接线，左侧腔体为本安腔，喇叭嘴分布在上方较细部分。该装置的本质安全型电源、控制器、气体传感器(CH4、O2、CO2、CO)、负压传感器、显示屏和测温主机组成，并关联一氧化碳、二氧化碳、氧气、甲烷、烟雾、温度、风速和风向传感器进行信息监测。

2.2 工作原理

监测装置的工作原理如图1所示，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,为装置内其他单元供电。监测装置通过抽气泵完成气体的抽气和采样，具有9路采样通道，且同一时间仅能选择1路通道抽气采样，将气体送入传感器分析。光纤测温控制核心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，根据用户设定的报警条件，通过开关量板和交换机模块将报警信息传输给其他设备，同时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。

图1 采空区煤自燃多参数监测系统工作原理

3 煤矿火灾多参数感知监测装置设计

煤矿火灾多参数感知监测装置研发设计主要包括本质安全型电源模块、传感器检测模块、控制器模块、气路与气泵模块、分布式光纤测温模块及软件设计模块。

3.1 本质安全型电源模块的硬件设计

煤矿火灾多参数感知监测装置本质安全型电源模块的总体设计如图2所示，由交流127/660 V电压输入，通过变压器和电源模块转换成相应的电压等级为装置内模块电路及设备供电，经变压器后输出AC 220 V电压,将AC 220 V电压分2路，1路为测温主机供电，1路为开关电源供电。开关电源的输出24 V作为4个DC-DC模块的输入电压，通过电源模块转换成相应的直流电压，1路本质安全隔离18 V，为声光报警器供电；1路本质安全隔离18 V，为控制器、气体传感器、负压传感器和光电传输接口供电；1路本质安全隔离5 V，为本质安全键盘供电；1路非本质安全12 V，为显示屏供电；1路非本质安全24 V，为抽气泵供电；1路非本质安全24 V，为管路控制阀供电。为抽气泵和管路控制阀供电是根据控制器的开关量信号控制，当接收开关量信号为低电平时，不输出24 V，当开关量信号为高电平时，输出24 V。

图2 本质安全型电源模块的总体设计

煤矿火灾多参数感知监测装置使用的本质安全型电源为“ia”级本质安全型电源，其参数为：Uo18.5 V；Io1.3 A；Co4.7 μF；Lo80 μH，需要三重过压、过流保护电路[7]，本质安全型电源的过流过压保护设计电路如图3所示。

图3 过流过压保护设计电路

该电路由过压快速保护电路级联组成，采用具有电流限制功能的LT4363控制芯片和N沟道超低内阻的SI4410场效应管为核心器件，LT4363芯片可对负载端的过流和短路故障做出快速响应，能将电流限制在检测电阻器设定的安全值，通过控制N沟道的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。

3.2 传感器检测模块的硬件设计

煤矿火灾多参数感知监测装置中气体采集总体设计如图4所示，其采用采集板加变送器的电路结构，通过原单位现有的各气体变送器进行气体浓度测量，然后通过采集主板的IIC与各气体变送器通信，获得各气体的测量数据，实现4种气体浓度的采集。传感器检测模块主要包括采集主板、红外CH4变送器、CO变送器、红外CO2变送器、O2变送器、电源等。被测采空区内气体通过气管抽取到测量气室，然后由传感器测量各气体浓度。

图4 传感器检测模块总体设计

3.3 控制器模块的硬件设计

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RS-485通道获取传感器采集的CH4、O2、CO2、CO气体浓度值及抽气泵进气端负压，并关联一氧化碳、二氧化碳、氧气、甲烷、烟雾、温度、风速和风向传感器进行信息监测，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，并具有RS-232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由电源、MPU和外围接口电路组成，总体设计如图5所示。

图5 控制器模块总体设计

MPU采用LPC1778，芯片封装为LQFP144,具有5路UART，其中UART1可支持MODEM握手信号，具有JTAG调试接口和ISP下载接口。将电源模块的18 V输入电压经软启动电路输入，通过稳压电源转换成5 V电压，再转换得到3.3 V电压。5 V电压隔离为2路RS-485接口芯片供电，3.3 V电压为芯片及其他外围设备供电。

3.4 分布式光纤测温模块

分布式光纤测温采用技术选型测温主机实现，应用无源分布式测量原理，通过测温光纤采集最多30路通道温度，通过RS-232接口与控制器交互，获取气体浓度值及管路气压值，并对控制器下发命令，采用RJ45网口将数据通过传输接口上传至上位机，进行通道温度数据、气体参数的显示，其接口如图6所示。

测温主机具有多路光纤测温通道，最多可扩展至30路，每个通道采用多模光纤,采集可达15 km，空间采样最小分辨率为1 m，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2 s，历史数据保存间隔为5 min。可设置温升报警、温差报警、定温报警等多个报警点。

图6 分布式光纤测温模块接口

4 结论

采空区煤自燃多参数监测装置可对采空区煤自燃发火关键参数进行实时在线监测，本文提出的分布式光纤测温及气体检测技术解决了采空区煤自燃监测参数单一的问题。气体多参数监测装置监测并采集CO、CH4、O2、CO2气体浓度并通过分布式光纤进行温度采集，可以准确地确定发火点位置，解决了现有人工监测手段的监测种类单一，监测数据少，不能实时在线监测等问题。该装置可以实时、连续、大范围对矿井火灾隐患区域的气体和温度进行监测，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，对煤矿和人身安全具有重要意义。