大面積采空區(qū)煤自燃無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

王 宇

（國家能源集團神東煤炭柳塔煤礦安管辦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 問題的提出

柳塔煤礦是神東礦區(qū)建成的第一個特大型現(xiàn)代化高產(chǎn)高效煤礦，轄大柳塔和活雞兔兩個礦井，擁有井田面積126.8km2，煤炭地質(zhì)儲量13.68億t，可采儲量6.76億t。截至2015年底，大柳塔礦累計生產(chǎn)原煤18401.4萬t，全員工效達到197.37t/工，礦井生產(chǎn)能力和各項經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)均達到世界領(lǐng)先水平。

隨著柳塔煤礦的大力開采，礦井采空區(qū)的范圍也在增加，在回采期間采空區(qū)遺煤較多且存在比較嚴(yán)重的漏風(fēng)情況，在受到巷道采掘、氣壓變化的影響下，遺煤發(fā)生氧化自燃現(xiàn)象，加劇了該礦防滅火形勢的嚴(yán)峻性。當(dāng)前對于柳塔煤礦的遺煤自燃防控管理存在著以下的問題：（1）遺煤自燃的環(huán)境復(fù)雜，不容易識別；（2）煤體導(dǎo)熱性差，遺煤自燃的發(fā)生程度不容易判定；（3）井下采空區(qū)范圍廣，人工巡檢有盲區(qū)；（4）指標(biāo)氣體與溫度或壓差的關(guān)聯(lián)性不強，做為自燃預(yù)警判斷的指標(biāo)缺乏依據(jù)；（5）灌漿、注氮等防滅火技術(shù)的應(yīng)用缺乏針對性，其防滅火效果及有效時間缺乏管控。

針對以上問題，柳塔煤礦安管辦經(jīng)理論論證、現(xiàn)場調(diào)研，提出設(shè)計了大面積采空區(qū)煤自燃無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要是通過對氣體分析法、測溫法兩方法指標(biāo)進行結(jié)合實現(xiàn)對煤礦自燃的特征信息檢測，對煤自燃早期隱患防控技術(shù)水平的提高具有重要意義。

2 煤自燃無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的架構(gòu)

該大面積采空區(qū)煤自燃監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)架如圖1所示，基于云網(wǎng)絡(luò)為紐帶實現(xiàn)了傳感器、感知網(wǎng)絡(luò)、485通信、嵌入式Web、Internet、計算機、數(shù)據(jù)庫、云網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備與技術(shù)的融合，可以實現(xiàn)對井下采空區(qū)煤自燃的監(jiān)測預(yù)警與管控。從圖1中可以看到，該系統(tǒng)由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層組成。

應(yīng)用層主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、文件服務(wù)器、網(wǎng)頁服務(wù)器和用戶組成，通過云網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)信息的傳遞與共享，基于云網(wǎng)絡(luò)的方式對監(jiān)測信息進行整合處理，對數(shù)據(jù)進行分析研判，進而做出相應(yīng)的火災(zāi)狀態(tài)確定、火災(zāi)預(yù)警播報和火災(zāi)趨勢推測。煤礦調(diào)度管控中心、安全監(jiān)控中心以及相關(guān)部門、領(lǐng)導(dǎo)都能對自燃的動態(tài)信息時時進行掌控，并及時做出相應(yīng)的應(yīng)急反應(yīng)。

網(wǎng)絡(luò)層由礦用防爆管線交換機、工業(yè)光纖冗余環(huán)網(wǎng)、局部子環(huán)網(wǎng)、無線感知網(wǎng)絡(luò)（WSN）、RS485總線組成。以該煤礦已有工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為主干，多種通信網(wǎng)絡(luò)為分支，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和485總線網(wǎng)絡(luò)為末梢，組成網(wǎng)絡(luò)平臺。

感知層由集溫濕度、CO、O2、CH4、壓差傳感器于一體的礦用本安型多參數(shù)無線傳感器組成，通過監(jiān)測分站1和監(jiān)測分站2共同完成監(jiān)測作業(yè)。煤火災(zāi)害無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤火災(zāi)害無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

3 礦用本安型多參數(shù)無線傳感器的設(shè)計

設(shè)計的礦用本安型多參數(shù)無線傳感器性能先進，智能化水平高，采樣精度高，建立的傳感器網(wǎng)絡(luò)采用現(xiàn)場總線冗余技術(shù)、監(jiān)控計算機、網(wǎng)橋等相關(guān)設(shè)備及技術(shù)，提出了把單個分散的測量對象通過智能化、數(shù)字化形成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通過無線、遠程的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)有機結(jié)合的構(gòu)思加以實現(xiàn)。

該裝置主要包括：分布式MESH結(jié)構(gòu)無線自組網(wǎng)模塊YL-800N（800NS）、SHT21最新數(shù)字溫濕度傳感器、英國alphasense CO-DF-一氧化碳傳感器、CO傳感器為英國city 4CM、英國Alphasense公司的O2-G2氧氣傳感器、英國DYNAMENT紅外甲烷（CH4）氣體傳感器、GST-XQ6309紅外遙控收發(fā)模塊、STM-CortexM3系列微處理器、參考電壓芯片選用REF3030等。從而設(shè)計出集溫/濕度、CO、CO2、CH4、O2、壓差于一體的多參數(shù)無線傳感器，內(nèi)外電源可以同時供電，通過紅外收發(fā)模塊實現(xiàn)遙控校準(zhǔn)。

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

4.1 系統(tǒng)的布置與安裝

通過對柳塔煤礦大面積采空區(qū)的觀測分析，確定了該礦煤自燃危險區(qū)域及防御區(qū)域。選擇在12115S工作面、12116S工作面、12117S工作面相關(guān)區(qū)域開展大面積采空區(qū)煤自燃無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的工業(yè)性試驗。施工安裝：在12115S、12116S和12117S上下巷閉墻位置、1211N下巷位置進行系統(tǒng)的布置；現(xiàn)場按實況設(shè)定相應(yīng)監(jiān)測鉆孔，鉆孔之間的距離設(shè)定為150m左右；安裝好A-D-E鉆孔式保護套；放置傳感器探頭；再安裝相應(yīng)的管線?，F(xiàn)場布置情況見圖2所示。

圖2 系統(tǒng)現(xiàn)場布置拓撲圖

4.2 系統(tǒng)的調(diào)試

系統(tǒng)安裝后，結(jié)合巷道現(xiàn)場的環(huán)境情況，確定出煤自燃隱蔽區(qū)域早期隱患監(jiān)測點布置的關(guān)鍵參數(shù)，并進行優(yōu)化，同時調(diào)整布置方案。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，來分析考察數(shù)據(jù)采集的時效性、可靠性，并及時進行優(yōu)化調(diào)整，力爭保障系統(tǒng)運行的穩(wěn)定與安全。

4.3 運行結(jié)果分析

從2017年5月至2017年10月期間，整個試運行階段系統(tǒng)運行穩(wěn)定。系統(tǒng)能對試驗區(qū)域內(nèi)的環(huán)境進行氣體濃度變化-溫度變化-壓差變化實現(xiàn)實時的動態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)多測點氣體濃度-溫度-壓差趨勢曲線顯示，實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)環(huán)境異常信息的報警。系統(tǒng)應(yīng)用以來，環(huán)境異常信息的報警準(zhǔn)確率達100%，有效地提高了該礦試驗區(qū)域內(nèi)煤礦自燃災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的水平。

5 結(jié)論

（1）本文研制出大面積采空區(qū)煤自燃無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，通過礦用本安型多參數(shù)無線傳感器對采空區(qū)煤自燃特征信息氣體濃度-溫度-壓差實現(xiàn)聯(lián)合監(jiān)測，可以實現(xiàn)對井下采空區(qū)煤自燃的監(jiān)測預(yù)警與管控。

（2）通過軟硬件系統(tǒng)的工業(yè)性試驗，驗證了該監(jiān)測系統(tǒng)的時效性、可靠性和穩(wěn)定性，確定出煤自燃危險區(qū)域無線監(jiān)測點布置的關(guān)鍵參數(shù)，優(yōu)化測點布置方案，解決了大面積采空區(qū)沿空側(cè)和密閉區(qū)動態(tài)監(jiān)測的技術(shù)難題。