煤礦井下采空區(qū)有毒有害氣體實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)*

李美鳳，于偉家，杜世偉，賈偉偉，詹新生

（1.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇徐州 221004；2.中國傳媒大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100024）

0 引言

迄今為止，煤炭依然在我國一次能源中占據(jù)重要位置，廣泛應(yīng)用于化工、電力等行業(yè)。隨著開采量的逐年增加，礦井災(zāi)害問題越發(fā)凸顯，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)報(bào)道，由自燃引發(fā)的礦井災(zāi)難占井下事故的90%，故防止井下采空區(qū)遺留煤氣自燃是防范礦井災(zāi)難的關(guān)鍵?；诿旱淖匀继匦?，煤在氧化過程中會(huì)釋放大量有毒有害氣體（CO、CH4、O2、H2S），且與采空區(qū)溫度變化成規(guī)律。故通過分析采空區(qū)氣體成分、濃度和溫度監(jiān)測(cè)來實(shí)現(xiàn)自燃預(yù)警是國內(nèi)外廣泛采用的防治礦難手段[1-2]。

氣體成分分析要求設(shè)備具有檢測(cè)性強(qiáng)、靈敏度高和規(guī)律性好的特點(diǎn)[3]，由于CO 在煤低溫氧化階段出現(xiàn)，且隨著溫度升高會(huì)呈現(xiàn)規(guī)律性變化，故目前基于CO 氣體和溫度監(jiān)測(cè)來預(yù)測(cè)煤自燃是一種主流監(jiān)測(cè)手段，但井下地質(zhì)特征復(fù)雜，以單一氣體監(jiān)測(cè)作為預(yù)測(cè)煤自燃的方法缺乏準(zhǔn)確性。基于煤自燃的過程變化落后于CO 的出現(xiàn)，還會(huì)伴隨出現(xiàn)CO2、H2S、CH4等有毒有害氣體[4-7]。本文在全面調(diào)研分析國內(nèi)外多氣體檢測(cè)儀器現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上提出了一種基于CAN 總線的新型礦用多氣體實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)在線采集井下有毒有害氣體，并分析氣體成分和濃度，結(jié)合光纖溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警。該系統(tǒng)以中煤集團(tuán)某煤礦上覆4 號(hào)煤層采空區(qū)為研究對(duì)象，在礦井已有光環(huán)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上自主搭建工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，鋪設(shè)5 組束管用于氣體采樣分析，并基于光纖溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度數(shù)據(jù)。經(jīng)過為期半年的實(shí)地運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠。該系統(tǒng)為及時(shí)發(fā)現(xiàn)井下安全隱患提供了技術(shù)保障，同時(shí)也為礦井科研項(xiàng)目提供了重要數(shù)據(jù)來源。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)采用獨(dú)立的氣體分析室，用于氣體采集分析化驗(yàn)，簡(jiǎn)稱“氣室”。在采空區(qū)布置采樣束管，通過束管采樣，分析采空區(qū)不同位置氣體成分，確定CO、H2S、O2、CH4等氣體濃度，結(jié)合溫度數(shù)據(jù)判斷采空區(qū)煤自燃狀態(tài)[8-10]，根據(jù)O2濃度的變化規(guī)律，確定采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域和窒息帶的范圍分布。

1.2 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)的硬件組成包括采樣束管、氣室、氣體傳感器、光纖溫度傳感器、溫度控制器和總控制器6 個(gè)部分。系統(tǒng)鋪設(shè)5 組采樣束管，2 組用于異常點(diǎn)氣體采樣，3 組用于常規(guī)區(qū)域氣體采樣，控制器通過控制信號(hào)依次打開不同區(qū)域的氣閥，采集泵將不同區(qū)域的氣體送入氣室進(jìn)行分析化驗(yàn)，并通過RS-485總線上傳到網(wǎng)關(guān)，系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

通過電化學(xué)傳感器對(duì)采空區(qū)有毒有害氣體進(jìn)行分析，得到的數(shù)據(jù)再由終端采集節(jié)點(diǎn)處理后通過RS485 將信號(hào)傳遞給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)借助RS485 模塊實(shí)時(shí)同步終端控制節(jié)點(diǎn)，用于控制電磁閥和氣泵；同時(shí)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過總控制器傳遞數(shù)據(jù)給上位機(jī)，用于遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1.3 硬件電路設(shè)計(jì)

1.3.1 主控芯片選型

系統(tǒng)主控芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)都依賴主控制器。因此主控芯片需要有高速處理數(shù)據(jù)的能力，滿足精度高、頻率快，保障系統(tǒng)的精準(zhǔn)性、實(shí)時(shí)性[11-12]。系統(tǒng)采用STM32F407ZGT6 為主控芯片，STM32F407ZGT6 芯片由32 位高性能ARM Cortex-M4 處理器、144 個(gè)I/O 口以及強(qiáng)大的系統(tǒng)時(shí)鐘等結(jié)構(gòu)組成，可滿足系統(tǒng)性能要求。

1.3.2 傳感器選型

（1）溫度傳感器

采空區(qū)內(nèi)部遺煤的溫度變化是判斷遺煤自燃程度的重要數(shù)據(jù)，通過升溫速度的變化可判斷氧化帶范圍[13-14]。在采空區(qū)鋪設(shè)光纖溫度傳感器，能夠監(jiān)測(cè)采空區(qū)溫度。

采空區(qū)煤自燃溫度一般在30 ℃～100 ℃，系統(tǒng)采用HK-MR611 光纖溫度傳感器，測(cè)溫范圍為-40 ℃～85 ℃，且可用于多點(diǎn)溫度檢測(cè)，故光纖溫度傳感器可用于煤自燃的早期監(jiān)測(cè)。

（2）氧氣傳感器

采空區(qū)氧氣濃度分布是劃分自燃危險(xiǎn)區(qū)域的重要判據(jù)之一，掌握氧氣分布規(guī)律是防治煤炭自燃的重要手段[15]。系統(tǒng)采用S4-O 型氧氣傳感器，該傳感器量程為0～25%Vol，最大測(cè)量上限為30%Vol，具有響應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。

（3）甲烷傳感器

甲烷傳感器主要用于監(jiān)測(cè)采空區(qū)內(nèi)部瓦斯?jié)舛萚16]，是預(yù)防瓦斯爆炸的重要數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用S4-CH4 型甲烷傳感器，測(cè)量范圍為0～100%LEL，具有工作穩(wěn)定性高、輸出線性度好，響應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn)。

（4）一氧化碳傳感器

CO濃度是判斷遺煤是否發(fā)生自燃或自燃程度的重要標(biāo)志性氣體之一，通過監(jiān)測(cè)CO 濃度可預(yù)警遺煤自燃，防止礦難發(fā)生[17]。系統(tǒng)采用S4-CO 氣體傳感器監(jiān)測(cè)CO濃度變化，該傳感器測(cè)量范圍為0～100%Vol，具有響應(yīng)速度快，靈敏度高的特點(diǎn)。

（5）硫化氫傳感器

老舊甚至廢棄礦井下因通風(fēng)和開采技術(shù)有限，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)硫化氫異常，為復(fù)采工作帶來困難[18-19]。系統(tǒng)采用S4-H2S 氣體傳感器監(jiān)測(cè)H2S 濃度變化，該傳感器測(cè)量范圍為0～0.5%Vol，具有響應(yīng)速度快，靈敏度高的特點(diǎn)。

1.3.3 終端采集節(jié)點(diǎn)

終端采集節(jié)點(diǎn)模塊采用一款8路12 bit的高精度模擬量采集板，每路均可通過跳線選擇模擬量類型（或量程）：0～5 V；0～10 V；0～20 mA，采集精度為0.1%。采集板帶有1 路繼電器輸出，可以輸出開關(guān)信號(hào)；采集板帶有1 路隔離的RS485 通信接口，可以通過該接口上傳數(shù)據(jù)。該模塊具有Modbus RTU 協(xié)議和自定義協(xié)議兩種，3 種數(shù)據(jù)輸出格式：16 位無符號(hào)整型ADC 值輸出（范圍：0～4 095）、16 位有符號(hào)整型數(shù)值輸出和32 位標(biāo)準(zhǔn)IEEE-754浮點(diǎn)數(shù)輸出，使用靈活方便。

1.3.4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

RS485 總線具有控制方便、技術(shù)成熟、硬件簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中被廣泛應(yīng)用[20-22]。系統(tǒng)采用485網(wǎng)關(guān)模塊，采集節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過微控制器處理打包后由RS485 總線負(fù)責(zé)傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。基于RS485 網(wǎng)關(guān)模塊，實(shí)現(xiàn)4路采集數(shù)據(jù)同時(shí)與以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互。

1.3.5 終端控制節(jié)點(diǎn)

終端控制節(jié)點(diǎn)主要用于控制各采樣束管上電磁閥的打開或關(guān)閉，采樣束管在不同位置等間隔安裝有電磁閥，通過打開或關(guān)斷不同電磁閥來對(duì)不同區(qū)域氣體進(jìn)行采樣分析?？偪刂破魍ㄟ^串口向終端控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送一串ASCII代碼指令來控制電磁閥或氣泵的打開或關(guān)閉。

1.3.6 系統(tǒng)防爆抗壓設(shè)計(jì)

通過在井下采空區(qū)鋪設(shè)束管采樣氣體進(jìn)入“氣室”進(jìn)行化驗(yàn)分析，為保證井下生產(chǎn)安全，所有電路的設(shè)計(jì)為本安設(shè)計(jì)。同時(shí)，為確保系統(tǒng)電路穩(wěn)定工作，所有模塊電路均置于通過煤安認(rèn)證的金屬箱內(nèi)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 整體軟件程序設(shè)計(jì)

軟件控制程序是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”。系統(tǒng)整體運(yùn)行分為3個(gè)階段，第1階段為系統(tǒng)初始化，上電后微控制器內(nèi)部系統(tǒng)初始化，接著控制器引腳外設(shè)，等待ADC、定時(shí)器，USART 等初始化，最后各路傳感器初始化；第2階段為建立通信連接，初始化完成后，開始檢測(cè)RS485是否與上位機(jī)通信成功，若RS485 沒有成功與上位機(jī)遙控組態(tài)建立通信，系統(tǒng)會(huì)一直嘗試連接平臺(tái)，直至成功連接力控組態(tài)平臺(tái)；第3 階段為采樣分析階段，通信連接正常后，系統(tǒng)自動(dòng)輪詢獲取各采集節(jié)點(diǎn)的氣體濃度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)打包后由RS485 上傳至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，若數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)，則通過485 轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測(cè)站，若某種氣體濃度超標(biāo)，則系統(tǒng)報(bào)警。整體運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體流程

2.2 數(shù)據(jù)采集部分軟件程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集部分的程序設(shè)計(jì)主要完成傳感器的引腳配置，傳感器與微處理器通信的協(xié)議對(duì)接、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)判斷等功能，其數(shù)據(jù)采集程序流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序流程

3 上位機(jī)監(jiān)控

采用MCGS 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，良好的人機(jī)交互便于遠(yuǎn)程監(jiān)控和異常預(yù)警。通過上位機(jī)可遠(yuǎn)程選擇系統(tǒng)工作方式、查看數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程控制等功能。系統(tǒng)啟動(dòng)后首先進(jìn)入工作模式選擇，若選擇自動(dòng)模式，則系統(tǒng)會(huì)依次打開各采集區(qū)的進(jìn)氣閥、氣泵、并啟動(dòng)定時(shí)，采樣結(jié)束后關(guān)閉氣閥和氣泵，對(duì)采樣氣體進(jìn)行分析并判斷是否達(dá)到預(yù)警值，同時(shí)保存數(shù)據(jù)，為分析趨勢(shì)變化作準(zhǔn)備；手動(dòng)模式常用于系統(tǒng)維護(hù)或測(cè)試時(shí)，手動(dòng)選擇某個(gè)區(qū)域進(jìn)行氣體采樣分析。

上位機(jī)界面設(shè)計(jì)了用戶登陸界面、主控制界面、報(bào)表查詢界面、系統(tǒng)信息查詢主界面、趨勢(shì)曲線窗口、報(bào)警窗口、事件查詢窗口等4個(gè)界面和3個(gè)窗口。系統(tǒng)登陸界面主要設(shè)定登陸權(quán)限，可根據(jù)不同用戶對(duì)象設(shè)置不同的操作權(quán)限。

系統(tǒng)主界面可切換手動(dòng)、自動(dòng)模式，可在手動(dòng)模式下進(jìn)行遠(yuǎn)程操作；氣體采集區(qū)可實(shí)時(shí)顯示各種標(biāo)志氣體的濃度、安全閾值和上次采樣值，也可通過主界面進(jìn)入報(bào)表查詢界面查看歷史數(shù)據(jù)。主控制界面如圖5所示。

圖5 主控制界面

設(shè)備信息界面主要是為用戶提供終端采集節(jié)點(diǎn)、終端控制節(jié)點(diǎn)、采集泵開關(guān)設(shè)備的IP地址、端口號(hào)、設(shè)備地址以及當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行日志，系統(tǒng)設(shè)備信息界面如圖6所示。

圖6 設(shè)備信息界面

4 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析

在山西朔州市中煤集團(tuán)某煤礦4 號(hào)煤層采空區(qū)實(shí)地安裝鋪設(shè)采樣束管，各模塊單獨(dú)測(cè)試，進(jìn)行系統(tǒng)組網(wǎng)、通信測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)軟件與設(shè)備整體調(diào)試，并于2022 年9 月份正式投入運(yùn)行，監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝如圖7所示。

圖7 監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝示意

為保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，測(cè)試人員通過手持式設(shè)備深入采空區(qū)巷道束管采樣點(diǎn)進(jìn)行氣體采樣，完成了所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的人工采樣，數(shù)據(jù)采集表如表1 所示。選取兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，結(jié)果如圖8 所示。由圖可知，隨著不斷深入采空區(qū)，氧氣濃度逐漸下降，甲烷濃度逐漸上升，最終在臨界值附近上下浮動(dòng)。從對(duì)比分析結(jié)果可看出，系統(tǒng)自動(dòng)采樣數(shù)據(jù)和人工采樣數(shù)據(jù)走勢(shì)一致，個(gè)別數(shù)據(jù)有差異，總體偏差在5%內(nèi)，滿足誤差允許范圍。

表1 采樣數(shù)據(jù)

圖8 數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)束語

由于開采技術(shù)有限，采空區(qū)遺煤遺氣存在較多有毒有害氣體，為復(fù)采帶來了很大的隱患。本文以中煤集團(tuán)某煤礦采空區(qū)為研究對(duì)象，在礦區(qū)已有光環(huán)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，基于CAN 總線搭建多氣體線上線下實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)有毒有害標(biāo)志性氣體CO、CO2，O2、CH4、H2S 等氣體的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，光纖溫度傳感器監(jiān)測(cè)井下溫度，通過算法模型建立井下自燃預(yù)警機(jī)制，MCGS 組態(tài)設(shè)計(jì)上位機(jī)人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)線上線下實(shí)時(shí)監(jiān)控。經(jīng)過井下為時(shí)6 個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行，驗(yàn)證了該系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地分析出氣體成分和氣體濃度，自燃預(yù)警功能為井下安全生產(chǎn)提供了保障，同時(shí)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)也將作為重要數(shù)據(jù)用于煤礦科研項(xiàng)目中。