煤礦井下氣體檢測系統技術

創新者：任國禮

煤礦井下氣體檢測系統技術

創新者：任國禮

進行煤礦井下瓦斯氣體檢測，能實時掌握井下各區域瓦斯濃度，進行瓦斯超限報警，及時進行通風控制、人員疏散，避免瓦斯爆炸、人員傷亡的惡性事故發生。因此進行煤礦井下瓦斯氣體檢測至關重要。本文圍繞煤礦井下氣體檢測系統相關技術進行研究，引入以太網技術，設計了井下氣體檢測裝置與地面監控主機。

煤礦井下存在有CH4、CO等易燃易爆氣體，當因井下通風不暢，造成瓦斯聚集，可能會引發瓦斯爆炸的惡性事故。事故發生后不僅會毀壞礦井，影響煤礦正常開采，而且嚴重情況下會造成井下礦工的傷亡。近幾年隨著煤礦地不斷開采，煤礦的挖掘深度不斷增加，煤層瓦斯氣體濃度增加等不利因素又增加了煤礦發生瓦斯爆炸的可能。為此檢測井下瓦斯氣體的濃度，進行通風控制、人員疏散等工作意義重大。現有的井下氣體檢測裝置未能將數據上傳或是采用的通信技術落后，已經不符合智慧礦山的要求，需要設計新型的煤礦井下氣體檢測系統，本文對此展開研究意義重大。

煤礦井下氣體檢測系統的構成

圖1　煤礦井下氣體檢測系統的構成

煤礦井下氣體檢測系統中的氣體檢測裝置一般檢測井下CH4氣體濃度，當然也有檢測井下氧氣或是毒性氣體的。從結構上又可分為攜帶式與固定式：攜帶式允許井下人員攜帶檢測裝置實時或定期檢測進行氣體種類與濃度，而固定式則安裝于井下固定地點，實時檢測該地點氣體種類與濃度。本文著重討論固定式氣體檢測裝置。

隨著科技發展，煤礦安全監視系統越來越智能化，原有井下固定式檢測裝置由于沒有上傳數據的功能或是只能通過串口簡單地將數據傳遞給計算機未能實現數據的遠方實時監視，已不適用現有的煤礦安全監視系統。為此新型檢測裝置必須能夠將采集到得氣體濃度數據傳遞到煤礦地面監控中心。新的煤礦井下氣體檢測系統的構成如圖1所示。煤礦井下各氣體檢測裝置一方面完成對所在地點的氣體進行實時采集分析氣體組成與含量并進行實時顯示，并進行預警；另一方面通過以太網網路將數據進一步傳輸給地面監控中心的監控主機，以便煤礦管理人員實時監控井下各監測點的氣體瓦斯含量。

該新型煤礦井下氣體檢測系統采用以太網進行數據傳輸，消除了原有RS232或是485通信造成的傳輸距離的限制，通信網絡能在煤礦井下進行任意拓展、全方位覆蓋井下各處，且能夠根據井下的布局靈活配置氣體檢測裝置。而且地面監控中心能夠獲取井下各區域的氣體瓦斯濃度，也可根據瓦斯濃度進行實時處理分析，當濃度超限時也可對井下相關區域按危險程度發出報警信號。

煤礦井下氣體監測裝置的設計

煤礦井下氣體檢測裝置的硬件簡化圖如圖2所示。圖中瓦斯傳感器、溫度傳感器將裝置所在煤礦井下區域的氣體與溫度轉換成電信號通過調理電路輸出給CPU單元。CPU以DSP作為硬件核心，完成信號的獲取采集運算工作，并進一步分析判斷是否瓦斯傳、溫度超限而后發出報警。同時裝置將采集到的瓦斯氣體數據通過以太網實時傳輸給地面監控中心。按鍵與顯示部分完成讀取人員按鍵輸入與液晶顯示功能，電源部分給裝置內各器件供電使裝置正常運行，調試接口允許廠家在出廠前和現場調試設備。

裝置上電開機后首先進行液晶顯示屏、DSP芯片、以太網控制器等器件的初始化，然后進行瓦斯濃度與溫度的采集工作。DSP芯片對輸入的瓦斯信號進行濃度急速與判斷，如果超限發出警報。無論濃度是否超限，計算出的瓦斯濃度均通過當液晶屏實時顯示，并將數據打包成數據幀格式通過以太網傳遞給地面監控中心。軟件流程圖如圖3所示。

圖2　煤礦井下氣體檢測裝置的硬件簡圖

圖3　軟件流程圖

地面監控中心監控主機設計

地面煤礦監控中心應設置一臺符合工業控制要求的電腦作為井下瓦斯氣體監控主機。該監控主機要求能通過以太網實時接收進行氣體檢測裝置上傳的瓦斯數據，并進行處理以便進行界面顯示。而且地面瓦斯監控主機允許煤礦管理人員進行設定瓦斯超限閾值、設定數據讀取周期、打印報表等工作。

監控主機軟件采用VB進行程序編寫，程序設計主要由以太網通信控制部分、數據處理、界面顯示、超限報警、用戶管理、參數配置等幾部分組成，設計框圖如圖4所示。監控主機軟件通過以太網通信控制程序解析出井下各區域氣體檢測裝置上傳的數據后通存入數據庫中以便進行數據進一步處理。數據庫同時也應存儲煤礦管理人員的戶名密碼、監測區域編號、中間運行數據等等。監控主機應能提供良好的監視控制界面，煤礦管理人員能直觀地觀測出井下監測區域的瓦斯氣體濃度，并通過界面打印報表、維護系統等。

圖4　監控主機軟件設計圖

結語

本文首先介紹了進行煤礦井下瓦斯氣體檢測的重要性，然后結合以太網技術提出了新型的井下氣體檢測系統。本文接著對系統中的井下氣體檢測裝置與地面監控主機進行了設計。該系統使得井下各區域瓦斯濃度監控變得更實時、準確、直觀、可靠。對提高煤礦安全生產有重大意義。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.032