礦井采空區氣體?溫度?壓差無線傳感器的設計及應用

王偉峰+侯媛彬+鄧軍+馬礪+金永飛

摘 要： 針對礦井采空區煤自燃在線監測的技術難題，提出了密閉采空區氣體?溫度?壓差無線傳感器的設計方案?；诘凸陌葱栎p量動態多徑路由協議，設計出集溫/濕度，CO，O2，CH4，壓差傳感器于一體的密閉采空區氣體?溫度?壓差無線傳感器；結合采空區遺煤分布規律，確定了大面積密閉采空區高密度網絡化測點布置方法，形成了具有可剪裁性、冗余性、魯棒性等特點的氣體?溫度?壓差無線傳感器網絡，解決了單點監測范圍小、指標單一、特征信息異常反映滯后等問題。試驗結果表明，無線傳感器性能穩定良好，實現了對采空區氣體?溫度?壓差的動態監測，保障了礦井的安全生產。

關鍵詞： 密閉采空區； 煤自燃； 氣體?溫度?壓差； 無線傳感器

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）18?0117?03

Design and application of wireless sensor for gas?temperature?pressure

difference in mine goaf

WANG Weifeng1， HOU Yuanbin2， DENG Jun1， MA Li1， JIN Yongfei1

（1. College of Safety Science and Engineering， Xian University of Science & Technology， Xian 710054， China；

2. College of Electrical and Control Engineering， Xian University of Science & Technology， Xian 710054， China）

Abstract： Aiming at the technical problems of the online monitoring for coal spontaneous combustion in mine goaf， a design scheme of wireless sensor for gas?temperature?pressure difference in airtight goaf is put forward. On the basis of low?power consumption on?demand lightweight dynamic multipath routing protocol， a wireless sensor for gas?temperature?pressure difference in mine goaf was designed， which is integrated with the sensors of temperature?humiture， carbon monoxide， oxygen， methane， differential pressure together. According to the distribution law of residual coal in goaf， the layout method of high?density networked measurement points in large airtight goaf was determined， the gas?temperature?pressure difference wireless sensor network with the characteristics of tailorability， redundancy and robustness was generated， and the problems of narrow single?point monitoring range， onefold index and lagging feature information abnormal reflection were solved. The test results show that the wireless sensor has stable performance， can realize the dynamic monitoring of gas， temperature and pressure difference in goaf， and guarantee the safe production of the mine.

Keywords： airtight goaf； coal spontaneous combustion； gas?temperature?pressure difference； wireless sensor

煤火災害遍布世界各地，造成巨大的煤炭資源損失和環境污染，嚴重威脅著自然環境和人類健康，已成為全球性災難[1?2]。隨著礦井綜放技術的推廣應用，采空區留有大量遺煤，采空區范圍越來越大，漏風通道多[3?5]，受采掘活動、大氣壓變化的影響，呈動態變化特征，易出現“呼吸”現象引起煤自然發火。目前，我國煤礦安全監測技術有很大的提高，但在煤火災害感知方面，監測系統信息處理水平不高，有限的數據資源“挖掘”分析程度不夠，自燃危險程度判別和防控決策的信息量不足，不能及時發現煤自燃早期隱患。單一類煤自燃特征信息量無法及時、準確地反映煤自燃情況，僅僅利用一種監測方法很難滿足煤自燃監測的需要，因此有必要研究幾種方法協同應用的煤自燃監測方法和技術[6]。比較而言，標志氣體分析法和測溫法的可行性較強，且相應的檢測技術發展比較成熟，同時兩種方法在判斷煤自燃程度和高溫區域方面有各自的優勢，存在一定的互補性。因此，提出采用氣體分析法、測溫法和測壓差法相結合來監測密閉采空區的煤自燃特征信息，研究采空區氣體?溫度?壓差無線傳感器網絡，對保障礦井的安全生產十分有必要，在學術研究和工程應用方面都具有重要意義和推廣應用價值。endprint

1 采空區氣體?溫度?壓差無線傳感器結構設計

采空區氣體?溫度?壓差無線傳感器主要包括無線自組網模塊、數字式溫度/濕度傳感器、CO傳感器、O2傳感器、CH4傳感器、射頻天線、供電模塊、紅外遙控收發模塊、微處理器、顯示屏、傳感器調理模塊等，如圖1所示。

2 氣體?溫度?壓差無線傳感器的設計

該裝置主要包括無線自組網模塊、數字式溫度/濕度傳感器、CO傳感器、O2傳感器、CH4傳感器、射頻天線、供電模塊、紅外遙控收發模塊、微處理器、顯示屏、傳感器調理模塊等。無線自組網模塊為DIGIMESH XBEE、溫/濕度傳感器為SHT20、CO傳感器為city 4CM（0～2 000 ppm）、O2傳感器為city 4OXV（0～25% VOL）、CH4傳感器為MIPEX 非色散紅外傳感器（0～10%）、微壓差傳感器為MPXV70X（-2～2 kPa）、紅外遙控收發模塊采用HSDL?3610、微處理器選用STM32L152，RS 485芯片選用MAX3485、參考電壓芯片選用REF3030等。設計的無線傳感器具備外接電源和內置電池供電，預留標準的Modbus RTU協議的RS 485通信接口，通過紅外收發模塊實現氣體?溫度?壓差無線傳感器的無線校準。設計主要電路如圖2所示。

3 氣體?溫度?壓差無線傳感器布置方法研究

密閉采空區氣體?溫度?壓差無線傳感器布置方法根據密閉區域的數量、密閉墻之間的距離、密閉墻的厚度等現場生產實際情況確定。根據現場需求分別設計每個密閉墻的施工數量，一般每個密閉墻施工監測鉆孔1～2個；監測鉆孔之間的距離在200 m范圍內，若超過此距離，需在兩個傳感器中間增加無線中繼；在每個監測鉆孔內放置一個多參數傳感器探頭，探頭與無線傳感器控制裝置采用RS 485總線連接，為了避免鉆孔內流場受外界環境影響，需封閉被測鉆孔；無線傳感器控制裝置置于監測鉆孔外側，固定于煤壁幫處，以便觀測屏幕顯示的監測信息；最底層為部署在鉆孔內的無線傳感器，通過無線傳感器網絡上傳給無線監測基站。為了保證采集數據的準確性及系統的健壯性，在若干個相鄰的監測節點可以形成無線自組織多跳網絡。密閉采空區無線傳感器布置方法如圖3所示。

4 現場工業性試驗

結合現場實際應用環境，確定出煤自燃隱蔽區域早期隱患監測點布置的關鍵參數，優化測點布置方案。通過軟硬件系統的現場安裝、調試與試運行，考察監測數據采集、通信的時效性、可靠性，以及整個系統運行的穩定性。通過對某礦大面積采空區煤自燃危險區域和重點防治區域的分析，確定在礦井2301S上下巷閉墻、2302S上下巷閉墻、2303S上下巷閉墻、2302N下巷沿空側等開展現場工業性試驗，監測預警系統界面如圖4所示，歷史曲線圖如圖5所示。試驗結果表明，該系統性能運行穩定，實現了對大面積采空區氣體?溫度?壓差的動態監測、多測點氣體?溫度?壓差趨勢曲線顯示、異常信息報警等，保障了礦井的安全生產，提高了煤火災害監測預警的技術水平。

5 結 語

本文研發了集溫/濕度傳感器、O2傳感器、CO傳感器、CH4傳感器、壓差傳感器于一體的多參數無線傳感器，形成具有可剪裁性、冗余性、魯棒性等特點的密閉采空區氣體?溫度?壓差聯合監測的無線傳感器網絡。確定了采空區無線傳感器網絡布置的關鍵參數和布置方式，以網絡化監測代替單點監測，解決了傳統測溫取氣存在漏報、誤報、時效性差、維護困難等問題。通過工業性試驗，實現采空區煤自燃特征信息采集與存儲、數據列表顯示、多測點氣體?溫度?壓差趨勢曲線顯示、異常信息篩選及實時顯示與報警、測點位置及狀態顯示，解決了大面積采空區煤自燃特征信息動態監測的技術難題。

注：本文通訊作者為侯媛彬。

參考文獻

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