礦井采空區(qū)氣體?溫度?壓差無線傳感器的設(shè)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(qū)煤自燃在線監(jiān)測的技術(shù)難題，提出了密閉采空區(qū)氣體?溫度?壓差無線傳感器的設(shè)計方案?；诘凸陌葱栎p量動態(tài)多徑路由協(xié)議，設(shè)計出集溫/濕度，CO，O2，CH4，壓差傳感器于一體的密閉采空區(qū)氣體?溫度?壓差無線傳感器；結(jié)合采空區(qū)遺煤分布規(guī)律，確定了大面積密閉采空區(qū)高密度網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)，解決了單點監(jiān)測范圍小、指標單一、特征信息異常反映滯后等問題。試驗結(jié)果表明，無線傳感器性能穩(wěn)定良好，實現(xiàn)了對采空區(qū)氣體?溫度?壓差的動態(tài)監(jiān)測，保障了礦井的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞： 密閉采空區(qū)； 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(huán)境污染，嚴重威脅著自然環(huán)境和人類健康，已成為全球性災難[1?2]。隨著礦井綜放技術(shù)的推廣應用，采空區(qū)留有大量遺煤，采空區(qū)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(tài)變化特征，易出現(xiàn)“呼吸”現(xiàn)象引起煤自然發(fā)火。目前，我國煤礦安全監(jiān)測技術(shù)有很大的提高，但在煤火災害感知方面，監(jiān)測系統(tǒng)信息處理水平不高，有限的數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)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(jiān)測方法很難滿足煤自燃監(jiān)測的需要，因此有必要研究幾種方法協(xié)同應用的煤自燃監(jiān)測方法和技術(shù)[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(shù)發(fā)展比較成熟，同時兩種方法在判斷煤自燃程度和高溫區(qū)域方面有各自的優(yōu)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(jié)合來監(jiān)測密閉采空區(qū)的煤自燃特征信息，研究采空區(qū)氣體?溫度?壓差無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對保障礦井的安全生產(chǎn)十分有必要，在學術(shù)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(qū)氣體?溫度?壓差無線傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

采空區(qū)氣體?溫度?壓差無線傳感器主要包括無線自組網(wǎng)模塊、數(shù)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(fā)模塊、微處理器、顯示屏、傳感器調(diào)理模塊等，如圖1所示。

2 氣體?溫度?壓差無線傳感器的設(shè)計

該裝置主要包括無線自組網(wǎng)模塊、數(shù)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(fā)模塊、微處理器、顯示屏、傳感器調(diào)理模塊等。無線自組網(wǎng)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(fā)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(shè)計的無線傳感器具備外接電源和內(nèi)置電池供電，預留標準的Modbus RTU協(xié)議的RS 485通信接口，通過紅外收發(fā)模塊實現(xiàn)氣體?溫度?壓差無線傳感器的無線校準。設(shè)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(qū)氣體?溫度?壓差無線傳感器布置方法根據(jù)密閉區(qū)域的數(shù)量、密閉墻之間的距離、密閉墻的厚度等現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況確定。根據(jù)現(xiàn)場需求分別設(shè)計每個密閉墻的施工數(shù)量，一般每個密閉墻施工監(jiān)測鉆孔1～2個；監(jiān)測鉆孔之間的距離在200 m范圍內(nèi)，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(jiān)測鉆孔內(nèi)放置一個多參數(shù)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(nèi)流場受外界環(huán)境影響，需封閉被測鉆孔；無線傳感器控制裝置置于監(jiān)測鉆孔外側(cè)，固定于煤壁幫處，以便觀測屏幕顯示的監(jiān)測信息；最底層為部署在鉆孔內(nèi)的無線傳感器，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上傳給無線監(jiān)測基站。為了保證采集數(shù)據(jù)的準確性及系統(tǒng)的健壯性，在若干個相鄰的監(jiān)測節(jié)點可以形成無線自組織多跳網(wǎng)絡(luò)。密閉采空區(qū)無線傳感器布置方法如圖3所示。

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

結(jié)合現(xiàn)場實際應用環(huán)境，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)，優(yōu)化測點布置方案。通過軟硬件系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝、調(diào)試與試運行，考察監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、通信的時效性、可靠性，以及整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。通過對某礦大面積采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域和重點防治區(qū)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(cè)等開展現(xiàn)場工業(yè)性試驗，監(jiān)測預警系統(tǒng)界面如圖4所示，歷史曲線圖如圖5所示。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了對大面積采空區(qū)氣體?溫度?壓差的動態(tài)監(jiān)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(chǎn)，提高了煤火災害監(jiān)測預警的技術(shù)水平。

5 結(jié) 語

本文研發(fā)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(shù)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(qū)氣體?溫度?壓差聯(lián)合監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。確定了采空區(qū)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布置的關(guān)鍵參數(shù)和布置方式，以網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測代替單點監(jiān)測，解決了傳統(tǒng)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(yè)性試驗，實現(xiàn)采空區(qū)煤自燃特征信息采集與存儲、數(shù)據(jù)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(tài)顯示，解決了大面積采空區(qū)煤自燃特征信息動態(tài)監(jiān)測的技術(shù)難題。

注：本文通訊作者為侯媛彬。

參考文獻

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