大面積采空區煤自燃無線監測預警系統設計及應用

王 宇

（國家能源集團神東煤炭柳塔煤礦安管辦，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 問題的提出

柳塔煤礦是神東礦區建成的第一個特大型現代化高產高效煤礦，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，大柳塔礦累計生產原煤18401.4萬t，全員工效達到197.37t/工，礦井生產能力和各項經濟技術指標均達到世界領先水平。

隨著柳塔煤礦的大力開采，礦井采空區的范圍也在增加，在回采期間采空區遺煤較多且存在比較嚴重的漏風情況，在受到巷道采掘、氣壓變化的影響下，遺煤發生氧化自燃現象，加劇了該礦防滅火形勢的嚴峻性。當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）遺煤自燃的環境復雜，不容易識別；（2）煤體導熱性差，遺煤自燃的發生程度不容易判定；（3）井下采空區范圍廣，人工巡檢有盲區；（4）指標氣體與溫度或壓差的關聯性不強，做為自燃預警判斷的指標缺乏依據；（5）灌漿、注氮等防滅火技術的應用缺乏針對性，其防滅火效果及有效時間缺乏管控。

針對以上問題，柳塔煤礦安管辦經理論論證、現場調研，提出設計了大面積采空區煤自燃無線監測預警系統。該系統主要是通過對氣體分析法、測溫法兩方法指標進行結合實現對煤礦自燃的特征信息檢測，對煤自燃早期隱患防控技術水平的提高具有重要意義。

2 煤自燃無線監測預警系統的架構

該大面積采空區煤自燃監測預警系統的構架如圖1所示，基于云網絡為紐帶實現了傳感器、感知網絡、485通信、嵌入式Web、Internet、計算機、數據庫、云網絡等設備與技術的融合，可以實現對井下采空區煤自燃的監測預警與管控。從圖1中可以看到，該系統由應用層、網絡層、感知層組成。

應用層主要由數據庫服務器、文件服務器、網頁服務器和用戶組成，通過云網絡技術實現信息的傳遞與共享，基于云網絡的方式對監測信息進行整合處理，對數據進行分析研判，進而做出相應的火災狀態確定、火災預警播報和火災趨勢推測。煤礦調度管控中心、安全監控中心以及相關部門、領導都能對自燃的動態信息時時進行掌控，并及時做出相應的應急反應。

網絡層由礦用防爆管線交換機、工業光纖冗余環網、局部子環網、無線感知網絡（WSN）、RS485總線組成。以該煤礦已有工業以太環網為主干，多種通信網絡為分支，無線傳感器網絡和485總線網絡為末梢，組成網絡平臺。

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無線傳感器組成，通過監測分站1和監測分站2共同完成監測作業。煤火災害無線監測預警系統架構如圖1所示。

圖1 煤火災害無線監測預警系統架構

3 礦用本安型多參數無線傳感器的設計

設計的礦用本安型多參數無線傳感器性能先進，智能化水平高，采樣精度高，建立的傳感器網絡采用現場總線冗余技術、監控計算機、網橋等相關設備及技術，提出了把單個分散的測量對象通過智能化、數字化形成網絡節點，通過無線、遠程的異構網絡有機結合的構思加以實現。

該裝置主要包括：分布式MESH結構無線自組網模塊YL-800N（800NS）、SHT21最新數字溫濕度傳感器、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紅外遙控收發模塊、STM-CortexM3系列微處理器、參考電壓芯片選用REF3030等。從而設計出集溫/濕度、CO、CO2、CH4、O2、壓差于一體的多參數無線傳感器，內外電源可以同時供電，通過紅外收發模塊實現遙控校準。

4 現場工業性試驗

4.1 系統的布置與安裝

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

圖2 系統現場布置拓撲圖

4.2 系統的調試

系統安裝后，結合巷道現場的環境情況，確定出煤自燃隱蔽區域早期隱患監測點布置的關鍵參數，并進行優化，同時調整布置方案。通過對監測數據對比分析，來分析考察數據采集的時效性、可靠性，并及時進行優化調整，力爭保障系統運行的穩定與安全。

4.3 運行結果分析

從2017年5月至2017年10月期間，整個試運行階段系統運行穩定。系統能對試驗區域內的環境進行氣體濃度變化-溫度變化-壓差變化實現實時的動態監測，實現多測點氣體濃度-溫度-壓差趨勢曲線顯示，實現監測區域內環境異常信息的報警。系統應用以來，環境異常信息的報警準確率達100%，有效地提高了該礦試驗區域內煤礦自燃災害監測預警的水平。

5 結論

（1）本文研制出大面積采空區煤自燃無線監測預警系統，通過礦用本安型多參數無線傳感器對采空區煤自燃特征信息氣體濃度-溫度-壓差實現聯合監測，可以實現對井下采空區煤自燃的監測預警與管控。

（2）通過軟硬件系統的工業性試驗，驗證了該監測系統的時效性、可靠性和穩定性，確定出煤自燃危險區域無線監測點布置的關鍵參數，優化測點布置方案，解決了大面積采空區沿空側和密閉區動態監測的技術難題。