礦井火災環(huán)境信息動態(tài)感知與應急隔離系統(tǒng)

肖國強， 范新麗， 馬礪， 駱偉， 吳明明

(1.貴州發(fā)耳煤業(yè)有限公司， 貴州 六盤水 553001；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；3.兗州煤業(yè)股份有限公司， 山東 鄒城 273500；4.鄂爾多斯市營盤壕煤炭有限公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300)

0 引言

煤礦火災易產(chǎn)生高溫和大量有毒有害氣體，引發(fā)次生災害，嚴重威脅安全生產(chǎn)[1]。對災變區(qū)域環(huán)境進行準確監(jiān)測與隔離，可降低災變區(qū)域的氧氣濃度，控制火災發(fā)展，阻斷事故反應鏈，同時，為掌握火區(qū)發(fā)展狀態(tài)、制定滅火方案提供數(shù)據(jù)支撐。

火災區(qū)域環(huán)境信息監(jiān)測是火災應急控制的基礎。由于火災區(qū)域環(huán)境影響因素多，需要研究多種信息參數(shù)協(xié)同應用的火災區(qū)域監(jiān)測技術[2-4]。文獻[5]提出了基于氣體傳感器、可見光圖像、溫度傳感器和煙霧傳感器等多信息融合的礦井火災感知方法，提高了火災區(qū)域監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。文獻[6]提出了基于雙目視覺的礦井火災感知與定位方法，具有監(jiān)控范圍廣、成本低、響應快和可視化等優(yōu)點。

火災區(qū)域隔離是有效控制火災發(fā)展和蔓延的主要方法，能夠切斷次生事故的反應鏈，縮小火災影響范圍，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失[7]。常用的密閉隔離措施如混凝土密閉墻、聚氨酯噴涂密閉、噴膠等難以滿足快速切斷災害事故鏈的要求，無法對密閉環(huán)境進行實時動態(tài)監(jiān)測及預報[8]。文獻[9-10]設計了用于隔離煤礦火區(qū)的快速充氣氣囊，提高了火災區(qū)域應急處置能力。文獻[11]提出通過電控、氣控和手動3種協(xié)同控制方法對火災區(qū)域進行遠程快速密閉隔離，但未對具體的監(jiān)測和控制技術實現(xiàn)進行詳細闡述。

本文在上述文獻的基礎上，設計了礦井火災環(huán)境信息動態(tài)感知與應急隔離系統(tǒng)，實現(xiàn)了火災環(huán)境參數(shù)實時采集和報警、密閉隔離裝置遠程控制等功能，可對火災區(qū)域進行快速密閉隔離。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)架構

礦井火災環(huán)境信息動態(tài)感知與應急隔離系統(tǒng)包括感知層、網(wǎng)絡層和應用層3個部分，如圖1所示。

圖1 礦井火災環(huán)境信息動態(tài)感知與應急隔離系統(tǒng)架構Fig.1 The architecture of dynamic information perception and emergency isolation system for mine fire environment

感知層主要由多參數(shù)傳感器、紅外攝像儀、PLC控制器、礦用本安型電磁閥、高精度壓力傳感器、位置傳感器等構成。多參數(shù)傳感器、紅外攝像儀分別用于采集環(huán)境參數(shù)和視頻信息。PLC控制器用于控制電磁閥，執(zhí)行密閉隔離裝置(主體為密閉囊袋)充氣啟停控制命令。高精度壓力傳感器用于監(jiān)測囊袋氣壓。位置傳感器用于監(jiān)測囊袋下落密閉過程，保證囊袋在整個巷道斷面中充填。

網(wǎng)絡層以無線傳感器網(wǎng)絡和RS485有線通信網(wǎng)絡為基礎，通過井下環(huán)網(wǎng)交換機搭建工業(yè)以太網(wǎng)絡系統(tǒng)，通過Modbus等通信協(xié)議構建網(wǎng)絡平臺[12-14]。

應用層通過分析整理監(jiān)測數(shù)據(jù)，定位數(shù)據(jù)異常區(qū)域并啟動應急預案，發(fā)送應急隔離控制指令。通過實時監(jiān)測和報警，引導井下危險區(qū)域的工作人員及時撤離危險區(qū)域。

1.2 系統(tǒng)流程

礦井火災環(huán)境信息動態(tài)感知與應急隔離系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 礦井火災環(huán)境信息動態(tài)感知與應急隔離系統(tǒng)流程Fig.2 The process of dynamic information perception and emergency isolation system for mine fire environment

在預先判定的危險區(qū)域布置監(jiān)測節(jié)點，通過多參數(shù)傳感器和紅外攝像儀對多個測點的環(huán)境信息進行同步采集并傳輸至地面監(jiān)控平臺。監(jiān)控平臺根據(jù)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)及視頻信息對井下危險區(qū)域狀況進行研判。當傳感器監(jiān)測到CO體積分數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢時，系統(tǒng)報警。當CO體積分數(shù)達到24×10-6時，工作區(qū)域人員撤離，測試系統(tǒng)壓力條件，通過遠程控制方式控制密閉隔離裝置開啟，控制信號通過局域網(wǎng)傳輸至井下PLC控制器，通過控制電磁閥實現(xiàn)對囊袋充填。囊袋通過預設滑軌傳動系統(tǒng)從存儲倉擴展至整個斷面，實現(xiàn)應急密閉隔離。

通過高精度壓力傳感器對囊袋內(nèi)部氣壓進行實時監(jiān)測，并通過PLC控制器、井下基站、工業(yè)以太網(wǎng)絡將壓力數(shù)據(jù)傳輸至地面監(jiān)控平臺。監(jiān)控平臺根據(jù)壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)設定囊袋充氣壓力的安全范圍(300～550 Pa)。當囊袋內(nèi)部壓力低于安全范圍下限時，啟動囊袋自動補氣裝置，為囊袋補充氣量；當內(nèi)部壓力達到設定范圍上限時，自動停止充氣，以提升密閉效果。

2 系統(tǒng)關鍵技術實現(xiàn)

2.1 多參數(shù)傳感器

多參數(shù)傳感器主要由礦用本安型外殼、溫濕度傳感器、CO傳感器、CO2-CH4傳感器、O2傳感器、煙霧傳感器、聲光報警模塊、射頻發(fā)射模塊、電源模塊、紅外遙控模塊等組成，如圖3所示。各傳感器測量范圍及精度見表1。

圖3 多參數(shù)傳感器結構Fig.3 The structure of multi-parameter sensor

表1 傳感器測量范圍及精度Table 1 Sensor measuring range and accuracy

將CO傳感器、CO2-CH4傳感器、O2傳感器集成于電路板中，可同時得到多種氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)，解決了災區(qū)環(huán)境監(jiān)測參數(shù)單一的問題。同時，選用電化學氣體傳感器和紅外氣體傳感器，其響應速度快、靈敏度高。

礦用多參數(shù)傳感器底部設有離子式煙霧傳感器，可感知火災區(qū)域環(huán)境煙霧；外部設有濾水片，可降低空氣濕度對各傳感器檢測精度的影響；外部還設有顯示屏，可顯示氣體濃度和環(huán)境參數(shù)。礦用多參數(shù)傳感器預留了標準Modbus RTU協(xié)議的RS485通信接口，可通過紅外遙控模塊實現(xiàn)校準。

2.2 密閉隔離裝置及其控制

密閉隔離裝置主要由密閉囊袋、導向軌及控制部分組成。囊袋選用強度高、質(zhì)量小、氣密性佳、彈性好的復合纖維材料，內(nèi)部平行分布有彈性和強度較大的塑性纖維柔性骨架結構。同時，囊袋外部設有充氣口、充填口、泄壓口及壓力監(jiān)測口。通過PLC控制器打開囊袋啟動結構，使囊袋沿軌道快速下降，打開電磁閥，啟動充氣系統(tǒng)，實現(xiàn)氣體充填，如圖4所示。

1-密閉囊袋；2-泄壓口；3-導向軌；4-充填口；5-密閉壓力監(jiān)測；6-多參數(shù)傳感器；7-攝像儀；8-啟動結構。圖4 密閉隔離裝置Fig.4 Airtight isolation device

3 試驗分析

在山東兗礦集團鮑店煤礦5312輔助運輸巷道聯(lián)絡巷風門前15 m處及人員定位基站處對系統(tǒng)進行工業(yè)性試驗。5312輔助運輸巷道聯(lián)絡巷為寬5 m、全高4 m的矩形煤巷，如圖5所示。結合現(xiàn)場實際應用環(huán)境，將密閉隔離裝置安裝在5312輔助運輸巷道聯(lián)絡巷風門前15 m處巷道頂部，當災變發(fā)生時可阻擋風流前進。將PLC控制器、電磁閥、壓力傳感器與井下壓風管路連接，通過PLC控制器控制電磁閥啟停，通過壓力傳感器對囊袋內(nèi)部壓力進行實時監(jiān)測。在距離密閉隔離裝置兩側(cè)5 m位置布置多參數(shù)傳感器。PLC控制器直接由127 V照明電源供電，將127 V井下照明電源轉(zhuǎn)換為12 V后為監(jiān)測基站及傳感器供電。

圖5 試驗地點Fig.5 Test location

在地面控制平臺向密閉隔離裝置發(fā)送控制信號，測試PLC控制器能否正常啟動電磁閥。同時，通過壓力傳感器記錄囊袋充氣過程中壓力傳感器數(shù)值變化，并實時觀察囊袋狀況，當達到預設壓力值550 Pa后，停止充氣。采用傾斜式壓差計測量密閉前后壓差。囊袋內(nèi)部壓力變化如圖6所示，密閉前后壓差及漏風率如圖7所示。

圖6 囊袋內(nèi)部壓力變化Fig.6 Pressure changes inside the airtight bag

圖7 囊袋密閉前后壓差及漏風率Fig.7 Pressure difference and air leakage rate before and after the airtight bag is sealed

由圖6和圖7可知，密閉囊袋在5 min內(nèi)完成開啟，停止充氣后，囊袋內(nèi)部壓力基本保持穩(wěn)定，可滿足現(xiàn)場使用要求。密閉囊袋兩側(cè)壓差保持相對穩(wěn)定，漏風率在5%以內(nèi)。

4 結語

設計了礦井火災環(huán)境信息動態(tài)感知與應急隔離系統(tǒng)，通過多參數(shù)傳感器采集井下溫度、濕度及氣體含量信息，通過遠程控制方式控制密閉隔離裝置啟停，并通過高精度壓力傳感器對囊袋內(nèi)部氣壓進行實時監(jiān)測。現(xiàn)場試驗結果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了火災環(huán)境參數(shù)實時采集和報警、密閉隔離裝置遠程控制等功能，密閉囊袋可在5 min內(nèi)完成開啟，停止充氣后，囊袋內(nèi)部壓力基本保持穩(wěn)定，滿足現(xiàn)場應用要求。