CN101706466B

CN101706466B - 一种采空区煤炭自燃无线监测装置及方法

Info

Publication number: CN101706466B
Application number: CN 200910234873
Authority: CN
Inventors: 蒋曙光; 王凯; 邵昊; 吴征艳; 王兰云; 张卫青
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2029-10-23
Also published as: CN101706466A

Abstract

一种采空区煤炭自燃无线监测装置及方法，由设在采空区的多组信号发射器和回采工作面的便携式接收器构成，其中每组信号发射器包括间隔布设在采空区内的多种传感器，这些多种传感器分别经A/D转换器连接单片机I，单片机I上连接有无线收发模块；便携式接收器包括无线收发模块，控制无线收发模块的单片机II，单片机II分别相接有显示模块、485通讯口及功能按钮。通过便携式接收器监测采空区内部的CO、O₂、温度、CH₄等参数情况，将采空区内的各类待测参数信号变为电信号，通过单片机I对信号进行处理，控制无线收发模块发送，便携式接收器接收到信号进行地址判断、数据处理，实时显示各地址的数据结果，同时通过485接口连接到井下分站，通过井下监测监控网络实现对采空区参数的地面实时监测。其结构简单，操作简便，功耗低、测量精度高。

Description

一种采空区煤炭自燃无线监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种采空区煤炭自燃无线监测装置及方法，尤其适用于自燃发火比较严重矿区的井下采空区煤炭自燃的监测控制。

背景技术

我国既是世界上煤炭产量最大的国家，也是煤层自燃发火最为严重的国家之一。每年我国煤矿死亡人数是美国的200倍，印度的10多倍，百万吨死亡率是世界平均水平的10倍。据统计，我国国有重点煤矿中具有自燃危险的矿井约占51.3％，占总矿井火灾的90％以上。自燃发火是防灭火工作的治理重点，绝大部分自燃发火发生在采空区、巷帮破碎煤柱及充填工作面采空区内。近年来综采放顶煤技术的推广应用，对实现高产高效开采起到了重大作用，带来了较大的经济效益。但综放工作面浮煤厚度大，而且采空区遗煤厚度大，导致煤自燃危险性增大。而综采工作面产量大、设备精，一旦发生自燃势必造成巨大的经济损失。因此，采空区煤炭自燃不仅对矿工生命及国家财产构成重大威胁，而且严重制约煤矿生产能力的发挥，造成了不良的社会和政治影响。因此，防治采空区煤炭自燃是保证我国煤矿安全生产工作的重点。

由于煤炭自燃发火95％以上都在采空区，人们不能直视和达到的地点。近10年来，为准确地测定采空区温度、CO、CH₄和O₂浓度，掌握采空区煤炭自燃规律，国内外众多学者进行了长期的基础理论研究和科学实验，形成了两种采空区参数采样的常用方法：(1)利用FBG技术，即在采空区内按一定的走向、倾斜方向间距布网，每一网格节上预埋一光纤温度传感器连续监测采空区温度动态变化规律。FBG技术能够精确、连续测试采空区温度变化，为分析采空区自燃发火规律和判断自燃发火态势提供了良好的数据资料，但该方法由于光纤比较脆弱，保护管布设复杂困难，只能观察待监测区域的温度变化，采样数据单一；(2)煤自燃发火束管监测装置和煤自燃发火气相色谱监测装置。束管监测装置是利用真空泵，通过一组空心塑料管将井下监测地点的空气直接抽至分析单元中进行检测。束管监测装置由采样器、接管箱、放水器、除尘器、抽气泵、采样控制柜和分析单元组成。KHY系列气相色谱监测装置主要由气体采集、气体分析和数据处理三大部分组成。通过聚氯乙烯管将工作面、上隅角、采空区等处的气体抽吸到分析仪器，由气相色谱分析仪完成对自燃发火标志气体的分析，微机对采集分析仪器的输出信号进行数据处理后提出预测预报结论。束管检测装置和气相色谱监测装置存在的缺点是：管网长、采样测定滞后时间长；管路积水以及粉尘进入管路堵塞后难以处理；人为或其它因素破坏管路的可能性大，管路维护量较大；地面设备多，需专人管理，运行成本高。另外，由于束管监测装置在束管传输气样和对气样进行分析的工程中均存在不同程度的时间滞后现象，因此它不能像电信号监测装置那样反映测点气体的瞬时浓度值，并且由于装置分析软件存在一定缺陷，无法完全适应实际情况。由此可见束管监测装置和气相色谱监测装置不适合监测气体浓度的瞬间值。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构简单，方法简便，测量精度高，灵敏度高，使用效果好的采空区煤炭自燃无线监测装置及方法。

技术方案：本发明的采空区煤炭自燃无线监测装置，包括信号发射器，便携式接收器，将信号发射器分组间隔排列在采空区的多组信号发射器和设在回采工作面的便携式接收器，多组信号发射器成行间隔排列，每行2～4组，组间距约为10米；每组信号发射器由间隔埋设的多种传感器CO浓度传感器、O₂浓度传感器、CH₄浓度传感器和温度传感器，多组传感器分别经A/D转换器连接单片机I，单片机I上连接有无线收发模块；便携式接收器包括无线收发模块，控制无线收发模块的单片机II，单片机II分别相接有显示模块、485通讯口及功能按钮。

所述的多组信号发射器布设3～5行，其行间隔距离约20米；所述的CO浓度传感器、O₂浓度传感器、CH₄浓度传感器和温度传感器的间隔距离约为3～5米，沿直线排开，并设置冗余；所述的单片机I的型号为P89LPC932，单片机II的型号为MSP430。

本发明的采空区煤炭自燃无线监测方法：

a、在采空区内间隔布置成一排的多组信号发射器，随采煤工作面的推进，间隔约20米距离布置下一排的多组信号发射器，直至完成设定的排数；

b、在回采工作面附近设置接收多组信号发射器的便携式接收器；

c、打开便携式接收器的功能按钮发出启动信号，多组信号发射器的无线收发模块接收到启动信号，使多组信号发射器进入工作状态；

d、当多组信号发射器的采样信号超过阈值时，单片机I触发无线收发模块发射信号；

e、便携式接收器接收信号，单片机II对接收到的信号进行地址判断、数据处理，实时显示各地址的数据结果，并通过485通讯口将信号传给井下分站，通过井下监测监控网络传至地面上位机实现数据的远程监测。

有益效果：通过设在采空区内的信号发射器和设在回采工作面的便携式接收器，信号发射器可对采空区内的多种信号进行采样，并控制无线收发模块对采样数据进行发送，便携式接收器接收到信号后对其进行地址判断、数据处理，实时显示各地址的数据结果，同时可通过485接口连接到井下分站，通过井下监控监测网络实现对采空区参数的地面实时监测，能提供更加全面准确的CO、O₂、CH₄、温度参数值，使得对采空区煤炭自燃危险性的预测和评价结果更加准确。其结构简单，方法简便，测量精度高，灵敏度高，传感器分辨率高，测量数据精确，通信方式简单，可靠性高，工作效率高，造价低，测试方便，具有广泛的适用性。

附图说明

图1是本发明的位置布置结构示意图；

图2是本发明的信号发射器原理框图；

图3是本发明的便携式接收器构成框图。

其中：1-信号发射器；2-便携式接收器；3-A/D转换器；4-单片机I；5-单片机II；6-无线收发模块；7-显示模块；8-无线收发模块；9-485通讯口；10-功能按钮；a-CO浓度传感器；b-O₂浓度传感器；c-CH₄浓度传感器；d-温度传感器；K-采空区；H-巷道；G-回采工作面；M-煤层；FZ-井下分站。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

本发明的采空区煤炭自燃无线监测装置，在采空区K间隔排列多组信号发射器1，多组信号发射器1成行间隔排列，每行2～4组，组间距约为10米；多组信号发射器1布设3～5行，其行间隔距离约20米。每组信号发射器1包括间隔埋设的多种传感器CO浓度传感器a、O₂浓度传感器b、CH₄浓度传感器c和温度传感器d，多种传感器分别经A/D转换器3连接单片机I4，单片机I4上连接有无线收发模块6；多种传感器之间间隔距离约为3～5米，沿直线排开，必要时设置冗余。信号发射器1中的CO浓度传感器a、O₂浓度传感器b、温度传感器c、CH₄浓度传感器d均采用电阻式传感器，通过恒流源输出一个线性小电压值，用线性仪表放大器对小电压信号进行线性放大，再通过精度为12位及以上的A/D转换器3，将采样区间的模拟量信号转化为数字信号传递给单片机I4，单片机I4处理数据后通过无线收发模块6将信号调制成电波发出，单片机I4的型号为P89LPC932。便携式接收器2由单片机II5、分别与单片机II5相连接的无线收发模块8、显示模块7、485通讯口9及功能按钮10构成，单片机II5的型号为MSP430。便携式接收器2的无线收发模块8收到数据信号后，对数据信号解调并将数据通过读写操作传递给单片机II5，便携式接收器2上设置的功能按钮有：复位按钮、唤醒发射器按钮、使能外部通信按钮、历史查询按钮、开关按钮。

本发明的采空区煤炭自燃无线监测方法：先对采空区K与煤层M的距离(与回采方向垂直)进行分析，根据回采工作面G的宽度，在采空区K内间隔布置排成一排的2～4组信号发射器1，随采煤工作面的推进，间隔约20米距离布置下一排的多组信号发射器1，根据现场实际需要，设置3～5排多组信号发射器1；每组信号发射器1由间隔埋设的多种传感器CO浓度传感器a、O₂浓度传感器b、CH₄浓度传感器c和温度传感器d构成，其间隔距离约为3～5米，沿直线排开，多种传感器根据不同的需要设置不同的高度，用金属支架辅助装设，必要时设置冗余。在回采工作面G附近设置接收多组信号发射器1的便携式接收器2；打开便携式接收器2的功能按钮10发出启动信号，多组信号发射器1的无线收发模块6接收到启动信号后，使多组信号发射器1进入工作状态；当多组信号发射器1的采样信号超过阈值时，单片机I 4触发无线收发模块6发射信号；便携式接收器2接收信号，单片机II 5对接收到的信号进行地址判断、数据处理，实时显示各地址的数据结果，并通过485通讯口9将信号传给井下分站FZ，通过井下监测监控网络传至地面上位机实现数据的远程监测。如果收到的数据是CO浓度传感器a发送过来的数据，则使用CO浓度数据处理子程序，同时将处理好的数据以十进制含单位的数据在显示模块上显示，如果收到的数据是O₂浓度传感器b发送过来的数据，则使用O₂浓度数据处理子程序，同时将处理好的数据以十进制含单位的数据在显示模块上显示，如果便携式接收器2收到的数据是温度传感器c发送过来的数据，则使用温度数据处理子程序，同时将处理好的数据以十进制含单位的数据在显示模块上显示，如果收到的数据是CH₄浓度传感器d发送过来的数据，则使用CH₄浓度数据处理子程序，同时将处理好的数据以十进制含单位的数据在显示模块上显示。利用回采工作面G附近的井下监测监控分站FZ，通过485通信线将便携式接收器2与监测监控分站FZ连接，最终将数据融入监测监控网络，在井上服务器将数据处理好，然后通过网络发布就可以在井上办公室web浏览器上查看采空区各项参数的当前和历史数据。

Claims

1.一种采空区煤炭自燃无线监测装置，包括信号发射器(1)，便携式接收器(2)，连接单片机I(4)，其特征在于：在采空区(K)间隔排列多组信号发射器(1)，多组信号发射器(1)成行间隔排列，每行2～4组，组间距为10米；在回采工作面(G)附近设置接收多组信号发射器(1)的便携式接收器(2)；每组信号发射器(1)包括间隔布设的CO浓度传感器(a)、O₂浓度传感器(b)、CH₄浓度传感器(c)和温度传感器(d)，所述的传感器分别经A/D转换器(3)连接单片机I(4)，单片机I(4)上连接有无线收发模块(6)；所述便携式接收器(2)包括无线收发模块(8)，控制无线收发模块(8)的单片机II(5)，单片机II(5)分别相接有显示模块(7)、485通讯口(9)及功能按钮(10)；所述的单片机I(4)的型号为P89LPC932，单片机II(5)的型号为MSP430。

2.根据权利要求1所述的采空区煤炭自燃无线监测装置，其特征在于：所述的多组信号发射器(1)布设3～5行，其行间隔距离20米。

3.根据权利要求1所述的采空区煤炭自燃无线监测装置，其特征在于：所述的CO浓度传感器(a)、O₂浓度传感器(b)、CH₄浓度传感器(c)和温度传感器(d)的间隔距离为1～2米，沿直线排开，并设置冗余。

4.一种如权利要求1、2或3所述装置的采空区煤炭自燃无线监测方法，其特征在于：

a、在采空区内(K)间隔排列多组信号发射器(1)，多组信号发射器(1)成行间隔排列，每行2～4组，组间距为10米；随采煤工作面的推进，间隔20米距离布置下一的多组信号发射器(1)，直至完成设定的排数；

b、在回采工作面(G)附近设置接收多组信号发射器(1)的便携式接收器(2)；

c、打开便携式接收器(2)的功能按钮(10)发出启动信号，多组信号发射器(1)的无线收发模块(6)接收到启动信号，使多组信号发射器(1)进入工作状态；

d、当多组信号发射器(1)的采样信号超过阈值时，单片机I(4)触发无线收发模块(6)发射信号；

e、便携式接收器(2)接收信号，单片机II(5)对接收到的信号进行地址判断、数据处理，实时显示各地址的数据结果，并通过485通讯口(9)将信号传给井下分站(FZ)，通过井下监测监控网络传至地面上位机实现数据的远程监测。