CN104088669B - 煤矿采空区煤自燃监测预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种煤矿采空区煤自燃监测预警系统，包括分布式感温光缆、多参数监测装置、井下环网交换机、监测中心交换机、监测主机和输气管；多参数监测装置设有光缆接口、采样气体进气口、采样气体出气口、通信端和无线通信端；分布式感温光缆与多参数监测装置的光缆接口信号电连接；输气管与多参数监测装置的采样气体进气口和采样气体出气口相连接；多参数监测装置的通信端通过井下环网交换机、监测中心交换机与监测主机双向信号电连接；多参数监测装置的无线通信端使用时与配套的无线遥控设备无线通信。本发明有效解决了现有采空区大范围温度监测及远距离束管气体监测的问题，部署成本低、监测预警及时性、稳定性和可靠性好。

Description

煤矿采空区煤自燃监测预警系统

技术领域

本发明涉及煤矿安全监测技术领域，具体涉及一种煤矿采空区煤自燃监测预警系统。

背景技术

煤矿采空区是指在煤矿作业过程中，将地下煤炭或煤矸石等开采完成后留下的空洞或空腔。煤矿采空区由于有遗煤等可燃物的存在，在合适的温度、氧气浓度等条件下，容易发生自燃现象，容易引起煤矿火灾，给煤矿带来巨大的损失。因而，对煤矿采空区煤自燃现象需要进行监测和预警。煤自燃监测是通过对煤自燃进程中的温升、气体释放等特征信息进行监测，进而判断是否可能会发生自燃现象并判断可能发生自燃的位置，以及时给出报警信息，达到防治煤自燃灾害发生的目的。

当前，煤矿对采空区煤自燃的监测方法主要是通过设置在地面的监测中心和相应的监测装置对采空区可能发生自燃现象的区域的温度和气体进行监测。其中，温度监测主要采用常规温度传感器测温、红外测温或无线传感器网络测温等装置，其不足之处是，当采空区范围较大时，现有温度监测装置的部署数量多、成本高、布置施工复杂；气体监测主要是通过束管监测系统进行，但由于监测中心设置在地面，煤矿实际监测现场上，气体采样点距离监测中心最远可长达30KM，因而造成监测数据具有一定的时滞性；且长距离的管路容易漏气，束管采样点容易积水积尘甚至损坏，从而使得目前煤矿使用的束管监测系统的应用现状不佳，甚至没有发挥应有的作用。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种温度监测装置部署成本低、布设施工方便、监测预警稳定性和可靠性高、气体就近监测使得监测数据实时性强且可有效避免预警时滞性的煤矿采空区煤自燃监测预警系统。

本发明的技术方案是：本发明的煤矿采空区煤自燃监测预警系统，其结构特点是：包括分布式感温光缆、多参数监测装置、井下环网交换机、监测中心交换机、监测主机和输气管；

上述的分布式感温光缆、多参数监测装置、井下环网交换机和输气管设置在矿井下；监测中心交换机和监测主机设置在煤矿地面的监控中心；

上述的多参数监测装置设有光缆接口、采样气体进气口、采样气体出气口、通信端和无线通信端；分布式感温光缆与多参数监测装置的光缆接口信号电连接；用于输送采样气体的输气管与多参数监测装置的采样气体进气口和采样气体出气口相连接；多参数监测装置的通信端与井下环网交换机双向信号电连接；井下环网交换机与监测中心交换机双向信号电连接；监测中心交换机与监测主机双向信号电连接；使用时，多参数监测装置的无线通信端与配套的无线遥控设备无线通信。

进一步的方案是：上述的多参数监测装置包括分布式光纤测温主机、控制器、阻火器、电磁阀、转接接头、抽气泵和气体分析仪；

分布式光纤测温主机设有第一通信端、第二通信端和光缆接口；控制器设有通信端、气体分析信号输入端、第一控制输出端、第二控制输出端和无线通信端；电磁阀和抽气泵分别设有控制信号输入端；气体分析仪设有信号输出端；阻火器、电磁阀、转接接头、抽气泵和气体分析仪分别设有进气口和出气口；阻火器设置2个以上；电磁阀设置的数量比阻火器的数量少1个；

分布式光纤测温主机的第一通信端即为上述的多参数监测装置的通信端；分布式光纤测温主机的光缆接口即为上述的多参数监测装置的光缆接口；控制器的无线通信端即为上述的多参数监测装置的无线通信端；控制器的通信端与分布式光纤测温主机的第二通信端双向信号电连接；控制器的气体分析信号输入端与气体分析仪的信号输出端信号电连接；电磁阀的控制信号输入端与控制器的第一控制输出端信号电连接；抽气泵的控制信号输入端与控制器的第二控制输出端信号电连接；

电磁阀的进气口通过输气管与相应的阻火器的出气口相连接；电磁阀的出气口通过输气管与转接接头的进气口相连接；转接接头的出气口通过输气管与气体分析仪的进气口相连接；抽气泵的进气口通过输气管与气体分析仪的出气口相连接；抽气泵的出气口通过输气管与相应的阻火器的进气口相连接。

进一步的方案是：上述的转接接头为1分8转接头；阻火器设有9个；该9个阻火器中的8个阻火器的进气口共同构成上述的多参数监测装置的采样气体进气口；该9个阻火器中的第9个阻火器的出气口构成上述的多参数监测装置的采样气体出气口；电磁阀设有8个；该8个电磁阀的进气口通过输气管与8个阻火器的出气口分别一一对应连接；该8个电磁阀的出气口通过输气管与转接接头的8个进气口分别一一对应连接；抽气泵的出气口通过输气管与第9个阻火器的进气口相连接。

进一步的方案是：上述的控制器包括CPU处理模块、RS232通信模块、RS485通信模块、无线通信模块、第一开出量控制模块和第二开出量控制模块；

上述的CPU处理模块设有第一通信端、第二通信端、信号输入端、第一信号输出端和第二信号输出端；RS232通信模块设有对内通信端和对外通信端；RS485通信模块设有信号输入端和信号输出端；无线通信模块设有无线通信端和对内通信端；第一开出量控制模块和第二开出量控制模块分别设有信号输入端和信号输出端；

RS232通信模块的对外通信端即为上述的控制器的通信端；RS485通信模块的信号输入端即为上述的控制器的气体分析信号输入端；第一开出量控制模块的信号输出端即为上述的控制器的第一控制输出端；第二开出量控制模块的信号输出端即为上述的控制器的第二控制输出端；无线通信模块的无线通信端即为上述的控制器的无线通信端；CPU处理模块的第一通信端与RS232通信模块的对内通信端双向信号电连接；CPU处理模块的信号输入端与RS485通信模块的信号输出端信号电连接；CPU处理模块的第二通信端与无线通信模块的对内通信端双向信号电连接；第一开出量控制模块的信号输入端与CPU处理模块的第一信号输出端信号电连接；第二开出量控制模块的信号输入端与CPU处理模块的第二信号输出端信号电连接。

进一步的方案是：上述的气体分析仪主要由壳体、进气嘴、出气嘴、一氧化碳浓度传感器、二氧化碳浓度传感器、甲烷浓度传感器、氧气浓度传感器和气体压力传感器；

壳体为不锈钢材质的中空一体件；壳体的中空部位构成通气室；进气嘴和出气嘴分别密封固定安装在壳体的左右两端；一氧化碳浓度传感器、二氧化碳浓度传感器、甲烷浓度传感器、氧气浓度传感器和气体压力传感器分别密封固定安装在壳体的上端面上，且各传感器的探头均设置在壳体的通气室内；一氧化碳浓度传感器、二氧化碳浓度传感器、甲烷浓度传感器、氧气浓度传感器和气体压力传感器均分别具有信号输出端；各传感器的信号输出端共同构成上述的气体分析仪的信号输出端。

进一步的方案是：上述的分布式光纤测温主机的光缆接口设有8个；分布式感温光缆设有8路；该8路分布式感温光缆与分布式光纤测温主机的8个光缆接口分别一一对应信号电连接。

进一步的方案还有：上述的分布式感温光缆为分布式铠装抗拉抗压型光纤。

本发明具有积极的效果：（1）本发明的煤矿采空区煤自燃监测预警系统，采用分布式感温光缆测温技术，有效解决了煤矿采空区大范围温度监测问题，部署成本低、布设施工方便且误报率和漏报率低，监测预警稳定性和可靠性好。（2）本发明的煤矿采空区煤自燃监测预警系统，通过动力装置将采空区气体采集到设置在井下的多参数监测装置就地进行气体监测分析，并将分析结果以电信号的形式通过信息传输通道直接传送给地面监控中心，从而可大幅度减小束管管路长度，有效克服现有技术中因采样气体传输管道过长而造成的监测数据时滞性以及长距离的管路容易漏气和损坏等问题，实现采空区气体的实时在线监测，从而大幅度地提高气体监测的实时性和预警的及时性、稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中的多参数监测装置的结构示意图，图中还显示了其与感温光缆的连接关系。

图3为图2中的控制器的结构框图；

图4为图2中的气体分析仪的结构示意图；

图5为图4的A-A向剖视图。

上述附图中的附图标记如下：

分布式感温光缆1，

多参数监测装置2，测温主机21，控制器22，阻火器23，电磁阀24，转接接头25，抽气泵27，气体分析仪28，壳体28-1，进气嘴28-2，出气嘴28-3，一氧化碳浓度传感器28-4，二氧化碳浓度传感器28-5，甲烷浓度传感器28-6，氧气浓度传感器28-7，气体压力传感器28-8，

井下环网交换机3，

监测中心交换机4，

监测主机5，

输气管6。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

（实施例1）

见图1，本实施例的煤矿采空区煤自燃监测预警系统，主要由分布式感温光缆1、多参数监测装置2、井下环网交换机3、监测中心交换机4、监测主机5和输气管6组成。

分布式感温光缆1、多参数监测装置2、井下环网交换机3和输气管6设置在矿井下；监测中心交换机4和监测主机5设置在煤矿地面的监控中心。

多参数监测装置2设有光缆接口、采样气体进气口、采样气体出气口、通信端和无线通信端；分布式感温光缆1与多参数监测装置2的光缆接口信号电连接；用于输送采样气体的输气管6与多参数监测装置2的采样气体进气口和采样气体出气口相连接；多参数监测装置2的通信端与井下环网交换机3双向信号电连接；井下环网交换机3与监测中心交换机4双向信号电连接；监测中心交换机4与监测主机5双向信号电连接；多参数监测装置2的无线通信端使用时与配套的无线遥控设备无线通信。

分布式感温光缆1本实施例中优选采用分布式铠装抗拉抗压型光纤。分布式感温光缆1本实施例中设有8路，且分布式感温光缆1的路数还可根据需要进行扩展。分布式感温光缆1在矿井下采空区分布式设置。分布式感温光缆1用于对采空区选定的区域的温度进行监测。

见图2，多参数监测装置2主要由分布式光纤测温主机21、控制器22、阻火器23、电磁阀24、转接接头25、抽气泵27和气体分析仪28组成。

分布式光纤测温主机21设有第一通信端、第二通信端和光缆接口；控制器22设有通信端、气体分析信号输入端、第一控制输出端、第二控制输出端和无线通信端；电磁阀24和抽气泵27分别设有控制信号输入端；气体分析仪28设有信号输出端；阻火器23、电磁阀24、转接接头25、抽气泵27和气体分析仪28分别设有进气口和出气口。

分布式光纤测温主机21的第一通信端即为前述的多参数监测装置2的通信端；分布式光纤测温主机21的光缆接口即为前述的多参数监测装置2的光缆接口；控制器22的无线通信端即为前述的多参数监测装置2的无线通信端；控制器22的通信端与分布式光纤测温主机21的第二通信端双向信号电连接；控制器22的气体分析信号输入端与气体分析仪28的信号输出端信号电连接；电磁阀24的控制信号输入端与控制器22的第一控制输出端信号电连接；抽气泵27的控制信号输入端与控制器22的第二控制输出端信号电连接。

电磁阀24本实施例中优选采用亚德克公司生产的2V025-08型号的电磁阀；转接接头25本实施例中采用1分8转接头。

阻火器23本实施例中采用9个；该9个阻火器23中的8个阻火器23的进气口共同构成前述的多参数监测装置2的采样气体进气口；该9个阻火器23中的第9个阻火器23的出气口构成前述的多参数监测装置2的采样气体出气口；电磁阀24本实施例中采用8个；该8个电磁阀24的进气口通过输气管6与8个阻火器23的出气口分别一一对应连接；该8个电磁阀24的出气口通过输气管6与转接接头25的进气口相连接；转接接头25的出气口通过输气管6与气体分析仪28的进气口相连接；抽气泵27的进气口通过输气管6与气体分析仪28的出气口相连接；抽气泵27的出气口通过输气管6与第9个阻火器23的进气口相连接。

见图3，控制器22主要由CPU处理模块、RS232通信模块、RS485通信模块、无线通信模块、第一开出量控制模块和第二开出量控制模块组成。

CPU处理模块设有第一通信端、第二通信端、信号输入端、第一信号输出端和第二信号输出端；RS232通信模块设有对内通信端和对外通信端；RS485通信模块设有信号输入端和信号输出端；无线通信模块设有无线通信端和对内通信端；第一开出量控制模块和第二开出量控制模块分别设有信号输入端和信号输出端。

RS232通信模块的对外通信端即为前述的控制器22的通信端；RS485通信模块的信号输入端即为前述的控制器22的气体分析信号输入端；第一开出量控制模块的信号输出端即为前述的控制器22的第一控制输出端；第二开出量控制模块的信号输出端即为前述的控制器22的第二控制输出端；无线通信模块的无线通信端即为前述的控制器22的无线通信端。

CPU处理模块的第一通信端与RS232通信模块的对内通信端双向信号电连接；CPU处理模块的信号输入端与RS485通信模块的信号输出端信号电连接；CPU处理模块的第二通信端与无线通信模块的对内通信端双向信号电连接；第一开出量控制模块的信号输入端与CPU处理模块的第一信号输出端信号电连接；第二开出量控制模块的信号输入端与CPU处理模块的第二信号输出端信号电连接。

本实施例中，CPU处理模块的第一信号输出端共输出8路开出量控制信号，通过第一开出量控制模块分别对应控制8个电磁阀24。第一开出量控制模块和第二开出量控制模块本实施例中均优选采用继电器控制电路。

见图4和图5，气体分析仪28主要由壳体28-1、进气嘴28-2、出气嘴28-3、一氧化碳浓度传感器28-4、二氧化碳浓度传感器28-5、甲烷浓度传感器28-6、氧气浓度传感器28-7和气体压力传感器28-8组成。

壳体28-1为不锈钢材质的中空一体件；壳体28-1的中空部位构成通气室；进气嘴28-2和出气嘴28-3分别密封固定安装在壳体28-1的左右两端；一氧化碳浓度传感器28-4、二氧化碳浓度传感器28-5、甲烷浓度传感器28-6、氧气浓度传感器28-7和气体压力传感器28-8分别密封固定安装在壳体28-1的上端面上，且各传感器的探头均设置在壳体28-1的通气室内。一氧化碳浓度传感器28-4、二氧化碳浓度传感器28-5、甲烷浓度传感器28-6、氧气浓度传感器28-7和气体压力传感器28-8均分别具有信号输出端；各传感器的信号输出端共同构成气体分析仪28的信号输出端。

本实施例的煤矿采空区煤自燃监测预警系统的工作过程简述如下：

8路气体采样管路和8路感温光缆1可对煤矿采空区的8个选定区域的温度和气体进行实时监测，感温光缆1将温度监测信号传输给分布式光纤测温主机21进行处理；并由分布式光纤测温主机21将监测的区域温度信号经由井下环网交换机3和监测中心交换机4为主构成的信号传输通道传输给监测主机5；同时，控制器22控制抽气泵27工作，通过相应对8路电磁阀的控制可选择地对8路采样气体选择性输入，输入的采样气体的流量信号传输给控制器22，输入的采样气体送入气体分析仪对采样气体的一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氧气浓度的浓度以及采样气体的压力进行检测并由控制器22将检测结果信号经信号传输通道传输给监测主机5；监测主机5按照内置的监测预警软件系统对所接收的实时监测的温度和气体信号进行分析处理，当超过设定的阈值时，监测主机5发出报警信号，使得监控工作人员可根据报警信息及时做出相应的应对处置。

综上所述，本实施例的煤矿采空区煤自燃监测预警系统，采用分布式感温光缆测温技术，有效解决了煤矿采空区大范围温度监测问题，部署成本低、布设施工方便且误报率和漏报率低，监测预警稳定性和可靠性好；通过动力装置将采空区气体采集到设置在井下的多参数监测装置就地进行气体监测分析，并将分析结果以电信号的形式通过信息传输通道直接传送给地面监控中心，从而可大幅度减小束管管路长度，有效克服现有技术中因采样气体传输管道过长而造成的监测数据时滞性以及长距离的管路容易漏气和损坏等问题，实现采空区气体的实时在线监测，从而大幅度地提高气体监测的实时性和预警的及时性、稳定性和可靠性。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种煤矿采空区煤自燃监测预警系统，其特征在于：包括分布式感温光缆（1）、多参数监测装置（2）、井下环网交换机（3）、监测中心交换机（4）、监测主机（5）和输气管（6）；

所述的分布式感温光缆（1）、多参数监测装置（2）、井下环网交换机（3）和输气管（6）设置在矿井下；监测中心交换机（4）和监测主机（5）设置在煤矿地面的监控中心；

所述的多参数监测装置（2）设有光缆接口、采样气体进气口、采样气体出气口、有线通信端和无线通信端；分布式感温光缆（1）与多参数监测装置（2）的光缆接口信号电连接；用于输送采样气体的输气管（6）与多参数监测装置（2）的采样气体进气口和采样气体出气口相连接；多参数监测装置（2）的有线通信端与井下环网交换机（3）双向信号电连接；井下环网交换机（3）与监测中心交换机（4）双向信号电连接；监测中心交换机（4）与监测主机（5）双向信号电连接；使用时，多参数监测装置（2）的无线通信端与配套的无线遥控设备无线通信所述的多参数监测装置（2）包括分布式光纤测温主机（21）、控制器（22）、阻火器（23）、电磁阀（24）、转接接头（25）、抽气泵（27）和气体分析仪（28）；

分布式光纤测温主机（21）设有第一通信端、第二通信端和光缆接口；控制器（22）设有有线通信端、气体分析信号输入端、第一控制输出端、第二控制输出端和无线通信端；电磁阀（24）和抽气泵（27）分别设有控制信号输入端；气体分析仪（28）设有信号输出端；阻火器（23）、电磁阀（24）、转接接头（25）、抽气泵（27）和气体分析仪（28）分别设有进气口和出气口；阻火器（23）设置2个以上；电磁阀（24）设置的数量比阻火器（23）的数量少1个；

分布式光纤测温主机（21）的第一通信端即为所述的多参数监测装置（2）的有线通信端；分布式光纤测温主机（21）的光缆接口即为所述的多参数监测装置（2）的光缆接口；控制器（22）的无线通信端即为所述的多参数监测装置（2）的无线通信端；控制器（22）的有线通信端与分布式光纤测温主机（21）的第二通信端双向信号电连接；控制器（22）的气体分析信号输入端与气体分析仪（28）的信号输出端信号电连接；电磁阀（24）的控制信号输入端与控制器（22）的第一控制输出端信号电连接；抽气泵（27）的控制信号输入端与控制器（22）的第二控制输出端信号电连接；

电磁阀（24）的进气口通过输气管（6）与相应的阻火器（23）的出气口相连接；电磁阀（24）的出气口通过输气管（6）与转接接头（25）的进气口相连接；转接接头（25）的出气口通过输气管（6）与气体分析仪（28）的进气口相连接；抽气泵（27）的进气口通过输气管（6）与气体分析仪（28）的出气口相连接；抽气泵（27）的出气口通过输气管（6）与相应的阻火器（23）的进气口相连接。

2.根据权利要求1所述的煤矿采空区煤自燃监测预警系统，其特征在于：所述的转接接头（25）为1分8转接头；阻火器（23）设有9个；该9个阻火器（23）中的8个阻火器（23）的进气口共同构成所述的多参数监测装置（2）的采样气体进气口；该9个阻火器（23）中的第9个阻火器（23）的出气口构成所述的多参数监测装置（2）的采样气体出气口；电磁阀（24）设有8个；该8个电磁阀（24）的进气口通过输气管（6）与8个阻火器（23）的出气口分别一一对应连接；该8个电磁阀（24）的出气口通过输气管（6）与转接接头（25）的8个进气口分别一一对应连接；抽气泵（27）的出气口通过输气管（6）与第9个阻火器（23）的进气口相连接。

3.根据权利要求1所述的煤矿采空区煤自燃监测预警系统，其特征在于：所述的控制器（22）包括CPU处理模块、RS232通信模块、RS485通信模块、无线通信模块、第一开出量控制模块和第二开出量控制模块；

所述的CPU处理模块设有第一通信端、第二通信端、信号输入端、第一信号输出端和第二信号输出端；RS232通信模块设有对内通信端和对外通信端；RS485通信模块设有信号输入端和信号输出端；无线通信模块设有无线通信端和对内通信端；第一开出量控制模块和第二开出量控制模块分别设有信号输入端和信号输出端；

RS232通信模块的对外通信端即为所述的控制器（22）的有线通信端；RS485通信模块的信号输入端即为所述的控制器（22）的气体分析信号输入端；第一开出量控制模块的信号输出端即为所述的控制器（22）的第一控制输出端；第二开出量控制模块的信号输出端即为所述的控制器（22）的第二控制输出端；无线通信模块的无线通信端即为所述的控制器（22）的无线通信端；CPU处理模块的第一通信端与RS232通信模块的对内通信端双向信号电连接；CPU处理模块的信号输入端与RS485通信模块的信号输出端信号电连接；CPU处理模块的第二通信端与无线通信模块的对内通信端双向信号电连接；第一开出量控制模块的信号输入端与CPU处理模块的第一信号输出端信号电连接；第二开出量控制模块的信号输入端与CPU处理模块的第二信号输出端信号电连接。

4.根据权利要求1所述的煤矿采空区煤自燃监测预警系统，其特征在于：所述的气体分析仪（28）包括壳体（28-1）、进气嘴（28-2）、出气嘴（28-3）、一氧化碳浓度传感器（28-4）、二氧化碳浓度传感器（28-5）、甲烷浓度传感器（28-6）、氧气浓度传感器（28-7）和气体压力传感器（28-8）；

壳体（28-1）为不锈钢材质的中空一体件；壳体（28-1）的中空部位构成通气室；进气嘴（28-2）和出气嘴（28-3）分别密封固定安装在壳体（28-1）的左右两端；一氧化碳浓度传感器（28-4）、二氧化碳浓度传感器（28-5）、甲烷浓度传感器（28-6）、氧气浓度传感器（28-7）和气体压力传感器（28-8）分别密封固定安装在壳体（28-1）的上端面上，且各传感器的探头均设置在壳体（28-1）的通气室内；一氧化碳浓度传感器（28-4）、二氧化碳浓度传感器（28-5）、甲烷浓度传感器（28-6）、氧气浓度传感器（28-7）和气体压力传感器（28-8）均分别具有信号输出端；各传感器的信号输出端共同构成所述的气体分析仪（28）的信号输出端。

5.根据权利要求1所述的煤矿采空区煤自燃监测预警系统，其特征在于：所述的分布式光纤测温主机（21）的光缆接口设有8个；分布式感温光缆（1）设有8路；该8路分布式感温光缆（1）与分布式光纤测温主机（21）的8个光缆接口分别一一对应信号电连接。

6.根据权利要求1所述的煤矿采空区煤自燃监测预警系统，其特征在于：所述的分布式感温光缆（1）为分布式铠装抗拉抗压型光纤。