CN106355818B

CN106355818B - 矿井采空区火灾监测预警装置

Info

Publication number: CN106355818B
Application number: CN201610916531.4A
Authority: CN
Inventors: 孙继平
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2021-03-30
Anticipated expiration: 2036-10-21
Also published as: CN106355818A

Abstract

本发明公开了一种矿井采空区火灾监测预警装置。矿井采空区火灾隐蔽性强，并且易引发瓦斯爆炸、粉尘爆炸的二次灾害，造成大量人员伤亡；现有采空区火灾报警系统延迟时间长，易发生错报和漏报。所述装置主要包括激光发射器、激光接收器、控制处理单元、温度监测单元、显示单元、通信接口和报警单元；所述装置可对监测区域环境中的气体浓度、温度等特征进行遥感监测，通过综合监测数据分析，发出火灾报警。所述装置可准确监测采空区火灾特征气体，大大提高了报警准确度，为煤矿安全生产提供重要保障。

Description

矿井采空区火灾监测预警装置

技术领域

本发明涉及一种矿井采空区火灾监测预警装置，该系统涉及传感器技术、激光技术、光谱分析技术、信号处理技术等领域。

背景技术

煤炭是我国主要能源，约占一次能源70％。煤炭行业是高危行业，瓦斯、火灾、顶板、煤尘等事故困扰着煤矿安全生产。煤矿矿井火灾包括采空区火灾和巷道火灾，采空区火灾因为隐蔽性强不易被发现，并且易引发瓦斯爆炸、粉尘爆炸的二次灾害，造成大量人员伤亡。因此在采空区火灾初期及时发现并能够及时扑灭具有非常重要的意义。煤矿绝大多数的采空区火灾发生在隐蔽地点，传统的仪器仪表探测技术都难以确切、迅速的找出隐蔽火源的位置和范围。目前采空区火灾的监测方法主要采用气体监测和温度监测，气体监测是通过束管系统抽取样气到地面对标志气体进行分析，由于气体抽取的路径较长，易发生漏气和堵管，而且采用这种方法的延时较长，易错过最佳的灭火和逃生时机，此外采用这种监测方法无法准确定位火源，为救灾带来不便。目前光纤分布温度监测方法也得到了应用，但光纤存在易损坏、安装较为复杂、维护困难等问题。因此需要一种新的矿井采空区火灾监测预警装置，以满足煤矿安全生产要求。

发明内容

本发明目的在于提供一种矿井采空区火灾监测预警装置，可遥感监测较长距离的采空区火灾引起的温度和标志气体CH₄、CO、CO₂、O₂、C₂H₂和C₂H₄的浓度变化，根据监测得到的异常数据进行火灾报警。所述装置主要包括激光发射器、激光接收器、控制处理单元、温度监测单元、显示单元、通信接口和报警单元；装置采用开放气室，可对采空区多种气体浓度进行遥感监测；装置具有激光测距功能；当装置所监测的采空区气体浓度数据及温度数据满足报警条件，则装置通过报警单元声光报警，并通过通信接口发送报警信息。

1.所述装置进一步包括：装置采用下述方法进行不同距离区域的气体浓度监测：装置在同一点发射不同方向的两束激光，对不同距离的反射点A和B进行测量；设测得反射点A的距离为L_A，气体平均浓度为M_A，测得反射点B的距离为L_B，气体平均浓度为M_B，则A点到B点距离区域的气体浓度可用

近似表示。

2.所述装置进一步包括：装置采用下述扫描监测方法进行扫描监测：装置的激光发射器发射不同方向的激光束进行气体浓度和距离监测，获得气体浓度、距离和发射方向组成的数据序列，经处理后得到不同距离区域的气体浓度。

3.所述装置进一步包括：装置的激光发射器采用可自动调节发射方向的激光发射器，控制处理单元以扫描监测方式控制激光发射器发射方向，进行不同方向气体浓度和距离监测。

4.所述装置进一步包括：装置的激光发射器通过激光源产生激光，一个激光源可产生用于探测多种气体的激光。

5.所述装置进一步包括：装置的激光发射器通过激光源产生激光，激光发射器包括多个激光源，每个激光源用于产生探测一种气体的激光

6.所述装置进一步包括：装置采用下述方法进行三维空间区域的气体浓度监测：装置在同一点发射不同方向的激光束对不同距离的反射点进行测量，获得发射点距各反射点的距离；以发射点为参考点，对反射点距离和激光发射方向数据进行处理，得到各反射点的坐标数据，根据所有反射点坐标数据，获得三维空间模型，将通过运算得到的不同距离区域的气体浓度与三维空间模型相对应，获得三维空间区域的气体浓度。

7.所述装置进一步包括：激光发射器的激光源采用可调谐半导体激光器；可调谐半导体激光器受控制处理单元控制，发出不同波长的激光；激光接收器接收反射回来的激光，将激光信号转换为电信号，控制处理单元处理电信号，得到相应的气体浓度。

8.所述装置进一步包括：装置的激光发射器可发出CH₄、CO、CO₂、O₂、C₂H₂和C₂H₄分子吸收峰值的不同波长的激光。

9.所述装置进一步包括：装置为防爆型设备。

10.所述装置进一步包括：装置的温度监测单元包括光纤传感器、无线温度传感器、红外热像仪、红外热电释或红外测温仪。

11.所述装置进一步包括：装置的通信接口传输气体浓度数据、温度数据、距离数据、方向数据和报警信息。

12.所述装置进一步包括：装置的通信接口包括无线通信接口。

附图说明

图1矿井采空区火灾监测预警装置实施方案1组成示意图。

图2矿井采空区火灾监测预警装置实施方案1原理示意图。

图3矿井采空区火灾监测预警装置实施方案2组成示意图。

图4矿井采空区火灾监测预警装置实施方案2原理示意图。

图5矿井采空区火灾监测预警装置实施方式2准直器排列结构示意图。

图6信号发生器原理示意图。

图7数字鉴相器原理示意图。

图8矿井采空区火灾监测预警装置工作流程图。

图9矿井采空区火灾监测预警装置三维空间区域浓度监测示意图。

具体实施方式

所述火灾监测预警装置的具体实施方式1如图1所示，组成单元包括：

1.控制处理单元(101)：负责控制激光发射器(109)发射激光；处理激光接收器(112)返回的信号获得气体浓度和反射物距离；控制通信接口(116)进行通信；控制显示屏(119)显示；接收按键(120)的操作信号并进行相应的处理。具体组成包括：

(1)核心处理器(102)，采用三星S3C2440处理器，S3C2440是基于ARM920T内核的微处理器，；S3C2440具有3个UART接口，2个SPI接口，2个USB接口，1个IIC-BUS接口；通过UART接口与数字鉴相器(204)连接通信；使用嵌入式Linux平台实现驱动控制通信。

(2)电源与时钟模块(103)，包括DC电压转换和时钟管理元件，DC电压转换均采用MAX1724系列电源芯片，为所有芯片供电；选用12MHz晶振。

(3)存储模块(104)；包括256M NAND Flash、一片4M NOR Flash、128M SDRAM、一片IIC-BUS接口的EEPROM。

(4)信号发生器(105)，负责产生用于控制激光发射器发射用于气体浓度监测的调制锯齿波控制信号，具体结构及工作原理在图5进行说明。

(5)锁相环放大器(106)，采用两个模块，分别负责提取气体吸收信号的一次、二次谐波，利用信号与噪声的互不相关性来抑制噪声，提高信噪比，可采用LIA-MV-150锁相放大器模块。

(6)模数转换器(107)，负责将锁相放大器解调出的一次、二次模拟信号转换成数字信号，采用ADS8364 16位多通道A/D转换器芯片，具有6个全差分输入通道。

(7)数字鉴相器(108)，负责处理接收到的测距信号，将接收信号与发送控制信号进行比对，获得信号间的相位差，并将相位差以数据方式通过接口传送给核心处理器。数字鉴相器具体结构及工作原理在图6进行说明。

2.激光发射器(109)，负责测距及气体监测的激光信号的发射，具体组成包括：

(1)激光源(110)，采用可调谐半导体激光器，可发出多种波长的激光，用于测量不同气体浓度，可采用IBSG-TO5TEC系列可调谐半导体激光器，该可调谐半导体激光器集成TEC电流温度控制半导体元件，用于温度调节，稳定激光波长及功率。

(2)云台(111)，用于控制激光源(110)的发射方向和激光接收器的接收方向，由核心处理器SPI通信端口外接MAX485芯片通过云台控制协议控制云台运动，云台采用摄像机用标准监控云台，可在水平和垂直方向进行转动。

3.激光接收器(112)，负责接收激光信号，将激光信号转换为电信号，具体组成包括：

(1)接收透镜(113)，负责将反射回来的激光聚集至光电探测器。

(2)暗室(114)，采用密闭筒型结构，内壁涂吸光材料。

(3)光电探测器(115)，负责将接收到的激光信号转换为电信号，包括光接收元件和放大电路；光接收元件采用InGaAs PIN光电二极管，放大电路主要元件采用AD603,并联两个电压跟随器分别连接锁相环放大器(106)和数字鉴相器(108)。

4.通信接口(116)，用于监测数据传输，包括有线通信接口(117)和无线通信接口(118)。

(1)有线通信接口(117),包括网络接口和现场接口，主要芯片采用DM9000，DM9000是完全集成的单芯片以太网MAC控制器，上层的网络协议由核心处理器的内置Linux驱动支持。DM9000支持10/100M自适应，支持3.3V与5V的电源电压。DM9000通过网络隔离变压器接口芯片YL18-1080S连接RJ45网络接口，实现对网络的物理连接进行通信；现场接口采用RS485模块，与核心处理器(102)通过UART接口连接。

(2)无线通信接口(118),采用标准USB接口的Wifi无线网卡，在系统、USB口驱动及Wifi无线网卡驱动程序支持下实现网络通信服务。

5.显示屏(119)，负责监测数据显示，数据可通过文字或图表形式显示，三维空间气体浓度数据通过透视模型图方式显示，不同颜色代表不同气体浓度。显示屏采用3.5寸彩色LCD屏，分辨率480x800，由Linux自带显示驱动程序驱动。

6.按键(120)，用于人机交互，包括装置开关键、监测启动键、功能设定操作键。

7.温度监测装置(121)：可采用光纤传感器、无线温度传感器、红外热像仪、红外热电视或红外测温仪中的任意一种设备。光纤传感器可采用美国DTS系列分布式光纤传感器；无线温度传感器可采用无线传感器网络设备，星型连接方式，由协调器节点模块通过UART接口核心处理器(102)；红外热像仪可采用具有智能识别功能的海康DS-2CD8313PF-E25红外热成像网络摄像机，通过RS485接口和报警信号接口连接核心处理器(102)；红外测温仪可采用非接触式红外温度仪DT8012B，通过RS485接口模块连接核心处理器(102)。

8.报警单元(122)：具有声光报警功能，通过RS485接口连接核心处理器(102)。

图2所示为所述装置实施方式1的原理示意图。

图3为所述装置实施方案2的组成示意图，图4所示为所述装置实施方式2的原理示意图。实施方式2与实施方案1的一个区别在于采用由多路数据选择器(114)控制的多个不同的可调谐半导体激光器，用于发射不同波长的激光，激光需通过合光器(115)和光路选择器和准直器发射出去；另一个区别在于实施方式2没有云台，而采用8个准直器，每个准直器指向不同的方向，8个准直器(125)连接光选路器(126)，光选路器(126)受核心处理器(101)的控制将合光器(115)发出的激光进行选路，将激光从选择的某路准直器(117)发出，从而实现多路时分复用。所涉及的元件如下：

1.多路数据选择器(123)，负责信号发生器(105)与多路可调谐半导体激光器之间的选通，可采用CD4051BC双向模拟开关，由核心处理器(102)的3个I/O口控制选通，1个I/O口控制开关；COMMON IN/OUT口与信号发生器(105)连接，4个IN/OUT口分别连接不同可调谐半导体激光器(111)。

2.激光源(110)，采用可调谐半导体激光器，可发出所监测气体某吸收峰值波长的激光，不同气体采用不同波长的可调谐半导体激光器，可采用SAF117XS系列蝶形可调谐半导体可调谐半导体激光器，该可调谐半导体激光器集成TEC电流温度控制半导体元件。

3.合光器(124)，采用光纤合波器将不同波长的激光合成一束，本装置各可调谐半导体激光器采用分时发射，所以输出端在任意时刻最多也只有一个波长的激光输出。

4.光选路器(126)可采用Vispace 1000OSS光选路设备，由核心处理器(102)通过串口控制选路连通。

5.准直器(125)，控制激光定向发射而在空间形成的一条光束，采用FC接口光纤激光准直透镜。

图5为所述装置实施方式2准直器排列结构示意图，每个准直器指向不同的方向。

图6为信号发生器原理示意图，主要包括：

1. DDS发生器(601)，负责产生测距控制正弦波信号或气体浓度监测所需的正弦调制信号，可采用AD9835直接数字式频率合成器，由核心处理器(102)通过SPI接口通信控制信号频率变化。

2. D/A转换(602)，受核心处理器处理(102)控制产生锯齿波信号，可采用D/A转换芯片DAC0832。

3.滤波电路(603)，用于信号滤波，可采用高阻抗低噪声运放LF353，输出测距控制正弦波信号或气体浓度监测所需的正弦调制信号。

4.加法器(604)，负责将锯齿波信号和调制正弦波信号合成为调制正弦波信号，用于控制可调谐半导体激光器，采用加法器芯片LM107。

5.比较器(605)，负责将载波正弦信号转换为同频同相的方波信号，可采用比较器芯片LM393。

6.倍频电路(606)，负责产生为载波正弦信号倍频的方波信号，可由锁相环芯片HEF4046和计数器芯片CD4520构成。

图7为数字鉴相器原理示意图，数字鉴相器有两路输入，一路是由信号发生器产生的与调制正弦波信号同频同相的主振信号，另一路是由激光接收单元转换而来接收电信号。数字鉴相器电路包括一个本振信号发生器(701)，本振信号发生器产生一个比主振信号频率略低的本振信号；本振信号发生器通过混频器(702)将本振信号与接收电信号进行混频,得到低频信号,此低频信号携带了调制激光在往返过程中产生的相位差；数字鉴相器通过另一个混频器将主振信号与本振信号进行混频,得到另一个混频信号，将两路混频器输出的混频信号送入测相器(703)进行相位差测量，得到相位差数据。数字鉴相器组成主要包括：

1.本振信号发生器(701)，输出频率9.99MHz，可采用压控晶体振荡器CVCSO-914-0010。

2.混频器(702)，可采用模拟乘法器芯片MC1496。

3.测相器(703)，可采用高精度时间测量芯片TDC一GP1。

所述装置工作流程如图8所示：

1.(801)，核心处理器(102)定时启动一次监测扫描过程。

2.(802)，首先进行激光测距，核心处理器(102)控制信号发生器(105)产生10M正弦波信号。

3.(803)，正弦波信号驱动激光源(110)发出用于探测距离的激光。实施方案1正弦波信号直接驱动可调谐半导体激光器；实施方案2正弦波信号需经过多路数据选择器(123)选择通路后，再驱动相应的可调谐半导体激光器，再经过合光器(124)、光路选路器(126)，由相应角度的准直器(125)发射出去激光。

4.(804)，测距激光遇到反射物部分激光被反射，接收透镜(113)收集反射回来的激光聚集至光电探测器(115)，光电探测器(115)将接收到的激光信号转换为电信号。

5.(805)，数字鉴相器(108)处理接收到的测距电信号，经放大、混频等处理后，获得与发送控制信号间的相位差，相位差以数据方式通过接口传送给核心处理器。

6.(806)，核心处理器(102)接收相位差数据，根据相位差获得装置与反射物之间的距离。

7.(807)，核心处理器(102)控制信号发生器发出50Hz的锯齿波信号并用50kHz的正弦信号进行调制。

8.(808)，经调制的锯齿波信号驱动(110)发出扫过某一种气体吸收峰值波长范围的激光。实施方案1正弦波信号直接驱动可调谐半导体激光器；实施方案2正弦波信号需经过多路数据选择器(123)选择相应的气体通路后，再驱动相应的可调谐半导体激光器，再经过合光器(124)、光路选路器(126)，由相应的准直器(125)发射出去激光。

9.(809)，激光穿过被测区域的空气遇到反射物部分激光被反射，接收透镜(113)收集反射回来的激光聚集至光电探测器(115)，光电探测器(115)将接收到的激光信号转换为电信号。

10.(810)，锁相环放大器(106)接收电信号，并分时接收信号发生器提供的调制信号及调制信号的倍频信号，经处理提取分时得到的一次、二次谐波信号。

11.(811)，模数转换器(107)将一次、二次谐波信号数字化。

12.(812)，核心处理器(102)接收一次、二次谐波信号的数据，处理得到所经光路上的所测气体的积分浓度。

13.(813)，判断是否监测完所有种类的气体，如未监测完执行(814)，如已监测完执行(815)。

14.(814)核心处理器控制转换监测另一种气体浓度，重复(807)至(812)的气体浓度测量过程。

15.(815)，判断是否完成所有角度扫描，如未完成执行(816)，如已完成执行(817)。

16.(816)，实施方案1：核心处理器(102)控制云台(111)带动激光源(110)和激光接收器(112)转动一个角度；实施方案2：核心处理器(102)控制多路数据选择器(121)选择可调谐半导体激光器通路，再驱动相应的可调谐半导体激光器，再经过合光器(124)、光路选路器(126)，由另一个角度的准直器(125)发射出去激光。再重复(802)至(812)测距及气体浓度监测的过程。

17.(817)，核心处理器处理(102)所有角度上获得的距离和各气体浓度，获得不同距离区域和三维空间区域的各气体浓度数据

18.(818)，核心处理器处理(102)将接收温度监测单元得到的温度数据与处理得到的三维空间区域的各气体浓度数据进行数据判定，数据异常包括特定监测区域中CO、CO₂在设定时间间隔内浓度升高值超过设定阈值，CH₄、O₂、C₂H₂、C₂H₄在设定时间间隔内浓度降低值超过设定阈值，温度数据在设定时间间隔内升高值超过设定阈值，各监测阈值根据现场环境测量设定或人为设定得到。如果数据异常则执行(819)，否则执行(820)并返回(801)。

19.(819)，核心处理器处理(102)通过RS485接口控制报警单元(122)发出声光报警。

20.(820)，核心处理器处理(102)通过通信接口(116)上传数据，并通过显示屏显示数据，并返回(801)。

图9为矿井采空区火灾监测预警装置三维空间区域浓度监测示意图。设装置发射8束激光，分别在A、B、C、D、E、F、G、H点得到反射，以装置所在位置为坐标原点建立三维坐标系，已知激光投射直线OA与XOY平面的夹角为α，与YOZ平面的夹角为β，则反射点A坐标(x_A,y_A,z_A)为

同理可得其它各点的坐标，根据坐标点可建立如图9所示的三维空间模型。在扫描监测过程中通过各反射点测得的气体浓度分别为M_A、M_B、M_C、M_D、M_E、M_F、M_G、M_H，K点为所示空间模型内部的任意一点，通过K点垂直于Y轴的平面与AB、DC、EF、HG交点分别为K_AB、K_DC、K_EF、K_HG，其坐标分别为(x_AB,y_AB,z_AB)、(x_DC,y_DC,z_DC)、(x_EF,y_EF,z_EF)、(x_HG,y_HG,z_HG)，则K_AB点的气体浓度

K_DC点的气体浓度

K_EF点的气体浓度

K_HG点的气体浓度

通过K点平行于Z轴的直线与K_AB K_DC和K_EF K_HG的交点分别为K_ABCD和K_EFGH，其X轴坐标分别为x_KABCD和x_KEFGH，得到K_ABCD点的气体浓度

及K_EFGH点的气体浓度

进而得到K点的参考浓度

通过以上示例算法可得到三维空间区域内的所有点的气体浓度。

Claims

1.一种矿井采空区火灾监测预警装置，其特征在于：装置包括激光发射器、激光接收器、控制处理单元、温度监测单元、显示单元、通信接口和报警单元；装置采用开放气室，可对采空区多种气体浓度进行遥感监测；当装置所监测的采空区气体浓度数据及温度数据满足报警条件，则装置通过报警单元声光报警，并通过通信接口发送报警信息；装置探测的气体包括CH₄、CO、CO₂、O₂、C₂H₂和C₂H₄；装置采用单个激光源或多个激光源实现多种气体的浓度探测；装置具有激光测距功能，用于获得不同距离区域和三维空间区域的各气体浓度数据；

装置采用下述扫描监测方法进行扫描监测：装置的激光发射器发射不同方向的激光束进行气体浓度和距离监测，获得气体浓度、距离和发射方向组成的数据序列，经处理后得到不同距离区域的气体浓度；装置的激光发射器采用可自动调节发射方向的激光发射器，控制处理单元以扫描监测方式控制激光发射器发射方向，进行不同方向气体浓度和距离监测；

装置采用下述方法进行三维空间区域的气体浓度监测：装置在同一点发射不同方向的激光束对不同距离的反射点进行测量，获得发射点距各反射点的距离；以发射点为参考点，对反射点距离和激光发射方向数据进行处理，得到各反射点的坐标数据，根据所有反射点坐标数据，获得三维空间模型，将通过运算得到的不同距离区域的气体浓度与三维空间模型相对应，获得三维空间区域的气体浓度。

2.如权利要求1所述的预警装置，其特征在于：装置的激光发射器通过激光源产生激光，激光发射器包括多个激光源，每个激光源用于产生探测一种气体的激光。

3.如权利要求1所述的预警装置，其特征在于：激光发射器的激光源采用可调谐半导体激光器；可调谐半导体激光器受控制处理单元控制，发出不同波长的激光；激光接收器接收反射回来的激光，将激光信号转换为电信号，控制处理单元处理电信号，得到相应的气体浓度。

4.如权利要求1所述的预警装置，其特征在于：装置为防爆型设备。

5.如权利要求1所述的预警装置，其特征在于：装置的温度监测单元包括光纤传感器、无线温度传感器、红外热像仪、红外热电释或红外测温仪。

6.如权利要求1所述的预警装置，其特征在于：装置的通信接口传输气体浓度数据、温度数据、距离数据、方向数据和报警信息。

7.如权利要求1所述的预警装置，其特征在于：装置的通信接口包括无线通信接口。