CN112065505A - 一种采空区煤自燃无线自组网监测系统及危险动态判识预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采空区煤自燃无线自组网监测系统及危险动态判识预警方法，属于煤矿安全监测技术领域。监测系统由设在采空区的无线传感器节点、数据监测分站及电源、光纤传输线路、环网、交换机、地面监测终端组成；各传感器节点将监测数据定期通过基于LoRa技术的无线自组网络传输至数据监测分站，分站通过光纤传输线路连接至交换机，经由交换机连入井下环网，再经交换机将数据传输至地面光纤传输线路，接入地面监测终端。通过设置温度和煤自燃指标浓度的临界值和实时监测其变化率，对采空区内的温度和煤自燃指标气体浓度进行动态监测和综合预警，揭示采空区横向“三带”分布规律及特征，对采空区火灾危险区域进行精准定位和火情早期预警。

Description

一种采空区煤自燃无线自组网监测系统及危险动态判识预警 方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全监测技术领域，尤其涉及一种采空区煤自燃无线自组网监测系统及危险动态判识预警方法。

背景技术

我国煤矿火灾非常严重，有数百对矿井有自然发火危险，对煤矿安全和高效生产形成严重威胁。火灾会产生大量有毒有害气体、造成人员窒息或死亡、火风压导致风流变化或逆转、烧毁设备和资源、封闭火区等。采空区火灾，为隐蔽火灾，而且是动态发展的，难以定位火源位置及观测其发展过程，火灾发生后必须采取灭火等措施，严重影响工作面回采，甚至采空区火灾还可能引发瓦斯煤尘爆炸灾难。目前采空区自燃发火监测与火灾探测主要采用束管取样及地表色谱检测技术、分布式光纤测温技术。

束管监测通过预埋于采空区内的管路，抽取分析采空区标志性气体，来监测氧化带煤体自燃情况；但束管监测系统布置管路繁琐，并且存在抽气范围有限、束管难以保护、取样路线长、分析时间长、周期长等问题；另外，束管只能监测采空区一个点，存在大范围的监测盲区，当采空区自燃风险发展到一定程度、产生大量CO等气体情况下，会存在对初期火灾演化过程不太敏感、判定自燃发火危险不及时、自燃发火点定位不准确、等缺点。分布式光纤测温，一般需要在回采工作面进、回风两巷布设铠装测温光纤，利用光纤本身感知测量和传输的特性实现对沿线各个点的温度在线监测；但是其布置方式较为复杂，自身易损易断，即使铠装，也容易被采空区受冒落的大块矸石砸断，难以进行保护。以上这两种方法均采用两巷布置测点，两巷之间的采空区为监测盲区，监测范围受限，难以对整个采空区范围形成有效的实时监测。

“十一五”期间一些科研院校和企业先后开发了基于ZigBee的无线自组网测温技术及系统，但该技术存在无线透射传播能力偏弱(小于2m)的问题，且需要安装的传感器非常多，成本太高，稳定性差，不利于在现场推广及应用。

以往火灾危险判识预警方法大都采用临界值法来对火灾危险情况进行判定，判定条件较为单一，容易出现误判，且不能对火灾发展情况实现动态监测，不能预估火灾实时发展趋势，故不能做出及时有效的应对措施，可能会影响火情预警及火灾救援工作。

随着我国煤矿生产机械化、自动化、信息化程度的不断提高，特别是煤矿生产逐步走向集约化，煤矿生产规模的扩大，对煤矿安全生产的要求越来越高。如何能高效、快捷、灵活地监测采空区火灾危险，便于揭示采空区火灾演化过程中的温度场、渗流场(CO、O₂、CH₄、CO₂、其他煤自燃指标气体)等多场耦合响应及致灾机理，仍然是煤矿安全领域急需解决的关键科学技术难题。

发明内容

发明目的：针对目前煤矿采空区火灾风险监测存在的问题及实际需求，本发明提出一种采空区煤自燃无线自组网监测系统及危险动态判识预警方法，能够高效、快捷、灵活、远距离实时监测采空区内各点的实时数据，对采空区散热带、自燃带、窒息带的分布状态和演变过程实现定量精确监测。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种采空区煤自燃无线自组网监测系统，包括设在采空区的若干个无线传感器节点、数据监测分站及电源、光纤传输线路、环网、交换机、地面监测终端；其中无线传感器节点将实时监测数据通过LoRa无线网络传输至数据监测分站，监测分站通过矿井光纤传输线路连接至交换机，经由交换机连入井下环网，再经交换机将数据传输至地面光纤传输线路，接入地面监测终端；

在采空区布置至少2条测带，测带在采空区均匀布置，每条测带布置两列无线传感器节点，两列无线传感器节点交叉布置，布置的无线传感器节点形成传输网络；所述的无线传感器节点，传输本节点的监测数据至其他节点，也作为中继节点，将采空区监测区域内最深处的节点数据以通讯接力的形式传输至数据监测分站；每条测带安设一个数据监测分站，分站设置在回采工作面前壁液压支架处，随回采工作面推采而前移，外接电源供电，分站与电源、分站与分站、以及分站与环网之间采用有线连接。

优选的，所述的无线传感器节点采用复合型传感器，同时测量温度和煤自燃指标气体。所述的无线传感器节点使用内部电池供电，随着回采工作面的移动动态加入新的无线传感器节点，其布置方式与预先布置方式相同。

本发明还提供了一种基于所述的监测系统实现的采空区煤自燃危险动态判识预警方法，包括以下步骤：

步骤一：实时获取所监测采空区的温度和煤自燃指标气体浓度的监测数据；

步骤二：设置3个温度临界值，分别为T1、T2、T3；当监测温度T<T1时，判定火灾危险程度为安全；当T≥T1且T<T2时，判定火灾危险程度为轻度危险；当T≥T2且T<T3时，判定火灾危险程度为重度危险；

步骤三：设置3个煤自燃指标气体浓度临界值，分别为C1、C2、C3；当煤自燃指标气体浓度C<C1时，判定火灾危险程度为安全；当C≥C1且C<C2时，判定火灾危险程度为轻度危险；当C≥C2且C<C3时，判定火灾危险程度为重度危险；

步骤四：当使用温度临界值和煤自燃指标气体浓度临界值判定火灾危险情况出现不同的结果时，判定火灾危险程度为两种结果中相对高的等级。

进一步的，对温度和煤自燃指标气体浓度进行动态监测预警，即实时监测温度变化率和煤自燃指标气体浓度变化率，作为判定火灾危险程度的参考值，综合判定煤自燃火灾危险程度；设置时间周期为t，在周期t内温度的变化量为ΔT，周期t内煤自燃指标气体浓度变化量为ΔC，温度变化率K＝ΔT/t，煤自燃指标气体浓度变化率J＝ΔC/t；

当通过温度和煤自燃指标气体浓度临界值法判定当前火灾危险程度为轻度危险或安全时，若K>K_th或J>J_th，表明当前温度或煤自燃指标气体浓度出现突变，采取相应预警措施，其中K_th为温度变化率阈值，J_th为煤自燃指标气体浓度变化率阈值。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：

(1)本发明的传感器节点使用内部电池供电，无需外接电源，且采用高刚度的塑料外壳，不惧震动，能够禁得住高处大块破坏岩块下落冲击，可通过投掷的方式布放，且随着工作面推采，能够逐步深入采空区深处，获取采空区监测数据。基于LoRa技术，每个传感器既是数据监测节点，同时又是传输节点，能够自行组网，且克服了井下无线监测传输距离短、信号不稳定的技术难题，解决了采空区矸石冒落前受限空间信号传输和电磁干扰以及采空区矸石冒落后信号多径传输和煤层吸收信号衰减的难题。

(2)本发明的监测预警方法加入动态变化率作为参考值，对临界值法做进一步的补充，能够对火情发展情况实现动态监测和综合预警，预估火情的发展趋势，从而做出更准确的判断及应对措施。

(3)本发明具有方便、快捷、监测距离大、自动化程度高、成本低、效率高等特点和优势。采用本发明所述的系统及方法，煤矿采空区温度及多场监测系统成本能够降低30％以上，可使煤矿做到精准灭火，有效减少煤矿企业灭火投入。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图；

图2是本发明的无线传感器布置示意图；

图3是本发明实施例的温度分布云图；

附图标记说明：1-无线传感器节点，2-数据监测分站，3-光纤传输线路，4-交换机，5-环网，6-地面监测终端，7-电源，8-采空区，9-回采工作面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的一种采空区煤自燃无线自组网监测系统，实施例如图1所示，包括设在采空区8的若干个无线传感器节点1、数据监测分站2及电源7、光纤传输线路3、环网5、交换机4、地面监测终端6；其中无线传感器节点1将实时监测数据通过无线网络传输至数据监测分站2，监测分站通过矿井光纤传输线路3连接至交换机4，经由交换机4连入井下环网5，再经交换机4将数据传输至地面光纤传输线路3，接入地面监测终端6；地面监测终端6对接收到的数据进行接收，显示，存储。

如图2所示，在采空区8布置3条测带，测带在采空区8均匀布置，每条测带布置两列无线传感器节点1，两列无线传感器节点1交叉布置，设置两列传感器节点之间横向距离为5～10m，每列传感器节点之间纵向距离为10～15m，布置的无线传感器节点1形成传输网络；所述的无线传感器节点1采用复合型传感器，同时监测温度和CO气体浓度(可根据实际需求，集成测量湿度、O₂、CH₄、CO₂或其他煤自燃指标气体)，通过LoRa无线网络传输本节点的监测数据至其他节点，也作为中继节点，将采空区8监测区域内最深处的节点数据以通讯接力的形式传输至数据监测分站2；每条测带安设一个数据监测分站2，分站设置在回采工作面9前壁液压支架处，随回采工作面9推采而前移，外接电源7供电，分站与电源7、分站与分站、以及分站与环网5之间采用有线连接。

所述的无线传感器节点1使用内部电池供电，工作时间不低于6个月，随着回采工作面9的移动动态加入新的无线传感器节点1，其布置方式与预先布置方式相同。预先布置的节点完成任务后，随能量耗尽而停止工作，或者因监测需求动态退出监测网络。

本发明还提供了一种基于所述的监测系统实现的采空区煤自燃危险动态判识预警方法，包括以下步骤：

步骤一：实时获取所监测采空区8的温度和CO气体浓度的监测数据。

步骤二：煤自燃过程分为3个阶段，依次为潜伏期、自热期、燃烧期，潜伏期温度低于30℃，而燃烧期则已经发生火情，自热期的温度范围是30～230℃，煤自燃风险监测预警工作集中在自热期，设置3个温度临界值，分别为30℃、70℃、230℃；当监测温度T<30℃时，判定火灾危险程度为安全；当T≥30℃且T<70℃时，判定火灾危险程度为轻度危险；当T≥70℃且T<230℃时，判定火灾危险程度为重度危险；视煤种不同或实验室煤自燃测试结果的差异性，3个温度临界值可适当调整。

步骤三：设置3个CO气体浓度临界值，分别为20ppm、100ppm、500ppm；当CO气体浓度C<20ppm时，判定火灾危险程度为安全；当C≥20ppm且C<100ppm时，判定火灾危险程度为轻度危险；当C≥100ppm且C<500ppm时，判定火灾危险程度为重度危险；视煤种不同或实验室煤自燃测试结果的差异性，3个CO浓度临界值可适当调整。

步骤四：当使用温度临界值和CO气体浓度临界值判定火灾危险情况出现不同的结果时，判定火灾危险程度为两种结果中相对高的等级(重度危险>轻度危险>安全)。例如，当T<30℃，但C≥20ppm且C<100ppm时，用温度临界值判定火灾危险程度为安全，而CO浓度临界值判定火灾危险程度为轻度危险，两种判定方法出现不同的结果，此时判定结果为轻度危险，即选择更高的危险等级。

除了使用温度临界值和CO浓度临界值对煤自燃情况进行判断之外，加入温度变化率和CO浓度变化率作为判定参考值，综合判定煤自燃火灾危险程度。温度变化率和CO气体浓度变化率分别表示温度和CO气体浓度的实时变化趋势。设置时间周期为t，在周期t内温度的变化量为ΔT，周期t内CO气体浓度变化量为ΔC，温度变化率K＝ΔT/t，CO气体浓度变化率J＝ΔC/t；当通过温度和CO气体浓度临界值法判定当前火灾危险程度为轻度危险或安全时，若K>K_th或J>J_th，表明当前温度或CO气体浓度出现突变，采取相应预警措施，其中K_th为温度变化率阈值，J_th为CO气体浓度变化率阈值。

例如，当T≥30℃且T<70℃，C≥20ppm且C<100ppm时，使用温度临界值和CO浓度临界值两种方法进行判断，应判定为轻度危险，但是如果温度和CO气体浓度变化出现突增，即变化率超过其阈值，则说明煤的自燃情况有变化，应引起重视，采取相应的措施，而不能仅仅判定为轻度危险。将温度变化率和CO浓度变化率作为参考值，可减少使用临界值判定时出现的误差，防止对火情发展情况出现误判或延判。

图3为本实施例根据传感器节点数据绘制出的温度分布云图，直观显现出采空区8内各点温度分布情况，实现对采空区8火灾危险区域进行精准定位和火情早期预警。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种采空区煤自燃无线自组网监测系统，其特征在于：该监测系统包括设在采空区的若干个无线传感器节点、数据监测分站及电源、光纤传输线路、环网、交换机、地面监测终端；其中无线传感器节点将实时监测数据通过LoRa无线网络传输至数据监测分站，监测分站通过矿井光纤传输线路连接至交换机，经由交换机连入井下环网，再经交换机将数据传输至地面光纤传输线路，接入地面监测终端；

在采空区布置至少2条测带，测带在采空区均匀布置，每条测带布置两列无线传感器节点，两列无线传感器节点交叉布置，布置的无线传感器节点形成传输网络；所述的无线传感器节点，传输本节点的监测数据至其他节点，也作为中继节点，将采空区监测区域内最深处的节点数据以通讯接力的形式传输至数据监测分站；每条测带安设一个数据监测分站，分站设置在回采工作面前壁液压支架处，随回采工作面推采而前移，外接电源供电，分站与电源、分站与分站、以及分站与环网之间采用有线连接。

2.根据权利要求1所述的采空区煤自燃无线自组网监测系统，其特征在于：所述的无线传感器节点采用复合型传感器，同时测量温度和煤自燃指标气体。

3.根据权利要求1或2所述的采空区煤自燃无线自组网监测系统，其特征在于：所述的无线传感器节点使用内部电池供电，随着回采工作面的移动动态加入新的无线传感器节点，其布置方式与预先布置方式相同。

4.基于权利要求1所述的监测系统实现的一种采空区煤自燃危险动态判识预警方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：实时获取所监测采空区的温度和煤自燃指标气体浓度的监测数据；

步骤二：设置3个温度临界值，分别为T1、T2、T3；当监测温度T<T1时，判定火灾危险程度为安全；当T≥T1且T<T2时，判定火灾危险程度为轻度危险；当T≥T2且T<T3时，判定火灾危险程度为重度危险；

步骤三：设置3个煤自燃指标气体浓度临界值，分别为C1、C2、C3；当煤自燃指标气体浓度C<C1时，判定火灾危险程度为安全；当C≥C1且C<C2时，判定火灾危险程度为轻度危险；当C≥C2且C<C3时，判定火灾危险程度为重度危险；

步骤四：当使用温度临界值和煤自燃指标气体浓度临界值判定火灾危险情况出现不同的结果时，判定火灾危险程度为两种结果中相对高的等级。

5.根据权利要求4所述的采空区煤自燃危险动态判识预警方法，其特征在于：对温度和煤自燃指标气体浓度进行动态监测预警，即实时监测温度变化率和煤自燃指标气体浓度变化率，作为判定火灾危险程度的参考值，综合判定煤自燃火灾危险程度；具体为：

设置时间周期为t，在周期t内温度的变化量为ΔT，周期t内煤自燃指标气体浓度变化量为ΔC，温度变化率K＝ΔT/t，煤自燃指标气体浓度变化率J＝ΔC/t；

当通过温度和煤自燃指标气体浓度临界值法判定当前火灾危险程度为轻度危险或安全时，若K>K_th或J>J_th，表明当前温度或煤自燃指标气体浓度出现突变，采取相应预警措施，其中K_th为温度变化率阈值，J_th为煤自燃指标气体浓度变化率阈值。

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