礦井火災(zāi)環(huán)境信息動(dòng)態(tài)感知與應(yīng)急隔離系統(tǒng)

肖國(guó)強(qiáng)， 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(pán)水 553001；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)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(yíng)盤(pán)壕煤炭有限公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300)

0 引言

煤礦火災(zāi)易產(chǎn)生高溫和大量有毒有害氣體，引發(fā)次生災(zāi)害，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)[1]。對(duì)災(zāi)變區(qū)域環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)與隔離，可降低災(zāi)變區(qū)域的氧氣濃度，控制火災(zāi)發(fā)展，阻斷事故反應(yīng)鏈，同時(shí)，為掌握火區(qū)發(fā)展?fàn)顟B(tài)、制定滅火方案提供數(shù)據(jù)支撐。

火災(zāi)區(qū)域環(huán)境信息監(jiān)測(cè)是火災(zāi)應(yīng)急控制的基礎(chǔ)。由于火災(zāi)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(yīng)用的火災(zāi)區(qū)域監(jiān)測(cè)技術(shù)[2-4]。文獻(xiàn)[5]提出了基于氣體傳感器、可見(jiàn)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(zāi)感知方法，提高了火災(zāi)區(qū)域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。文獻(xiàn)[6]提出了基于雙目視覺(jué)的礦井火災(zāi)感知與定位方法，具有監(jiān)控范圍廣、成本低、響應(yīng)快和可視化等優(yōu)點(diǎn)。

火災(zāi)區(qū)域隔離是有效控制火災(zāi)發(fā)展和蔓延的主要方法，能夠切斷次生事故的反應(yīng)鏈，縮小火災(zāi)影響范圍，減少人員傷亡和財(cái)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(zāi)害事故鏈的要求，無(wú)法對(duì)密閉環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)[8]。文獻(xiàn)[9-10]設(shè)計(jì)了用于隔離煤礦火區(qū)的快速充氣氣囊，提高了火災(zāi)區(qū)域應(yīng)急處置能力。文獻(xiàn)[11]提出通過(guò)電控、氣控和手動(dòng)3種協(xié)同控制方法對(duì)火災(zāi)區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程快速密閉隔離，但未對(duì)具體的監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

本文在上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了礦井火災(zāi)環(huán)境信息動(dòng)態(tài)感知與應(yīng)急隔離系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)采集和報(bào)警、密閉隔離裝置遠(yuǎn)程控制等功能，可對(duì)火災(zāi)區(qū)域進(jìn)行快速密閉隔離。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

礦井火災(zāi)環(huán)境信息動(dòng)態(tài)感知與應(yīng)急隔離系統(tǒng)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 礦井火災(zāi)環(huán)境信息動(dòng)態(tài)感知與應(yīng)急隔離系統(tǒng)架構(gòu)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(gòu)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(cè)囊袋氣壓。位置傳感器用于監(jiān)測(cè)囊袋下落密閉過(guò)程，保證囊袋在整個(gè)巷道斷面中充填。

網(wǎng)絡(luò)層以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RS485有線通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過(guò)井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)搭建工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)Modbus等通信協(xié)議構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[12-14]。

應(yīng)用層通過(guò)分析整理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，定位數(shù)據(jù)異常區(qū)域并啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，發(fā)送應(yīng)急隔離控制指令。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警，引導(dǎo)井下危險(xiǎn)區(qū)域的工作人員及時(shí)撤離危險(xiǎn)區(qū)域。

1.2 系統(tǒng)流程

礦井火災(zāi)環(huán)境信息動(dòng)態(tài)感知與應(yīng)急隔離系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 礦井火災(zāi)環(huán)境信息動(dòng)態(tài)感知與應(yīng)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(yù)先判定的危險(xiǎn)區(qū)域布置監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)多參數(shù)傳感器和紅外攝像儀對(duì)多個(gè)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境信息進(jìn)行同步采集并傳輸至地面監(jiān)控平臺(tái)。監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及視頻信息對(duì)井下危險(xiǎn)區(qū)域狀況進(jìn)行研判。當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到CO體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到24×10-6時(shí)，工作區(qū)域人員撤離，測(cè)試系統(tǒng)壓力條件，通過(guò)遠(yuǎn)程控制方式控制密閉隔離裝置開(kāi)啟，控制信號(hào)通過(guò)局域網(wǎng)傳輸至井下PLC控制器，通過(guò)控制電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)囊袋充填。囊袋通過(guò)預(yù)設(shè)滑軌傳動(dòng)系統(tǒng)從存儲(chǔ)倉(cāng)擴(kuò)展至整個(gè)斷面，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急密閉隔離。

通過(guò)高精度壓力傳感器對(duì)囊袋內(nèi)部氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)PLC控制器、井下基站、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)將壓力數(shù)據(jù)傳輸至地面監(jiān)控平臺(tái)。監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)定囊袋充氣壓力的安全范圍(300～550 Pa)。當(dāng)囊袋內(nèi)部壓力低于安全范圍下限時(shí)，啟動(dòng)囊袋自動(dòng)補(bǔ)氣裝置，為囊袋補(bǔ)充氣量；當(dāng)內(nèi)部壓力達(dá)到設(shè)定范圍上限時(shí)，自動(dòng)停止充氣，以提升密閉效果。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)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(bào)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(cè)量范圍及精度見(jiàn)表1。

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

表1 傳感器測(cè)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(shí)得到多種氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，解決了災(zāi)區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)單一的問(wèn)題。同時(shí)，選用電化學(xué)氣體傳感器和紅外氣體傳感器，其響應(yīng)速度快、靈敏度高。

礦用多參數(shù)傳感器底部設(shè)有離子式煙霧傳感器，可感知火災(zāi)區(qū)域環(huán)境煙霧；外部設(shè)有濾水片，可降低空氣濕度對(duì)各傳感器檢測(cè)精度的影響；外部還設(shè)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(yù)留了標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU協(xié)議的RS485通信接口，可通過(guò)紅外遙控模塊實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。

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(dǎo)向軌及控制部分組成。囊袋選用強(qiáng)度高、質(zhì)量小、氣密性佳、彈性好的復(fù)合纖維材料，內(nèi)部平行分布有彈性和強(qiáng)度較大的塑性纖維柔性骨架結(jié)構(gòu)。同時(shí)，囊袋外部設(shè)有充氣口、充填口、泄壓口及壓力監(jiān)測(cè)口。通過(guò)PLC控制器打開(kāi)囊袋啟動(dòng)結(jié)構(gòu)，使囊袋沿軌道快速下降，打開(kāi)電磁閥，啟動(dòng)充氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氣體充填，如圖4所示。

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

3 試驗(yàn)分析

在山東兗礦集團(tuán)鮑店煤礦5312輔助運(yùn)輸巷道聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)門(mén)前15 m處及人員定位基站處對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。5312輔助運(yùn)輸巷道聯(lián)絡(luò)巷為寬5 m、全高4 m的矩形煤巷，如圖5所示。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，將密閉隔離裝置安裝在5312輔助運(yùn)輸巷道聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)門(mén)前15 m處巷道頂部，當(dāng)災(zāi)變發(fā)生時(shí)可阻擋風(fēng)流前進(jìn)。將PLC控制器、電磁閥、壓力傳感器與井下壓風(fēng)管路連接，通過(guò)PLC控制器控制電磁閥啟停，通過(guò)壓力傳感器對(duì)囊袋內(nèi)部壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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(cè)基站及傳感器供電。

圖5 試驗(yàn)地點(diǎn)Fig.5 Test location

在地面控制平臺(tái)向密閉隔離裝置發(fā)送控制信號(hào)，測(cè)試PLC控制器能否正常啟動(dòng)電磁閥。同時(shí)，通過(guò)壓力傳感器記錄囊袋充氣過(guò)程中壓力傳感器數(shù)值變化，并實(shí)時(shí)觀察囊袋狀況，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)壓力值550 Pa后，停止充氣。采用傾斜式壓差計(jì)測(cè)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(fēng)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(fēng)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(kāi)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(chǎng)使用要求。密閉囊袋兩側(cè)壓差保持相對(duì)穩(wěn)定，漏風(fēng)率在5%以?xún)?nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了礦井火災(zāi)環(huán)境信息動(dòng)態(tài)感知與應(yīng)急隔離系統(tǒng)，通過(guò)多參數(shù)傳感器采集井下溫度、濕度及氣體含量信息，通過(guò)遠(yuǎn)程控制方式控制密閉隔離裝置啟停，并通過(guò)高精度壓力傳感器對(duì)囊袋內(nèi)部氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)采集和報(bào)警、密閉隔離裝置遠(yuǎn)程控制等功能，密閉囊袋可在5 min內(nèi)完成開(kāi)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(chǎng)應(yīng)用要求。