專利名稱：一種采空區(qū)煤炭自燃無線監(jiān)測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采空區(qū)煤炭自燃無線監(jiān)測裝置及方法，尤其適用于自燃發(fā)火比較
嚴(yán)重礦區(qū)的井下采空區(qū)煤炭自燃的監(jiān)測控制。
背景技術(shù)：
我國既是世界上煤炭產(chǎn)量最大的國家，也是煤層自燃發(fā)火最為嚴(yán)重的國家之一。 每年我國煤礦死亡人數(shù)是美國的200倍，印度的10多倍，百萬噸死亡率是世界平均水平 的10倍。據(jù)統(tǒng)計，我國國有重點煤礦中具有自燃危險的礦井約占51. 3%，占總礦井火災(zāi)的 90%以上。自燃發(fā)火是防滅火工作的治理重點，絕大部分自燃發(fā)火發(fā)生在采空區(qū)、巷幫破碎 煤柱及充填工作面采空區(qū)內(nèi)。近年來綜采放頂煤技術(shù)的推廣應(yīng)用，對實現(xiàn)高產(chǎn)高效開采起 到了重大作用，帶來了較大的經(jīng)濟效益。但綜放工作面浮煤厚度大，而且采空區(qū)遺煤厚度 大，導(dǎo)致煤自燃危險性增大。而綜采工作面產(chǎn)量大、設(shè)備精， 一旦發(fā)生自燃勢必造成巨大的 經(jīng)濟損失。因此，采空區(qū)煤炭自燃不僅對礦工生命及國家財產(chǎn)構(gòu)成重大威脅，而且嚴(yán)重制約 煤礦生產(chǎn)能力的發(fā)揮，造成了不良的社會和政治影響。因此，防治采空區(qū)煤炭自燃是保證我 國煤礦安全生產(chǎn)工作的重點。 由于煤炭自燃發(fā)火95%以上都在采空區(qū)，人們不能直視和達到的地點。近10年 來，為準(zhǔn)確地測定采空區(qū)溫度、C0、 CH4和02濃度，掌握采空區(qū)煤炭自燃規(guī)律，國內(nèi)外眾多學(xué) 者進行了長期的基礎(chǔ)理論研究和科學(xué)實驗，形成了兩種采空區(qū)參數(shù)采樣的常用方法(l) 利用FBG技術(shù)，即在采空區(qū)內(nèi)按一定的走向、傾斜方向間距布網(wǎng)，每一網(wǎng)格節(jié)上預(yù)埋一光纖 溫度傳感器連續(xù)監(jiān)測采空區(qū)溫度動態(tài)變化規(guī)律。FBG技術(shù)能夠精確、連續(xù)測試采空區(qū)溫度變 化，為分析采空區(qū)自燃發(fā)火規(guī)律和判斷自燃發(fā)火態(tài)勢提供了良好的數(shù)據(jù)資料，但該方法由 于光纖比較脆弱，保護管布設(shè)復(fù)雜困難，只能觀察待監(jiān)測區(qū)域的溫度變化，采樣數(shù)據(jù)單一； (2)煤自燃發(fā)火束管監(jiān)測裝置和煤自燃發(fā)火氣相色譜監(jiān)測裝置。束管監(jiān)測裝置是利用真空 泵，通過一組空心塑料管將井下監(jiān)測地點的空氣直接抽至分析單元中進行檢測。束管監(jiān)測 裝置由采樣器、接管箱、放水器、除塵器、抽氣泵、采樣控制柜和分析單元組成。KHY系列氣 相色譜監(jiān)測裝置主要由氣體采集、氣體分析和數(shù)據(jù)處理三大部分組成。通過聚氯乙烯管將 工作面、上隅角、采空區(qū)等處的氣體抽吸到分析儀器，由氣相色譜分析儀完成對自燃發(fā)火標(biāo) 志氣體的分析，微機對采集分析儀器的輸出信號進行數(shù)據(jù)處理后提出預(yù)測預(yù)報結(jié)論。束管 檢測裝置和氣相色譜監(jiān)測裝置存在的缺點是管網(wǎng)長、采樣測定滯后時間長；管路積水以 及粉塵進入管路堵塞后難以處理；人為或其它因素破壞管路的可能性大，管路維護量較大； 地面設(shè)備多，需專人管理，運行成本高。另外，由于束管監(jiān)測裝置在束管傳輸氣樣和對氣樣 進行分析的工程中均存在不同程度的時間滯后現(xiàn)象，因此它不能像電信號監(jiān)測裝置那樣反 映測點氣體的瞬時濃度值，并且由于裝置分析軟件存在一定缺陷，無法完全適應(yīng)實際情況。 由此可見束管監(jiān)測裝置和氣相色譜監(jiān)測裝置不適合監(jiān)測氣體濃度的瞬間值。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，方法 簡便，測量精度高，靈敏度高，使用效果好的采空區(qū)煤炭自燃無線監(jiān)測裝置及方法。
技術(shù)方案本發(fā)明的采空區(qū)煤炭自燃無線監(jiān)測裝置，包括信號發(fā)射器，便攜式接收 器，將信號發(fā)射器分組間隔排列在采空區(qū)的多組信號發(fā)射器和設(shè)在回采工作面的便攜式接 收器，多組信號發(fā)射器成行間隔排列，每行2 4組，組間距約為10米；每組信號發(fā)射器由 間隔埋設(shè)的多種傳感器C0濃度傳感器、02濃度傳感器、CH4濃度傳感器和溫度傳感器，多組 傳感器分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器連接單片機I，單片機I上連接有無線收發(fā)模塊；便攜式接收器包 括無線收發(fā)模塊，控制無線收發(fā)模塊的單片機II，單片機II分別相接有顯示模塊、485通訊 口及功能按鈕。 所述的多組信號發(fā)射器布設(shè)3 5行，其行間隔距離約20米；所述的C0濃度傳感 器、02濃度傳感器、CH4濃度傳感器和溫度傳感器的間隔距離約為3 5米，沿直線排開，并 設(shè)置冗余；所述的單片機I的型號為P89LPC932，單片機II的型號為MSP430。
本發(fā)明的采空區(qū)煤炭自燃無線監(jiān)測方法 a、在采空區(qū)內(nèi)間隔布置成一排的多組信號發(fā)射器，隨采煤工作面的推進，間隔約
20米距離布置下一排的多組信號發(fā)射器，直至完成設(shè)定的排數(shù)； b、在回采工作面附近設(shè)置接收多組信號發(fā)射器的便攜式接收器； c、打開便攜式接收器的功能按鈕發(fā)出啟動信號，多組信號發(fā)射器的無線收發(fā)模塊
接收到啟動信號，使多組信號發(fā)射器進入工作狀態(tài)； d、當(dāng)多組信號發(fā)射器的采樣信號超過閾值時，單片機I觸發(fā)無線收發(fā)模塊發(fā)射信 號； e、便攜式接收器接收信號，單片機II對接收到的信號進行地址判斷、數(shù)據(jù)處理， 實時顯示各地址的數(shù)據(jù)結(jié)果，并通過485通訊口將信號傳給井下分站，通過井下監(jiān)測監(jiān)控 網(wǎng)絡(luò)傳至地面上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測。 有益效果通過設(shè)在采空區(qū)內(nèi)的信號發(fā)射器和設(shè)在回采工作面的便攜式接收器， 信號發(fā)射器可對采空區(qū)內(nèi)的多種信號進行采樣，并控制無線收發(fā)模塊對采樣數(shù)據(jù)進行發(fā) 送，便攜式接收器接收到信號后對其進行地址判斷、數(shù)據(jù)處理，實時顯示各地址的數(shù)據(jù)結(jié) 果，同時可通過485接口連接到井下分站，通過井下監(jiān)控監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對采空區(qū)參數(shù)的地 面實時監(jiān)測，能提供更加全面準(zhǔn)確的0)、02、(^4、溫度參數(shù)值，使得對采空區(qū)煤炭自燃危險性 的預(yù)測和評價結(jié)果更加準(zhǔn)確。其結(jié)構(gòu)簡單，方法簡便，測量精度高，靈敏度高，傳感器分辨率 高，測量數(shù)據(jù)精確，通信方式簡單，可靠性高，工作效率高，造價低，測試方便，具有廣泛的適 用性。


圖1是本發(fā)明的位置布置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的信號發(fā)射器原理框圖；
圖3是本發(fā)明的便攜式接收器構(gòu)成框圖。 其中l(wèi)-信號發(fā)射器；2-便攜式接收器；3-A/D轉(zhuǎn)換器；4_單片機1 ;5_單片機11 ; 6_無線收發(fā)模塊；7-顯示模塊；8-無線收發(fā)模塊；9-485通訊口 ；10-功能按鈕；a_C0濃度傳感器；b_02濃度傳感器；c-CH4濃度傳感器；d-傳感器；K-采空區(qū)；H-巷道；G-回采工作 面；M-煤層；FZ-井下分站。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個實施例作進一步的描述 本發(fā)明的采空區(qū)煤炭自燃無線監(jiān)測裝置，在采空區(qū)K間隔排列多組信號發(fā)射器1， 多組信號發(fā)射器1成行間隔排列，每行2 4組，組間距約為10米；多組信號發(fā)射器1布設(shè) 3 5行，其行間隔距離約20米。每組信號發(fā)射器1包括間隔埋設(shè)的多種傳感器CO濃度 傳感器a、 02濃度傳感器b、 CH4濃度傳感器c和溫度傳感器d，多種傳感器分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換 器3連接單片機I 4，單片機I 4上連接有無線收發(fā)模塊6;多種傳感器之間間隔距離約為 3 5米，沿直線排開，必要時設(shè)置冗余。信號發(fā)射器1中的CO濃度傳感器a、 02濃度傳感 器b、溫度傳感器c、 CH4濃度傳感器d均采用電阻式傳感器，通過恒流源輸出一個線性小電 壓值，用線性儀表放大器對小電壓信號進行線性放大，再通過精度為12位及以上的A/D轉(zhuǎn) 換器3，將采樣區(qū)間的模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳遞給單片機I 4，單片機I 4處理數(shù)據(jù) 后通過無線收發(fā)模塊6將信號調(diào)制成電波發(fā)出，單片機I 4的型號為P89LPC932。便攜式接 收器2由單片機II 5、分別與單片機II 5相連接的無線收發(fā)模塊8、顯示模塊7、485通訊 口9及功能按鈕10構(gòu)成，單片機I1 5的型號為MSP430。便攜式接收器2的無線收發(fā)模塊8 收到數(shù)據(jù)信號后，對數(shù)據(jù)信號解調(diào)并將數(shù)據(jù)通過讀寫操作傳遞給單片機II 5，便攜式接收 器2上設(shè)置的功能按鈕有復(fù)位按鈕、喚醒發(fā)射器按鈕、使能外部通信按鈕、歷史查詢按鈕、 開關(guān)按鈕。 本發(fā)明的采空區(qū)煤炭自燃無線監(jiān)測方法先對采空區(qū)K與煤層M的距離(與回采 方向垂直)進行分析，根據(jù)回采工作面G的寬度，在采空區(qū)K內(nèi)間隔布置排成一排的2 4 組信號發(fā)射器1，隨采煤工作面的推進，間隔約20米距離布置下一排的多組信號發(fā)射器1， 根據(jù)現(xiàn)場實際需要，設(shè)置3 5排多組信號發(fā)射器1 ;每組信號發(fā)射器1由間隔埋設(shè)的多種 傳感器CO濃度傳感器a、02濃度傳感器b、CH4濃度傳感器c和溫度傳感器d構(gòu)成，其間隔距 離約為3 5米，沿直線排開，多種傳感器根據(jù)不同的需要設(shè)置不同的高度，用金屬支架輔 助裝設(shè)，必要時設(shè)置冗余。在回采工作面G附近設(shè)置接收多組信號發(fā)射器1的便攜式接收 器2 ;打開便攜式接收器2的功能按鈕10發(fā)出啟動信號，多組信號發(fā)射器1的無線收發(fā)模塊 6接收到啟動信號后，使多組信號發(fā)射器1進入工作狀態(tài)；當(dāng)多組信號發(fā)射器1的采樣信號 超過閾值時，單片機I 4觸發(fā)無線收發(fā)模塊6發(fā)射信號；便攜式接收器2接收信號，單片機 II 5對接收到的信號進行地址判斷、數(shù)據(jù)處理，實時顯示各地址的數(shù)據(jù)結(jié)果，并通過485通 訊口 9將信號傳給井下分站FZ，通過井下監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳至地面上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān) 測。如果收到的數(shù)據(jù)是C0濃度傳感器a發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，則使用CO濃度數(shù)據(jù)處理子程序， 同時將處埋好的數(shù)據(jù)以十進制含單位的數(shù)據(jù)在顯示模塊上顯示，如果收到的數(shù)據(jù)是02濃度 傳感器b發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，則使用02濃度數(shù)據(jù)處理子程序，同時將處理好的數(shù)據(jù)以十進制 含單位的數(shù)據(jù)在顯示模塊上顯示，如果便攜式接收器2收到的數(shù)據(jù)是溫度傳感器c發(fā)送過 來的數(shù)據(jù)，則使用溫度數(shù)據(jù)處理子程序，同時將處理好的數(shù)據(jù)以十進制含單位的數(shù)據(jù)在顯 示模塊上顯示，如果收到的數(shù)據(jù)是CH4濃度傳感器d發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，則使用CH4濃度數(shù)據(jù) 處理子程序，同時將處理好的數(shù)據(jù)以十進制含單位的數(shù)據(jù)在顯示模塊上顯示。利用回采工作面G附近的井下監(jiān)測監(jiān)控分站FZ，通過485通信線將便攜式接收器2與監(jiān)測監(jiān)控分站FZ 連接，最終將數(shù)據(jù)融入監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，在井上服務(wù)器將數(shù)據(jù)處理好，然后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布就可 以在井上辦公室web瀏覽器上查看采空區(qū)各項參數(shù)的當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
一種采空區(qū)煤炭自燃無線監(jiān)測裝置，包括信號發(fā)射器(1)，便攜式接收器(2)，其特征在于將信號發(fā)射器(1)分組間隔排列在采空區(qū)的多組信號發(fā)射器(1)和設(shè)在回采工作面的便攜式接收器(2)，多組信號發(fā)射器(1)成行間隔排列，每行2～4組，組間距約為10米；每組信號發(fā)射器(1)包括間隔布設(shè)的多種傳感器CO濃度傳感器(a)、O2濃度傳感器(b)、CH4濃度傳感器(c)和溫度傳感器(d)，多種傳感器分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器(3)連接單片機I(4)，單片機I(4)上連接有無線收發(fā)模塊(6)；便攜式接收器(2)包括無線收發(fā)模塊(8)，控制無線收發(fā)模塊(8)的單片機II(5)，單片機II(5)分別相接有顯示模塊(7)、485通訊口(9)及功能按鈕(10)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采空區(qū)煤炭自燃無線監(jiān)測裝置，其特征在于所述的多組信號發(fā)射器(1)布設(shè)3 5行，其行間隔距離約20米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采空區(qū)煤炭自燃無線監(jiān)測裝置，其特征在于所述的C0濃度傳感器(3)、02濃度傳感器(b)、C4濃度傳感器(c)和溫度傳感器(d)的間隔距離約為1 2米，沿直線排開，并設(shè)置冗余。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采空區(qū)煤炭自燃無線監(jiān)測裝置，其特征在于所述的單片機1(4)的型號為P89LPC932，單片機11(5)的型號為MSP430。
5. —種采空區(qū)煤炭自燃無線監(jiān)測方法，其特征在于a、 在采空區(qū)內(nèi)間隔布置成一排的多組信號發(fā)射器(1)，隨采煤工作面的推進，間隔約20米距離布置下一排的多組信號發(fā)射器(l)，直至完成設(shè)定的排數(shù)；b、 在回采工作面(G)附近設(shè)置接收多組信號發(fā)射器(1)的便攜式接收器(2);c、 打開便攜式接收器(2)的功能按鈕(10)發(fā)出啟動信號，多組信號發(fā)射器(1)的無線收發(fā)模塊(6)接收到啟動信號，使多組信號發(fā)射器(1)進入工作狀態(tài)；d、 當(dāng)多組信號發(fā)射器(1)的采樣信號超過閾值時，單片機I(4)觸發(fā)無線收發(fā)模塊(6)發(fā)射信號；e、 便攜式接收器(2)接收信號，單片機I1(5)對接收到的信號進行地址判斷、數(shù)據(jù)處理，實時顯示各地址的數(shù)據(jù)結(jié)果，并通過485通訊口 (9)將信號傳給井下分站(FZ)，通過井下監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳至地面上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測。
全文摘要
一種采空區(qū)煤炭自燃無線監(jiān)測裝置及方法，由設(shè)在采空區(qū)的多組信號發(fā)射器和回采工作面的便攜式接收器構(gòu)成，其中每組信號發(fā)射器包括間隔布設(shè)在采空區(qū)內(nèi)的多種傳感器，這些多種傳感器分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器連接單片機I，單片機I上連接有無線收發(fā)模塊；便攜式接收器包括無線收發(fā)模塊，控制無線收發(fā)模塊的單片機II，單片機II分別相接有顯示模塊、485通訊口及功能按鈕。通過便攜式接收器監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)部的CO、O2、溫度、CH4等參數(shù)情況，將采空區(qū)內(nèi)的各類待測參數(shù)信號變?yōu)殡娦盘枺ㄟ^單片機I對信號進行處理，控制無線收發(fā)模塊發(fā)送，便攜式接收器接收到信號進行地址判斷、數(shù)據(jù)處理，實時顯示各地址的數(shù)據(jù)結(jié)果，同時通過485接口連接到井下分站，通過井下監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對采空區(qū)參數(shù)的地面實時監(jiān)測。其結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，功耗低、測量精度高。
文檔編號G01N27/04GK101706466SQ20091023487
公開日2010年5月12日 申請日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者吳征艷, 張衛(wèi)青, 王蘭云, 王凱, 蔣曙光, 邵昊 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)