矿井内因火灾监控预警系统

摘要

本发明公开了一种矿井内因火灾监控预警系统。矿井内因火灾隐蔽性强，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；现有内因火灾报警系统延迟时间长，易发生错报和漏报。所述系统主要包括信息处理服务器、报警装置、通信网络、灭火装置、气体浓度遥感装置、温度监测装置等；系统可通过气体浓度遥感装置对监测区域环境中的气体浓度等特征进行监测，并通过对温度等监测数据综合分析发出火灾报警，并进行灭火。所述系统可准确监测内因火灾特征气体，大大提高了报警准确度，为煤矿安全生产提供重要保障。

说明书

技术领域

本发明涉及一种矿井内因火灾监控预警系统，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。煤矿矿井火灾包括内因火灾和外因火灾，内因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。因此在内因火灾初期及时发现并能够及时扑灭具有非常重要的意义。煤矿绝大多数的内因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。目前内因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内因火灾监控预警系统，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内因火灾监控预警系统，可遥感监测内因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，并对火灾区域进行灭火，减小火灾危害范围。所述系统主要包括气体浓度遥感装置、温度监测装置、灭火装置、信息处理服务器、报警装置和通信网络；气体浓度遥感装置主要包括激光发射器、激光接收器、控制处理单元和显示单元；气体浓度遥感装置采用开放气室，可对采空区环境中多种气体浓度进行遥感监测；气体浓度遥感装置具有激光测距功能；信息处理服务器负责处理气体浓度数据和温度数据，当监测数据满足报警条件，则通过报警单元发出声光报警，通过通信网络发送火灾报警信息，并通过灭火装置进行灭火。

1.所述系统进一步包括：系统的气体浓度遥感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.所述系统进一步包括：系统的气体浓度遥感装置采用下述扫描监测方法进行扫描监测：气体浓度遥感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.所述系统进一步包括：系统的气体浓度遥感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.所述系统进一步包括：系统的气体浓度遥感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。

5.所述系统进一步包括：系统的气体浓度遥感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。

6.所述系统进一步包括：系统的气体浓度遥感装置采用下述方法进行三维空间区域的气体浓度监测：气体浓度遥感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.所述系统进一步包括：系统的气体浓度遥感装置的激光发射器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.所述系统进一步包括：系统的气体浓度遥感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.所述系统进一步包括：系统中设置在爆炸环境中的设备均为防爆型设备。

10.所述系统进一步包括：系统的温度监测装置包括光纤传感器、无线温度传感器、红外热像仪、红外热电释或红外测温仪。

11.所述系统进一步包括：系统的灭火装置包括注浆设备。

12.所述系统进一步包括：系统的灭火装置包括惰性气体喷射设备。

附图说明

图1矿井内因火灾监控预警系统组成示意图。

图2矿井内因火灾监控预警系统工作流程图。

图3气体浓度遥感装置实施方案1原理示意图。

图4气体浓度遥感装置实施方案2原理示意图。

图5气体浓度遥感装置实施方式2准直器排列结构示意图。

图6气体浓度遥感装置三维空间区域浓度监测示意图。

图7气体浓度遥感装置工作流程图。

具体实施方式

图1为矿井内因火灾监控预警系统组成示意图，所述系统组成包括：

1.信息处理服务器(1)：负责对各传感器数据进行存储，并监测CH₄、CO、CO₂、O₂、C₂H₂和C₂H₄的浓度数据、温度数据变化，通过分析数据变化发出报警信号，并控制灭火。

2.报警装置(2)：由信息处理服务器控制发出声光报警，与信息处理服务器通过RS232接口连接通信。

3.监控设备(3)：为生产管理人员提供数据查询和生产监控服务，由信息处理服务器提供现场数据,具有警报显示和GIS服务功能。

4.核心交换机(4)：负责所有接入通信网络的设备的管理和数据交换，与井下交换机(5)通过光纤连接。通信网络设备包括核心交换机(4)、井下交换机(5)和分站(6)。

5.井下交换机(5)：负责分站(6)的接入和数据交换，各井下交换机通过光纤以环网方式连接。

6.分站(6)：负责气体浓度遥感装置(7)温度监测装置(8)和灭火装置(9)的接入和数据交换，具有网络交换机功能，与井下交换机(5)通过光纤连接；具有RS485接口。

7.气体浓度遥感装置(7)：采用开放气室，可对环境中多种气体浓度进行遥感监测，具有激光测距功能，具有三维区域气体浓度监测功能，通过网络接口连接分站(6)。

8.温度监测装置(8)：可采用光纤传感器、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，通过网络接口连接分站；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，由协调器节点设备通过RS485接口连接分站(6)；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，直接通过网络接口连接分站(6)；可采用数字式红外热电释报警器，通过RS485接口模块连接分站(6)；红外测温仪可采用非接触式红外温度仪DT8012B，通过RS485接口模块连接分站(6)。

9.灭火装置(9)：可使用惰性气体喷射设备或注浆设备。灭火装置通过RS485接口与分站(6)连接通信。

图2为矿井内因火灾监控预警系统工作流程图：

1.(201)气体浓度遥感装置(7)和温度监测装置(8)将采集得到的CH₄、CO、CO₂、O₂、C₂H₂和C₂H₄的浓度数据，温度数据传送给分站(6)。

2.(202)分站(6)接收气体浓度遥感装置(7)、温度监测装置(8)的数据，将数据转发至井下交换机(5)。

3.(203)井下交换机(5)将数据分站传送的数据传输到井上的核心交换机(4)。

4.(204)核心交换机(4)将数据传输到信息处理服务器.

5.(205)信息处理服务器对各传感器数据进行存储，并分析数据变化，如数据变化符合报警条件则通过RS232接口控制报警装置(2)和监控设备(3)发出报警信号。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，每种气体浓度的的异常作为一个独立的数据异常；温度数据在设定时间间隔内升高值超过设定阈值；当数据异常的数量超过设定阈值，则发出火灾报警；各监测阈值根据现场环境测量设定或人为设定得到。

6.(505)报警装置(2)接收信息处理服务器(1)通过RS232接口传送的报警控制信号，发出声光报警。

7.(506)监控设备(3)接收信息处理服务器(1)通过核心交换机(4)传输的报警信号，通过电脑显示屏显示火灾位置。

8.(507)灭火装置(9)接收由信息处理服务器(1)通过通信网络传送给分站(6)，再由分站(6)通过RS485接口转发的控制信号，开启控制阀门喷射惰性气体或注浆进行灭火。

图3为气体浓度遥感装置的具体实施方式1原理示意图，主要包括激光发射器、激光接收器、控制处理单元和显示单元。控制处理单元负责控制激光发射器发射激光；处理激光接收器返回的信号获得气体浓度和反射物距离；控制通信接口进行通信；控制显示屏显示；接收按键的操作信号并进行相应的处理。核心处理器(301)、信号发生器(302)、锁相环放大器(303)、模数转换器(304)、数字鉴相器(305)和其它辅助元件；激光发射器负责测距及气体监测的激光信号的发射，包括激光源(306)和云台(307)；激光接收器负责接收激光信号，将激光信号转换为电信号，具体组成包括接收透镜(308)、暗室(309)和光电探测器(310)；通信接口(311)用于监测数据传输；显示单元负责气体浓度与装置工作状态数据显示的主要元件为显示屏(312)。主要元件包括：

1.核心处理器(301)，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；使用嵌入式Linux平台实现驱动控制通信。

2.信号发生器(302)，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及信号分析用的参考信号，包括DDS发生器、滤波电路、加法器等多个部分。

3.锁相环放大器(303)，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。

4.模数转换器(304)，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，可采用ADS8364 16位多通道A/D转换器芯片，具有6个全差分输入通道。

5.数字鉴相器(305)，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。

6.激光源(306)，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。

7.云台(307)，用于控制可调谐半导体激光器(311)的发射方向和激光接收器的接收方向，可由核心处理器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。

8.接收透镜(308)，负责将反射回来的激光聚集至光电探测器。

9.暗室(309)，采用密闭筒型结构，内壁涂吸光材料。

10.光电探测器(310)，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(307)和数字鉴相器(309)。

11.通信接口(311),包括有线通信接口和无线通信接口，有线通信接口的主要芯片采用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；无线通信接口采用标准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。

12.显示屏(312)，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。

13.按键(313)，用于气体浓度遥感装置参数及功能设定及控制，包括确定、返回、上移、下移等功能键。

图4为气体浓度遥感装置的具体实施方式2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(314)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(315)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(317)连接光选路器(316)，光选路器(316)受核心处理器(301)的控制将合光器(315)发出的激光进行选路，将激光从选择的某路准直器(317)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(314)，负责信号发生器(305)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(302)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(305)连接，4个IN/OUT口分别连接不同可调谐半导体激光器(311)。

2.激光源(306)，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(315)，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(316)可采用Vispace 1000OSS光选路设备，由核心处理器(302)通过串口控制选路连通。

5.准直器(317)，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为气体浓度遥感装置实施方式2准直器排列结构示意图。

图6为气体浓度遥感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

同理可得其它各点的坐标，根据坐标点可建立如图6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>DC和K_EF>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。

气体浓度遥感装置工作流程如图7所示：

1.(701)，核心处理器(301)定时启动一次监测扫描过程。

2.(702)，首先进行激光测距，核心处理器(301)控制信号发生器(302)产生10M正弦波信号。

3.(703)，正弦波信号驱动激光源(306)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(314)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(315)、光路选路器(316)，由相应角度的准直器(317)发射出去激光。

4.(704)，测距激光遇到反射物部分激光被反射，接收透镜(308)收集反射回来的激光聚集至光电探测器(310)，光电探测器将接收到的激光信号转换为电信号。

5.(705)，数字鉴相器(305)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.(706)，核心处理器(301)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.(707)，核心处理器(301)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.(708)，经调制的锯齿波信号驱动激光源(306)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(315)、光路选路器(316)，由相应的准直器(317)发射出去激光。

9.(709)，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(308)收集反射回来的激光聚集至光电探测器(310)，光电探测器将接收到的激光信号转换为电信号。

10.(710)，锁相环放大器(303)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.(711)，模数转换器(304)将一次、二次谐波信号数字化。

12.(712)，核心处理器(301)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浓度。

13.(713)，判断是否监测完所有种类的气体，如未监测完执行(714)，如已监测完执行(715)。

14.(714)，核心处理器控制转换监测另一种气体浓度，重复(707)至(712)的气体浓度测量过程。

15.(715)，判断是否完成所有角度扫描，如未完成执行(716)，如已完成执行(717)。

16.(716)，实施方案1：核心处理器(301)控制云台(307)带动激光源(306)和激光接收器转动一个角度；实施方案2：核心处理器(301)控制多路数据选择器(121)选择激光源(306)通路，再驱动相应的激光源，再经过合光器(315)、光路选路器(316)，由另一个角度的准直器(317)发射出去激光。再重复(702)至(712)测距及气体浓度监测的过程。

17.(717)，核心处理器处理(301)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.(718)，核心处理器处理(301)通过通信接口(311)上传数据，并通过显示屏(312)显示数据。