南屯煤矿避灾硐室应急信息及通信系统.pdf

2 0 1 1 年 第6 期 叁 j }； 甜技 l 5 1 南屯煤 矿避灾 硐 室应 急信 息及 通信 系统 郝迎格 ， 王旭， 马旭 兖矿集团南屯煤矿 ， 山东 邹城2 7 3 5 1 5 摘要随着经济的快速发展， 对能源的需求越来越强， 这就对采矿技术和采矿过程中的安全提出了更高的要求， 同时国家对煤矿安全也越来 越重视。由于近年来， 我国煤矿各种事故频繁， 国家要求煤矿必须建立运行可靠的监测监控系统。当事故发生后， 往往是井上救援人员不能第 一 时间了解井下人员所在位置， 因而失去了很多原本能成功救护的人员的机会。 关键词 矿井安全应急信息 避灾硐室 应用 中图分 类号 T D 6 7 6 文献标识码B ． 南屯煤矿避灾硐室应急信息及通信系统利用瓦斯 监测、 水位监测、 光纤语音通信等技术 ， 将光纤式瓦斯、 水位、 传感器置于井下 ， 利用光纤传感器不带电、 抗腐 蚀、 抗干扰等特点， 通过铠装传输光缆可直接将井下应 急信息传输到井上综合监测系统中， 从而满足了综合 监测不依赖井下供电系统影响的要求。如图 I 。 图1 光纤信息传感系统原理图 实时数据显示主要是立体画面显示和以列表的形 式展现， 立体画面实时显示各测点的位置及水位、 温 度、 瓦斯、 通信情况等， 若当前水位、 温度、 瓦斯有超过 报警线的则输 出相应的报警信息。 1 系统组 成 本系统由井下无源传感器组、 铠装多芯单模传输 光缆、 井上监测设备、 指挥信息系统及通信系统调度台 等组成。铠装多芯单模光缆将井下无源传感器组监测 } 收稿 日 期 2 0 1 1 0 6 3 0 作者简介 郝迎格 1 9 6 5 一 ， 男， 1 9 8 8 年7月毕业于山东矿业学院 采矿工程系， 高级工程师， 工程硕士学位， 现任南屯煤矿总工程师， 长 期从事煤矿技术管理工作， 在全国核心期刊发表论文 1 O余篇。 到的瓦斯浓度、 水位／ 温度信息及语音信号以光信号的 形式传输到井上监测设备， 井上监测设备将传输上来 的光信号解调出来， 并实时显示在指挥信息系统的大 屏幕上， 供救援人员使用。应急通信系统可以实时监 听井下的声音情况， 当有生命的声音时可以发出声光 报警； 并且对所有通信信道进行 2 4小时的不间断录 音 ， 利用井下语音通信装置的声光功能， 可以指引被困 人员 到达避难硐室 。如图 2 。 图2 避灾硐室应急信息布设示意图 2 技术 原理 2 ． 1 光纤应急通信 光纤应急通信系统由井上的通信解调模块及管理 调度部分和井下的光纤声音传感器组成。井上部分和 井下部分通过主光缆连接， 实现通信的上下信号传输 功能， 如图 3 。 图3 光纤应急通信系统连接图 光纤应急通信技术是建立在反射式强度型光纤传 l 5 2 童 堪晨 斜l技 2 0 1 1 年 第6 期 感器基础上的， 它的基本结构由光源、 光纤传感探头和 作为光电转换元件的光接收器所组成。其工作原理是 光源发出的激光通过光纤入射到有金属涂层的振动膜 上， 当声音信号使振膜振动时， 入射光被振膜振动调制 后反射出去。接收光纤接收反射光， 解调后则可以还 原成声 讯号 ， 如图 4所示 。 亩 场 弹性膜 片 图4 光纤声音传感器原理图 2 ． 2光纤水 位传感 器 光纤水位传感器是基于水位深度不同对应水压不同 的原理 ， 通过水压对传感器的弹片产生形变， 再经过机械 联动机构使光纤光栅产生横向拉伸收缩变化， 将光信号变 化通过光学解调模块解调换算出水位值。如图5 。 弹片 光纤光栅 渗水 网 图5 水位传感器结构图 2 ． 3 温度传 感器 ’ 温度传感器的封装结构是 ， 将光纤光栅封装在金 属基座上， 确保光纤光栅处于 自由状态 ， 不受外力影 响， 接着将金属基座装在不锈钢套管内部， 不锈钢套管 保护光纤光栅不直接接触到外界环境， 避免弄折， 使其 可以很好应用于各种环境苛刻实际工程中。 在光纤传感器封装和光纤接头的保护方面， 采用 高性能耐高温粘合剂和改进的机械设计方案 ， 提高其 在高温、 高压环境下的可靠性。温度传感器用裸光纤 光栅 F B G 具有很好的温度传感特性 ， 考虑到其固有 机械特性的限制， 通常要经过封装后才能用于工程结 构的温度监测。温度监测必须保证温度传感器充分接 触被测对象， 同时还要保证温度传感器的传感特性不 为被测对象的热膨胀和应力场所制约， 否则温度传感 器无法正确地反应被测对象的温度信息。 2 ． 4工 作原 理 ． 光纤综合信息系统由宽带光源 ， 光纤环行器， 多路 光开关阵列， 光纤分路器阵列， 精密波长检测模块等组 成。由宽带光源发出的光经过光开关阵列分配到不同 的光纤。一根光纤上可以同时连接多个不同波长的温 度、 应变或压力传感器 ， 从传感器反射的信号经环行器 返回到波长检测仪 ， 通过数字 D I O卡把数据读入计算 机。通过计算机软件程序以及标定数据库 ， 把波长或 吸收光谱信息转换成温度等信息。 光纤水位和温度传感器都是采用光纤光栅波长解 调技术实现的。水位传感器中不仅可输出水位信息， 同时还可以输出温度信息。可根据现场需要敷设水 位／ 温度传感器或单独的温度传感器。根据井下不同 工作面或巷道内安装的水位传感器的测量数据 ， 对井 下不同区域的水害水位进行统计 ， 或对同一水平巷道 内不同安装位置的水位信息进行分析， 以更详细的判 断井下突水动态情况； 同时根据光纤多点温度监测， 可 测得井下巷道内不同区域的温度变化情况。 光纤气体传感器是基于分子振动和转动吸收谱与 光源发光光谱间的光谱一致性的传感器。当光通过某 种介质时， 即使不发生反射、 折射和衍射现象 ， 其传播 情况也会发生变化。这是因为光频电磁波与组成介质 的原子、 分子将发生作用 ， 作用的结果使得光被吸收和 散射而产生衰减。由于气体分子对光的散射很微弱， 远小于气体 的吸收光能。故衰减 主要 由吸收这一过程 产生， 散射可以忽略。利用介质对光吸收而使光产生 衰减这一特性制成吸收型光纤气体传感器。 红外光谱定量分析的理论基础是朗伯 一比尔定律， 对于含n 种物质成分的混合气体而言， 其数学表达式为 A I n I o ／ I , EA A ∑a A C L 1 其中 A为吸光度， 是波长的函数， 加 和 分别为 入射和出射光强， C n为成分 n的浓度 m g ／ d L ， L为光 程长， a n为成分 n的吸收系数 m g ／ d L ． m 。 红外光谱吸收法测量气体浓度是基于对气体分子 吸收线的探测 ， 而吸收线的频率及线形是气体分子的 固有特征。根据朗伯 一比尔定律 ， 光源发出强度 厶的 激光， 经多次反射池后的光强为 ， t o A R e x p [一 A c L ] 2 其中 R为多次反射池反射面的反射率， n为反射 次数， A 表示待测分子在波长 z 处的吸收截面 ， C为 分子数浓度， 三为总的光程。 C H 气体分子是球对称结构， 没有纯转动， 只有 4 个不同频率的基本振动 ， 分子在远红外波段有许多谐 波谱， 如波长1 ． 6 5 3 m和 1 ． 3 3 1 m等。本系统使用 1 ． 6 5 3 u m处吸收峰来检测瓦斯浓度。不同浓度瓦斯气体 的吸收如图 6 所示。本系统就是根据这种原理来检测 瓦斯气体的浓度值的。 1 ．5 1 ．4 1 ． 1 l 0．9 图6 不同浓度瓦斯吸收图 使用光源为 1 6 5 0 n m波段可调 下转第 1 5 4页 一％ ％ ～ ～ ％％‰ 。O 0 3 Q 一 ． ． 一 一 ～ ～ 1 5 4 东 撼晨 硝技 2 0 1 1 年 第6 期 压泵。注水前对注水设备进行调试 ， 打开出水阀， 调节 封口器前端的调压装置 ， 使加压泵的压力表达到规定 压力， 开始注水。 4 注水时， 关上卸压阀， 开启截止阀， 向钻孔 内 注水， 待相邻孔内有水渗出， 说明该孔注水完毕， 大约 每个眼注水 1 5～ 3 0 ra i n ， 注水量 1 0 0～ 2 0 0 L为宜。注水 压力控制在4 6 M P a ， 眼深 5 5 m， 注水时操作人员不要 正对注水眼操作 。 5 关 闭截止阀， 打开卸压阀， 卸压后取 出封 口 器， 再放入下一个注水孔中进行注水， 如此依次进行注 水 ， 直至完成整个顺槽所有钻孔的注水工作 。 6 注水完毕后， 关掉液压泵， 把注水器从高压水 管接头上取下 ， 冲刷干净。 3 安全技 术组 织措施 1 长壁注水前， 首先检查施工地点的安全情况， 在隐患处理后再进行注水； 设备必须放在顶板完好、 支 架完整的安全地点。 2 必须按照注水操作规程施工 ， 不得擅 自改变。 3 注水前， 工作面两巷严禁提升运输， 皮带顺槽 施工钻孔时必须与皮带留设不低于 7 0 0 ra m安全操作 距离， 且液压管路必须停液。 4 液压泵启动前， 要认 真检查连接装置、 封 口 器、 高压阀门的连接牢固情况和吸水管头滤网的完好 情况 ， 发现问题及时处理。 5 液 压泵启 动后 ， 要注 意听 声 响 ， 观 察其 运转 、 输出压力情况 ， 发现问题停机处理。 6 两巷内钻机施工地点平行工作面间距 1 5 m， 两 巷施工钻孔和注水严禁同时进行。 7 液压泵严禁无水运行 。 8 工作面和泵站必须保证联系畅通。 4 取 得 的效果 1 提高了矿井的安全系数， 有效降低割煤、 放顶 煤时的煤尘浓度 ， 防止煤尘事故发生。 2 采煤工作面现场作业环境得到改善， 避免尘 肺 病的发生。 3 减少防尘工的劳动量 ， 冲刷巷帮间隔时间长。 4 通过煤层注水 ， 使煤体得到疏松， 降低煤体硬 度， 从而降低了割煤机截齿的磨损。 上接第1 5 2页 谐激光二极管， 工作电流加锯齿波调 制以便达到调频的目的， 一个内置参考气室用于确定 瓦斯气体吸收波长保障系统在小信号时依然可靠工 作。由于测量范围比较大， 在实验中使用分段标定且 进行二次拟合的方法进行气体浓度的标定。通过大量 的实验， 确定某一浓度作为分段标定的分段点， 增加传 感器的检测精度 ， 0～1 0 0 ％范 围 内的标定 结果 如 图 7 所示 。 标准 气体 浓度 ％ 图7 实验室不同浓度瓦斯条件下标定结果 上述预研实验结果表明， 本项 目采用的 1 ． 6 5 I x m 的D F B激光器 ， 灵敏度可达到 0 ． 0 1 ％， 误差在 0 ． 0 5 ％之间， 长期可靠 ， 符合系统要求。 由于使用了单色性 比较好的激光器， 并且对其温 控和驱动电流都作了细致研究， 在外界温度发生变化 时， 激光器发出的光特性将不发生改变或者大的变动， 因此消除了温度对仪器的影响。从而使仪器更加长期 稳定， 可靠性良好。 3 应 用范 围及 解决 的具体 问题 3 ． 1 矿 山应急通信系统 矿山应 急通讯 系统基于光纤传输 本质安全且 无需 供电的优点， 利用光纤声音传感器和光纤 WD M 系统 实现矿井下与矿井上的双向语音通信。当矿井发生冒 顶、 渗水、 爆炸等重大灾害， 且井下设备失去供电时， 利 用应急通信系统来协助救援， 实现人员定位和生命探 测， 便于救援人员及时了解井下情况 ， 为制定合理救援 方案提供依据， 为第一时间实施有效救援提供保障。 3 ． 2 矿 山光纤信息系统 在前期开展煤矿光纤监测系统 的基础上， 研究矿 山应急信息采集监测技术。在国内首次开展基于先进 光纤传感技术的矿山应急信息监测系统研究， 开发光 纤井下环境水位、 温度、 气体监测系统。与传统的检测 方法相比， 光纤综合监测系统拥有远程传输、 多参数、 大容量、 实时在线、 抗干扰、 本质安全等优点 ， 能够大大 提高现有监测自动化水平。 4结语 光纤应急信息及应急通信系统的有效运行 ， 在灾 害突发时， 系统可以使得人们能够以最快地速度、 最全 面地获取灾害现场的综合信息， 以供救援人员制定最 合理的救援方案， 为各种营救工作争取更多的时间与 机会， 最大限度保护人员安全。