煤矿瓦斯预警装置设计与实现.pdf

技术交流 煤矿瓦斯预警装置设计与实现 李亚杰, 何 群 南京工业大学 信息科学与工程学院, 南京 210009 摘 要瓦斯严重威胁着煤矿的安全生产。利用单片机 ATmega128L 和瓦斯传感器KGS- 20研制了 1 种煤矿瓦斯预 警装置, 它使用方便, 可以安装在矿井巷道内, 亦可随工作人员随身携带。工作人员可以通过 LCD显示屏 Mz LH04 直观的了解当前环境下瓦斯的体积分数, 当周围瓦斯体积分数超过预设值时该装置会发出声光报警。经实验表 明, 该装置具有检测瓦斯体积分数精度高、 速度快、 工作稳定、 成本低、 使用方便的优点, 能够有效的保障煤矿的安 全生产。 关键词ATmega128L; 瓦斯传感器; 预警; MzLH04 中图分类号TD712 文献标识码A 文章编号1008- 8725200909- 0155- 02 Design and Implementation of Coal Mine Gas Pre- warning Device LI Ya- jie, HE Qun School of Ination Science and Engineering, NanjingUniversity of Technology, Nanjing 210009, China AbstractGas is a serious threat to the safety of coal production. Developinga coal mine gas pre- warning de2 vice with MCU ATmega128L and gas sensor KGS- 20, it is easy to use, can be installed in the tunnel of mine, also can be carried around by staff. The workers can know the concentration of gas in the current cir2 cumstances through the LCD display, MzLH04, the device sends out sound and light alarming when the con2 centration of gas is beyond the default value. The experiment shows that the device has the advantage of detec2 tion accuracy, speed and stability, low cost and ease of use, and can effectivelyprotect the safety of coal pro2 duction. Key words ATmega128L; gas sensor; pre- warning; MzLH04 0 引言 瓦斯严重威胁着煤矿的安全生产和井下的工作人员, 它的燃点 只有 63e 左右, 在空气中含量为 5 l5 时, 遇明火就会产生爆炸, 在 9. 5 时爆炸最猛烈, 在瞬间发生的爆炸产生高温高压, 对矿井和 生产人员造成毁灭性的破坏[1]。一般在矿井中瓦斯的泄露不易被人 图 1 区域地质构造分区示意图 区内发育的断裂如表 1。 表 1 红锈沟盆地北部断裂特征表 编号长度Pkm走向倾向性质 F3926近东西平移 F2016北北东西正 F40 23近东西平移 F1441北北东东正 F15 9近东西平移 F1 20近北东西正断 受以上断裂控制形成的二皮河林场断陷为该区可采煤层赋存区 域。 3 含煤地层沉积特征 该区含煤地层为白垩系下统红锈沟组K1hn, 该组由陆相火山 碎屑沉积累计厚度占该组厚度 60 以上 和正常含煤碎屑沉积组 成, 具韵律沉积特点, 多由砂砾岩或含砾砂岩与细砂岩、 粉砂岩及泥 岩组成的正韵律, 自下而上可划分十几个韵律层。泥岩及砂岩中多 含凝灰质, 砂砾岩及砂岩以低成熟度为主。上部粉砂岩中产植物化 石 Cladophlebis denticulate, Asplenium sp1,Pterophyllum sp1,Nilssonia sp1, Podozamites sp1, Ginkgo sp[ 2]1 该组区内大面积分布, 自七队村 车陆乡一带厚度小且埋藏浅 累计厚度小于 424110 m, 二皮河附近及南部地区厚度最大累计厚 度 694120 m, 其岩性主要为灰白色 灰黑色凝灰质角砾岩、 凝灰质 细砂岩、 凝灰质粉砂岩、 凝灰岩、 局部夹粗玄岩, 夹多层炭质泥岩、 油 页岩及 16层煤层煤线。 根据该组沉积环境变化及岩性组合关系分为4 段, 现逐一叙述 1红锈沟组一段 下部含煤段K1hn1 在勘探区中部主要为 1套深水湖相沉积, 区域上向南部及北西方 向逐渐相变为湖沼相沉积, 至盆地北部地带则被河流相砂砾岩所代替, 岩性主要为深灰 黑色泥岩夹粉砂岩。在二皮河林业经营所一带含可 采煤层,厚度 0 183 1161 m, 据目前掌握的勘探资料, 红锈沟组一段为 该区主要含煤层段。 2红锈沟组二段 中含煤段K1hn2 该段位于红锈沟组的中下部, 赋存深度一般在 122 334 m, 厚度 为 155 171 m, 平均厚度均为 163 m。主要岩性为灰白色、 灰绿色凝 灰质砾岩、 沉凝灰岩、 凝灰质砂岩及薄层泥岩, 局部粗玄岩产出, 喷发 相 45 m。该段含 3层局部可采煤层, 它们都是火山喷发间歇期形 成的, 受此影响, 大部分为高灰煤。 3红锈沟组三段 上含煤段K1hn3 该段整合覆于红锈沟组中含煤段之上, 局部受火山喷发影响, 含 粗玄岩, 厚度在 14160 42125 m。其主要岩性 下部为灰白色沉凝灰 岩、 凝灰质砾岩、 泥岩夹薄层炭质泥岩; 中部为灰色泥岩、 砂岩、 凝灰 质砾岩、 沉凝灰岩, 含 7 层煤层; 上部为深灰色泥岩, 夹薄层凝灰质砂 岩, 不含煤。该段主要赋存在 21 188 m 深度范围内, 在东部有部分 层位出露, 该段厚度一般为 64187 119 165 m, 平均厚度为 86197 m。 4红锈沟组四段K1hn4 该段是红锈沟组在该区见到的最上部层位, 不含煤, 只在局部层 段中含有炭化植物碎屑。其主要岩性 下部为灰 灰白色细 粗 粒沉凝灰岩、 集块岩、 凝灰质砾岩夹泥岩。上部为浅黄色 灰色细粒 沉凝灰岩夹薄层砾岩、 砂岩、 局部夹有泥岩。 盆地沉积形成初期, 陆源碎屑物质充填速率不高, 沉降速率略大 于充填速率, 发育了可采煤层, 中后期火山活动逐渐变得频繁强烈, 不利于高大植物发育, 陆源碎屑物质及火山碎屑物质的快速充填, 不 利于泥炭沉积加厚, 使得红锈沟组二段 三段仅形成高灰分煤层及 煤线, 红锈沟组四段形成以火山集块岩为主夹少量含炭化植物碎屑。 4 结语 该区煤系地层厚度较大, 受基底起伏影响, 区域上厚度由南向北 变薄, 成煤期受多次火山喷发影响, 造成煤质灰分增高, 形成中高灰 分煤, 局部过渡到劣质煤、 炭质泥岩。二皮河林场凹陷为该区较好的 赋煤单元, 适宜建立小型矿井进行开发, 缓解当地煤炭紧缺状况。 参考文献 [1] 刘俊杰, 等. 黑龙江省区域地质志[M]. 北京 地质出版社, 1993. [2] 曲关生, 等. 全国地层多重划分对比研究23 黑龙江省岩石地 层[M]. 北京 中国地质大学出版社, 1997. 责任编辑 徐艳杰 收稿日期2009- 03- 12;修订日期 2009- 06- 10 作者简介李亚杰1985- , 男, 河南商丘人, 南京工业大学硕士研究生, 主要从事嵌入式系统设计与无线通信技术的研究。 第 28卷第 9 期 2009 年 9月 煤 炭 技 术 Coal Technology Vol128,No109 Sep,2009 察觉, 为了保障煤矿开采安全及人身安全, 首先要提高瓦斯体积分数 的检测精度。目前使用单片机实现瓦斯自动检测技术正以其速度 快、 精度高、 功能齐全、 操作简便等特点得到广泛的应用, 成为瓦斯检 测技术发展的 1 个方向。 1 总体设计 基于一种可燃气体体积分数检测的半导体型气体传感器KGS- 20, 利用ATmega128L 单片机作为控制芯片研制了煤矿瓦斯自动检测 报警装置, 用于检测煤矿井下空气中的瓦斯含量。JTA T 接口用于程 序的调试和下载; 供电采用大容量的 5 V 锂电池, 能够保证长时间的 工作。总体设计结构如图 1所示。 图 1 总体结构设计图 设备工作时, 在 LCD显示屏上实时的显示当前环境下瓦斯的体 积分数信息。当设备的绿灯闪烁时, 表示周围瓦斯体积分数没有超 标; 当红灯不断闪烁时, 说明周围控制中的瓦斯体积分数已经超标, 同时会发出声音报警, 告诉工作人员赶快撤离工作现场, 并采取有效 的紧急措施尽快降低通道内的瓦斯体积分数, 从而达到安全生产的 目的。 2 硬件设计 整个装置主要有单片机 A Tmega128L、 瓦斯体积分数采集传感器 KGS- 20、 LCD 显示屏和声光报警电路组成。电源部分采用 5v 稳压 输出的锂电池, 当电量用尽时可反复充电循环利用。 2. 1 控制模块 ATmega128 具有128K字节的系统内可编程Flash、 4K字节的EEP2 RO M、 4K字节的 SRAM、 53个通用 I PO口线、 32 个通用工作寄存器、 实 时时钟 RTC、 2个 USART、 8 通道 10 位 AD C、 具有片内振荡器的可编程 看门狗定时器、 SPI串行端口、 与 IEEE 1149. 1 规范兼容的 JTAG 测试 接口, 以及六种可以通过软件选择的省电模式[2]。控制模块外围电 路如图 2 所示。 图 2 控制模块外围电路 控制芯片是整个装置的核心, 负责协调各个部分的工作。通过 ADC0口读取瓦斯传感器输出的电压值来获取当前环境下的瓦斯体 积分数, 并将这个体积分数值和当前时间等信息通过单片机 AT 2 mega128L的SPI 串口显示到LCD显示屏上。为了节省电能LCD显示屏 在正常工作下背光灯是处于关闭状态的, 但也可以通过装置上的背光 灯开手动关点亮以便随时了解周围环境的瓦斯体积分数。单片机 A T 2 mega 128L 的PA0 PA3 口分别接4 个发光二极管, D1 发绿光, 缓慢闪烁 时说明设备工作正常; D2 D4 发红光, 不断闪烁时说明瓦斯体积分数 已经超标;PA4口则输出声音信号给声音报警电路。 2. 2 瓦斯传感器模块 瓦斯传感器采用北京东方吉华科技有限公司研制的 KGS- 20 低 功耗瓦斯传感器。它是 1 种以二氧化锡为基本敏感材料, 专门用于 可燃气体积分数检测的半导体型气体传感器。该传感器体积小, 耗 电低, 应用电路简单, 响应时间[ 20 s, 恢复时间[ 30 s, 工作温度范围 15e 50e , 湿度[ 97RH, 静态功耗为 150 mW, 报警状态功耗为 300 mW, 供电电压为 3 5VDC, 适用于对瓦斯等可燃气体积分数的检 侧。传感器敏感组件的电阻 RS 的变化表现为负载电阻 RL 上的电压 变化[ 3]。传感器内部电路如图 3 所示。 图3 KGS- 20低功耗瓦斯传感器 传感器电源的供电电路设计对传感器模块的能量消耗来说非常 重要。对于小电流工作的传感器几百 LA, 可由处理器 I PO口直接 驱动, 当不用该传感器时, 需将 I PO口设置为输入方式, 这样外部传感 器没有能量输入, 也就没有能量消耗。 2. 3 LCD显示屏 MzLH04- 12864 为串行 SPI 字库 LCD 模块。128 64 点阵 FSTN; 串行SPI接口方式; 自带 1212 点和 1616 点汉字库, 包含一级和二 级汉字库; 自带 610 和 816 点 ASCII 码西文字库96 个字符; 自 带基本的绘点、 直线、 矩形、 矩形框、 实心圆形、 圆形框绘图 G UI功能; 自带整型数显示功能, 直接输入整型数显示, 而无需作变换; 带有背 光控制指令, 只需 1 条指令便可控制背光亮度 0 127等级[ 3]。 MzLH04 共有 7 个引脚, 分别为 LCD 供电 VCC、 片选 CS、 数据输 入线 SD A、 悬空线NC、 SPI时钟线 SCK、 模块低电平复位线 RST 和 LCD 接地线 G ND。ATmega128L 与 MzLH04 连接, 需要将 A Tmega128L 的串 口SPI 设置成主机模式, MzLH04 的 SDA、 SCK 和 PB0 分别与 AT 2 mega128L 的MOSI、 SCK 和 CS 相连。MzL H04 模块可以按照用户的要 求提供 5 V供电的模块, 但是这些 5V 的模块仅仅是在模块内部增加 1 个 5 V 3. 3 V的线性稳压模块电路,实际上模块的端口仍是 3. 3 V 的, 只不过这些端口可以承受 5 V的输入。 2. 4 声光报警设备 声光报警电路主要有发光二极管和扬声器组成。光报警有 3 个 红色发光二极管组成, 加上保护电阻直接和单片机的PA1 PA3口相 连; 在单片机的 FLASH 里预先设置报警声音程序, 当需要报警时通过 PA4 口输出, 但扬声器属于大功率器件, 需要放大后才能驱动扬声器 工作[ 4]。驱动电路如图4 所示。 图 4 驱动电路 3 软件设计 设备开机后首先是单片机初始化, 再对LCD显示屏MzLH04 进行 初始化; 单片机读取瓦斯传感器 KGS- 20 的输出电压值并跟系统的 预设的安全值进行比较, 同时把这个电压信号换算成对应的瓦斯体 积分数值实时显示到LCD显示屏上; 如果瓦斯体积分数超标, 则装置 本身会发出声光报警, 报警延时 20 s, 但装置仍然不断检测瓦斯的体 积分数, 当体积分数低于预设安全值时, 报警自动解除[5]。软件流程 图如 5 所示。 图 5 软件流程图 4 瓦斯预警装置使用要点 甲烷对空气的比重是 0.559, 故聚集在矿井巷道上部, 设备最好 156 煤 炭 技 术 第28 卷 阳煤集团寺家庄矿掘进巷挂耳钻场封孔工艺改进措施研究 赵庆珍 1, 赵长春1, 杨战伟2, 王振锋3 1. 阳煤集团 技术中心, 山西 阳泉 045000; 2. 登封市煤炭协会, 河南 登封 452470; 3. 河南理工大学 能源科学与工程学院, 河南 焦作 454000 摘 要基于对寺家庄煤矿煤层瓦斯赋存情况的总结, 分析了掘进巷道瓦斯抽采钻孔设计方案及封孔工艺流程, 指 出掘进动压影响以及封孔管长度过短是造成封孔抽采效果差的主要原因。根据其瓦斯抽采过程中存在的实际问 题, 研究设计出一种新型可回收封孔管技术方案, 并进行了工业性实验和经济效益分析, 结果表明, 新型可回收封 孔管技术在钻孔深度大于临界深度时, 具有很高的应用价值。 关键词瓦斯抽采; 挂耳钻场; 可回收封孔管 中图分类号TD823 文献标识码A 文章编号1008- 8725200909- 0157- 03 Study on Measures Improvement of Extraction Sealing Process in Hanger Ear Drill Site of Driving Tunnel in Sijiazhuang Coal Mine of Yangquan Coal Industrial Group ZHAO Qing- zhen 1, ZHAO Chang- chun1, YANG Zhan- wei2, WANG Zhen- feng3 1. Technology Center, Yangquan Coal Industrial Group Corporation Ltd. , Yangquan 400039, China; 2. Dengfeng Coal Association. , Deng2 feng 400039, China; 3. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China Abstract Based on the summary of savingsituation for mine gas in the Sijiazhuang coal mine coal bed, it ana2 lyzed borehole design proposal for mine gas drainage at side of driving tunnel and technical process of sealing the hole, and pointed out that the dynamic pressure, short extent of drillingthe hole in mine face drainage lane is the main reason causing the poor result of the gas extraction. According tothe existing actual problem in the process ofmine gas drainage, a novel technical programfor recoverable seampipe is designed. And it has car2 ried on the industrial experiment and the economic efficiency analysis. The experimental result indicated that a novel technical program for recoverable seam pipe has the very high application value when its borehole depth is bigger than the critical depth. Key words gas extraction; hanger ear drill site; recoverable sealing tube 0 概况 阳煤集团寺家庄矿 15煤层, 煤厚平均为 5148 m, 其倾角 4 b 10 b, 煤层结构比较简单, 瓦斯储量丰富, 为57 806 万 m3。煤层钻孔流 量衰减系数 A 01038 0 106d- 1, 煤层透气性系数 K 0 1126 3 01065 1 m2PMPa21d, 具有矿井瓦斯抽采的可行性。按照设计, 实施煤层边掘 进边抽、 回采工作面密集交叉钻孔预抽煤层瓦斯, 采空区高位钻孔瓦 斯抽采和石门揭煤瓦斯抽采, 以及邻近层瓦斯抽采即卸压煤层瓦斯 抽采等措施。随着开采深度的增加, 突出危险性亦增大, 共计突出 13 次, 既影响了矿井的安全生产, 又使煤巷单进低, 造成矿井采掘严重 失调。为了防治煤与瓦斯突出, 在不断总结经验和技术创新的基础 上, 利用巷帮挂耳抽采的防突措施, 实行边抽边掘, 取得了安全生产 的良好效果[ 1 3]。 1 Z1504 掘进巷帮挂耳抽采施工方案 111 参数确定 阳煤集团寺家庄矿在 Z1504 掘进巷使用的巷道钻机为 MK-4 型, 孔径为 95mm, 一般有效孔深为 70 m, 为不留死角, 同时确保超前 距在 20 m以上, 定为每帮每 50 m 开设 1 个钻场。抽采钻孔的抽采半 径为 2 m, 则2 钻孔终孔间距不大于 4 m;5国家煤矿瓦斯抽采基本指 标6中规定, 抽采钻孔必须控制巷道轮廓线外 8 m 以上。因此每个钻 场布 3 个钻孔, 呈扇形布孔。为充提高钻机使用率, 两帮钻场不同时 施工, 而是相互错开 25 m 布置, 形成交替迈步形式。 112 抽采钻孔施工 首先在巷道的两帮掘好钻场, 钻场规格 4 12 m深 1 18 m214 m; 钻场开好后, 用MK- 4型钻机施工 3个超前孔, 开孔位置距底板110 112 m,钻孔孔间距为 3m。钻孔控制巷道轮廓线以外 8 m的范围。 113 封孔工艺 钻孔施工好后, 及时用50 mm 封孔管缠毛巾并用铁丝捆扎后蘸 聚氨酯封孔并与抽采系统主管连接进行抽采, 封孔深度为 5 m, 上下 帮钻场间距 25m, 两帮交替迈步布置如图 l a、 b。封孔工艺如图 2 所示。封孔之后, 确保孔日负压不少于 13 kPa, 但发现抽采效果并不 理想, 抽出瓦斯浓度较低, 防突效果差, 个别钻孔出现煤层自燃而不 得不停止掘进和瓦斯抽采。 114 原封孔工艺分析 在调查了 Z1504 掘进巷挂耳抽采钻场之后, 发现由于受掘进影响 和地质条件复杂等因素影响, 巷道掘进往往会产生许多裂隙, 导致巷 道变形, 顶板悬矸, 势必造成的巷道松动圈范围扩大, 加之聚氨酯流 安装在矿井巷道的顶部; 随身携带时必须要保证瓦斯传感器完全暴 露在空气中, 更不能被水浸泡; 每次使用之前必须把锂电池充满电, 以免断电后影响其正常工作。 在瓦斯不超标的环境下, 该装置只有绿灯 D1 在闪烁, 一旦瓦斯 体积分数超标LCD的背光灯会被自动点亮, 红灯D2 D4 不断闪烁并 发出声音报警, 红灯闪烁频率越高、 发出的声音越急促说明瓦斯体积 分数超标越严重, 此时应尽快撤离工作现场; 当瓦斯体积分数恢复到 预设的安全值以下时, 设备自动进入正常工作状态。 5 结语 煤矿瓦斯预警装置能连续自动地将矿井下瓦斯体积分数转换成 标准电信号输送给单片机, 并通过MzLH04 实时显示瓦斯体积分数 值, 当瓦斯体积分数超过预设的安全值时会自动启动声光报警, 通知 工作人员尽快撤离工作现场, 并采取有效的紧急措施降低通道内的 瓦斯体积分数。经实验表明, 煤矿瓦斯预警装置具有测量精度高、 响 应速度快、 性能稳定、 便于维护和操作方便等优点, 从而为决策指挥 和通风业务管理提供科学准确的依据, 确保安全生产。 参考文献 [1] 陈新军, 刘明光. 基于单片机的煤矿瓦斯自动检测系统[J]. 采矿 技术, 2007, 1 75- 76. [2] 金钟夫, 杜刚, 王群. AVR ATmega128 单片机 C 程序设计与实践 [M]. 北京 北京航空航天大学出版社, 2008. [3] 吴呈瑜, 孙运强. 基于ZigBee 的瓦斯无线监测系统硬件设计[J]. 今日电子, 2008, 1 79- 81. [4] 王海向, 党瑞荣. 基于 A T89S51 的新型家庭语音报警系统设计 [J]. 世界电子元器件, 2008, 11 64- 66. [5] 李震, 洪添胜, 黎嘉铭. 基于 AVR 单片机和 LabVIEW 的水温控 制系统[J]. 计算机工程与设计, 2007, 3615- 617. 责任编辑 徐艳杰 收稿日期2009- 03- 06;修订日期 2009- 06- 03 作者简介赵庆珍1965- , 男, 山西昔阳人, 工程师, 毕业于山西矿业学院地质系煤田地质与勘探专业, 现在阳泉煤业集团技 术中心瓦斯研究所从事瓦斯治理工作, Tel15839135980, E- mailwf3601261com。 第 28卷第 9 期 2009 年 9月 煤 炭 技 术 Coal Technology Vol128,No109 Sep,2009