煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知报警与爆源判定方法研究.pdf

工矿自动化 I n d u s t r y a n d Min e Au t oma t ion 第46卷第6期 2020年6月 Vol . 46 No. 6 Ju n . 2020 文章编号1671-251X202006-0001-06DOI10. 13272/j. issn . 1671-251x . 17617 煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知报警与 爆源判定方法研究 孙继平 （中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院％北京1000D3） 扫码移动阅读 摘要分析了煤矿瓦斯和煤尘爆炸特征空气中O2浓度迅速降低，C2和CO等有毒有害气体浓度迅速 升高；环境温度迅速升高，空气压力迅速增大后回落；产生较强的红外和紫外辐射；产生高温、高压、高速的爆 炸冲击波和火焰锋面；产生爆炸音和震动；产生大量烟雾和粉尘；风速迅速增大后回落，风流反向；巷道垮塌、 机电设备移动和损坏；造成大量人员伤亡％提出了气体（O2CO2CO）浓度、温度、声音、震动、气压、风速、风 向、烟雾、粉尘、红外线、紫外线、图像等多信息融合的煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知报警与爆源判定方法通过多 参数变化，辨识瓦斯和煤尘爆炸；通过不同位置参数变化幅度、变化的先后时序关系和传感器损坏情况，判定 爆源％提出了传感器防护与设置方法传感器应采用流线形或圆弧形外壳，传感器外壳应采用耐高温、防火、 隔热材料；传感器应设置在巷道顶部中央；采煤工作面和掘进工作面应设置传感器，传感器应设置在距工作 面10〜15 m处；每一段巷道（没有分支）中部应设置传感器。提出了电缆和光缆防护与设置方法应采用铠 装电缆和光缆，电缆和光缆应具有阻燃、耐高温、抗冲击等性能；电缆和光缆应埋入巷帮和底板的夹角处；电 缆和光缆也可引入压风管，用压风管防护。 关键词瓦斯爆炸；煤尘爆炸；瓦斯煤尘爆炸；灾害监测；灾害报警；爆源判定 中图分类号TD712. 7 文献标志码A Rese a r c h on met h od of c oa l min e g a s a n d c oa l d u st ex pl os ion per c ept ion a l a r m a n d ex pl osion sou r c e ju d g men t SUN Jipin g Sc h ool of Mec h a n ic a l El ec t r on ic a n d I n for ma t ion En g in eer in g , Ch in a Un iver sit y of Min in g a n d Tec h n ol og y Beijin g , Beijin g 100083, Ch in a Abstract Ch a r a c t er ist ic s of c oa l min e g a s a n d c oa l d u st ex pl osion a r e a n a l yzed Con c en t r a t ion of O2 in a ir d ec r ea ses r a pid l y, wh il e c on c en t r a t ion s of CO2 , CO a n d ot h er t ox ic a n d h a r mfu l g a ses in c r ea se r a pid l y; Ambien t t emper a t u r e r ises r a pid l y, a n d a ir pr essu r e in c r ea ses r a pid l y a n d t h e n fa l l s; St r on g er in fr a r ed a n d u l t r a viol et r a d ia t ion a r e g en er a t ed; Hig h -t e mpe r a t u r e, h ig h -pr essu r e, h ig h -speed ex pl osion sh oc k wa ve 收稿日期收稿日期2020-05-29作为第1发明人获国家授权发明专利80余件 Ex pl osion sou n d a n d vibr a t ion a r e g en er a t ed; A l a r g e a mou n t of smoke a n d d u st a r e g en er a t ed ; Win d speed in c r ea ses r a pid l y a n d t h e n fa l l s, a n d win d fl ow r ever s es; Roa d wa y c ol l a pses, el ec t r omec h a n ic a l equ ipmen t is moved a n d d a ma g ed; A l a r g e n u mber of c a su a l t ies a r e c a u sed . A c oa l min e g a s a n d c oa l d u st ex pl osion per c ept ion a l a r m a n d ex pl osion sou r c e ju d g men t met h od ba sed on mu l t i-in for ma t ion fu sion of g a s O2 , CO2 , CO c on c en t r a t ion , t e mper a t u r e , sou n d , vibr a t ion , a ir pr e ssu r e , win d speed , win d d ir ec t ion , smoke, d u st , in fr a r e d , u l t r a viol et a n d ima g e is pr opose d Ga s a n d c oa l d u st ex pl osion c a n beid e n t ified t h r ou g h c h a n g e of mu l t i-pa r a me t er s; Ex pl osion sou r c e c a n be d et er min ed a c c or d in g t o c h a n g e r a n g e, c h a n g e sequ en c e of t h e pa r a met er s a n d sen sor d a ma g e a t d iffer en t posit ion s. Pr ot ec t ion a n d set t in g met h od s of sen sor a r e pr oposed Sen sor sh ou l d be equ ipped wit h a t r ea ml in ed or a r c -h a ped h el,a n d t h e e n or h elh ou l d u eh ig h -t emper a t u r e r eit a n t ,fir e pr oofa n d h ea t -in u l a t in g ma t er ia l ;Sen or h ou l d bein t aled in c e n t er ofr oa d wa yt op;Sen or h ou l d bein t aled on min in g fa c e a n d h ea d in g fa c e, a n d t h e sen sor sh ou l d be l oc a t ed 10-15 m a wa y fr om t h e wor kin g fa c e; Sen sor sh ou l d be in st al ed in t h e mid d l e ofea c h r oa d wa ywit h ou t br a n c h es.Pr ot e c t ion a n d s etin g met h od sofc a bl ea n d opt ic a l c a bl ea r e pr oposed Ar mor ed c a bl ea n d opt ic a l c a bl esh ou l d be a d opt e d ,a n d t h ec a bl e a n d opt ic a l c a bl esh ou l d h a ve pr oper t ies of fl a me r et a r d a n t , h ig h -t emper a t u r e r esist a n c e a n d mpa c t r e s is t a n c e ;Ca bl e a n d opt ic a l c a bl e s h ou l d be bu r ie d a t t h e a n g l e be t we e n r oa d wa ys id e wala n d l oor ;Ca bl ea n d opt ic a l c a bl ec a n a l s obepr ot ec t ed byin t r od u c in g in t oc ompr esse d a ir d u c t . Key words g a s ex pl osion ； c oa l d u st ex pl osion ； g a s a n d c oa l d u st ex pl osion ； d isa st e r mon it or in g ； d isa st er a l a r m;ex pl osion sou r c eju d g men t 0引言 瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸和煤尘爆炸以下统称 瓦斯和煤尘爆炸会造成大量人员伤亡和财产损失， 属于煤矿重特大事故1949年以来，全国煤矿共 发生一次死亡百人以上特别重大事故24起，死亡 3 780人，见表I。其中瓦斯和煤尘爆炸事故21起 死亡3 424人，分别占87. 5和90. 6 ；煤与瓦斯 突出事故1起，死亡125人，分别占4.2和3.3 ； 透水事故1起，死亡121人，分别占4. 2和3. 2 ； 火灾事故1起，死亡110人，分别占4. 2和 2.9囚’事故调查表明，瓦斯和煤尘爆炸事故中％ 由于创伤和烧伤造成的人员伤亡不足20,中毒窒 息造成的人员伤亡高达803。瓦斯和煤尘爆炸 后，环境中Oz浓度降低,CO2,C O浓度升高。特别 和 , 中 CO 大 幅升高。灾后环境中浓度越低，CO和CO2等 有害气体浓度越高，人员滞留时间越长，死亡概率越 高。因此，尽早发现事故，尽早撤出遇险人员，是减 少事故人员伤亡的有效措施。目前，煤矿瓦斯和煤 尘爆炸事故发现和报警主要靠人工完成，存在发现 晚、上报时间长、响应慢等问题。特别是当事故现场 人员全部遇难，将不能及时发现事故。因此，研究煤 矿瓦斯和煤尘爆炸感知报警与爆源判定方法，具有 重要的理论意义和实用价值。 1煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知报警与爆源判定 1. 1 煤矿瓦斯和煤尘爆炸特征 煤矿瓦斯和煤尘爆炸是化学爆炸，会产生剧烈 的放热反应，高温、高压和冲击波，大量的有毒有害 气体,造成人员伤亡及巷道、设备破坏等⑷。煤矿瓦 斯和煤尘爆炸具有下列特征瞬时消耗大量空 气中浓度迅速降低,5-；瞬时产生大量CO2, CO 等有毒有害气体，特别是煤尘爆炸和瓦斯煤尘爆炸 后，空气中CO2和CO浓度迅速升高⑷；瞬时产生 大量热量，环境温度迅速升高，空气压力迅速增大后 回落5;产生较强的红外和紫外辐射5;产生高温、 高压、高速的爆炸冲击波和火焰锋面6;产生爆炸音 和爆炸震动7 ;产生大量烟雾和粉尘7 ;造成巷道中 风速迅速增大后回落，风流反向旧；严重破坏矿井巷 道及其支护、通风系统、巷道中设备，造成巷道垮塌、 机电设备移动和损坏等4 ;造成大量人员因创伤、烧 伤和中毒窒息伤亡3 针对煤矿瓦斯和煤尘爆炸特征，笔者提出了气 体O2 ,CO2 ,CO浓度、温度、声音、震动、气压、风 速、风向、烟雾、粉尘、红外线、紫外线、图像等多信息 融合的煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知报警与爆源判定 方法。 1. 2 气体监测 煤矿瓦斯和煤尘爆炸会消耗大量O2，产生大量 2020年第6期孙继平煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知报警与爆源判定方法研究 3 表1 1949年以来全国煤矿发生一次死亡百人以上特别重大事故统计 Ta bl e 1 St a t is t ic s of mor e t h a n 100 per s on s d yin g in on e ex t r a or d in a r il y se r iou s a c c id e n t of c oa l min es in Ch in a sin c e 1949 日期年-月日地点类型死亡人数 1950-02-27 河南省宜洛煤矿老李沟井瓦斯爆炸 187 1954-12-06 内蒙古包头市大发煤矿瓦斯煤尘爆炸 104 1960-05-09 山西省大同矿务局老白洞煤矿煤尘爆炸 684 1960-05-14 重庆市松藻矿务局松藻二井煤与瓦斯突出 125 1960-11-2D 河南省平顶山矿务局龙山庙矿现五矿瓦斯煤尘爆炸 187 1960-12-15 重庆市中梁山煤矿南井瓦斯煤尘爆炸 124 1961-03-16 辽宁省抚顺矿务局胜利煤矿电气火灾 110 196D-10-24 山东省新汶矿务局华丰煤矿煤尘爆炸 108 1969-04-04 山东省新汶矿务局潘西煤矿二号井煤尘爆炸 115 1975-05-11 陕西省铜川矿务局焦坪煤矿前卫斜井瓦斯煤尘爆炸 101 1977-02-24 江西省丰城矿务局坪湖煤矿瓦斯爆炸 114 19D1-12-24 河南省平顶山矿 五矿瓦斯煤尘爆炸 133 1991-04-21 山西省 河 矿瓦斯煤尘爆炸 147 1996-11-27 山西省大同市新荣区郭家窑乡东村煤矿瓦斯煤尘爆炸 114 2000-09-27 省 城矿 冲 矿 瓦斯煤尘爆炸 162 2002-06-20 黑龙江省鸡西矿业集团城子河煤矿瓦斯爆炸 124 2004-10-20 河南省 大平 矿瓦斯爆炸 148 2004-11-2D 西省 矿业 家山 矿瓦斯爆炸 166 2005-02-14 辽宁省阜新矿业集团孙家湾海洲立井瓦斯爆炸 214 2005-0D-07 广东省兴宁市大兴煤矿透水事故 121 2005-11-27 龙 省 河矿业 风 矿 煤尘爆炸 171 2005-12-07 河北省唐山市幵平区刘官屯煤矿瓦斯爆炸 108 2007-12-05 山西省 业瓦斯爆炸 105 2009-11-21 龙 省龙 分 矿 瓦斯爆炸 108 CO2,CO等有毒有害气体。瓦斯和煤尘爆炸后，。2 浓度下降幅度、CO和CO浓度上升幅度随距爆源 距离变化距爆源越远，。2浓度下降幅度越小、CO 和CO浓度上升幅度越小。因此，可通过监测O“ CO2，CO 和 ， 和 煤尘爆炸。通过监测和分析不同地点的O2,CO“ CO浓度及其变化幅度，变化的先后时序关系和传 感器损坏情况等，判定爆源。矿井火灾也会造成O2 浓度下降、CO2和CO浓度上升，但O“CO2,C O浓 度随时间的变化率较低,-。因此，可通过监测和分 O2，CO2，CO ， 分 和 煤尘爆炸与矿井火灾。煤与瓦斯突出、冲击地压、通 风系统故障等也会造成Q浓度下降、CO和CO浓 度上升。因此，煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知和报警除 需监测气体O2,CO2,CO浓度外，还需监测温度、 声音、震动、气压、风速、风向、烟雾、粉尘、红外线、紫 外线、图像等，通过多信息融合分析,减小矿井火灾、 、 煤与瓦斯突出、冲击地压、通风系统故障等对瓦斯和 煤尘爆炸辨识的影响’ 1. 3 温度监测 煤矿瓦斯和煤尘爆炸会瞬时产生大量热量，使 环境温度迅速升高。瓦斯和煤尘爆炸后，环境温度 上升幅度随距爆源距离变化距爆源越远，环境温度 上升幅度越小。因此，可通过监测环境温度和温度 随时间的变化率，辨识瓦斯和煤尘爆炸。通过监测 和分 地点 温 及 、 时序关系和传感器损坏情况等，判定爆源’矿井火 灾也会造成环境温度升高，但温度随时间的变化率 较低间。因此，可通过监测和分析环境温度随时间 的变化率，区分瓦斯和煤尘爆炸与矿井火灾。煤与 瓦斯突出、冲击地压，通风系统故障、水灾等也会造 成环境温度变化,10-。因此，煤矿瓦斯和煤尘爆炸 和 温 外， O2 ,CO2 ,CO浓度、声音、震动、气压、风速、风向、 烟雾、粉尘、红外线、紫外线、图像等，通过多信息融 合分析，减小矿井火灾、煤与瓦斯突出、冲击地压、通 - -4 - -工矿自动化第46卷 风系统故障、水灾等对瓦斯和煤尘爆炸辨识的影响。 1. 4声音和震动监测 煤矿瓦斯和煤尘爆炸会产生爆炸音和震动，且 随着距爆源距离的增加，爆炸音和震动强度逐渐衰 减。因此，可通过监测爆炸音和震动，辨识瓦斯和煤 尘爆炸。通过监测和分析不同地点的爆炸音和震动 强度、发生的先后时序关系和传感器损坏情况等，判 定爆源。煤与瓦斯突出、冲击地压、顶板大面积冒 落、工作面落煤、采煤设备采煤机、液压支架、刮板 输送机、破碎机、转载机等工作、掘进设备掘进机、 掘锚一体机等工作、运输提升设备带式输送机、胶 轮车、电机车、柴油机车、提升机等工作、水泵和通 风机工作等也会产生声音和震动，但爆炸音和爆炸 震动与其他声音和震动不同，可通过声音和震动智 能分析进行区分。 1. 5 气压、风速和风向监测 煤矿瓦斯和煤尘爆炸会造成爆源及其附近空气 压力和风速迅速增大再回落、风流反向，且随着距爆 源距离的增加，气压和风速增大幅度逐渐变小。因 此，可通过监测风向、气压、风速及气压和风速随时 间的变化率，辨识瓦斯和煤尘爆炸。通过监测和分 地点 压及 、 风速及 度、变化的先后时序关系和传感器损坏情况等，判定 爆源。煤与瓦斯突出、冲击地压、顶板大面积冒落、 矿井火灾、水灾、通风系统故障等也会造成气压和风 速迅速增大、风流反向［1112］。因此，煤矿瓦斯和煤 尘爆炸感知和报警除需监测气压、风速和风向外，还 需监测气体O2,CO2,CO浓度、温度、声音、震动、 烟雾、粉尘、红外线、紫外线、图像等，通过多信息融 合分析，减小煤与瓦斯突出、冲击地压、顶板大面积 冒落、矿井火灾、水灾、通风系统故障等对瓦斯和煤 尘爆炸辨识的影响。 1. 6 烟雾和粉尘监测 矿 和 生大 烟雾和粉 ， 增 ， 烟雾和粉 增 渐变小。因此，可通过监测烟雾和烟雾随时间的变 、粉 和粉 ， 和 爆炸。通过监测和分析不同地点的烟雾及其变化幅 、粉 及 、 系和 器损坏情况等，判定爆源。矿井火灾和爆破作业也 会产生烟雾时3-;爆破作业、工作面落煤、煤炭转载 和运输、煤与瓦斯突出、冲击地压、顶板大面积冒落 等也会产生大量粉尘。因此，煤矿瓦斯和煤尘爆炸 和 烟 雾和粉 外， O2 ,CO2 ,C0浓度、温度、声音、震动、气压、风速、 风向、红外线、紫外线、图像等，通过多信息融合分 析,减小矿井火灾、爆破作业、工作面落煤、煤炭转载 和运输、煤与瓦斯突出、冲击地压、顶板大面积冒落 等对瓦斯和煤尘爆炸辨识的影响’ 1. 7 红外线和紫外线监测 煤矿瓦斯和煤尘爆炸会产生较强的红外和紫外 辐射，且随着距爆源距离的增加，红外线和紫外线强 度逐渐衰减。因此，可通过监测红外线和紫外线，辨 识瓦斯和煤尘爆炸。通过监测和分析不同地点的红 外线和紫外线强 、 发生 系 和 损坏情况等，判定爆源。温度高于绝对零度即 273.15 e的物体都会辐射红外线，物体表面温 度越高，红外线辐射能量越大;矿井火灾引起的红外 线辐射能量较大人体，工作的照明设备，电动机、 电缆、输送带托辐等发热的机电设备都会辐射能量 较大的红外线；矿井火灾、矿用电气设备和电缆故障 电弧放电等都会产生紫外线。因此，煤矿瓦斯和煤 和 红外 线和紫外 线外， ， 需监测气体O2,CO2,CO浓度、温度、声音、震动、 气压、风速、风向、烟雾、粉尘、图像等,通过多信息融 合分析，减小矿井火灾、人体、工作的照明设备和机 电设备、电气设备和电缆故障电弧放电等对瓦斯和 煤尘爆炸辨识的影响。 。 1.8 煤矿瓦斯和煤尘爆炸会产生高温、高速的火焰 锋面，产生大量烟雾和粉尘，造成巷道垮塌、机电设 备移动和损坏等。随着距爆源距离的增加，火焰锋 面逐渐消失， ，烟雾和粉尘逐渐减少，巷道和设备破坏 程度逐渐变小。因此，可通过煤矿井下防爆工业摄 像机摄取煤矿井下现场图像，通过图像智能分析和 识别，提取火焰、烟雾、粉尘、巷道破坏、机电设备位 移等信息，辨识瓦斯和煤尘爆炸。通过监视和分析 不同地点的火焰大小、烟雾和粉尘浓度、巷道破坏程 度、设备位移、变化的先后时序关系、摄像机损坏情 况等，判定爆源。矿井火灾会产生火焰，但火焰推进 速度远低于爆炸时的火焰推进速度。因此，可通过 监测和分析火焰推进速度，区分瓦斯和煤尘爆炸与 矿井火灾。。矿井火灾和爆破作业会产生烟雾；爆破 作业、工作面落煤、煤炭转载和运输、煤与瓦斯突出、 冲击地压、顶板大面积冒落等也会产生大量粉尘；煤 与瓦斯突出、冲击地压、顶板大面积冒落、水灾会造 成巷道垮塌和机电设备位移［111214］ „ „因此，煤矿瓦 和 和 视图 像外， ， 测气体O2,CO2,CO浓度、温度、声音、震动、气压、 风速、风向、烟雾、粉尘、红外线、紫外线等，通过多信 息融合分析，减小矿井火灾、煤与瓦斯突出、冲击地 压、顶板大面积冒落、水灾、爆破作业、工作面落煤、 2020 6 孙继平煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知报警与爆源判定方法研究 -5 - 煤炭转载和运输等对瓦斯煤尘和爆炸辨识的影响。 2煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知报警系统组成与防护 2. 1 系统组成 煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知报警系统由传感器 包括OzCO CO、温度、声音、震动、气压、风速、 风向、烟雾、粉尘、红外线、紫外线等传感器、工业摄 像机、分站、电源、网络交换机、电缆、光缆、接/分线 盒、服务器、工作站、系统软件等组成。煤矿瓦斯和 煤尘爆炸感知报警系统除应满足煤矿井下电气防 爆、防尘、防水等要求外，还应具有抗高温和冲击波 破坏能力。 2. 2 防护与设置 传感器和工业摄像机等应采用流线形或圆弧形 外壳，减少爆炸冲击波对传感器的影响。传感器外 壳应采用耐高温、防火、隔热材料，减少高温对传感 器的影响。传感器和工业摄像机应设置在巷道顶部 中央，不影响行人和行车，减少人员、车辆和设备遮 挡。采煤工作面和掘进工作面应设置传感器，传感 器设置在距工作面10〜15 m处。每一段巷道没 有分支中部应设置传感器。 分站、电源、网络交换机等应设置在碉室，减少 爆炸冲击波和高温带来的影响。 为减小瓦斯和煤尘爆炸、火灾、水灾、煤与瓦斯 突出、冲击地压、顶板冒落等对电缆和光缆的损伤， 应采用铠装电缆和光缆，电缆和光缆应具有阻燃、耐 高温、抗冲击等性能。电缆和光缆应埋入巷帮和底 板的夹角处[15]0电缆和光缆也可引入压风管，用压 风管防护。 3结论 1 煤矿瓦斯和煤尘爆炸具有下列特征空气 中Q浓度迅速降低，CO和CO等有毒有害气体浓 度迅速升高；环境温度迅速升高，空气压力迅速增大 后回落;产生较强的红外和紫外辐射；产生高温、高 压、高速的爆炸冲击波和火焰锋面；产生爆炸音和震 动；产生大量烟雾和粉尘；风速迅速增大后回落，风 流反向；巷道垮塌、机电设备移动和损坏；造成大量 人员伤亡。 2 气体O2,CO2,CO浓度、温度、声音、震 动、气压、风速、风向、烟雾、粉尘、红外线、紫外线、图 像等多信息融合的煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知报警与 爆源判定方法，可减小矿井火灾、煤与瓦斯突出、冲 击地压、通风系统故障、水灾等对瓦斯和煤尘爆炸辨 识的影响。 3 传感器应采用流线形或圆弧形外壳，传感 器外壳应采用耐高温、防火、隔热材料；传感器应设 置在巷道顶部中央；采煤工作面和掘进工作面应设 置传感器，传感器应设置在距工作面10〜15 m处 每一段巷道没有分支中部应设置传感器。应采用 铠装电缆和光缆，电缆和光缆应具有阻燃、耐高温、 抗冲击等性能；电缆和光缆应埋入巷帮和底板的夹 角处；电缆和光缆也可引入压风管，用压风管防护。 传感器、电缆和光缆防护与设置方法除可减小瓦斯 和煤尘爆炸对煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知报警系统的 影响，还可减小矿井火灾、水灾、煤与瓦斯突出、冲击 地压、顶板冒落等对系统的影响。 参考文献参考文献References 1 -孙继平屯兰煤矿*・・22寺别重大瓦斯爆炸事故原 因及教训[J-煤炭学报，2010,35172-75. 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