煤礦電纜火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：由于煤礦井下情況復(fù)雜，需要考慮的綜合性因素很多，即便煤礦開(kāi)采技術(shù)得到大幅提升，但是煤礦井下電纜卻非常容易產(chǎn)生火災(zāi)隱患，從而為煤礦的正常開(kāi)采和日常生產(chǎn)帶來(lái)阻礙，鑒于此，有必要設(shè)計(jì)一款適合煤礦井下電纜火災(zāi)自動(dòng)檢測(cè)和滅火的系統(tǒng)。通過(guò)大量的研究和分析得出，目前可以用可分布式光纖以及超細(xì)干粉滅火設(shè)備對(duì)煤礦井下電纜火災(zāi)進(jìn)行有效監(jiān)控和處理。

　　關(guān)鍵詞：煤礦火災(zāi);光纖測(cè)溫;自動(dòng)滅火裝置;固態(tài)氮;超細(xì)干粉;自由基

　　引言：我國(guó)是一個(gè)工業(yè)大國(guó)，有著很高的能源需求，煤礦資源作為我國(guó)重要的不可再生資源之一，對(duì)工業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著非常重要的作用。經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展也在一定程度上提高了煤礦開(kāi)采技術(shù)。但是任何事物都具有兩面性，電纜設(shè)備在礦井中的廣泛使用也增加了煤礦火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，不僅會(huì)對(duì)整體的開(kāi)采工作產(chǎn)生影響，嚴(yán)重的還會(huì)造成重大事故和人員傷亡，由此可見(jiàn)，研究煤礦電纜火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的作用和意義。

　　煤炭論文投稿刊物：《煤炭工程》辦刊宗旨是：在“三貼近”原則指導(dǎo)下，積極宣傳煤炭工業(yè)有關(guān)政策法規(guī)，報(bào)道國(guó)內(nèi)外煤炭生產(chǎn)、管理、設(shè)計(jì)、施工、科研、機(jī)械制造等方面的新成就、新經(jīng)驗(yàn)和新動(dòng)向，全心全意為企業(yè)和讀者服務(wù)。

　　煤礦電纜火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)控總體設(shè)計(jì)方案

　　結(jié)合大量的實(shí)驗(yàn)和分析得出，現(xiàn)多采用分布式光纖以及超細(xì)干粉滅火設(shè)備對(duì)煤礦井下電纜火災(zāi)進(jìn)行有效監(jiān)控和處理。該監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：①煤礦電纜火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)裝置;②煤礦電纜火災(zāi)自動(dòng)滅火裝置;③組合監(jiān)控系統(tǒng)。和傳統(tǒng)的井下火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)相比，該測(cè)試和監(jiān)控系統(tǒng)主要利用可分布式光纖進(jìn)行溫度測(cè)量，該測(cè)溫裝置利用感溫光纖中的時(shí)域反射以及拉曼散射效應(yīng)來(lái)有效感知光纖周圍的溫度變化。此外，該監(jiān)測(cè)設(shè)備的滅火裝置還采用了超細(xì)干粉滅火技術(shù)，和普通的滅火干粉不同，該干粉的粒度低于20微米，且不會(huì)對(duì)光纖設(shè)備以及周圍的電力設(shè)備產(chǎn)生損傷，同時(shí)，由于超細(xì)干粉的成分為磷酸銨鹽，對(duì)人體的毒害性微弱，所有非常適用于井下滅火。此外，該監(jiān)控設(shè)備的組合監(jiān)控系統(tǒng)采用了常見(jiàn)的微軟系統(tǒng)，操作模式和普通電腦基本一致，且擁有非常完善的中文交互界面。

　　二、煤礦電纜火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)裝置

　　結(jié)合總設(shè)計(jì)方案可知，煤礦電纜自動(dòng)火災(zāi)探測(cè)裝置采用了可分布式光纖來(lái)進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)測(cè)溫裝置處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，其內(nèi)部的激光器設(shè)備會(huì)產(chǎn)生頻率特定的脈沖寬帶以光脈沖信號(hào)，然后再傳輸至傳感光纖設(shè)備中，此時(shí)傳感光纖中會(huì)產(chǎn)生攜帶溫度場(chǎng)信號(hào)的拉曼散射粒子，該粒子可對(duì)周圍環(huán)境的溫度的微弱變換進(jìn)行感知，然后再將感知信號(hào)傳輸至檢測(cè)設(shè)備中的光電信號(hào)接收器中，通過(guò)信號(hào)放大和處理，測(cè)溫系統(tǒng)可以敏感地捕捉到光纖溫度變化數(shù)值以及溫度變化位置。如果溫度超過(guò)了額定范圍，系統(tǒng)會(huì)亮起紅燈，且立刻報(bào)警�？偟膩�(lái)說(shuō)，煤礦電纜火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)裝置最為核心的元器件我光纖測(cè)溫主機(jī)和測(cè)溫光纖。為了提高測(cè)溫效率，光纖測(cè)溫主機(jī)普遍采用集成化模塊，且內(nèi)部擁有以下電子元器件：①使用內(nèi)核為ARM32 位的中央處理器，頻率為72Hz、1.25DMIPS/MHz 的STM32F103 系列芯片進(jìn)行采樣控制;②使用型號(hào)為RS232 與 RS485 的通信接口，且該接口可以和組合控制系統(tǒng)接口完美適配，從而完成溫度測(cè)量、溫度數(shù)據(jù)分析以及系統(tǒng)運(yùn)行等工作指令。

　　三、煤礦電纜火災(zāi)自動(dòng)滅火裝置

　　井下除了要配備可分布式光纖測(cè)溫裝置之外，還要配備自動(dòng)滅火裝置。結(jié)合前文可知，目前較為適用的井下自動(dòng)滅火裝置多采用 ZigBee 技術(shù)，利用該技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滅火裝置和組合控制系統(tǒng)的無(wú)線通信，同時(shí)還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)著火點(diǎn)，并啟用滅火裝置。此外，為了不影響井下電纜設(shè)備的正常使用，提高滅火效率，煤礦電纜火災(zāi)裝置中中配備的滅火劑多為固態(tài)氮驅(qū)動(dòng)下的超細(xì)干粉滅火劑。該干粉滅火劑不同于二氧化碳滅火劑以及普通的磷酸銨鹽滅火劑，其主要由以下成分構(gòu)成：①pH值為中性的無(wú)機(jī)鹽;②含有大量碳劑的植物粉末;③少量性質(zhì)較為活潑的金屬粉末;④安定劑和固態(tài)氮驅(qū)動(dòng)劑。一旦光纖探測(cè)設(shè)備檢測(cè)的有火災(zāi)發(fā)生后，該滅火裝置會(huì)自動(dòng)觸發(fā)電流，然后從噴氣口中噴出超細(xì)干粉，從而實(shí)現(xiàn)高效率滅火。

　　四、組合監(jiān)控系統(tǒng)

　　為了更好地提高煤礦井下火災(zāi)檢測(cè)效率以及滅火質(zhì)量，還在該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中配備了組合監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的功能主要有以下兩點(diǎn)：首先，該系統(tǒng)可以迅速接收光纖測(cè)溫系統(tǒng)傳遞的信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行集成化處理，然后將數(shù)據(jù)信息傳輸至人機(jī)操作交互界面;其次，該裝置還可以實(shí)時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)滅火裝置中的控制觸發(fā)器，該觸發(fā)器有兩種操作模式：①人機(jī)模式;②無(wú)人自動(dòng)觸發(fā)模式，在人機(jī)模式下，當(dāng)監(jiān)測(cè)人員發(fā)現(xiàn)某區(qū)域溫度變化超出額定范圍且產(chǎn)生煙霧后，可以迅速按下啟動(dòng)滅火裝置按鈕，該按鈕使用ZigBee 通信模塊，可以和自動(dòng)滅火裝置進(jìn)行無(wú)線信號(hào)傳輸，當(dāng)自動(dòng)滅火裝置接收到信號(hào)后，其內(nèi)部的固態(tài)氮激發(fā)部件會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，然后將設(shè)備中額固態(tài)氮儲(chǔ)能劑轉(zhuǎn)化為稀有氣體，和超細(xì)干粉滅火劑一起從裝置中噴出。

　　在無(wú)人模式下，當(dāng)光纖感溫系統(tǒng)探測(cè)到火源后，一旦溫度超過(guò)滅火設(shè)備中熔斷劑的熔點(diǎn)，無(wú)須人為操作，熔斷機(jī)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)固態(tài)氮激發(fā)部件，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滅火。但是需要注意的是，由于煤礦井下范圍較大，電纜火災(zāi)自動(dòng)滅火裝置的滅火范圍有限，只能對(duì)周圍10以內(nèi)的電纜設(shè)備進(jìn)行滅火，如果要實(shí)現(xiàn)滅火范圍全覆蓋，則需要在煤礦井下布置多個(gè)自動(dòng)滅火裝置，且需要使用集成電路模塊將裝置連接起來(lái)。

　　1.超細(xì)干粉儲(chǔ)存艙;2.固態(tài)氮儲(chǔ)能艙;3.(ZigBee 終端、ZigBee 路由通信控制觸發(fā)器;4.固態(tài)氮儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)藥;5.超細(xì)干粉滅火劑;6.儲(chǔ)存艙固定夾;7.滅火裝置固定板;8.噴管緊固螺母;9.高壓橡膠噴管;10.噴孔

　　總結(jié)：綜上所述;煤礦電纜火災(zāi)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如下：

　�、僭摍z測(cè)系統(tǒng)主要利用了可分布式光纖的拉曼散射效應(yīng)來(lái)檢測(cè)火場(chǎng)周圍的環(huán)境溫度變化，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)高效滅火，還使用了基于ZigBee 通信模塊控制下的超細(xì)干粉滅火技術(shù)，即便在無(wú)人操作狀態(tài)下，該設(shè)備都可以迅速實(shí)現(xiàn)感溫和滅火，且其噴出的超細(xì)干粉滅火劑不會(huì)對(duì)煤炭電纜產(chǎn)生損害，同時(shí)其對(duì)人體的毒害性也相對(duì)微弱。

　　②但是在該檢測(cè)設(shè)備的實(shí)際使用中，還需要考慮到滅火范圍等問(wèn)題，由于超細(xì)干粉滅火劑的滅火范圍有限，為實(shí)現(xiàn)滅火范圍全覆蓋，需要結(jié)合煤礦的實(shí)際情況合理架構(gòu)火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置。

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　　作者：趙可可

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