煤礦電纜火災(zāi)自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

　　摘要：由于煤礦井下情況復雜，需要考慮的綜合性因素很多，即便煤礦開采技術(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采和日常生產(chǎn)帶來阻礙，鑒于此，有必要設(shè)計一款適合煤礦井下電纜火災(zāi)自動檢測和滅火的系統(tǒng)。通過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干粉滅火設(shè)備對煤礦井下電纜火災(zāi)進行有效監(jiān)控和處理。

　　關(guān)鍵詞：煤礦火災(zāi);光纖測溫;自動滅火裝置;固態(tài)氮;超細干粉;自由基

　　引言：我國是一個工業(yè)大國，有著很高的能源需求，煤礦資源作為我國重要的不可再生資源之一，對工業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟建設(shè)有著非常重要的作用。經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展也在一定程度上提高了煤礦開采技術(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)風險，不僅會對整體的開采工作產(chǎn)生影響，嚴重的還會造成重大事故和人員傷亡，由此可見，研究煤礦電纜火災(zāi)自動監(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”原則指導下，積極宣傳煤炭工業(yè)有關(guān)政策法規(guī)，報道國內(nèi)外煤炭生產(chǎn)、管理、設(shè)計、施工、科研、機械制造等方面的新成就、新經(jīng)驗和新動向，全心全意為企業(yè)和讀者服務(wù)。

　　煤礦電纜火災(zāi)自動監(jiān)控總體設(shè)計方案

　　結(jié)合大量的實驗和分析得出，現(xiàn)多采用分布式光纖以及超細干粉滅火設(shè)備對煤礦井下電纜火災(zāi)進行有效監(jiān)控和處理。該監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下幾個模塊構(gòu)成：①煤礦電纜火災(zāi)自動探測裝置;②煤礦電纜火災(zāi)自動滅火裝置;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，該測試和監(jiān)控系統(tǒng)主要利用可分布式光纖進行溫度測量，該測溫裝置利用感溫光纖中的時域反射以及拉曼散射效應(yīng)來有效感知光纖周圍的溫度變化。此外，該監(jiān)測設(shè)備的滅火裝置還采用了超細干粉滅火技術(shù)，和普通的滅火干粉不同，該干粉的粒度低于20微米，且不會對光纖設(shè)備以及周圍的電力設(shè)備產(chǎn)生損傷，同時，由于超細干粉的成分為磷酸銨鹽，對人體的毒害性微弱，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)自動探測裝置

　　結(jié)合總設(shè)計方案可知，煤礦電纜自動火災(zāi)探測裝置采用了可分布式光纖來進行測量，當測溫裝置處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，其內(nèi)部的激光器設(shè)備會產(chǎn)生頻率特定的脈沖寬帶以光脈沖信號，然后再傳輸至傳感光纖設(shè)備中，此時傳感光纖中會產(chǎn)生攜帶溫度場信號的拉曼散射粒子，該粒子可對周圍環(huán)境的溫度的微弱變換進行感知，然后再將感知信號傳輸至檢測設(shè)備中的光電信號接收器中，通過信號放大和處理，測溫系統(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。如果溫度超過了額定范圍，系統(tǒng)會亮起紅燈，且立刻報警�？偟膩碚f，煤礦電纜火災(zāi)自動探測裝置最為核心的元器件我光纖測溫主機和測溫光纖。為了提高測溫效率，光纖測溫主機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 系列芯片進行采樣控制;②使用型號為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，從而完成溫度測量、溫度數(shù)據(jù)分析以及系統(tǒng)運行等工作指令。

　　三、煤礦電纜火災(zāi)自動滅火裝置

　　井下除了要配備可分布式光纖測溫裝置之外，還要配備自動滅火裝置。結(jié)合前文可知，目前較為適用的井下自動滅火裝置多采用 ZigBee 技術(shù)，利用該技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)自動滅火裝置和組合控制系統(tǒng)的無線通信，同時還可以及時發(fā)現(xiàn)著火點，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)動下的超細干粉滅火劑。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值為中性的無機鹽;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)動劑。一旦光纖探測設(shè)備檢測的有火災(zāi)發(fā)生后，該滅火裝置會自動觸發(fā)電流，然后從噴氣口中噴出超細干粉，從而實現(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)檢測效率以及滅火質(zhì)量，還在該監(jiān)測系統(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：首先，該系統(tǒng)可以迅速接收光纖測溫系統(tǒng)傳遞的信號，并對該信號進行集成化處理，然后將數(shù)據(jù)信息傳輸至人機操作交互界面;其次，該裝置還可以實時啟動自動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人機模式;②無人自動觸發(fā)模式，在人機模式下，當監(jiān)測人員發(fā)現(xiàn)某區(qū)域溫度變化超出額定范圍且產(chǎn)生煙霧后，可以迅速按下啟動滅火裝置按鈕，該按鈕使用ZigBee 通信模塊，可以和自動滅火裝置進行無線信號傳輸，當自動滅火裝置接收到信號后，其內(nèi)部的固態(tài)氮激發(fā)部件會產(chǎn)生感應(yīng)電流，然后將設(shè)備中額固態(tài)氮儲能劑轉(zhuǎn)化為稀有氣體，和超細干粉滅火劑一起從裝置中噴出。

　　在無人模式下，當光纖感溫系統(tǒng)探測到火源后，一旦溫度超過滅火設(shè)備中熔斷劑的熔點，無須人為操作，熔斷機會自動觸發(fā)固態(tài)氮激發(fā)部件，從而實現(xiàn)自動滅火。但是需要注意的是，由于煤礦井下范圍較大，電纜火災(zāi)自動滅火裝置的滅火范圍有限，只能對周圍10以內(nèi)的電纜設(shè)備進行滅火，如果要實現(xiàn)滅火范圍全覆蓋，則需要在煤礦井下布置多個自動滅火裝置，且需要使用集成電路模塊將裝置連接起來。

　　1.超細干粉儲存艙;2.固態(tài)氮儲能艙;3.(ZigBee 終端、ZigBee 路由通信控制觸發(fā)器;4.固態(tài)氮儲能驅(qū)動藥;5.超細干粉滅火劑;6.儲存艙固定夾;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)自動檢測系統(tǒng)構(gòu)成如下：

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

　　②但是在該檢測設(shè)備的實際使用中，還需要考慮到滅火范圍等問題，由于超細干粉滅火劑的滅火范圍有限，為實現(xiàn)滅火范圍全覆蓋，需要結(jié)合煤礦的實際情況合理架構(gòu)火災(zāi)自動監(jiān)測裝置。

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　　鄭曉亮, 胡業(yè)林. 基于分布式光纖測溫技術(shù)的井下電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 煤炭工程, 2019, 000(009):19-21.

　　李勇. 基于分布式光纖溫度傳感器的高壓電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電工技術(shù), 2016(01):55-56.

　　作者：趙可可

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