煤礦電纜火災自動監控系統設計

　　摘要：由于煤礦井下情況復雜，需要考慮的綜合性因素很多，即便煤礦開采技術得到大幅提升，但是煤礦井下電纜卻非常容易產生火災隱患，從而為煤礦的正常開采和日常生產帶來阻礙，鑒于此，有必要設計一款適合煤礦井下電纜火災自動檢測和滅火的系統。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備對煤礦井下電纜火災進行有效監控和處理。

　　關鍵詞：煤礦火災;光纖測溫;自動滅火裝置;固態氮;超細干粉;自由基

　　引言：我國是一個工業大國，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，對工業發展和經濟建設有著非常重要的作用。經濟技術的發展也在一定程度上提高了煤礦開采技術。但是任何事物都具有兩面性，電纜設備在礦井中的廣泛使用也增加了煤礦火災風險，不僅會對整體的開采工作產生影響，嚴重的還會造成重大事故和人員傷亡，由此可見，研究煤礦電纜火災自動監控系統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，積極宣傳煤炭工業有關政策法規，報道國內外煤炭生產、管理、設計、施工、科研、機械制造等方面的新成就、新經驗和新動向，全心全意為企業和讀者服務。

　　煤礦電纜火災自動監控總體設計方案

　　結合大量的實驗和分析得出，現多采用分布式光纖以及超細干粉滅火設備對煤礦井下電纜火災進行有效監控和處理。該監控系統主要由以下幾個模塊構成：①煤礦電纜火災自動探測裝置;②煤礦電纜火災自動滅火裝置;③組合監控系統。和傳統的井下火災監控系統相比，該測試和監控系統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來有效感知光纖周圍的溫度變化。此外，該監測設備的滅火裝置還采用了超細干粉滅火技術，和普通的滅火干粉不同，該干粉的粒度低于20微米，且不會對光纖設備以及周圍的電力設備產生損傷，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，該監控設備的組合監控系統采用了常見的微軟系統，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、煤礦電纜火災自動探測裝置

　　結合總設計方案可知，煤礦電纜自動火災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狀態下，其內部的激光器設備會產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備中，此時傳感光纖中會產生攜帶溫度場信號的拉曼散射粒子，該粒子可對周圍環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備中的光電信號接收器中，通過信號放大和處理，測溫系統可以敏感地捕捉到光纖溫度變化數值以及溫度變化位置。如果溫度超過了額定范圍，系統會亮起紅燈，且立刻報警�？偟膩碚f，煤礦電纜火災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，且內部擁有以下電子元器件：①使用內核為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接口完美適配，從而完成溫度測量、溫度數據分析以及系統運行等工作指令。

　　三、煤礦電纜火災自動滅火裝置

　　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，利用該技術，不僅可以實現自動滅火裝置和組合控制系統的無線通信，同時還可以及時發現著火點，并啟用滅火裝置。此外，為了不影響井下電纜設備的正常使用，提高滅火效率，煤礦電纜火災裝置中中配備的滅火劑多為固態氮驅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少量性質較為活潑的金屬粉末;④安定劑和固態氮驅動劑。一旦光纖探測設備檢測的有火災發生后，該滅火裝置會自動觸發電流，然后從噴氣口中噴出超細干粉，從而實現高效率滅火。

　　四、組合監控系統

　　為了更好地提高煤礦井下火災檢測效率以及滅火質量，還在該監測系統中配備了組合監控系統，該系統的功能主要有以下兩點：首先，該系統可以迅速接收光纖測溫系統傳遞的信號，并對該信號進行集成化處理，然后將數據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器，該觸發器有兩種操作模式：①人機模式;②無人自動觸發模式，在人機模式下，當監測人員發現某區域溫度變化超出額定范圍且產生煙霧后，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，其內部的固態氮激發部件會產生感應電流，然后將設備中額固態氮儲能劑轉化為稀有氣體，和超細干粉滅火劑一起從裝置中噴出。

　　在無人模式下，當光纖感溫系統探測到火源后，一旦溫度超過滅火設備中熔斷劑的熔點，無須人為操作，熔斷機會自動觸發固態氮激發部件，從而實現自動滅火。但是需要注意的是，由于煤礦井下范圍較大，電纜火災自動滅火裝置的滅火范圍有限，只能對周圍10以內的電纜設備進行滅火，如果要實現滅火范圍全覆蓋，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.固態氮儲能艙;3.(ZigBee 終端、ZigBee 路由通信控制觸發器;4.固態氮儲能驅動藥;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：綜上所述;煤礦電纜火災自動檢測系統構成如下：

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

　�、诘�是在該檢測設備的實際使用中，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，為實現滅火范圍全覆蓋，需要結合煤礦的實際情況合理架構火災自動監測裝置。

　　參考文獻：

　　王海洋. 煤礦電纜火災自動監控系統設計與實現[J]. 遼寧工程技術大學學報(自然科學版), 2019, 38(01):66-71.

　　鄭曉亮, 胡業林. 基于分布式光纖測溫技術的井下電纜溫度監測系統設計[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測系統設計[J]. 電工技術, 2016(01):55-56.

　　作者：趙可可

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