煤礦井下采空區有毒有害氣體實時在線監測系統的研究與實現*

李美鳳，于偉家，杜世偉，賈偉偉，詹新生

（1.徐州工業職業技術學院汽車工程學院，江蘇徐州 221004；2.中國傳媒大學信息與通信工程學院，北京 100024）

0 引言

迄今為止，煤炭依然在我國一次能源中占據重要位置，廣泛應用于化工、電力等行業。隨著開采量的逐年增加，礦井災害問題越發凸顯，據相關統計報道，由自燃引發的礦井災難占井下事故的90%，故防止井下采空區遺留煤氣自燃是防范礦井災難的關鍵?；诿旱淖匀继匦?，煤在氧化過程中會釋放大量有毒有害氣體（CO、CH4、O2、H2S），且與采空區溫度變化成規律。故通過分析采空區氣體成分、濃度和溫度監測來實現自燃預警是國內外廣泛采用的防治礦難手段[1-2]。

氣體成分分析要求設備具有檢測性強、靈敏度高和規律性好的特點[3]，由于CO 在煤低溫氧化階段出現，且隨著溫度升高會呈現規律性變化，故目前基于CO 氣體和溫度監測來預測煤自燃是一種主流監測手段，但井下地質特征復雜，以單一氣體監測作為預測煤自燃的方法缺乏準確性?；诿鹤匀嫉倪^程變化落后于CO 的出現，還會伴隨出現CO2、H2S、CH4等有毒有害氣體[4-7]。本文在全面調研分析國內外多氣體檢測儀器現狀和發展趨勢的基礎上提出了一種基于CAN 總線的新型礦用多氣體實時監控系統，該系統能夠實時在線采集井下有毒有害氣體，并分析氣體成分和濃度，結合光纖溫度傳感器的溫度數據，依據數據分析結果實現自動預警。該系統以中煤集團某煤礦上覆4 號煤層采空區為研究對象，在礦井已有光環網絡的基礎上自主搭建工業網絡，鋪設5 組束管用于氣體采樣分析，并基于光纖溫度傳感器監測溫度數據。經過為期半年的實地運行，系統運行穩定，數據可靠。該系統為及時發現井下安全隱患提供了技術保障，同時也為礦井科研項目提供了重要數據來源。

1 系統硬件設計

1.1 系統功能

系統采用獨立的氣體分析室，用于氣體采集分析化驗，簡稱“氣室”。在采空區布置采樣束管，通過束管采樣，分析采空區不同位置氣體成分，確定CO、H2S、O2、CH4等氣體濃度，結合溫度數據判斷采空區煤自燃狀態[8-10]，根據O2濃度的變化規律，確定采空區自燃危險區域和窒息帶的范圍分布。

1.2 系統框架

系統的硬件組成包括采樣束管、氣室、氣體傳感器、光纖溫度傳感器、溫度控制器和總控制器6 個部分。系統鋪設5 組采樣束管，2 組用于異常點氣體采樣，3 組用于常規區域氣體采樣，控制器通過控制信號依次打開不同區域的氣閥，采集泵將不同區域的氣體送入氣室進行分析化驗，并通過RS-485總線上傳到網關，系統硬件組成如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

通過電化學傳感器對采空區有毒有害氣體進行分析，得到的數據再由終端采集節點處理后通過RS485 將信號傳遞給網關節點，網關節點借助RS485 模塊實時同步終端控制節點，用于控制電磁閥和氣泵；同時，網關節點通過總控制器傳遞數據給上位機，用于遠程監控。系統拓撲結構如圖2所示。

圖2 系統拓撲圖

1.3 硬件電路設計

1.3.1 主控芯片選型

系統主控芯片是整個系統的核心部分，系統功能的實現都依賴主控制器。因此主控芯片需要有高速處理數據的能力，滿足精度高、頻率快，保障系統的精準性、實時性[11-12]。系統采用STM32F407ZGT6 為主控芯片，STM32F407ZGT6 芯片由32 位高性能ARM Cortex-M4 處理器、144 個I/O 口以及強大的系統時鐘等結構組成，可滿足系統性能要求。

1.3.2 傳感器選型

（1）溫度傳感器

采空區內部遺煤的溫度變化是判斷遺煤自燃程度的重要數據，通過升溫速度的變化可判斷氧化帶范圍[13-14]。在采空區鋪設光纖溫度傳感器，能夠監測采空區溫度。

采空區煤自燃溫度一般在30 ℃～100 ℃，系統采用HK-MR611 光纖溫度傳感器，測溫范圍為-40 ℃～85 ℃，且可用于多點溫度檢測，故光纖溫度傳感器可用于煤自燃的早期監測。

（2）氧氣傳感器

采空區氧氣濃度分布是劃分自燃危險區域的重要判據之一，掌握氧氣分布規律是防治煤炭自燃的重要手段[15]。系統采用S4-O 型氧氣傳感器，該傳感器量程為0～25%Vol，最大測量上限為30%Vol，具有響應速度快，性能穩定的特點，廣泛應用于工業測量領域。

（3）甲烷傳感器

甲烷傳感器主要用于監測采空區內部瓦斯濃度[16]，是預防瓦斯爆炸的重要數據。系統采用S4-CH4 型甲烷傳感器，測量范圍為0～100%LEL，具有工作穩定性高、輸出線性度好，響應時間短的特點。

（4）一氧化碳傳感器

CO濃度是判斷遺煤是否發生自燃或自燃程度的重要標志性氣體之一，通過監測CO 濃度可預警遺煤自燃，防止礦難發生[17]。系統采用S4-CO 氣體傳感器監測CO濃度變化，該傳感器測量范圍為0～100%Vol，具有響應速度快，靈敏度高的特點。

（5）硫化氫傳感器

老舊甚至廢棄礦井下因通風和開采技術有限，時常會出現硫化氫異常，為復采工作帶來困難[18-19]。系統采用S4-H2S 氣體傳感器監測H2S 濃度變化，該傳感器測量范圍為0～0.5%Vol，具有響應速度快，靈敏度高的特點。

1.3.3 終端采集節點

終端采集節點模塊采用一款8路12 bit的高精度模擬量采集板，每路均可通過跳線選擇模擬量類型（或量程）：0～5 V；0～10 V；0～20 mA，采集精度為0.1%。采集板帶有1 路繼電器輸出，可以輸出開關信號；采集板帶有1 路隔離的RS485 通信接口，可以通過該接口上傳數據。該模塊具有Modbus RTU 協議和自定義協議兩種，3 種數據輸出格式：16 位無符號整型ADC 值輸出（范圍：0～4 095）、16 位有符號整型數值輸出和32 位標準IEEE-754浮點數輸出，使用靈活方便。

1.3.4 網關節點

RS485 總線具有控制方便、技術成熟、硬件簡單等特點，在工業現場網絡中被廣泛應用[20-22]。系統采用485網關模塊，采集節點傳感器數據經過微控制器處理打包后由RS485 總線負責傳輸至網關節點?；赗S485 網關模塊，實現4路采集數據同時與以太網的數據交互。

1.3.5 終端控制節點

終端控制節點主要用于控制各采樣束管上電磁閥的打開或關閉，采樣束管在不同位置等間隔安裝有電磁閥，通過打開或關斷不同電磁閥來對不同區域氣體進行采樣分析?？偪刂破魍ㄟ^串口向終端控制節點發送一串ASCII代碼指令來控制電磁閥或氣泵的打開或關閉。

1.3.6 系統防爆抗壓設計

通過在井下采空區鋪設束管采樣氣體進入“氣室”進行化驗分析，為保證井下生產安全，所有電路的設計為本安設計。同時，為確保系統電路穩定工作，所有模塊電路均置于通過煤安認證的金屬箱內。

2 系統軟件設計

2.1 整體軟件程序設計

軟件控制程序是整個系統的“大腦”。系統整體運行分為3個階段，第1階段為系統初始化，上電后微控制器內部系統初始化，接著控制器引腳外設，等待ADC、定時器，USART 等初始化，最后各路傳感器初始化；第2階段為建立通信連接，初始化完成后，開始檢測RS485是否與上位機通信成功，若RS485 沒有成功與上位機遙控組態建立通信，系統會一直嘗試連接平臺，直至成功連接力控組態平臺；第3 階段為采樣分析階段，通信連接正常后，系統自動輪詢獲取各采集節點的氣體濃度數據，數據經打包后由RS485 上傳至網關節點，若數據在正常范圍內，則通過485 轉網口模塊將數據遠距離傳輸到地面監測站，若某種氣體濃度超標，則系統報警。整體運行流程如圖3所示。

圖3 系統整體流程

2.2 數據采集部分軟件程序設計

數據采集部分的程序設計主要完成傳感器的引腳配置，傳感器與微處理器通信的協議對接、數據采集和數據判斷等功能，其數據采集程序流程如圖4所示。

圖4 數據采集程序流程

3 上位機監控

采用MCGS 組態軟件設計人機交互界面，良好的人機交互便于遠程監控和異常預警。通過上位機可遠程選擇系統工作方式、查看數據、遠程控制等功能。系統啟動后首先進入工作模式選擇，若選擇自動模式，則系統會依次打開各采集區的進氣閥、氣泵、并啟動定時，采樣結束后關閉氣閥和氣泵，對采樣氣體進行分析并判斷是否達到預警值，同時保存數據，為分析趨勢變化作準備；手動模式常用于系統維護或測試時，手動選擇某個區域進行氣體采樣分析。

上位機界面設計了用戶登陸界面、主控制界面、報表查詢界面、系統信息查詢主界面、趨勢曲線窗口、報警窗口、事件查詢窗口等4個界面和3個窗口。系統登陸界面主要設定登陸權限，可根據不同用戶對象設置不同的操作權限。

系統主界面可切換手動、自動模式，可在手動模式下進行遠程操作；氣體采集區可實時顯示各種標志氣體的濃度、安全閾值和上次采樣值，也可通過主界面進入報表查詢界面查看歷史數據。主控制界面如圖5所示。

圖5 主控制界面

設備信息界面主要是為用戶提供終端采集節點、終端控制節點、采集泵開關設備的IP地址、端口號、設備地址以及當前系統運行日志，系統設備信息界面如圖6所示。

圖6 設備信息界面

4 系統調試與結果分析

在山西朔州市中煤集團某煤礦4 號煤層采空區實地安裝鋪設采樣束管，各模塊單獨測試，進行系統組網、通信測試、現場軟件與設備整體調試，并于2022 年9 月份正式投入運行，監測設備安裝如圖7所示。

圖7 監測設備安裝示意

為保證監測數據的準確性，測試人員通過手持式設備深入采空區巷道束管采樣點進行氣體采樣，完成了所有節點數據的人工采樣，數據采集表如表1 所示。選取兩組數據進行分析比對，結果如圖8 所示。由圖可知，隨著不斷深入采空區，氧氣濃度逐漸下降，甲烷濃度逐漸上升，最終在臨界值附近上下浮動。從對比分析結果可看出，系統自動采樣數據和人工采樣數據走勢一致，個別數據有差異，總體偏差在5%內，滿足誤差允許范圍。

表1 采樣數據

圖8 數據對比

5 結束語

由于開采技術有限，采空區遺煤遺氣存在較多有毒有害氣體，為復采帶來了很大的隱患。本文以中煤集團某煤礦采空區為研究對象，在礦區已有光環網的基礎上，基于CAN 總線搭建多氣體線上線下實時監控系統。本系統對采空區有毒有害標志性氣體CO、CO2，O2、CH4、H2S 等氣體的濃度進行實時在線監測，光纖溫度傳感器監測井下溫度，通過算法模型建立井下自燃預警機制，MCGS 組態設計上位機人機交互界面，實現線上線下實時監控。經過井下為時6 個月的實際運行，驗證了該系統能夠快速、準確地分析出氣體成分和氣體濃度，自燃預警功能為井下安全生產提供了保障，同時系統采集數據也將作為重要數據用于煤礦科研項目中。