煤矿瓦斯监控及数据传输系统 

煤矿瓦斯监控及数据传输系统 

朱明杰

中煤科工集团常州研究院有限公司 江苏省常州市213015

摘要：瓦斯爆炸是井下事故中占比较高的一种。当发生瓦斯爆炸时，如果缺乏有效应对措施将造成很大的伤害和损失。结合矿井实际情况，设计瓦斯监控系统，实时监测瓦斯浓度，可以起到提早预防、避免发生事故的作用。本文以瓦斯监控系统构成的分析为切入点，进一步提出瓦斯监控系统应用的强化对策，以期具有借鉴意义。

关键词：瓦斯爆炸；瓦斯监控系统；预防

引言

随着经济的快速发展，人类对能源的需求急剧增加。作为重要能源之一，煤炭需求不断增长。但近年来，煤矿事故的频繁发生，给人类带来了巨大的经济损失，煤矿的安全问题尤为突出。在煤矿事故中，瓦斯(主要成分为甲烷，分子式为CH4)爆炸已成为人类的第一个杀手。因此，为了有效地预防和减少瓦斯爆炸事故，研究和设计一个煤矿瓦斯监控系统是非常必要的。传统的气体监控方法是利用电信线路从传感器向控制器收集气体信号，控制器根据情况发送控制信号，即称为有线数据传输方式。在这种控制模式下，当传输线路长时，硬件成本昂贵，经常出现干扰，其可靠性和精度较低。随着传感器技术、网络技术和电子技术的快速发展，无线通信模式已经在许多领域得到了广泛的应用。与传统的有线数据传输模式相比，无线系统省略了连接线，其更简单、便宜、快捷。该系统以射频收发芯片nＲF2401为核心，利用传感器技术、无线收发技术和计算机技术，实现多点气体的数据采集和短程无线传输。实际应用结果表明，监测系统稳定、可靠、准确，具有较大的应用价值。

1预警系统的逻辑结构设计

预警的逻辑结构是预警控制过程中包含的逻辑单元之间的关系。一个完整的预警系统包括6个部分:危险监测、危险识别、预警标识识别、预警情况分析、预警信息问题、对策建议、实施评估等(图1)。

预警要素是指预警对象的各种相关因素，如特定灾害或事故、排除影响因素和反映因素。危害监测是一个全面、完整的过程，旨在建立可靠的安全信息源，尽可能全面、完整、及时地获取各种与灾害有关的动态安全信息。同时，还具有安全信息的分类、存储、传输、归档等功能。危险被称为警告源，它是事故和灾难的根源。根据预警要素的监控结果，预警源识别是为了确定与预警对象相关的危险的存在、状态和发展趋势。警告源标识是基于警告元素与警告源之间的客观关系。事故和灾难的发生是一个从定量到定性的过程。一系列标志称为在过程中出现的警告标志。它们提供警告事故或事故的关键信息。一些警示标志反映了警示源的构成，一些反映了灾害的发生和发展过程。警示标识是过滤和分析监控信息，提取警示源和警示元件的标识，提供关键信息。

预警情况分析是基于监测信息和预警标识的重新识别，根据预警情况的分析模型、灾害的合理性和发展趋势，确定危害程度。预警情况分析的目的是及时对灾害进行可靠的预测和评价。不准确和不充分的结果可能会影响预警效果。预警情况分析是整个预警成败的关键，也是预警过程中最困难的部分。预警级别表示灾害发生的危险程度。根据预警级别的不同，通过一定的方式发布预警结果，以便让相关人员及时了解灾害的危险程度和发展趋势。在生产过程中，警告结果的发布内容应因人员质量、需求和责任而不同。通常，电视、广播、互联网、移动电话短信和电话号码等都会遇到警告结果问题。发布内容通常包含警告级别和建议。发布方式包括声音、图像、文本等。根据预警措施可以分析结果，利用对策提出灾害预防建议，指导人员采取措施和决策。通常可以根据专家的需要，建立规则数据库。预警响应是及时、有效、完整地实施相应的回复措施，消除导致危险事件的各种因素，及时采取预防和预防措施，避免事故或减少事故造成的损害。

2瓦斯监控系统的整体设计

整个系统包括前端和终端2个子系统。前端系统主要包括甲烷传感器、微机单元和无线通信模块，负责多点甲烷信号的收集，并通过无线通信模块向终端系统发送信号。终端系统首先接收甲烷信号，然后将信号发送到微机单元处理、显示，并可实现参数设置、中继控制、模拟信号输出、数据传输到PC等功能。整体设计如图2所示。

2.1传感器的选择

在瓦斯监测过程中，甲烷传感器是煤矿监测系统的“眼睛”，是关键的瓦斯报警技术设备，其可靠性和灵敏度直接关系到整个监测系统的安全。目前监测甲烷的方法多，选择GJG100H红外甲烷传感器，GJG100H传感器利用甲烷可以对3.33μm波长红外光产生强吸收峰、但水蒸气和二氧化碳等气体中的杂质不能明显吸收红外光的特性，实现甲烷气体的检测。传感器采用自行开发的红外敏感元件和差分补偿信号处理器，实现0～100%甲烷浓度监测，采用微孔通风滤膜作为防尘防潮防腐剂，解决红外甲烷传感器的防尘防水问题，采用程序增强方法减少启动电流，采用自吸气体交换法实现快速气体交换，提高响应速度，利用温度补偿法扩大温度传感器的应用范围，提高测量精度等。2007年2月9日，GJG100H红外甲烷传感器通过国家安全生产总管理局组织的科技成果鉴定。现场应用表明，GJG10H红外甲烷传感器稳定、可靠、先进，已达到国际先进水平。GJG10H红外甲烷传感器是数字甲烷浓度测量仪器，数字信号输出格式为异步通信，标准波特率分别为9600、19200、38400b/s，易于与单片机89S52P1端口连接。

2.2 nＲF2401芯片选型设计

nＲF2401芯片是集成的射频、收发芯片，工作于2．4～2．5GHzISM频段，适用于无线数据传输系统、无线鼠标、遥控锁、遥控玩具等多种无线通信场合。nＲF2401采用全球开放2．4GHz频带，有125通道，可满足多频和跳频需要，其速度(1Mbps)高于蓝牙，数据吞吐量高，外围组件少，只有晶体和电阻可设计射频电路，包括发射功率、工作频率等所有操作参数可通过软件设置。其电源电压为1．9～3．6V，功率损耗很低。该芯片具有特殊的稳压器电路，能很好地适用于多数电源(包括直流/直流开关电源)。每个芯片按软件设置40位地址，可接收本地地址，输出数据(提供中断指令)，编程非常方便。有内置的CＲC校验验证硬件电路和协议，采用的TM技术可同时接收2个nＲF2401数据。nＲF2401具有4种工作模式:收发模式、配置模式、空闲模式、停机模式。nＲF2401的工作模式由PWＲ_UP、CE、TX_EN和CS四针脚设置。

3软件设计

在硬件设计完成后，可以根据硬件的结构来设计软件。对于软件，主要思想是按顺序执行，根据nＲF2401工作原理编写软件，软件部分主要包括数据拼接、键盘、显示、无线发送和接收等多个部分，其主要流程如图3所示。数据曲线的展示界面如图4所示，此界面的主要功能是可以对瓦斯浓度数据上升或者下降趋势进行直观的显示，同时可以人为干涉控制系统的通风排气或者断电等，与自动控制设备相结合，能够达到更好的安全预警效果。

结语

煤瓦斯突出预警系统是保障煤矿安全的新方法和新手段，也是结合煤矿安全理论、信息技术理论、地理信息系统技术和预警理论的复杂、系统的工程。在对矿山灾害的具体特征和规律进行系统研究的基础上，采用煤矿安全监测系统和局部网络条件，采用一系列专业分析软件为载体。介绍了一种基于无线收发机芯片nＲF2401的多点甲烷监控系统，它包括前端和终端两个子系统。前端系统主要负责多点甲烷浓度信号的收集和发送，终端系统负责处理信号。与传统的有线数据采集系统相比，该系统简单、便宜、快速，实际应用结果表明，该监控系统稳定、可靠、高精度，具有广泛的应用范围。作为一种符合矿山生产要求的早期预警技术系统，对预测和减少煤炭和天然气突发事故具有重要的现实意义。

参考文献

［1］陈雨龙，杜欣融．信息化监控技术在瓦斯隧道中的应用研究［J］．北方交通，2021(4):78-81．

［2］武海星．基于无线传感网的煤矿瓦斯监控系统研究与设计分析［J］．能源与节能，2021(3):118-119，124．