矿井采空区气体?温度?压差无线传感器的设计及应用
王伟峰+侯媛彬+邓军+马砺+金永飞
摘 要： 针对矿井采空区煤自燃在线监测的技术难题，提出了密闭采空区气体?温度?压差无线传感器的设计方案。基于低功耗按需轻量动态多径路由协议，设计出集温/湿度，CO，O2，CH4，压差传感器于一体的密闭采空区气体?温度?压差无线传感器；结合采空区遗煤分布规律，确定了大面积密闭采空区高密度网络化测点布置方法，形成了具有可剪裁性、冗余性、鲁棒性等特点的气体?温度?压差无线传感器网络，解决了单点监测范围小、指标单一、特征信息异常反映滞后等问题。试验结果表明，无线传感器性能稳定良好，实现了对采空区气体?温度?压差的动态监测，保障了矿井的安全生产。
关键词： 密闭采空区； 煤自燃； 气体?温度?压差； 无线传感器
中图分类号： TN915?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0117?03
Design and application of wireless sensor for gas?temperature?pressure
difference in mine goaf
WANG Weifeng1， HOU Yuanbin2， DENG Jun1， MA Li1， JIN Yongfei1
（1. College of Safety Science and Engineering， Xian University of Science & Technology， Xian 710054， China；
2. College of Electrical and Control Engineering， Xian University of Science & Technology， Xian 710054， China）
Abstract： Aiming at the technical problems of the online monitoring for coal spontaneous combustion in mine goaf， a design scheme of wireless sensor for gas?temperature?pressure difference in airtight goaf is put forward. On the basis of low?power consumption on?demand lightweight dynamic multipath routing protocol， a wireless sensor for gas?temperature?pressure difference in mine goaf was designed， which is integrated with the sensors of temperature?humiture， carbon monoxide， oxygen， methane， differential pressure together. According to the distribution law of residual coal in goaf， the layout method of high?density networked measurement points in large airtight goaf was determined， the gas?temperature?pressure difference wireless sensor network with the characteristics of tailorability， redundancy and robustness was generated， and the problems of narrow single?point monitoring range， onefold index and lagging feature information abnormal reflection were solved. The test results show that the wireless sensor has stable performance， can realize the dynamic monitoring of gas， temperature and pressure difference in goaf， and guarantee the safe production of the mine.
Keywords： airtight goaf； coal spontaneous combustion； gas?temperature?pressure difference； wireless sensor
煤火灾害遍布世界各地，造成巨大的煤炭资源损失和环境污染，严重威胁着自然环境和人类健康，已成为全球性灾难[1?2]。随着矿井综放技术的推广应用，采空区留有大量遗煤，采空区范围越来越大，漏风通道多[3?5]，受采掘活动、大气压变化的影响，呈动态变化特征，易出现“呼吸”现象引起煤自然发火。目前，我国煤矿安全监测技术有很大的提高，但在煤火灾害感知方面，监测系统信息处理水平不高，有限的数据资源“挖掘”分析程度不够，自燃危险程度判别和防控决策的信息量不足，不能及时发现煤自燃早期隐患。单一类煤自燃特征信息量无法及时、准确地反映煤自燃情况，仅仅利用一种监测方法很难满足煤自燃监测的需要，因此有必要研究几种方法协同应用的煤自燃监测方法和技术[6]。比较而言，标志气体分析法和测温法的可行性较强，且相应的检测技术发展比较成熟，同时两种方法在判断煤自燃程度和高温区域方面有各自的优势，存在一定的互补性。因此，提出采用气体分析法、测温法和测压差法相结合来监测密闭采空区的煤自燃特征信息，研究采空区气体?温度?压差无线传感器网络，对保障矿井的安全生产十分有必要，在学术研究和工程应用方面都具有重要意义和推广应用价值。
1 采空区气体?温度?压差无线传感器结构设计
采空区气体?温度?压差无线传感器主要包括无线自组网模块、数字式温度/湿度传感器、CO传感器、O2传感器、CH4传感器、射频天线、供电模块、红外遥控收发模块、微处理器、显示屏、传感器调理模块等，如图1所示。
2 气体?温度?压差无线传感器的设计
该装置主要包括无线自组网模块、数字式温度/湿度传感器、CO传感器、O2传感器、CH4传感器、射频天线、供电模块、红外遥控收发模块、微处理器、显示屏、传感器调理模块等。无线自组网模块为DIGIMESH XBEE、温/湿度传感器为SHT20、CO传感器为city 4CM（0～2 000 ppm）、O2传感器为city 4OXV（0～25% VOL）、CH4传感器为MIPEX 非色散红外传感器（0～10%）、微压差传感器为MPXV70X（-2～2 kPa）、红外遥控收发模块采用HSDL?3610、微处理器选用STM32L152，RS 485芯片选用MAX3485、参考电压芯片选用REF3030等。设计的无线传感器具备外接电源和内置电池供电，预留标准的Modbus RTU协议的RS 485通信接口，通过红外收发模块实现气体?温度?压差无线传感器的无线校准。设计主要电路如图2所示。
3 气体?温度?压差无线传感器布置方法研究
密闭采空区气体?温度?压差无线传感器布置方法根据密闭区域的数量、密闭墙之间的距离、密闭墙的厚度等现场生产实际情况确定。根据现场需求分别设计每个密闭墙的施工数量，一般每个密闭墙施工监测钻孔1～2个；监测钻孔之间的距离在200 m范围内，若超过此距离，需在两个传感器中间增加无线中继；在每个监测钻孔内放置一个多参数传感器探头，探头与无线传感器控制装置采用RS 485总线连接，为了避免钻孔内流场受外界环境影响，需封闭被测钻孔；无线传感器控制装置置于监测钻孔外侧，固定于煤壁帮处，以便观测屏幕显示的监测信息；最底层为部署在钻孔内的无线传感器，通过无线传感器网络上传给无线监测基站。为了保证采集数据的准确性及系统的健壮性，在若干个相邻的监测节点可以形成无线自组织多跳网络。密闭采空区无线传感器布置方法如图3所示。
4 现场工业性试验
结合现场实际应用环境，确定出煤自燃隐蔽区域早期隐患监测点布置的关键参数，优化测点布置方案。通过软硬件系统的现场安装、调试与试运行，考察监测数据采集、通信的时效性、可靠性，以及整个系统运行的稳定性。通过对某矿大面積采空区煤自燃危险区域和重点防治区域的分析，确定在矿井2301S上下巷闭墙、2302S上下巷闭墙、2303S上下巷闭墙、2302N下巷沿空侧等开展现场工业性试验，监测预警系统界面如图4所示，历史曲线图如图5所示。试验结果表明，该系统性能运行稳定，实现了对大面积采空区气体?温度?压差的动态监测、多测点气体?温度?压差趋势曲线显示、异常信息报警等，保障了矿井的安全生产，提高了煤火灾害监测预警的技术水平。<k：＼f18＼17年18期
5 结 语
本文研发了集温/湿度传感器、O2传感器、CO传感器、CH4传感器、压差传感器于一体的多参数无线传感器，形成具有可剪裁性、冗余性、鲁棒性等特点的密闭采空区气体?温度?压差联合监测的无线传感器网络。确定了采空区无线传感器网络布置的关键参数和布置方式，以网络化监测代替单点监测，解决了传统测温取气存在漏报、误报、时效性差、维护困难等问题。通过工业性试验，实现采空区煤自燃特征信息采集与存储、数据列表显示、多测点气体?温度?压差趋势曲线显示、异常信息筛选及实时显示与报警、测点位置及状态显示，解决了大面积采空区煤自燃特征信息动态监测的技术难题。
注：本文通讯作者为侯媛彬。
参考文献
[1] 文虎，郭军，金永飞，等.煤田火区高温氧化燃烧特性参数测试装置研发[J].工矿自动化，2015（3）：14?18.
[2] 金永飞，郭军，文虎，等.煤自燃高温贫氧氧化燃烧特性参数的实验研究[J].煤炭学报，2015（3）：596?602.
[3] 张春.综放采场煤炭自燃三维数值模型构建及应用研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2013.
[4] 邢真强，陈洋，王伟，等.正压通风矿井近距离煤层群大采高工作面防灭火技术[J].煤矿安全，2016（7）：59?61.
[5] 蓝航，陈东科，毛德兵.我国煤矿深部开采现状及灾害防治分析[J].煤炭科学技术，2016（1）：39?46.
[6] 陈晓坤，程方明，邓军，等.煤矿采空区自然发火多参数监测系统研究[J].煤矿安全，2012（z1）：22?25.
[7] 郭凤仪，郭长娜，王洋洋.MPSO?SVM的压力传感器的非线性校正研究[J].传感技术学报，2012（2）：188?192.
[8] 刘涛，王华.传感器非线性校正的遗传支持向量机方法[J].电子测量与仪器学报，2011（1）：56?60.
摘 要： 针对矿井采空区煤自燃在线监测的技术难题，提出了密闭采空区气体?温度?压差无线传感器的设计方案。基于低功耗按需轻量动态多径路由协议，设计出集温/湿度，CO，O2，CH4，压差传感器于一体的密闭采空区气体?温度?压差无线传感器；结合采空区遗煤分布规律，确定了大面积密闭采空区高密度网络化测点布置方法，形成了具有可剪裁性、冗余性、鲁棒性等特点的气体?温度?压差无线传感器网络，解决了单点监测范围小、指标单一、特征信息异常反映滞后等问题。试验结果表明，无线传感器性能稳定良好，实现了对采空区气体?温度?压差的动态监测，保障了矿井的安全生产。
关键词： 密闭采空区； 煤自燃； 气体?温度?压差； 无线传感器
中图分类号： TN915?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0117?03
Design and application of wireless sensor for gas?temperature?pressure
difference in mine goaf
WANG Weifeng1， HOU Yuanbin2， DENG Jun1， MA Li1， JIN Yongfei1
（1. College of Safety Science and Engineering， Xian University of Science & Technology， Xian 710054， China；
2. College of Electrical and Control Engineering， Xian University of Science & Technology， Xian 710054， China）
Abstract： Aiming at the technical problems of the online monitoring for coal spontaneous combustion in mine goaf， a design scheme of wireless sensor for gas?temperature?pressure difference in airtight goaf is put forward. On the basis of low?power consumption on?demand lightweight dynamic multipath routing protocol， a wireless sensor for gas?temperature?pressure difference in mine goaf was designed， which is integrated with the sensors of temperature?humiture， carbon monoxide， oxygen， methane， differential pressure together. According to the distribution law of residual coal in goaf， the layout method of high?density networked measurement points in large airtight goaf was determined， the gas?temperature?pressure difference wireless sensor network with the characteristics of tailorability， redundancy and robustness was generated， and the problems of narrow single?point monitoring range， onefold index and lagging feature information abnormal reflection were solved. The test results show that the wireless sensor has stable performance， can realize the dynamic monitoring of gas， temperature and pressure difference in goaf， and guarantee the safe production of the mine.
Keywords： airtight goaf； coal spontaneous combustion； gas?temperature?pressure difference； wireless sensor
煤火灾害遍布世界各地，造成巨大的煤炭资源损失和环境污染，严重威胁着自然环境和人类健康，已成为全球性灾难[1?2]。随着矿井综放技术的推广应用，采空区留有大量遗煤，采空区范围越来越大，漏风通道多[3?5]，受采掘活动、大气压变化的影响，呈动态变化特征，易出现“呼吸”现象引起煤自然发火。目前，我国煤矿安全监测技术有很大的提高，但在煤火灾害感知方面，监测系统信息处理水平不高，有限的数据资源“挖掘”分析程度不够，自燃危险程度判别和防控决策的信息量不足，不能及时发现煤自燃早期隐患。单一类煤自燃特征信息量无法及时、准确地反映煤自燃情况，仅仅利用一种监测方法很难满足煤自燃监测的需要，因此有必要研究几种方法协同应用的煤自燃监测方法和技术[6]。比较而言，标志气体分析法和测温法的可行性较强，且相应的检测技术发展比较成熟，同时两种方法在判断煤自燃程度和高温区域方面有各自的优势，存在一定的互补性。因此，提出采用气体分析法、测温法和测压差法相结合来监测密闭采空区的煤自燃特征信息，研究采空区气体?温度?压差无线传感器网络，对保障矿井的安全生产十分有必要，在学术研究和工程应用方面都具有重要意义和推广应用价值。
1 采空区气体?温度?压差无线传感器结构设计
采空区气体?温度?压差无线传感器主要包括无线自组网模块、数字式温度/湿度传感器、CO传感器、O2传感器、CH4传感器、射频天线、供电模块、红外遥控收发模块、微处理器、显示屏、传感器调理模块等，如图1所示。
2 气体?温度?压差无线传感器的设计
该装置主要包括无线自组网模块、数字式温度/湿度传感器、CO传感器、O2传感器、CH4传感器、射频天线、供电模块、红外遥控收发模块、微处理器、显示屏、传感器调理模块等。无线自组网模块为DIGIMESH XBEE、温/湿度传感器为SHT20、CO传感器为city 4CM（0～2 000 ppm）、O2传感器为city 4OXV（0～25% VOL）、CH4传感器为MIPEX 非色散红外传感器（0～10%）、微压差传感器为MPXV70X（-2～2 kPa）、红外遥控收发模块采用HSDL?3610、微处理器选用STM32L152，RS 485芯片选用MAX3485、参考电压芯片选用REF3030等。设计的无线传感器具备外接电源和内置电池供电，预留标准的Modbus RTU协议的RS 485通信接口，通过红外收发模块实现气体?温度?压差无线传感器的无线校准。设计主要电路如图2所示。
3 气体?温度?压差无线传感器布置方法研究
密闭采空区气体?温度?压差无线传感器布置方法根据密闭区域的数量、密闭墙之间的距离、密闭墙的厚度等现场生产实际情况确定。根据现场需求分别设计每个密闭墙的施工数量，一般每个密闭墙施工监测钻孔1～2个；监测钻孔之间的距离在200 m范围内，若超过此距离，需在两个传感器中间增加无线中继；在每个监测钻孔内放置一个多参数传感器探头，探头与无线传感器控制装置采用RS 485总线连接，为了避免钻孔内流场受外界环境影响，需封闭被测钻孔；无线传感器控制装置置于监测钻孔外侧，固定于煤壁帮处，以便观测屏幕显示的监测信息；最底层为部署在钻孔内的无线传感器，通过无线传感器网络上传给无线监测基站。为了保证采集数据的准确性及系统的健壮性，在若干个相邻的监测节点可以形成无线自组织多跳网络。密闭采空区无线传感器布置方法如图3所示。
4 现场工业性试验
结合现场实际应用环境，确定出煤自燃隐蔽区域早期隐患监测点布置的关键参数，优化测点布置方案。通过软硬件系统的现场安装、调试与试运行，考察监测数据采集、通信的时效性、可靠性，以及整个系统运行的稳定性。通过对某矿大面積采空区煤自燃危险区域和重点防治区域的分析，确定在矿井2301S上下巷闭墙、2302S上下巷闭墙、2303S上下巷闭墙、2302N下巷沿空侧等开展现场工业性试验，监测预警系统界面如图4所示，历史曲线图如图5所示。试验结果表明，该系统性能运行稳定，实现了对大面积采空区气体?温度?压差的动态监测、多测点气体?温度?压差趋势曲线显示、异常信息报警等，保障了矿井的安全生产，提高了煤火灾害监测预警的技术水平。<k：＼f18＼17年18期
5 结 语
本文研发了集温/湿度传感器、O2传感器、CO传感器、CH4传感器、压差传感器于一体的多参数无线传感器，形成具有可剪裁性、冗余性、鲁棒性等特点的密闭采空区气体?温度?压差联合监测的无线传感器网络。确定了采空区无线传感器网络布置的关键参数和布置方式，以网络化监测代替单点监测，解决了传统测温取气存在漏报、误报、时效性差、维护困难等问题。通过工业性试验，实现采空区煤自燃特征信息采集与存储、数据列表显示、多测点气体?温度?压差趋势曲线显示、异常信息筛选及实时显示与报警、测点位置及状态显示，解决了大面积采空区煤自燃特征信息动态监测的技术难题。
注：本文通讯作者为侯媛彬。
参考文献
[1] 文虎，郭军，金永飞，等.煤田火区高温氧化燃烧特性参数测试装置研发[J].工矿自动化，2015（3）：14?18.
[2] 金永飞，郭军，文虎，等.煤自燃高温贫氧氧化燃烧特性参数的实验研究[J].煤炭学报，2015（3）：596?602.
[3] 张春.综放采场煤炭自燃三维数值模型构建及应用研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2013.
[4] 邢真强，陈洋，王伟，等.正压通风矿井近距离煤层群大采高工作面防灭火技术[J].煤矿安全，2016（7）：59?61.
[5] 蓝航，陈东科，毛德兵.我国煤矿深部开采现状及灾害防治分析[J].煤炭科学技术，2016（1）：39?46.
[6] 陈晓坤，程方明，邓军，等.煤矿采空区自然发火多参数监测系统研究[J].煤矿安全，2012（z1）：22?25.
[7] 郭凤仪，郭长娜，王洋洋.MPSO?SVM的压力传感器的非线性校正研究[J].传感技术学报，2012（2）：188?192.
[8] 刘涛，王华.传感器非线性校正的遗传支持向量机方法[J].电子测量与仪器学报，2011（1）：56?60.
