煤矿电缆火灾自动监控系统设计

煤矿电缆火灾自动监控系统设计

赵可可

中煤科工集团常州研究院有限公司 江苏 常州 213000

摘要：由于煤矿井下情况复杂，需要考虑的综合性因素很多，即便煤矿开采技术得到大幅提升，但是煤矿井下电缆却非常容易产生火灾隐患，从而为煤矿的正常开采和日常生产带来阻碍，鉴于此，有必要设计一款适合煤矿井下电缆火灾自动检测和灭火的系统。通过大量的研究和分析得出，目前可以用可分布式光纤以及超细干粉灭火设备对煤矿井下电缆火灾进行有效监控和处理。

关键词：煤矿火灾；光纤测温；自动灭火装置；固态氮；超细干粉；自由基

引言：我国是一个工业大国，有着很高的能源需求，煤矿资源作为我国重要的不可再生资源之一，对工业发展和经济建设有着非常重要的作用。经济技术的发展也在一定程度上提高了煤矿开采技术。但是任何事物都具有两面性，电缆设备在矿井中的广泛使用也增加了煤矿火灾风险，不仅会对整体的开采工作产生影响，严重的还会造成重大事故和人员伤亡，由此可见，研究煤矿电缆火灾自动监控系统具有重要的作用和意义。

1. 煤矿电缆火灾自动监控总体设计方案

结合大量的实验和分析得出，现多采用分布式光纤以及超细干粉灭火设备对煤矿井下电缆火灾进行有效监控和处理。该监控系统主要由以下几个模块构成：①煤矿电缆火灾自动探测装置；②煤矿电缆火灾自动灭火装置；③组合监控系统。和传统的井下火灾监控系统相比，该测试和监控系统主要利用可分布式光纤进行温度测量，该测温装置利用感温光纤中的时域反射以及拉曼散射效应来有效感知光纤周围的温度变化。此外，该监测设备的灭火装置还采用了超细干粉灭火技术，和普通的灭火干粉不同，该干粉的粒度低于20微米，且不会对光纤设备以及周围的电力设备产生损伤，同时，由于超细干粉的成分为磷酸铵盐，对人体的毒害性微弱，所有非常适用于井下灭火。此外，该监控设备的组合监控系统采用了常见的微软系统，操作模式和普通电脑基本一致，且拥有非常完善的中文交互界面。

二、煤矿电缆火灾自动探测装置

结合总设计方案可知，煤矿电缆自动火灾探测装置采用了可分布式光纤来进行测量，当测温装置处于正常运转状态下，其内部的激光器设备会产生频率特定的脉冲宽带以光脉冲信号，然后再传输至传感光纤设备中，此时传感光纤中会产生携带温度场信号的拉曼散射粒子，该粒子可对周围环境的温度的微弱变换进行感知，然后再将感知信号传输至检测设备中的光电信号接收器中，通过信号放大和处理，测温系统可以敏感地捕捉到光纤温度变化数值以及温度变化位置。如果温度超过了额定范围，系统会亮起红灯，且立刻报警。总的来说，煤矿电缆火灾自动探测装置最为核心的元器件我光纤测温主机和测温光纤。为了提高测温效率，光纤测温主机普遍采用集成化模块，且内部拥有以下电子元器件：①使用内核为ARM32 位的中央处理器，频率为72Hz、1.25DMIPS/MHz 的STM32F103 系列芯片进行采样控制；②使用型号为RS232 与 RS485 的通信接口，且该接口可以和组合控制系统接口完美适配，从而完成温度测量、温度数据分析以及系统运行等工作指令。

三、煤矿电缆火灾自动灭火装置

井下除了要配备可分布式光纤测温装置之外，还要配备自动灭火装置。结合前文可知，目前较为适用的井下自动灭火装置多采用 ZigBee 技术，利用该技术，不仅可以实现自动灭火装置和组合控制系统的无线通信，同时还可以及时发现着火点，并启用灭火装置。此外，为了不影响井下电缆设备的正常使用，提高灭火效率，煤矿电缆火灾装置中中配备的灭火剂多为固态氮驱动下的超细干粉灭火剂。该干粉灭火剂不同于二氧化碳灭火剂以及普通的磷酸铵盐灭火剂，其主要由以下成分构成：①pH值为中性的无机盐；②含有大量碳剂的植物粉末；③少量性质较为活泼的金属粉末；④安定剂和固态氮驱动剂。一旦光纤探测设备检测的有火灾发生后，该灭火装置会自动触发电流，然后从喷气口中喷出超细干粉，从而实现高效率灭火。

四、组合监控系统

为了更好地提高煤矿井下火灾检测效率以及灭火质量，还在该监测系统中配备了组合监控系统，该系统的功能主要有以下两点：首先，该系统可以迅速接收光纤测温系统传递的信号，并对该信号进行集成化处理，然后将数据信息传输至人机操作交互界面；其次，该装置还可以实时启动自动灭火装置中的控制触发器，该触发器有两种操作模式：①人机模式；②无人自动触发模式，在人机模式下，当监测人员发现某区域温度变化超出额定范围且产生烟雾后，可以迅速按下启动灭火装置按钮，该按钮使用ZigBee 通信模块，可以和自动灭火装置进行无线信号传输，当自动灭火装置接收到信号后，其内部的固态氮激发部件会产生感应电流，然后将设备中额固态氮储能剂转化为稀有气体，和超细干粉灭火剂一起从装置中喷出。在无人模式下，当光纤感温系统探测到火源后，一旦温度超过灭火设备中熔断剂的熔点，无须人为操作，熔断机会自动触发固态氮激发部件，从而实现自动灭火。但是需要注意的是，由于煤矿井下范围较大，电缆火灾自动灭火装置的灭火范围有限，只能对周围10以内的电缆设备进行灭火，如果要实现灭火范围全覆盖，则需要在煤矿井下布置多个自动灭火装置，且需要使用集成电路模块将装置连接起来。结合图1所示，为煤矿井下自动灭火装置的构件组成部分。

1.超细干粉储存舱；2.固态氮储能舱；3.（ZigBee 终端、ZigBee 路由通信控制触发器；4.固态氮储能驱动药；5.超细干粉灭火剂；6.储存舱固定夹；7.灭火装置固定板；8.喷管紧固螺母；9.高压橡胶喷管；10.喷孔

图 1 自动灭火装置

总结：综上所述；煤矿电缆火灾自动检测系统构成如下：

①该检测系统主要利用了可分布式光纤的拉曼散射效应来检测火场周围的环境温度变化，同时为了实现高效灭火，还使用了基于ZigBee 通信模块控制下的超细干粉灭火技术，即便在无人操作状态下，该设备都可以迅速实现感温和灭火，且其喷出的超细干粉灭火剂不会对煤炭电缆产生损害，同时其对人体的毒害性也相对微弱。

②但是在该检测设备的实际使用中，还需要考虑到灭火范围等问题，由于超细干粉灭火剂的灭火范围有限，为实现灭火范围全覆盖，需要结合煤矿的实际情况合理架构火灾自动监测装置。

参考文献：

1. 王海洋. 煤矿电缆火灾自动监控系统设计与实现[J]. 辽宁工程技术大学学报（自然科学版）, 2019, 38（01）:66-71.

2. 郑晓亮, 胡业林. 基于分布式光纤测温技术的井下电缆温度监测系统设计[J]. 煤炭工程, 2019, 000（009）:19-21.

3. 李勇. 基于分布式光纤温度传感器的高压电缆在线监测系统设计[J]. 电工技术, 2016（01）:55-56.