[发明专利]一种采空区煤自燃无线自组网监测系统及危险动态判识预警方法

说明书

本发明公开了一种采空区煤自燃无线自组网监测系统及危险动态判识预警方法，属于煤矿安全监测技术领域。监测系统由设在采空区的无线传感器节点、数据监测分站及电源、光纤传输线路、环网、交换机、地面监测终端组成；各传感器节点将监测数据定期通过基于LoRa技术的无线自组网络传输至数据监测分站，分站通过光纤传输线路连接至交换机，经由交换机连入井下环网，再经交换机将数据传输至地面光纤传输线路，接入地面监测终端。通过设置温度和煤自燃指标浓度的临界值和实时监测其变化率，对采空区内的温度和煤自燃指标气体浓度进行动态监测和综合预警，揭示采空区横向“三带”分布规律及特征，对采空区火灾危险区域进行精准定位和火情早期预警。

技术领域

本发明涉及煤矿安全监测技术领域，尤其涉及一种采空区煤自燃无线自组网监测系统及危险动态判识预警方法。

背景技术

我国煤矿火灾非常严重，有数百对矿井有自然发火危险，对煤矿安全和高效生产形成严重威胁。火灾会产生大量有毒有害气体、造成人员窒息或死亡、火风压导致风流变化或逆转、烧毁设备和资源、封闭火区等。采空区火灾，为隐蔽火灾，而且是动态发展的，难以定位火源位置及观测其发展过程，火灾发生后必须采取灭火等措施，严重影响工作面回采，甚至采空区火灾还可能引发瓦斯煤尘爆炸灾难。目前采空区自燃发火监测与火灾探测主要采用束管取样及地表色谱检测技术、分布式光纤测温技术。

束管监测通过预埋于采空区内的管路，抽取分析采空区标志性气体，来监测氧化带煤体自燃情况；但束管监测系统布置管路繁琐，并且存在抽气范围有限、束管难以保护、取样路线长、分析时间长、周期长等问题；另外，束管只能监测采空区一个点，存在大范围的监测盲区，当采空区自燃风险发展到一定程度、产生大量CO等气体情况下，会存在对初期火灾演化过程不太敏感、判定自燃发火危险不及时、自燃发火点定位不准确、等缺点。分布式光纤测温，一般需要在回采工作面进、回风两巷布设铠装测温光纤，利用光纤本身感知测量和传输的特性实现对沿线各个点的温度在线监测；但是其布置方式较为复杂，自身易损易断，即使铠装，也容易被采空区受冒落的大块矸石砸断，难以进行保护。以上这两种方法均采用两巷布置测点，两巷之间的采空区为监测盲区，监测范围受限，难以对整个采空区范围形成有效的实时监测。

“十一五”期间一些科研院校和企业先后开发了基于ZigBee的无线自组网测温技术及系统，但该技术存在无线透射传播能力偏弱(小于2m)的问题，且需要安装的传感器非常多，成本太高，稳定性差，不利于在现场推广及应用。

以往火灾危险判识预警方法大都采用临界值法来对火灾危险情况进行判定，判定条件较为单一，容易出现误判，且不能对火灾发展情况实现动态监测，不能预估火灾实时发展趋势，故不能做出及时有效的应对措施，可能会影响火情预警及火灾救援工作。

随着我国煤矿生产机械化、自动化、信息化程度的不断提高，特别是煤矿生产逐步走向集约化，煤矿生产规模的扩大，对煤矿安全生产的要求越来越高。如何能高效、快捷、灵活地监测采空区火灾危险，便于揭示采空区火灾演化过程中的温度场、渗流场(CO、O₂、CH₄、CO₂、其他煤自燃指标气体)等多场耦合响应及致灾机理，仍然是煤矿安全领域急需解决的关键科学技术难题。

发明内容

发明目的：针对目前煤矿采空区火灾风险监测存在的问题及实际需求，本发明提出一种采空区煤自燃无线自组网监测系统及危险动态判识预警方法，能够高效、快捷、灵活、远距离实时监测采空区内各点的实时数据，对采空区散热带、自燃带、窒息带的分布状态和演变过程实现定量精确监测。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种采空区煤自燃无线自组网监测系统，包括设在采空区的若干个无线传感器节点、数据监测分站及电源、光纤传输线路、环网、交换机、地面监测终端；其中无线传感器节点将实时监测数据通过LoRa无线网络传输至数据监测分站，监测分站通过矿井光纤传输线路连接至交换机，经由交换机连入井下环网，再经交换机将数据传输至地面光纤传输线路，接入地面监测终端；