基于锂电矿灯的无线瓦斯监测系统研究

1、基于锂电矿灯的无线瓦斯监测系统研究秦宪礼 , 沈 斌 , 刘新蕾(黑龙江科技学院 安全工程学院 , 黑龙江 哈尔滨 150027摘 要 :针对当前煤矿安全监测监控系统存在着的瓦斯探头少 、 移动困难 、 监测范围小的情况 , 提出 了一种基于锂电矿灯的无线瓦斯监测系统设计方案 。 设计了具有瓦斯浓度检测与超限信号无线发射功 能的报警矿灯和无线信号接收装置 , 研究了井下无线通信频率的选择 、 软件防碰撞技术和无线通信变频 技术 , 给出了监控软件的设计 。 该系统充分利用了矿工的工作特点 , 对预防瓦斯事故 、 确保煤矿安全生 产具有重要意义 。关键词 :瓦斯监测 ; 报警矿灯 ; 无线通信

2、; 安全生产中图分类号 :TD76 文献标志码 :A 文章编号 :1008-4495(2009 05-0028-03收稿日期 :2008-09-10; 2009-04-21修订基金项目 :黑龙江省 重大科 技攻关 项目 (GA 04A 501 ; 黑 龙江省教育厅科学技 术研究项目 (10551279作者简介 :秦宪礼 (1963 , 男 , 山东 乳山 人 , 教授 , 1986年毕业于山东矿业学 院采矿 工程专 业 , 主 要从事 矿山 安全技 术及工程的教学与科 研工作 。 E-m ai:l x l q i n5878sina . co m 。我国煤矿安全生产形势严峻 , 瓦斯灾害事故频

3、 繁 , 对瓦斯及时有效地监测是预防瓦斯灾害事故的 有效方法之一。现有的安全监测监控系统的瓦斯传 感器安装位置一般都是固定的 , 信号传输方式为有 线传输 , 存在监测探头少、 监测范围小及监测不及时 等问题。针对上述问题 , 构建了基于锂电矿灯的无 线瓦斯监测系统 , 该系统把瓦斯检测技术、 无线通信 技术和矿灯结合 , 实现瓦斯浓度移动检测和监测数 据无线传输。1 系统结构基于锂电矿灯的无线瓦斯监测系统由锂电报警 矿灯、 无线信号接收装置、 C AN 总线网络和地面监控 中心 4部分组成。锂电报警矿灯具有瓦斯信号的检 测、 浓度显示、 声光报警和超限信号无线发射等功能 ; 接收装置完成瓦斯

4、超限信号的接收和同 C AN 总线网 络的数据通信功能 ; CAN 总线网络承担整个系统的井 下接收装置同地面监控中心的数据通信 1; 监控中心 完成对监控数据的解码 , 并根据地址码确定超限地 点 , 进行声光报警。系统总体结构如图 1所示。2 系统硬件设计2. 1 报警矿灯 具有无线通信功能的锂电报警矿灯主要由瓦斯图 1 系统总体结构示意图传感器、 信号调制电路、 控制单元、 浓度显示电路、 声 光报警电路、 无线发射模块、 电源和矿灯照明电路等 组成 , 其原理如图 2所示。图 2 报警矿灯组成原理框图当传感器检测到瓦斯时 , 产生催化燃烧 , 输出电 压信号2。此信号经放大和 AD 转

5、换后被单片机接收 , 单片机显示接收数据 , 同时判断其是否超过预设 值 (通 过 报 警 点设 置 电 路 手 动 设置 , 一 般 为 1%C H 4, 若超限 , 则进行声光报警 , 并启动无线发射模2009年 10月矿业安全与环保第 36卷第 5期块发送数据。无线通信 的调制采 用高斯频 移键控 (GFSK , 数据在内部进行曼彻斯特编码和解码 , 发 送数据包括矿灯地址、 瓦斯浓度等。 2. 2 无线接收装置无线接收装置主要由无线接收模块、 控制单元、 232-C AN 转换模块 和电源组成 , 硬件 原理如图 3 所示。图 3 无线接收装置组成原理示意图当无线接收模块完成数据接收后

6、 , 单片机立即 通过 SPI 接口从 nRF905中读取接收数据 , 对数据进 行解码和添加接收装置地址码 , 并打包发送给 232-CAN 模 块 , 由该模块完成同井 上监控中心的通信。 该装置通过 AC DC 隔离式开关电源模块供电 , 当 断电时 , 通过供电控制模块启动备用直流电源 , 直流 电源连续供电时间不小于 2h 。3 无线通信设计3. 1 无线通信流程无线通信流程如图 4 所示。图 4 无线通讯流程框图3. 2 通信频率选择井下无线传输为非自由空间传输 , 传输衰减远 大于地面自由空间无线传输。根据资料显示 , 井下无线传输的最佳频率 在 400900MH z 3-4。同

7、 时 在这个甚高频段内 , 随着频率的增大 , 衰减变小 , 传 输距 离 显 著 增 加5。 故矿 井 无 线 通 信 频 率 选 用900MH z , 实验表明 , 采用该频率 , 发射功率为 10dB 时 , 井下运输大巷中直线无线通讯距离可达 160m 。 3. 3 通信防碰撞技术为了避免同一地点几个矿灯同时报警 , 产生信 号碰撞 , 系统采用了软件防碰撞技术。其原理是 :当 某个矿灯需要发射超限信号时 , 先转入监听模式 , 判 断是否收到载波 , 若没有收到就切换到发送模式并 发射信号 , 否则等待 , 直到检测不到载波为止。 3. 4 无线通信变频技术巷道拐弯会增大无线传输的衰

8、减 , 拐弯越急 , 衰减越大 , 并且频率越高 , 巷道拐弯所带来的衰减越大。 巷道倾斜也会加大无线传输衰减 , 随着频率的增高 ,由巷道倾斜所带来的衰减变大 5。采用变频技术 , 以 弥补 900MH z 波段在上述情形下的高损耗缺点。根 据 nRF905支持 433/868/915MH z 多频段的特性 , 在 进行无线通信时先采用 915MH z 通信 , 若通信失败则 通过直接数字变频6, 转到 433MH z 再次通信 , 以满足巷道拐弯与倾斜情况下的通信距离要求。4 系统软件设计系统监 控 软 件采 用 组 态 软件 Advantech W eb Access 进行设计 , 数据

9、存储采用 SQL 2000数据库实现 , 软件工作流程如图 5 所示。图 5 系统软件流程框图图 5中 用户登录 部分采用数据库验证方式 , 区分不同权限的用户 , 只有管理员才具备监控系统 的所有操作权限。 数据采集 的数据源来自 C AN 接口卡 ; 数据存储 使用 ADO 控件实现 , 采用连接 池的方式提高数据存取效率 ; 菜单选择 包括瓦斯 浓度数据与超限地点显示、 历史信息维护、 接收装置2009年 10月矿业安全与环保第 36卷第 5期和矿灯信息管理 3个菜单项。AdvantechW eb Access 采用全新的网络构架 , 数 据库设置、 图面建立和软件管理等都可以通过一个

10、标准的网页浏览器完成 , 并提供远程诊断维护功能。 基于浏览器的客户端既可监视又可控制。监控软件 的可靠性保证了报警信息被实时传输和显示 , 及时 提示管理中心操作人员作出正确的决策。5 系统特点1 实现了瓦斯检测数据 的无线传输。作为信 号检测与发射装置的多功能报警矿灯可实现多点对 一点通讯 , 解决了井下固定瓦斯探头少、 监测范围小 的弊端。2 多功能报警矿灯可作为井下作业人员个体 防护的有效装备。当作业人员所在场地瓦斯浓度超 限时 , 能及时报警 , 提醒作业人员撤离或采取相应措 施防止瓦斯事故。3 灵活 的组网 方式 , 方 便与现 有监 控系统 的兼 容。 6 结语基于锂电 报警矿灯

11、 的无线瓦 斯监测系 统的实 现 , 将提高井下作业人员的个体防护能力 , 提升矿井 预防瓦斯灾害的能力。根据我国煤矿生产分散、 资 金短缺、 队伍素质不高、 瓦斯事故频繁等情况 , 大力 推广使用该种矿灯作为流动的瓦斯移动检测的基本 手段 , 将有利于构建多层瓦斯监测体系 , 弥补定点区 域性瓦斯检测的不足。同时该系统的应用将为新一 代矿井人员 跟踪定位和考勤 系统提供 新的技术 和 思路。参考文献 :1朱敏 . CAN 总线 控制 系统 研 究 D .合肥 :合肥 工业 大 学 , 2002.2煤炭工业部安 全司 . 矿井安 全监控 原理 与应用 M .北 京 :中国矿业大学出版社 , 1

12、995.3孙继平 . 矿井无线传输通用截止频率的研究 J.煤矿自 动化 , 1998(4 .4石庆东 . 矿井无线传输特性研究 D .北京 :中国 矿业大 学 , 2000.5孙继平 . 矿井无线传输的特点 J.煤矿设计 , 1999(4. 6张冬玲 . 数字下变频技术与研究 D .郑州 :解放 军信息 工程大学 , 2002.(责任编辑 :吴自立 (上接第 27页 B 4=(0, 0. 1, 0. 8, 0. 05, 0. 05 B 5=(0, 0. 25, 0. 5, 0. 25, 0 5. 2 进行多层次综合评价由公式 (3 和 (4 得 :B =A R =(a 1, a 2, a 3,

13、 a 4, a 5 B 1 B 2 B 3 B 4B=(0. 32, 0. 28, 0. 2, 0. 1, 0. 10. 460. 3850. 4320. 0990. 0. 1090. 2590. 3260. 260. 46 0. 0380. 20. 4650. 2080. 00. 10. 80. 050. 05 00. 250. 50. 250=(0. 15, 0. 22, 0. 36, 0. 14, 0. 13如果综合评价结果 m i=1b i 1, 应将其归一化。 因 此该煤矿应急救援能力模糊综合评价结果 :B =好 较好 一般 较差 差0. 150. 220. 360. 140.6 结

14、语1 结合科研实践及相关文献 , 选取 5类共 18个指标建立了矿井火灾应急救援能力的模糊综合评 价数学模型。2 给出了矿井火灾应急救援能力指标 体系的 评价检查表。3 结合具体实例 , 利用模糊综合评价法对矿井 火灾应急救援能力进行了综合评价。参考文献 :1张嘉勇 , 郭立稳 , 龚津莉 . 煤矿火灾安全评价指标 体系的 研究 C/2006(沈 阳 国际 安全 科技与 技术 学术 研讨 会论文集 . 沈阳 :出 版者不详 ,2006.2别新峰 , 冉宏振 . 煤矿应急 救援系 统存 在问题 及其 对策 J.中州煤炭 , 2007, 2(1 :91-92.3崔岗 , 陈开岩 . 矿 井通风系

15、统安全 可靠 性综合 评价 方法 探讨 J.煤炭科学技术 , 1999, 27(12 :40-43.4周志强 . 矿井通风系 统的安 全性 、 稳定 性与可 靠性 评价 及应用研究 D .阜新 :辽宁工程技术大学 , 2004.5郭嗣琮 . 应用模糊数学方法 Z .阜新 :辽 宁工程 技术大 学 , 2000.6祝启坤 . 矿井通风系统的二级模糊综合评价 J.武汉化 工学院学报 , 1997, 19(1:44-49.(责任编辑 :卫 蓉 2009年 10月 矿业安全与环保 第 36卷第 5期V o. l 36N o . 52009 M IN ING SAFETY &ENV I RONM

16、 E NTAL PROTECT I O N Oc. t 2009 English Abstracts of Th is IssueResearch on Destruction Ru l e ofO verburden RoofRock i n H uoluo w an C oal M i ne(1 On the b as i s of detailed an al ysis on hydro-geol ogical cond itions ofH uol uow an C oalM i ne , a num erical m odel w as set up accord i ng t o

17、t h e rock m echan i cal p ropert y and para m eters of d ifferent overburden rock strata , num erical st udy w as m ade on t h e destruction of the overbu rden roof i n t h e extraction process ofNo . 22101face of them i ne by us i ng RFP A2D soft w are of fl u id-soli d coupli ng analys i s , and

18、fi nally the w hole process of roof fro m defor m ation to destruction and the destr u cti on la w w ere ob tai ned.E xperi m en t al S t udy ofH i gh-perfor m an ce Foa m a Separate Che m icalA -gent C arri er for CoalSpontaneous Co m busti on (3 The use of h i gh-per -f or m ance foa m as a separa

19、t e che m ical agent carri er f or coal s pon taneou s co m-busti on can m ak e the separate ch e m ical agen t i n suffici en t con t act w it h t h e t arget coal body and the perfor m an ce of the separat e ch e m ical agent to b e p l ayed i n fu l. l Three s urfactants w ere preferenti all y s

20、elected as t h e f oa m i ng agen t , doub le crossing w as conducted by selecti ng several foa m st abili z i ng a -gents accord i ng to t he doub le cross i ng pri n ci ple of surfact ants , t he best p re -scri pti on f or h i gh -p erfor m an ce foa m w as defi ned , and t h e i n fl u ence of t

21、e m-perat u re and p H val ue on t h e foa m stab ility w as studied .C haracteristi cs ofC oal P ill ar s Concen trated Load and Its Infl uen ce on Su r -rounding Rock S tress of Roadw ay (6 The cross and s up erpositi on of t h e roadw ay i n t h e l o w er l ayer w it h t h e coal p ill ar i n th

22、e upper l ayer are often t ak en place . S i n ce t he p illar can tran s m it t h e l oad do w nw ard, it i nev i tab l y caused t h e effect on the stress distri bu ti on of the roadw ay s u rrounding roc k i n t he lo w er l ayer . Th is paper firstl y analyzed and bu ilt the d istri buti on regu

23、 l ar -it y of coal p ill ar s concentrated l oad i n t h e fl oor accord i ng t o t he el asti cit y t heory , then it analyzed and contrasted t h e stress st ate of s u rround i ng rock a -round co mm on roadw ay and the roadw ay under coal p ill ar w i th num eri cal s i m ulati on , and finall y

24、 it anal yzed t he stress characteristi cs of roadw ay s u r -rounding rock under t he concentrated l oad of coal p illar .Design of S i m u l ati on T est Syste m for Coal and Gas Ou t burst (9 Th e m ai n exciti ng factors i n clude gas press u re and strat a stres s . For st udyi ng t h e contro

25、l effect of gas press u re and strata stress , a si m u l ati on test s yste m for coal and gas ou t bu rst w as des i gned , i n cl ud i ng a si ng l e t estm ach i ne f or gas pressure and a co mb i n ed t estm ach i ne f or both gas press u re and strat a stress . Th is t est s yste m can exert a

26、 gas p ress ure of 2M Pa and a strat a stress of 40 M Pa on the coal sa m p l e , as co mp ared w ith the ex i sten t si m u l ation t est sys -t e m of coal and gas ou t burst , t h is syst e m has the tec hn ical f eatures of strong contro ll ab ili ty , h i gh l oad i ng capacit y , s yn chronous

27、 data and i m age record i ng and accu rat e experi m ental res u lts .Num erical S i m u l ation S t udy on Surround i ng Rock Def or m ati on i n Large-secti ona lM i n i ng of S teep S ea m (21 To counter t o t h e fact of large-s ec -ti onal f u ll y-m echan ized cavi ng m i n i ng of steep seam

28、 s i n W ei hu li ang C oal M i ne i n X i n jiang , t he num erical s i m u lati on study was conduct ed on the s u r -rounding rock defor m ati on regu l ari ty i n t h e s ecti on al extracti on proces s of t h e coal f ace w it h 20m secti ona l hei gh t by m ean s of fi n ite d i ff eren ce FLA

29、C3D . The res u lts s ho w that t he d is p l ace m en t defor m ation of roof is ev i dentl y grea -t er t han that of floor . The un l oad i ng arch struct u re may easil y f or m i n roof s trat a after extracti on . Under t he protecti on of t h is stru cture , d i sp l ace m ent of roof strata

30、w ill experience a c h ange process fro m sl ow gro w t h to the rap i d gro w t h of horiz on tal d i splace m ent , the rap i d gro w th of verti cal d i splace m ent and cavi ng , w h ic h l argel y redu ced t h e possi b ili ty of roof cav i ng in a l arge range under t he large -secti onal m i

31、n i ng conditi on s . The concl u sions ob -t ained by num eri cal study have a certai n ref eren ce t o t he on -s ite produc -ti on .E valuati on on Em ergen cy Rescue C apab ility to M i n e F i re (25 In recent years , a ne w feature appears i n the ex traord i naril y serious m i ne accidents ,

32、 . i e . the h ar m fu l scope of t h e accidents and disasters i n t h em i nes f u rther ex -panded after the occurrence ofm any extraord i naril y s eri ou s acci d ents due to t he w eak m i ne e m ergen cy rescue capab ili ty . In t h is paper , co mp rehen sive e -val uation on m i ne fire e m

33、 ergency rescue capab ilit y w as conducted w it h t h e f uzzy co mp rehen sive eval uati on m et hod, t he m i ne fire e m ergen cy rescue ca -pab ility w as then d eter m i n ed and the p rob le m s present i n the e m ergency res -cu ew ere found out . As a res u lt , t h e e m ergen cy rescue p

34、 l an s can be ti m el y s t art ed up after t h e occurrence ofm i n e fire , t hus the lif e and secu rit y of t h e e m p l oyees can be protected and the acci den t losses can be reduced .Study on W i rel ess Gas M on i tori ng Syste m Based L it h i um M i ner s La m p (28 To counter the prob l

35、e m s of less gas probes , d iffi cu ltm ove m ent and s m allmon i tori ng range p res en t i n ex i s t en t coal m i ne s afet y m on itoring sys -te m, th i s paper put for w ard a desi gn sch e m e f or a w ireless gas m on it ori ng syste m bas ed on lith i um m i ner s ' l a m p . The al

36、ar m l a m p and w ireless s i gnal recei vi ng d evice having the f unctions of gas detecti on and over-li m i t w i re -l ess trans m i ssion w ere desi gned , The choice of w ireless co mm un ication f re -quency , s oft w are an ti-collision techno l ogy and w ireless co mm un i cati on f re -qu

37、ency conversi on technol ogy w as s t ud i ed, and t he des i gn ofm on itori ng s of-t w are w as prov i ded. The s yste m m ak es fu ll use of t he m i ners w or k i ng f ea -tures and is of great sign ificance to the p reventi on of gas d is asters and safe produ cti on i n coal m i nes .Study on

38、 Locati ng and Track i ng Detection Syste m f orM i ne Persons (31 Based on t he anal ysis and co mp aris on of RFID and ZigBee techno l og i es , a ne w l ocati ng and track i ng detection s yste m for underground persons was de -s i gned . Th is pap er expounded the c h aracteristics of Zi g B ee

39、technol ogy and its app licati on i n t he coalm i ne ; it e m phati call y descri bed the co m position and stru cture of t he l ocati ng net work and t he l ocati ng p rocess of t he target node . Th e s yste m can f u rther enhan ce t he secu ri ty level of coalm i ne m an -age m ent and i t i s

40、conven i en t for m i ne adm i n i strat ors , d i spatch i ng roo m per -sons and saf ety i nspectors t o ti m el y kno w the w ork i ng hours and d i stri bu tion i n f or m ati on of workers i n the coalm i ne .Devel op m en t of S i m u lati on Syste m f or C oal M i n i ng Sub si d ence D isast

41、er Based on G I S (34 Compu t ati on progra m CX2007w as d eveloped and t h e syste m ati ca l verificati on w as conducted by tak i ng the probab ility i n tegral as the co mpu ti ng pri nciple and VC 6. 0as t he devel op i ng p l atfor m i n order t o preven t and control s urface s ubs i den ce c

42、au s ed by coalm i n i ng . The ARCG IS -bas ed s i m u lati on syste m for coalm i n i ng s ub si d ence w as d eveloped by tak -i ng DXF fil e generated by CX2007s oft w are as the dat a exchange file , co m-b i n i ng w ith geograph ic i n f or m ati on syste m s oft w areARCGIS and app l y i ng

43、t h e topo l og i cal anal ys i s and i n for m ati on p rocess i ng functi on of G IS . Tw o eng-i neeri ng cases w ere analyz ed w it h th i s s i m u lati on syste m:i n case 1, s i m u la -ti on compu t ati on w as conducted on t h e s u rface s ubs i den ce d isaster caused by coalm i n i ng i

44、n a m i ne i n L i aon i ng Provi nce , w hich provi d ed bas is for gov -ern m en t s co m pen s ati on; in case 2, si m u l ation an al ysis w as m ade on t he i n -fl uen ce of underground coalm i n i ng upon the express w ay , w h i ch defi n ed t h e w i dth of t he protecti ve coal p illar . S

45、tudy i nd icated t hat t h is ne w l y devel oped syste m could p rov i de great h el ps for t h e preven ti on and con trol of coalm i n -i ng subs i dence disaster .Research on H eterogeneous D ata Integration i n CoalM i ne S afet y P roduction M anage m en t(75 The i n t egrati on fra m e w ork of heterogen eous dat a i n coal m i n e saf ety p roduction m anage m en t w as pu t for w ard and t h e conversi on of rel ative d ata w ith XM L w as ac h ieved on t he basis of the enterprise s hetero -geneou s dat a integrat