0 引言
煤矿火灾易产生高温和大量有毒有害气体，引发次生灾害，严重威胁安全生产[1]。对灾变区域环境进行准确监测与隔离，可降低灾变区域的氧气浓度，控制火灾发展，阻断事故反应链，同时，为掌握火区发展状态、制定灭火方案提供数据支撑。
火灾区域环境信息监测是火灾应急控制的基础。由于火灾区域环境影响因素多，需要研究多种信息参数协同应用的火灾区域监测技术[2-4]。文献[5]提出了基于气体传感器、可见光图像、温度传感器和烟雾传感器等多信息融合的矿井火灾感知方法，提高了火灾区域监测数据的可靠性。文献[6]提出了基于双目视觉的矿井火灾感知与定位方法，具有监控范围广、成本低、响应快和可视化等优点。
火灾区域隔离是有效控制火灾发展和蔓延的主要方法，能够切断次生事故的反应链，缩小火灾影响范围，减少人员伤亡和财产损失[7]。常用的密闭隔离措施如混凝土密闭墙、聚氨酯喷涂密闭、喷胶等难以满足快速切断灾害事故链的要求，无法对密闭环境进行实时动态监测及预报[8]。文献[9-10]设计了用于隔离煤矿火区的快速充气气囊，提高了火灾区域应急处置能力。文献[11]提出通过电控、气控和手动3种协同控制方法对火灾区域进行远程快速密闭隔离，但未对具体的监测和控制技术实现进行详细阐述。
本文在上述文献的基础上，设计了矿井火灾环境信息动态感知与应急隔离系统，实现了火灾环境参数实时采集和报警、密闭隔离装置远程控制等功能，可对火灾区域进行快速密闭隔离。
1 系统总体设计
1.1 系统架构
矿井火灾环境信息动态感知与应急隔离系统包括感知层、网络层和应用层3个部分，如图1所示。
图1 矿井火灾环境信息动态感知与应急隔离系统架构
Fig.1 The architecture of dynamic information perception and emergency isolation system for mine fire environment
感知层主要由多参数传感器、红外摄像仪、PLC控制器、矿用本安型电磁阀、高精度压力传感器、位置传感器等构成。多参数传感器、红外摄像仪分别用于采集环境参数和视频信息。PLC控制器用于控制电磁阀，执行密闭隔离装置(主体为密闭囊袋)充气启停控制命令。高精度压力传感器用于监测囊袋气压。位置传感器用于监测囊袋下落密闭过程，保证囊袋在整个巷道断面中充填。
网络层以无线传感器网络和RS485有线通信网络为基础，通过井下环网交换机搭建工业以太网络系统，通过Modbus等通信协议构建网络平台[12-14]。
应用层通过分析整理监测数据，定位数据异常区域并启动应急预案，发送应急隔离控制指令。通过实时监测和报警，引导井下危险区域的工作人员及时撤离危险区域。
1.2 系统流程
矿井火灾环境信息动态感知与应急隔离系统流程如图2所示。
图2 矿井火灾环境信息动态感知与应急隔离系统流程
Fig.2 The process of dynamic information perception and emergency isolation system for mine fire environment
在预先判定的危险区域布置监测节点，通过多参数传感器和红外摄像仪对多个测点的环境信息进行同步采集并传输至地面监控平台。监控平台根据环境监测数据及视频信息对井下危险区域状况进行研判。当传感器监测到CO体积分数呈现上升趋势时，系统报警。当CO体积分数达到24×10-6时，工作区域人员撤离，测试系统压力条件，通过远程控制方式控制密闭隔离装置开启，控制信号通过局域网传输至井下PLC控制器，通过控制电磁阀实现对囊袋充填。囊袋通过预设滑轨传动系统从存储仓扩展至整个断面，实现应急密闭隔离。
通过高精度压力传感器对囊袋内部气压进行实时监测，并通过PLC控制器、井下基站、工业以太网络将压力数据传输至地面监控平台。监控平台根据压力监测数据设定囊袋充气压力的安全范围(300～550 Pa)。当囊袋内部压力低于安全范围下限时，启动囊袋自动补气装置，为囊袋补充气量；当内部压力达到设定范围上限时，自动停止充气，以提升密闭效果。
2 系统关键技术实现
2.1 多参数传感器
多参数传感器主要由矿用本安型外壳、温湿度传感器、CO传感器、CO2-CH4传感器、O2传感器、烟雾传感器、声光报警模块、射频发射模块、电源模块、红外遥控模块等组成，如图3所示。各传感器测量范围及精度见表1。
图3 多参数传感器结构
Fig.3 The structure of multi-parameter sensor
表1 传感器测量范围及精度
Table 1 Sensor measuring range and accuracy
指标测量范围精度O2体积分数/%0～250.1CO体积分数/10-60～5001CO2体积分数/%0～20.1CH4体积分数/%0～50.1温度/℃0～1250.25湿度/%0～1000.1
将CO传感器、CO2-CH4传感器、O2传感器集成于电路板中，可同时得到多种气体监测数据，解决了灾区环境监测参数单一的问题。同时，选用电化学气体传感器和红外气体传感器，其响应速度快、灵敏度高。
矿用多参数传感器底部设有离子式烟雾传感器，可感知火灾区域环境烟雾；外部设有滤水片，可降低空气湿度对各传感器检测精度的影响；外部还设有显示屏，可显示气体浓度和环境参数。矿用多参数传感器预留了标准Modbus RTU协议的RS485通信接口，可通过红外遥控模块实现校准。
2.2 密闭隔离装置及其控制
密闭隔离装置主要由密闭囊袋、导向轨及控制部分组成。囊袋选用强度高、质量小、气密性佳、弹性好的复合纤维材料，内部平行分布有弹性和强度较大的塑性纤维柔性骨架结构。同时，囊袋外部设有充气口、充填口、泄压口及压力监测口。通过PLC控制器打开囊袋启动结构，使囊袋沿轨道快速下降，打开电磁阀，启动充气系统，实现气体充填，如图4所示。
1-密闭囊袋；2-泄压口；3-导向轨；4-充填口；5-密闭压力监测；6-多参数传感器；7-摄像仪；8-启动结构。
图4 密闭隔离装置
Fig.4 Airtight isolation device
3 试验分析
在山东兖矿集团鲍店煤矿5312辅助运输巷道联络巷风门前15 m处及人员定位基站处对系统进行工业性试验。5312辅助运输巷道联络巷为宽5 m、全高4 m的矩形煤巷，如图5所示。结合现场实际应用环境，将密闭隔离装置安装在5312辅助运输巷道联络巷风门前15 m处巷道顶部，当灾变发生时可阻挡风流前进。将PLC控制器、电磁阀、压力传感器与井下压风管路连接，通过PLC控制器控制电磁阀启停，通过压力传感器对囊袋内部压力进行实时监测。在距离密闭隔离装置两侧5 m位置布置多参数传感器。PLC控制器直接由127 V照明电源供电，将127 V井下照明电源转换为12 V后为监测基站及传感器供电。
图5 试验地点
Fig.5 Test location
在地面控制平台向密闭隔离装置发送控制信号，测试PLC控制器能否正常启动电磁阀。同时，通过压力传感器记录囊袋充气过程中压力传感器数值变化，并实时观察囊袋状况，当达到预设压力值550 Pa后，停止充气。采用倾斜式压差计测量密闭前后压差。囊袋内部压力变化如图6所示，密闭前后压差及漏风率如图7所示。
图6 囊袋内部压力变化
Fig.6 Pressure changes inside the airtight bag
图7 囊袋密闭前后压差及漏风率
Fig.7 Pressure difference and air leakage rate before and after the airtight bag is sealed
由图6和图7可知，密闭囊袋在5 min内完成开启，停止充气后，囊袋内部压力基本保持稳定，可满足现场使用要求。密闭囊袋两侧压差保持相对稳定，漏风率在5%以内。
4 结语
设计了矿井火灾环境信息动态感知与应急隔离系统，通过多参数传感器采集井下温度、湿度及气体含量信息，通过远程控制方式控制密闭隔离装置启停，并通过高精度压力传感器对囊袋内部气压进行实时监测。现场试验结果表明，该系统实现了火灾环境参数实时采集和报警、密闭隔离装置远程控制等功能，密闭囊袋可在5 min内完成开启，停止充气后，囊袋内部压力基本保持稳定，满足现场应用要求。
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