CN104083841B - 一种用于矿井和地下管网的火灾防控***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的用于矿井和地下管网的火灾防控***，包括光纤气体分析模块和光纤温度传感模块等，其中光纤气体分析模块和光纤温度传感模块用于向报警***和灭火***输入被测气体成分、浓度、温度及位置信息；所述光纤气体分析模块包括气体分析设备、信号光纤和气体探测终端，用于获取相应位置气体样本。有益效果在于，***结合了气体分析***和温度分析***，能更全面的得到预警消息。气体分析***采用光谱吸收法，根据反射回来的光谱分析矿井中特定气体的浓度；温度分析***采用了拉曼分布式温度监测技术，能同时做到：对矿井发火点的精确定位，工程施工简单，无源(井下不供电)、无缝、实时、可靠的监测温度等多方面。

Description

一种用于矿井和地下管网的火灾防控***及方法

技术领域

本发明属于矿井及地下管网等火灾防控技术领域，涉及一种基于采用光谱吸收气体浓度检测技术和分布式温度监测技术的火灾监测技术以及结合火灾报警及灭火***的自动防控***以及基于上述自动防控***的自动防控方法。

背景技术

矿井火灾是煤矿的五大灾害之一，它不仅会造成煤炭资源的损失，打乱各项生产衔接部署，而且还会造成瓦斯煤尘***，严重危害矿井安全生产和企业经济效益，造成巨大的损失。矿井火灾的起因主要是地矿及井道空气中的可燃或助燃的O₂、CO、CO₂、H₂S及CH₄等气体的浓度达到一定限度后，并达到一定的温度条件而形成。煤矿中，特别是采空区内的气体浓度和温度是反映采空区自然发火危险性的一个绝对重要指标。火灾前或火灾发生过程中必然有气体浓度的突变和温度的升高，若能够实时无缝式测到每个火灾隐患点的气体浓度和温度，就可以实现火灾预防。除了矿井火灾，存在于地下的管网***也存在类似的情况。

目前煤矿矿井火灾预警主要采用两种方法：1)分析火灾隐患点的气体成分和浓度，比如：束管气体分析***、人工局部气体取样分析法等；2)温度监测预警方法，比如：煤炭自燃温度探测法和红外探测法等。目前采用的各种采空区等煤层自然发火预警技术都存在着一定的缺陷，还远远不能满足矿井火灾预警的需要，都不能同时做到：快速分析、监测井下气体浓度和对矿井发火点的精确定位，工程施工简单，无源(井下不供电)、无缝、实时、可靠的监测温度等多方面。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有煤矿矿井及与其类似的地下管网火灾预警方法实时性差、定位能力差以及不能联动防控等不足，提出了一种主要用于矿井和地下管网的火灾防控***以及基于上述自动防控***的自动防控方法。

本发明的技术方案为：一种用于矿井和地下管网的火灾防控***，包括报警***、灭火***、光纤气体分析模块和光纤温度传感模块，所述灭火***包括灭火控制主机、灭火装置以及连接灭火控制主机和灭火装置的控制总线，灭火装置位于矿井井道或地下管网中及矿井采空区内；

其特征在于，所述光纤气体分析模块和光纤温度传感模块用于向报警***和灭火***输入被测气体成分、浓度、温度及位置信息；所述光纤气体分析模块包括气体分析设备、信号光纤和气体探测终端，其中信号光纤和气体探测终端位于矿井井道或地下管网中及矿井采空区内，用于获取相应位置气体样本；光纤温度传感模块终端位于矿井井道或地下管网中及矿井采空区内。

进一步的，所述气体探测终端包括三端口环形器、探测光纤和多孔气室，探测光纤用于向多孔气室输入探测激光和将经过多孔气室吸收后的激光反馈回模块的气体分析设备，环形器的第二端口与信号光纤相连接，第一端口和第三端口分别通过探测光纤连接多孔气室的输出端和输入端。

进一步的，所述气体探测终端还包括连接惰性气源的抽气泵，用于吹起气室内粉尘后反向吸走粉尘，保持气室清洁。

进一步的，位于矿井井道或地下管网中的气体探测终端A不同于位于矿井采空区内的气体探测终端B；终端A包括三端口环形器、探测光纤和多孔气室，探测光纤用于向多孔气室输入探测激光和将经过多孔气室吸收后的激光反馈回模块的气体分析设备，环形器的第二端口与信号光纤相连接，第一端口和第三端口分别通过探测光纤连接多孔气室的输出端和输入端；终端B包括终端A和与终端A中多孔气室相连接的抽气泵，所述抽气泵连接惰性气源。

进一步的，上述惰性气源为氮气。

火灾防控方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、使用***中的光纤气体分析模块和光纤温度传感模块设置安全阈值；

S2、控制光纤气体分析模块中激光器依次循环发出中心波长为步骤S1中气体吸收峰对应的脉冲，并根据反射光谱确定相应气体的实时浓度值是否超越安全阈值；

S3、与步骤S2同步检测温度是否超越安全阈值；

S4、如果步骤S2或S3中检测结果超越安全阈值则启动报警***和灭火***，否则继续检测。

本发明的有益效果：本发明的火灾防控***，结合了气体分析***和温度分析***，能更全面的得到预警消息。气体分析***采用光谱吸收法，根据反射回来的光谱分析矿井中特定气体的浓度；温度分析***采用了拉曼分布式温度监测技术，能同时做到：对矿井发火点的精确定位，工程施工简单，无源(井下不供电)、无缝、实时、可靠的监测温度等多方面。本发明提出的火灾防控***与方法分析得到的井下不同气体浓度和井下的温度，若气体浓度超过预设的范围或者温度超过预设值，就触发报警器，实现火灾的预警，并提出了把预警信号和灭火装置联动起来，使火灾的实时防控成为可能。

附图说明

图1为本发明的火灾防控***结构框图；

图2为本发明的火灾防控***中气体探测终端的一具体实施例；

图3为本发明的火灾防控***中气体探测终端的另一具体实施例。

具体实施方式

本发明的以下实施例是根据本发明的原理而设计，下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

如图1及图2所示，本实施例的用于矿井和地下管网的火灾防控***包括报警***、灭火***、光纤气体分析模块和光纤温度传感模块，所述灭火***包括灭火控制主机、灭火装置以及连接控制主机和灭火装置的控制总线，灭火装置位于矿井井道或地下管网中及矿井采空区内；所述光纤气体分析模块和光纤温度传感模块用于向报警***和灭火***输入被测气体成分、浓度、温度及位置信息；所述光纤气体分析模块包括气体分析设备、信号光纤和气体探测终端，其中信号光纤布置在矿井井道或地下管网内，气体探测终端位于矿井井道或地下管网中及矿井采空区内，用于获取相应位置气体样本；光纤温度传感模块终端位于矿井井道或地下管网中及矿井采空区内。以下为气体探测终端的一种具体形式，包括三端口环形器、探测光纤和多孔气室，探测光纤用于向多孔气室输入探测激光和将经过多孔气室吸收后的激光反馈回模块的气体分析设备，环形器的第二端口与信号光纤相连接，第一端口和第三端口分别通过探测光纤连接多孔气室的输出端和输入端。

如图3所示，作为优选方案，本实施例的气体探测终端包括三端口环形器、探测光纤和多孔气室，探测光纤用于向多孔气室输入探测激光和将经过多孔气室吸收后的激光反馈回模块的气体分析设备，环形器的第二端口与信号光纤相连接，第一端口和第三端口分别通过探测光纤连接多孔气室的输出端和输入端。所述气体探测终端还包括连接惰性气源的抽气泵，用于吹起气室内粉尘后反向吸走粉尘，保持气室清洁。该气体探测终端是为煤矿采空区特别设计的，其优点是反向充气后抽气，保持气体探测器内部的清洁。

由于抽气泵大大增加了设备成本，所以，作为本***的优选实施方式，矿井中不完全使用带有高压惰性气源的气体探测终端，而仅仅在粉尘较多的矿井采空区使用。

本发明实施例的火灾防控方法，包括以下步骤：S1、使用***中的光纤气体分析模块和光纤温度传感模块设置安全阈值，所述安全阈值包括O₂≥20％，CO≤0.0024％，CO₂≤0.5％，H₂S≤0.00066％，CH₄≤4％；S2、控制光纤气体分析模块中激光器依次循环发出中心波长为步骤S1中气体吸收峰对应的脉冲，并根据反射光谱确定相应气体的实时浓度值是否超越安全阈值；S3、与步骤S2同步检测温度是否超越安全阈值；S4、如果步骤S2或S3中检测结果超越安全阈值则启动报警***和灭火***，否则继续检测。值得注意的是，上述安全阈值是本实施例的具体举例，并非对本发明保护范围的限定，在工程实践中上述阈值可以做适当调整，参考因素比如必要的预警实践、安全等级等，属于本领域的公知常识，故在此不做详述。

以下为本发明的的***应用于矿井的优选实施方式：

本实施例的火灾防控***包括气体分析***和温度分析***(光纤气体分析模块和光纤温度传感模块)两套***。这两套***共用报警器、灭火控制主机、灭火装置控制总线、及灭火装置。除此之外，气体分析***还包含位于井上的气体分析设备、贯穿全井的光缆1(信号光纤)、气体探测器(气体探测终端)A和B，温度分析***还包含位于煤矿井上的温度分析设备、贯穿全井的光缆2。光缆1和光缆2在井上合成一根光缆，也可以分开布线，为简便，本专利在叙述中将光缆1和光缆2合成一根。由于上述灭火控制主机、灭火装置、报警器以及井上的气体分析设备、温度分析设备等均属于现有技术，故在此不做详述。

其矿井火灾防控方法具体过程如下：1)气体分析设备通过分析在气体探测终端反射回来的光谱得到井下不同气体的浓度，若O₂、CO、CO₂、H₂S、CH₄等气体的浓度不在设定的范围内，就产生火灾预警信号(包括浓度异常的气体，及其地点)，触发报警器，实现火灾的预警；2)气体分析设备把预警信号(包括浓度异常的气体，及其地点)发送给灭火控制主机，灭火控制主机通过灭火装置控制总线控制该地点附近的灭火装置去灭火，最终实现火灾的防控。本实施例的火灾防控方法中，温度分析方法包括以下步骤：1)温度分析设备采用拉曼分布式温度监测技术ROTDR监测温度，若采集到的温度超过设定的阈值，就产生火灾预警信号(包括温度，及该温度对应的地点)，触发报警器，实现火灾的预警；2)温度分析设备把预警信号(包括温度，及该温度对应的地点)发送给灭火控制主机，灭火控制主机通过灭火装置控制总线控制该地点附近的灭火装置去灭火，最终实现火灾的防控。

以下为本发明的原理：气体分析***根据朗伯-比尔吸收定律，每种气体都有固有的吸收光谱，当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时，就会发生共振吸收，其吸收强度与气体的浓度有关，所以根据反射光谱就可以得到某种气体的浓度。在矿井下，主要关注的气体是O₂、CO、CO₂、H₂S、CH₄，所以气体分析***中采用波长可调的激光器，气体分析设备通过分析在气体探测器A1型、A2型中反射回来的光谱得到井下不同气体的浓度，若O₂、CO、CO₂、H₂S、CH₄气体的浓度不在设定的范围内，就产生火灾预警信号(包括浓度异常的气体，及其地点)，触发报警器，实现火灾的预警，然后气体分析设备把预警信号(包括浓度异常的气体，及其地点)发送给灭火控制主机，灭火控制主机通过灭火装置控制总线控制该地点附近的灭火装置去灭火，最终实现火灾的防控。

具体的，上述矿井下关注的气体O₂、CO、CO₂、H₂S、CH₄的吸收光谱特征吸收峰波长分别是759nm-763nm，1567nm，1573nm，1578nm，1665nm。因此，上述波长可调的激光器循环发出中心波长为763nm，1567nm，1573nm，1578nm，1665nm的脉冲。

上述气体探测终端A的一种结构如图2所示：包含一个环形器，表面带多孔的气室，气室外部为光缆。

气体探测终端B中给气室充气充的是N₂或者惰性气体，把灰尘吹起后用抽气泵抽出带灰尘的空气，使气室保持洁净，充气间隔时间根据每个矿的具体情况来决定。煤矿采空区中灰尘较多，气体探测终端B是为采空区特别设计的，其优点是反向充气后抽气，保持气室的洁净。

本发明中的气体分析***与现有的煤矿束管***相比，优点是：1)不需要长距离抽气，分析更准确、更快、更具有实时性；2)易扩展。温度分析***采用拉曼分布式测温技术ROTDR(Raman Optical Time Domain Reflectometer)，实时的得到测温光缆各点的温度。当火灾发生时，就能对矿井发火点进行准确的定位。若温度分析设备监测得到的温度超过预设的阈值温度(80℃)，就产生火灾预警信号(包括温度，及该温度对应的地点)，触发报警器，实现火灾的预警；同时把这信号(包括温度，及该温度对应的地点)发送给灭火控制主机，其通过灭火装置控制总线控制该地点附近的灭火装置灭火，实现火灾的控制。上述两步就实现了火灾的实时防控。上述光缆铺设在轨道巷；上述灭火装置控制总线随着光缆铺设；上述灭火装置每间隔50m分布在灭火装置控制总线上。

具体的，上述温度分析设备中激光器产生脉冲的中心波长为1550nm，激光脉冲10ns，线宽2nm。

为了方便理解，将已有的拉曼分布式测温技术ROTDR的原理推导如下：

在光纤L处局域的Stokes Raman和anti-Stokes Raman散射光子数分别为：

N_S＝K_SSf_s ⁴N_C exp[-(a₀+a_s)L]R_S(T)

N_a＝K_aSf_a ⁴N_C exp[-(a₀+a_a)L]R_a(T)

其中，Ks，Ka与光纤Stokes和anti-Stokes Raman散射截面有关的系数；S为光纤的背向散射因子；fs，fa为Stokes和anti-Stokes Raman散射光子频率；Nc为在光纤入射端的激光脉冲光子数；T为绝对温度；a₀、a_s和a_a分别为入射光、Stokes Raman散射光和anti-Stokes Raman散射光频率的光纤传输损耗；L为光纤待测局域处的长度；Rs(T)、Ra(T)与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数，并有：

R_S(T)＝[1-exp(-hΔf/kT)]^-1

R_a(T)＝[exp(hΔf/kT)-1]^-1

其中h是普朗克常数；k是玻尔兹曼常数，Δf为拉曼声子频率。

解调方法是：用Stokes Raman散射曲线解调anti-Stokes Raman散射曲线：

其中I_a，I_s为Stokes Raman光和anti-Stokes Raman散射光的光强。

当T＝T₀(参考温度)时，上式可写为：

上述两式相除就可以得到温度T:

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例，尤其本发明的火灾防控***在应用方面不局限于矿井及地下管网，也可根据需要应用在其他任何合适的场合。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于矿井和地下管网的火灾防控***，包括报警***、灭火***、光纤气体分析模块和光纤温度传感模块，所述灭火***包括灭火控制主机、灭火装置以及连接灭火控制主机和灭火装置的控制总线，灭火装置位于矿井井道或地下管网中及矿井采空区内；

其特征在于，所述光纤气体分析模块和光纤温度传感模块用于向报警***和灭火***输入被测气体成分、浓度、温度及位置信息；所述光纤气体分析模块包括气体分析设备、信号光纤和气体探测终端，其中信号光纤和气体探测终端位于矿井井道或地下管网中及矿井采空区内，用于获取相应位置气体样本；光纤温度传感模块终端位于矿井井道或地下管网中及矿井采空区内；

所述气体探测终端包括三端口环形器、探测光纤和多孔气室，探测光纤用于向多孔气室输入探测激光和将经过多孔气室吸收后的激光反馈回模块的气体分析设备，环形器的第二端口与信号光纤相连接，第一端口和第三端口分别通过探测光纤连接多孔气室的输出端和输入端；

所述气体探测终端还包括连接惰性气源的抽气泵，用于吹起气室内粉尘后反向吸走粉尘，保持气室清洁。

2.根据权利要求1所述的火灾防控***，其特征在于，位于矿井井道或地下管网中的气体探测终端A不同于位于矿井采空区内的气体探测终端B；终端A包括三端口环形器、探测光纤和多孔气室，探测光纤用于向多孔气室输入探测激光和将经过多孔气室吸收后的激光反馈回模块的气体分析设备，环形器的第二端口与信号光纤相连接，第一端口和第三端口分别通过探测光纤连接多孔气室的输出端和输入端；终端B包括终端A和与终端A中多孔气室相连接的抽气泵，所述抽气泵连接惰性气源。

3.根据权利要求2所述的火灾防控***，其特征在于，惰性气源为氮气。

4.一种基于权利要求1或2所述火灾防控***的火灾防控方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、使用火灾防控***中的光纤气体分析模块和光纤温度传感模块设置安全阈值；

S2、控制光纤气体分析模块中激光器依次循环发出中心波长为步骤S1中气体吸收峰对应的脉冲，并根据反射光谱确定相应气体的实时浓度值是否超越安全阈值；

S3、与步骤S2同步检测温度是否超越安全阈值；

S4、如果步骤S2或S3中检测结果超越安全阈值则启动报警***和灭火***，否则继续检测。