用於礦井和地下管網的火災防控系統的製作方法
2023-06-14 18:59:36 2
用於礦井和地下管網的火災防控系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型的用於礦井和地下管網的火災防控系統，包括光纖氣體分析模塊和光纖溫度傳感模塊，光纖氣體分析模塊和光纖溫度傳感模塊用於向報警系統和滅火系統輸入被測氣體成分、濃度、溫度及位置信息；光纖氣體分析模塊包括氣體分析設備、信號光纖和氣體探測終端，用於獲取相應位置氣體樣本。有益效果在於，系統結合了氣體分析系統和溫度分析系統，能更全面的得到預警消息。氣體分析系統採用光譜吸收法，根據反射回來的光譜分析礦井中特定氣體的濃度；溫度分析系統採用了拉曼分布式溫度監測技術，能同時做到：對礦井發火點的精確定位，工程施工簡單，無源(井下不供電)、無縫、實時、可靠的監測溫度等多方面。
【專利說明】用於礦井和地下管網的火災防控系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於礦井及地下管網等火災防控【技術領域】，涉及一種基於採用光譜吸收氣體濃度檢測技術和分布式溫度監測技術的火災監測技術以及結合火災報警及滅火系統的自動防控系統。
【背景技術】
[0002]礦井火災是煤礦的五大災害之一，它不僅會造成煤炭資源的損失，打亂各項生產銜接部署，而且還會造成瓦斯煤塵爆炸，嚴重危害礦井安全生產和企業經濟效益，造成巨大的損失。礦井火災的起因主要是地礦及井道空氣中的可燃或助燃的02、CO、CO2, H2S及CH4等氣體的濃度達到一定限度後，並達到一定的溫度條件而形成。煤礦中，特別是採空區內的氣體濃度和溫度是反映採空區自然發火危險性的一個絕對重要指標。火災前或火災發生過程中必然有氣體濃度的突變和溫度的升高，若能夠實時無縫式測到每個火災隱患點的氣體濃度和溫度，就可以實現火災預防。除了礦井火災，存在於地下的管網系統也存在類似的情況。
[0003]目前煤礦礦井火災預警主要採用兩種方法:1)分析火災隱患點的氣體成分和濃度，比如:束管氣體分析系統、人工局部氣體取樣分析法等；2)溫度監測預警方法，比如:煤炭自燃溫度探測法和紅外探測法等。目前採用的各種採空區等煤層自然發火預警技術都存在著一定的缺陷，還遠遠不能滿足礦井火災預警的需要，都不能同時做到:快速分析、監測井下氣體濃度和對礦井發火點的精確定位，工程施工簡單，無源(井下不供電)、無縫、實時、可靠的監測溫度等多方面。
實用新型內容
[0004]本實用新型的目的是為了解決現有煤礦礦井及與其類似的地下管網火災預警方法實時性差、定位能力差以及不能聯動防控等不足，提出了一種主要用於礦井和地下管網的火災防控系統。
[0005]本實用新型的技術方案為:用於礦井和地下管網的火災防控系統，包括報警系統、滅火系統、光纖氣體分析模塊和光纖溫度傳感模塊，所述滅火系統包括控制主機、滅火裝置以及連接控制主機和滅火裝置的控制總線，滅火裝置位於礦井井道或地下管網中及礦井採空區內；
[0006]其特徵在於,所述光纖氣體分析模塊和光纖溫度傳感模塊用於向報警系統和滅火系統輸入被測氣體成分、濃度、溫度及位置信息；所述光纖氣體分析模塊包括氣體分析設備、信號光纖和氣體探測終端，其中信號光纖和氣體探測終端位於礦井井道或地下管網中及礦井採空區內，用於獲取相應位置氣體樣本；光纖溫度傳感模塊終端位於礦井井道或地下管網中及礦井採空區內。
[0007]進一步的，所述氣體探測終端包括三埠環形器、探測光纖和多孔氣室，探測光纖用於向多孔氣室輸入探測雷射和將經過多孔氣室吸收後的雷射反饋回模塊的氣體分析設備，環形器的第二埠與信號光纖相連接，第一埠和第三埠分別通過探測光纖連接多孔氣室的輸出端和輸入端。
[0008]進一步的，所述氣體探測終端還包括連接惰性氣源的抽氣泵，用於吹起氣室內粉塵後反向吸走粉塵，保持氣室清潔。
[0009]進一步的，位於礦井井道或地下管網中的氣體探測終端A不同於位於礦井採空區內的氣體探測終端B ;終端A包括三埠環形器、探測光纖和多孔氣室，探測光纖用於向多孔氣室輸入探測雷射和將經過多孔氣室吸收後的雷射反饋回模塊的氣體分析設備，環形器的第二埠與信號光纖相連接，第一埠和第三埠分別通過探測光纖連接多孔氣室的輸出端和輸入端；終端B包括終端A和與終端A中多孔氣室相連接的抽氣慄，所述抽氣慄連接惰性氣源。
[0010]進一步的，上述惰性氣源為氮氣。
[0011]本實用新型的有益效果:本實用新型的火災防控系統，結合了氣體分析系統和溫度分析系統，能更全面的得到預警消息。氣體分析系統採用光譜吸收法，根據反射回來的光譜分析礦井中特定氣體的濃度；溫度分析系統採用了拉曼分布式溫度監測技術，能同時做到:對礦井發火點的精確定位，工程施工簡單，無源(井下不供電)、無縫、實時、可靠的監測溫度等多方面。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型的火災防控系統結構框圖；
[0013]圖2為本實用新型的火災防控系統中氣體探測終端的一具體實施例；
[0014]圖3為本實用新型的火災防控系統中氣體探測終端的另一具體實施例。
【具體實施方式】
[0015]本實用新型的以下實施例是根據本實用新型的原理而設計，下面結合附圖和具體的實施例對本實用新型作進一步的闡述。
[0016]如圖1及圖2所示，本實施例的用於礦井和地下管網的火災防控系統包括報警系統、滅火系統、光纖氣體分析模塊和光纖溫度傳感模塊，所述滅火系統包括控制主機、滅火裝置以及連接控制主機和滅火裝置的控制總線，滅火裝置位於礦井井道或地下管網中及礦井採空區內；所述光纖氣體分析模塊和光纖溫度傳感模塊用於向報警系統和滅火系統輸入被測氣體成分、濃度、溫度及位置信息；所述光纖氣體分析模塊包括氣體分析設備、信號光纖和氣體探測終端，其中信號光纖布置在礦井井道或地下管網內，氣體探測終端位於礦井井道或地下管網中及礦井採空區內，用於獲取相應位置氣體樣本；光纖溫度傳感模塊終端位於礦井井道或地下管網中及礦井採空區內。以下為氣體探測終端的一種具體形式，包括三埠環形器、探測光纖和多孔氣室，探測光纖用於向多孔氣室輸入探測雷射和將經過多孔氣室吸收後的雷射反饋回模塊的氣體分析設備，環形器的第二埠與信號光纖相連接，第一埠和第三埠分別通過探測光纖連接多孔氣室的輸出端和輸入端。
[0017]如圖3所示，作為優選方案，本實施例的氣體探測終端包括三埠環形器、探測光纖和多孔氣室，探測光纖用於向多孔氣室輸入探測雷射和將經過多孔氣室吸收後的雷射反饋回模塊的氣體分析設備，環形器的第二埠與信號光纖相連接，第一埠和第三埠分別通過探測光纖連接多孔氣室的輸出端和輸入端。所述氣體探測終端還包括連接惰性氣源的抽氣泵，用於吹起氣室內粉塵後反向吸走粉塵，保持氣室清潔。該氣體探測終端是為煤礦採空區特別設計的，其優點是反向充氣後抽氣，保持氣體探測器內部的清潔。
[0018]由於抽氣泵大大增加了設備成本，所以，作為本系統的優選實施方式，礦井中不完全使用帶有高壓惰性氣源的氣體探測終端，而僅僅在粉塵較多的礦井採空區使用。
[0019]以下為本實用新型的系統應用於礦井的優選實施方式:
[0020]本實施例的火災防控系統包括氣體分析系統和溫度分析系統(光纖氣體分析模塊和光纖溫度傳感模塊)兩套系統。這兩套系統共用報警器、滅火控制主機、滅火裝置控制總線、及滅火裝置。除此之外，氣體分析系統還包含位於井上的氣體分析設備、貫穿全井的光纜I (信號光纖)、氣體探測器(氣體探測終端)A和B，溫度分析系統還包含位於煤礦井上的溫度分析設備、貫穿全井的光纜2。光纜I和光纜2在井上合成一根光纜，也可以分開布線，為簡便，本專利在敘述中將光纜I和光纜2合成一根。由於上述滅火控制主機、滅火裝置、報警器以及井上的氣體分析設備、溫度分析設備等均屬於現有技術，故在此不做詳述。
[0021]其礦井火災防控方法具體過程如下:1)氣體分析設備通過分析在氣體探測終端反射回來的光譜得到井下不同氣體的濃度，若02、C0、C02、H2S、CH4等氣體的濃度不在設定的範圍內，就產生火災預警信號(包括濃度異常的氣體，及其地點)，觸發報警器，實現火災的預警；2)氣體分析設備把預警信號(包括濃度異常的氣體，及其地點)發送給滅火控制主機，滅火控制主機通過滅火裝置控制總線控制該地點附近的滅火裝置去滅火，最終實現火災的防控。本實施例的火災防控方法中，溫度分析方法包括以下步驟:1)溫度分析設備採用拉曼分布式溫度監測技術ROTDR監測溫度，若採集到的溫度超過設定的閾值，就產生火災預警信號(包括溫度，及該溫度對應的地點)，觸發報警器，實現火災的預警；2)溫度分析設備把預警信號(包括溫度，及該溫度對應的地點)發送給滅火控制主機，滅火控制主機通過滅火裝置控制總線控制該地點附近的滅火裝置去滅火，最終實現火災的防控。
[0022]以下為本實用新型的原理:氣體分析系統根據朗伯-比爾吸收定律，每種氣體都有固有的吸收光譜，當光源的發射波長與氣體的吸收波長相吻合時，就會發生共振吸收，其吸收強度與氣體的濃度有關，所以根據反射光譜就可以得到某種氣體的濃度。在礦井下，主要關注的氣體是02、CO、CO2, H2S, CH4，所以氣體分析系統中採用波長可調的雷射器，氣體分析設備通過分析在氣體探測器Al型、A2型中反射回來的光譜得到井下不同氣體的濃度，若
02、CO、C02、H2S、CH4氣體的濃度不在設定的範圍內，就產生火災預警信號(包括濃度異常的氣體，及其地點)，觸發報警器，實現火災的預警，然後氣體分析設備把預警信號(包括濃度異常的氣體，及其地點)發送給滅火控制主機，滅火控制主機通過滅火裝置控制總線控制該地點附近的滅火裝置去滅火，最終實現火災的防控。
[0023]具體的，上述礦井下關注的氣體02、C0、C02、H2S、CH4的吸收光譜特徵吸收峰波長分別是759nm-763nm，1567nm, 1573nm, 1578nm, 1665nm。因此，上述波長可調的雷射器循環發出中心波長為 763nm, 1567nm, 1573nm, 1578nm, 1665nm 的脈衝。
[0024]上述氣體探測終端A的一種結構如圖2所示:包含一個環形器，表面帶多孔的氣室，氣室外部為光纜。
[0025]氣體探測終端B中給氣室充氣充的是N2或者惰性氣體，把灰塵吹起後用抽氣泵抽出帶灰塵的空氣，使氣室保持潔淨，充氣間隔時間根據每個礦的具體情況來決定。煤礦採空區中灰塵較多，氣體探測終端B是為採空區特別設計的，其優點是反向充氣後抽氣，保持氣室的潔淨。
[0026]本實用新型中的氣體分析系統與現有的煤礦束管系統相比，優點是:1)不需要長距離抽氣，分析更準確、更快、更具有實時性；2)易擴展。溫度分析系統採用拉曼分布式測溫技術ROTDR(Raman Optical Time Domain Reflectometer),實時的得到測溫光纜各點的溫度。當火災發生時，就能對礦井發火點進行準確的定位。若溫度分析設備監測得到的溫度超過預設的閾值溫度(80°C)，就產生火災預警信號(包括溫度，及該溫度對應的地點)，觸發報警器，實現火災的預警；同時把這信號(包括溫度，及該溫度對應的地點)發送給滅火控制主機，其通過滅火裝置控制總線控制該地點附近的滅火裝置滅火，實現火災的控制。上述兩步就實現了火災的實時防控。上述光纜鋪設在軌道巷；上述滅火裝置控制總線隨著光纜鋪設；上述滅火裝置每間隔50m分布在滅火裝置控制總線上。
[0027]具體的，上述溫度分析設備中雷射器產生脈衝的中心波長為1550nm，雷射脈衝1ns,線寬 2nm。
[0028]為了方便理解，將已有的拉曼分布式測溫技術ROTDR的原理推到如下:
[0029]在光纖L處局域的Stokes Raman和ant1-Stokes Raman散射光子數分別為:
[0030]Ns = KsSfs4Ncexp [- (a0+as) L] Rs (T)
[0031 ] Na = KaSfa4Ncexp [- (a0+aa) L] Ra ⑴
[0032]其中，Ks, Ka與光纖Stokes和ant1-Stokes Raman散射截面有關的係數；S為光纖的背向散射因子；fs，fa為Stokes和ant1-Stokes Raman散射光子頻率；Nc為在光纖入射端的雷射脈衝光子數；T為絕對溫度&、as和aa分別為入射光、Stokes Raman散射光和ant1-Stokes Raman散射光頻率的光纖傳輸損耗；L為光纖待測局域處的長度；Rs (T)、Ra(T)與光纖分子低能級和高能級上的布居數有關的係數，並有:
[0033]Rs (T) = [1-exp (~h Δ f/kT) ]_1
[0034]Ra(T) = [exp (h Λ f/kT)_IΓ1
[0035]其中h是普朗克常數；k是玻爾茲曼常數，Λ f為拉曼聲子頻率。
[0036]解調方法是:用Stokes Raman散射曲線解調ant1-Stokes Raman散射曲線:
[0037]TTj-= ~Γ=cxP(- h Δ f/ l<T)cxp|-(a?- aJL]
TV c I c K c T1.?S?
[0038]其中Ia，Is 為 Stokes Raman 光和 ant1-Stokes Raman 散射光的光強。
[0039]當T = Ttl (參考溫度)時，上式可寫為:
[0040]exp(- h Δ f/ kT0)exp[-(aa- ) L]
S ^ S Js
[0041]上述兩式相除就可以得到溫度T:1 I k rl N (T)iV,(Tfl)nΓ0042? —二---[In —--]
L.乙」 T ^ hA f Arij(T0)Ars(T)
[0043]本領域的普通技術人員將會意識到，這裡所述的實施例是為了幫助讀者理解本實用新型的原理，應被理解為本實用新型的保護範圍並不局限於這樣的特別陳述和實施例，尤其本實用新型的火災防控系統在應用方面不局限於礦井及地下管網，也可根據需要應用在其他任何合適的場合。本領域的普通技術人員可以根據本實用新型公開的這些技術啟示做出各種不脫離本實用新型實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本實用新型的保護範圍內。
【權利要求】
1.用於礦井和地下管網的火災防控系統，包括報警系統、滅火系統、光纖氣體分析模塊和光纖溫度傳感模塊，所述滅火系統包括控制主機、滅火裝置以及連接控制主機和滅火裝置的控制總線，滅火裝置位於礦井井道或地下管網中及礦井採空區內； 其特徵在於，所述光纖氣體分析模塊和光纖溫度傳感模塊用於向報警系統和滅火系統輸入被測氣體成分、濃度、溫度及位置信息；所述光纖氣體分析模塊包括氣體分析設備、信號光纖和氣體探測終端，其中信號光纖和氣體探測終端位於礦井井道或地下管網中及礦井採空區內，用於獲取相應位置氣體樣本；光纖溫度傳感模塊終端位於礦井井道或地下管網中及礦井採空區內。
2.根據權利要求1所述的火災防控系統，其特徵在於，所述氣體探測終端包括三埠環形器、探測光纖和多孔氣室，探測光纖用於向多孔氣室輸入探測雷射和將經過多孔氣室吸收後的雷射反饋回模塊的氣體分析設備，環形器的第二埠與信號光纖相連接，第一埠和第三埠分別通過探測光纖連接多孔氣室的輸出端和輸入端。
3.根據權利要求1或2所述的火災防控系統，其特徵在於，所述氣體探測終端還包括連接惰性氣源的抽氣泵，用於吹起氣室內粉塵後反向吸走粉塵，保持氣室清潔。
4.根據權利要求3所述的火災防控系統，其特徵在於，位於礦井井道或地下管網中的氣體探測終端A不同於位於礦井採空區內的氣體探測終端B ;終端A包括三埠環形器、探測光纖和多孔氣室，探測光纖用於向多孔氣室輸入探測雷射和將經過多孔氣室吸收後的雷射反饋回模塊的氣體分析設備，環形器的第二埠與信號光纖相連接，第一埠和第三埠分別通過探測光纖連接多孔氣室的輸出端和輸入端；終端B包括終端A和與終端A中多孔氣室相連接的抽氣泵，所述抽氣泵連接惰性氣源。
5.根據權利要求4所述的火災防控系統，其特徵在於，惰性氣源為氮氣。
【文檔編號】A62C37/00GK203971261SQ201420413147
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】冉曾令, 黃亞, 陳曦, 蔣志, 伍厚榮 申請人:電子科技大學