用于礦井和地下管網(wǎng)的火災(zāi)防控系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型的用于礦井和地下管網(wǎng)的火災(zāi)防控系統(tǒng)，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于向報警系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)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(shè)備、信號光纖和氣體探測終端，用于獲取相應(yīng)位置氣體樣本。有益效果在于，系統(tǒng)結(jié)合了氣體分析系統(tǒng)和溫度分析系統(tǒng)，能更全面的得到預(yù)警消息。氣體分析系統(tǒng)采用光譜吸收法，根據(jù)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(tǒng)采用了拉曼分布式溫度監(jiān)測技術(shù)，能同時做到：對礦井發(fā)火點(diǎn)的精確定位，工程施工簡單，無源(井下不供電)、無縫、實(shí)時、可靠的監(jiān)測溫度等多方面。
【專利說明】用于礦井和地下管網(wǎng)的火災(zāi)防控系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于礦井及地下管網(wǎng)等火災(zāi)防控【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于采用光譜吸收氣體濃度檢測技術(shù)和分布式溫度監(jiān)測技術(shù)的火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)以及結(jié)合火災(zāi)報警及滅火系統(tǒng)的自動防控系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]礦井火災(zāi)是煤礦的五大災(zāi)害之一，它不僅會造成煤炭資源的損失，打亂各項(xiàng)生產(chǎn)銜接部署，而且還會造成瓦斯煤塵爆炸，嚴(yán)重危害礦井安全生產(chǎn)和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，造成巨大的損失。礦井火災(zāi)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(dá)到一定限度后，并達(dá)到一定的溫度條件而形成。煤礦中，特別是采空區(qū)內(nèi)的氣體濃度和溫度是反映采空區(qū)自然發(fā)火危險性的一個絕對重要指標(biāo)?；馂?zāi)前或火災(zāi)發(fā)生過程中必然有氣體濃度的突變和溫度的升高，若能夠?qū)崟r無縫式測到每個火災(zāi)隱患點(diǎn)的氣體濃度和溫度，就可以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)防。除了礦井火災(zāi)，存在于地下的管網(wǎng)系統(tǒng)也存在類似的情況。
[0003]目前煤礦礦井火災(zāi)預(yù)警主要采用兩種方法:1)分析火災(zāi)隱患點(diǎn)的氣體成分和濃度，比如:束管氣體分析系統(tǒng)、人工局部氣體取樣分析法等；2)溫度監(jiān)測預(yù)警方法，比如:煤炭自燃溫度探測法和紅外探測法等。目前采用的各種采空區(qū)等煤層自然發(fā)火預(yù)警技術(shù)都存在著一定的缺陷，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足礦井火災(zāi)預(yù)警的需要，都不能同時做到:快速分析、監(jiān)測井下氣體濃度和對礦井發(fā)火點(diǎn)的精確定位，工程施工簡單，無源(井下不供電)、無縫、實(shí)時、可靠的監(jiān)測溫度等多方面。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的是為了解決現(xiàn)有煤礦礦井及與其類似的地下管網(wǎng)火災(zāi)預(yù)警方法實(shí)時性差、定位能力差以及不能聯(lián)動防控等不足，提出了一種主要用于礦井和地下管網(wǎng)的火災(zāi)防控系統(tǒng)。
[0005]本實(shí)用新型的技術(shù)方案為:用于礦井和地下管網(wǎng)的火災(zāi)防控系統(tǒng)，包括報警系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、光纖氣體分析模塊和光纖溫度傳感模塊，所述滅火系統(tǒng)包括控制主機(jī)、滅火裝置以及連接控制主機(jī)和滅火裝置的控制總線，滅火裝置位于礦井井道或地下管網(wǎng)中及礦井采空區(qū)內(nèi)；
[0006]其特征在于,所述光纖氣體分析模塊和光纖溫度傳感模塊用于向報警系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)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(shè)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于礦井井道或地下管網(wǎng)中及礦井采空區(qū)內(nèi)，用于獲取相應(yīng)位置氣體樣本；光纖溫度傳感模塊終端位于礦井井道或地下管網(wǎng)中及礦井采空區(qū)內(nèi)。
[0007]進(jìn)一步的，所述氣體探測終端包括三端口環(huán)形器、探測光纖和多孔氣室，探測光纖用于向多孔氣室輸入探測激光和將經(jīng)過多孔氣室吸收后的激光反饋回模塊的氣體分析設(shè)備，環(huán)形器的第二端口與信號光纖相連接，第一端口和第三端口分別通過探測光纖連接多孔氣室的輸出端和輸入端。
[0008]進(jìn)一步的，所述氣體探測終端還包括連接惰性氣源的抽氣泵，用于吹起氣室內(nèi)粉塵后反向吸走粉塵，保持氣室清潔。
[0009]進(jìn)一步的，位于礦井井道或地下管網(wǎng)中的氣體探測終端A不同于位于礦井采空區(qū)內(nèi)的氣體探測終端B ;終端A包括三端口環(huán)形器、探測光纖和多孔氣室，探測光纖用于向多孔氣室輸入探測激光和將經(jīng)過多孔氣室吸收后的激光反饋回模塊的氣體分析設(shè)備，環(huán)形器的第二端口與信號光纖相連接，第一端口和第三端口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栗，所述抽氣栗連接惰性氣源。
[0010]進(jìn)一步的，上述惰性氣源為氮?dú)狻?br> [0011]本實(shí)用新型的有益效果:本實(shí)用新型的火災(zāi)防控系統(tǒng)，結(jié)合了氣體分析系統(tǒng)和溫度分析系統(tǒng)，能更全面的得到預(yù)警消息。氣體分析系統(tǒng)采用光譜吸收法，根據(jù)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(tǒng)采用了拉曼分布式溫度監(jiān)測技術(shù)，能同時做到:對礦井發(fā)火點(diǎn)的精確定位，工程施工簡單，無源(井下不供電)、無縫、實(shí)時、可靠的監(jiān)測溫度等多方面。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實(shí)用新型的火災(zāi)防控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0013]圖2為本實(shí)用新型的火災(zāi)防控系統(tǒng)中氣體探測終端的一具體實(shí)施例；
[0014]圖3為本實(shí)用新型的火災(zāi)防控系統(tǒng)中氣體探測終端的另一具體實(shí)施例。

【具體實(shí)施方式】
[0015]本實(shí)用新型的以下實(shí)施例是根據(jù)本實(shí)用新型的原理而設(shè)計，下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的闡述。
[0016]如圖1及圖2所示，本實(shí)施例的用于礦井和地下管網(wǎng)的火災(zāi)防控系統(tǒng)包括報警系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、光纖氣體分析模塊和光纖溫度傳感模塊，所述滅火系統(tǒng)包括控制主機(jī)、滅火裝置以及連接控制主機(jī)和滅火裝置的控制總線，滅火裝置位于礦井井道或地下管網(wǎng)中及礦井采空區(qū)內(nèi)；所述光纖氣體分析模塊和光纖溫度傳感模塊用于向報警系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)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(shè)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(wǎng)內(nèi)，氣體探測終端位于礦井井道或地下管網(wǎng)中及礦井采空區(qū)內(nèi)，用于獲取相應(yīng)位置氣體樣本；光纖溫度傳感模塊終端位于礦井井道或地下管網(wǎng)中及礦井采空區(qū)內(nèi)。以下為氣體探測終端的一種具體形式，包括三端口環(huán)形器、探測光纖和多孔氣室，探測光纖用于向多孔氣室輸入探測激光和將經(jīng)過多孔氣室吸收后的激光反饋回模塊的氣體分析設(shè)備，環(huán)形器的第二端口與信號光纖相連接，第一端口和第三端口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(yōu)選方案，本實(shí)施例的氣體探測終端包括三端口環(huán)形器、探測光纖和多孔氣室，探測光纖用于向多孔氣室輸入探測激光和將經(jīng)過多孔氣室吸收后的激光反饋回模塊的氣體分析設(shè)備，環(huán)形器的第二端口與信號光纖相連接，第一端口和第三端口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，用于吹起氣室內(nèi)粉塵后反向吸走粉塵，保持氣室清潔。該氣體探測終端是為煤礦采空區(qū)特別設(shè)計的，其優(yōu)點(diǎn)是反向充氣后抽氣，保持氣體探測器內(nèi)部的清潔。
[0018]由于抽氣泵大大增加了設(shè)備成本，所以，作為本系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)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采空區(qū)使用。
[0019]以下為本實(shí)用新型的系統(tǒng)應(yīng)用于礦井的優(yōu)選實(shí)施方式:
[0020]本實(shí)施例的火災(zāi)防控系統(tǒng)包括氣體分析系統(tǒng)和溫度分析系統(tǒng)(光纖氣體分析模塊和光纖溫度傳感模塊)兩套系統(tǒng)。這兩套系統(tǒng)共用報警器、滅火控制主機(jī)、滅火裝置控制總線、及滅火裝置。除此之外，氣體分析系統(tǒng)還包含位于井上的氣體分析設(shè)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(tǒng)還包含位于煤礦井上的溫度分析設(shè)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。由于上述滅火控制主機(jī)、滅火裝置、報警器以及井上的氣體分析設(shè)備、溫度分析設(shè)備等均屬于現(xiàn)有技術(shù)，故在此不做詳述。
[0021]其礦井火災(zāi)防控方法具體過程如下:1)氣體分析設(shè)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(shè)定的范圍內(nèi)，就產(chǎn)生火災(zāi)預(yù)警信號(包括濃度異常的氣體，及其地點(diǎn))，觸發(fā)報警器，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的預(yù)警；2)氣體分析設(shè)備把預(yù)警信號(包括濃度異常的氣體，及其地點(diǎn))發(fā)送給滅火控制主機(jī)，滅火控制主機(jī)通過滅火裝置控制總線控制該地點(diǎn)附近的滅火裝置去滅火，最終實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的防控。本實(shí)施例的火災(zāi)防控方法中，溫度分析方法包括以下步驟:1)溫度分析設(shè)備采用拉曼分布式溫度監(jiān)測技術(shù)ROTDR監(jiān)測溫度，若采集到的溫度超過設(shè)定的閾值，就產(chǎn)生火災(zāi)預(yù)警信號(包括溫度，及該溫度對應(yīng)的地點(diǎn))，觸發(fā)報警器，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的預(yù)警；2)溫度分析設(shè)備把預(yù)警信號(包括溫度，及該溫度對應(yīng)的地點(diǎn))發(fā)送給滅火控制主機(jī)，滅火控制主機(jī)通過滅火裝置控制總線控制該地點(diǎn)附近的滅火裝置去滅火，最終實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的防控。
[0022]以下為本實(shí)用新型的原理:氣體分析系統(tǒng)根據(jù)朗伯-比爾吸收定律，每種氣體都有固有的吸收光譜，當(dāng)光源的發(fā)射波長與氣體的吸收波長相吻合時，就會發(fā)生共振吸收，其吸收強(qiáng)度與氣體的濃度有關(guān)，所以根據(jù)反射光譜就可以得到某種氣體的濃度。在礦井下，主要關(guān)注的氣體是02、CO、CO2, H2S, CH4，所以氣體分析系統(tǒng)中采用波長可調(diào)的激光器，氣體分析設(shè)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(shè)定的范圍內(nèi)，就產(chǎn)生火災(zāi)預(yù)警信號(包括濃度異常的氣體，及其地點(diǎn))，觸發(fā)報警器，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的預(yù)警，然后氣體分析設(shè)備把預(yù)警信號(包括濃度異常的氣體，及其地點(diǎn))發(fā)送給滅火控制主機(jī)，滅火控制主機(jī)通過滅火裝置控制總線控制該地點(diǎn)附近的滅火裝置去滅火，最終實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的防控。
[0023]具體的，上述礦井下關(guān)注的氣體02、C0、C02、H2S、CH4的吸收光譜特征吸收峰波長分別是759nm-763nm，1567nm, 1573nm, 1578nm, 1665nm。因此，上述波長可調(diào)的激光器循環(huán)發(fā)出中心波長為 763nm, 1567nm, 1573nm, 1578nm, 1665nm 的脈沖。
[0024]上述氣體探測終端A的一種結(jié)構(gòu)如圖2所示:包含一個環(huán)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，把灰塵吹起后用抽氣泵抽出帶灰塵的空氣，使氣室保持潔凈，充氣間隔時間根據(jù)每個礦的具體情況來決定。煤礦采空區(qū)中灰塵較多，氣體探測終端B是為采空區(qū)特別設(shè)計的，其優(yōu)點(diǎn)是反向充氣后抽氣，保持氣室的潔凈。
[0026]本實(shí)用新型中的氣體分析系統(tǒng)與現(xiàn)有的煤礦束管系統(tǒng)相比，優(yōu)點(diǎn)是:1)不需要長距離抽氣，分析更準(zhǔn)確、更快、更具有實(shí)時性；2)易擴(kuò)展。溫度分析系統(tǒng)采用拉曼分布式測溫技術(shù)ROTDR(Raman Optical Time Domain Reflectometer),實(shí)時的得到測溫光纜各點(diǎn)的溫度。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，就能對礦井發(fā)火點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。若溫度分析設(shè)備監(jiān)測得到的溫度超過預(yù)設(shè)的閾值溫度(80°C)，就產(chǎn)生火災(zāi)預(yù)警信號(包括溫度，及該溫度對應(yīng)的地點(diǎn))，觸發(fā)報警器，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的預(yù)警；同時把這信號(包括溫度，及該溫度對應(yīng)的地點(diǎn))發(fā)送給滅火控制主機(jī)，其通過滅火裝置控制總線控制該地點(diǎn)附近的滅火裝置滅火，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的控制。上述兩步就實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)的實(shí)時防控。上述光纜鋪設(shè)在軌道巷；上述滅火裝置控制總線隨著光纜鋪設(shè)；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(shè)備中激光器產(chǎn)生脈沖的中心波長為1550nm，激光脈沖1ns,線寬 2nm。
[0028]為了方便理解，將已有的拉曼分布式測溫技術(shù)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(shù)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(guān)的系數(shù)；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為在光纖入射端的激光脈沖光子數(shù)；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(shù)有關(guān)的系數(shù)，并有:
[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(shù)；k是玻爾茲曼常數(shù)，Λ f為拉曼聲子頻率。
[0036]解調(diào)方法是:用Stokes Raman散射曲線解調(diào)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(qiáng)。
[0039]當(dāng)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(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本實(shí)用新型的原理，應(yīng)被理解為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例，尤其本實(shí)用新型的火災(zāi)防控系統(tǒng)在應(yīng)用方面不局限于礦井及地下管網(wǎng)，也可根據(jù)需要應(yīng)用在其他任何合適的場合。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本實(shí)用新型公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本實(shí)用新型實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.用于礦井和地下管網(wǎng)的火災(zāi)防控系統(tǒng)，包括報警系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、光纖氣體分析模塊和光纖溫度傳感模塊，所述滅火系統(tǒng)包括控制主機(jī)、滅火裝置以及連接控制主機(jī)和滅火裝置的控制總線，滅火裝置位于礦井井道或地下管網(wǎng)中及礦井采空區(qū)內(nèi)； 其特征在于，所述光纖氣體分析模塊和光纖溫度傳感模塊用于向報警系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)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(shè)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于礦井井道或地下管網(wǎng)中及礦井采空區(qū)內(nèi)，用于獲取相應(yīng)位置氣體樣本；光纖溫度傳感模塊終端位于礦井井道或地下管網(wǎng)中及礦井采空區(qū)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的火災(zāi)防控系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體探測終端包括三端口環(huán)形器、探測光纖和多孔氣室，探測光纖用于向多孔氣室輸入探測激光和將經(jīng)過多孔氣室吸收后的激光反饋回模塊的氣體分析設(shè)備，環(huán)形器的第二端口與信號光纖相連接，第一端口和第三端口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(jù)權(quán)利要求1或2所述的火災(zāi)防控系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體探測終端還包括連接惰性氣源的抽氣泵，用于吹起氣室內(nèi)粉塵后反向吸走粉塵，保持氣室清潔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的火災(zāi)防控系統(tǒng)，其特征在于，位于礦井井道或地下管網(wǎng)中的氣體探測終端A不同于位于礦井采空區(qū)內(nèi)的氣體探測終端B ;終端A包括三端口環(huán)形器、探測光纖和多孔氣室，探測光纖用于向多孔氣室輸入探測激光和將經(jīng)過多孔氣室吸收后的激光反饋回模塊的氣體分析設(shè)備，環(huán)形器的第二端口與信號光纖相連接，第一端口和第三端口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(jù)權(quán)利要求4所述的火災(zāi)防控系統(tǒng)，其特征在于，惰性氣源為氮?dú)狻?br> 【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(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】冉曾令, 黃亞, 陳曦, 蔣志, 伍厚榮 申請人:電子科技大學(xué)