矿井下密闭环境参数原位探测与远程监测分析系统及方法与流程

本发明属于煤矿井下密闭内气体浓度监测监控领域，尤其涉及一种矿井下密闭环境参数原位探测与远程监测分析系统及方法。。

背景技术：

矿井火灾是煤矿安全生产的重大隐患，采空气密闭内是煤炭井下开采过程中最易自然发火的区域，自然发火数约占整个井下发火总数的60％，是回采过程中煤炭自燃防治的重点，严重威胁着矿井的安全生产。煤自燃过程中随着煤温的升高，煤氧化会产生如co、co2、c2h4、c2h6等一系列指标性气体，一般情况下，通过对采空气密闭内特征气体状态参数的监测监控来监测煤自燃的反应程度，根据气体的变化规律进而对采空气密闭内煤自燃的变化情况进行预测预报。由于矿井存在诸如采空气密闭内垮落空间大、自燃区域隐蔽性强，内部自燃火源的产生、发展情况均不可见等恶劣的生产环境，加之煤自燃初期高温区域小，工作人员不能长期停留在现场观察设备是否完善，矿井密闭墙内的气体参数是直接表征采空气密闭内状态是否正常的关键因素，可能会导致采空气密闭内煤自燃的预测预报十分困难。因此，我们需要对矿井密闭内气体参数进行数据采集，开展对密闭内采空气密闭内煤自燃气体浓度精准探测的研究，对于高效防治煤自燃，避免采空气密闭内煤炭自燃引发重特大安全事故，具有十分重要的意义。

矿井密闭墙是通风系统的重要组成部分,主要用来调节风流,改变风流方向,隔绝水、火、瓦斯和其他有害气体,阻挡充填材料侵入工作场所,防止爆炸或顶板大面积瞬时冒落冲击波的破坏。其中，通过对密闭墙内有毒有害气体浓度的监测监控，实现采空气密闭内煤自燃多组分气体原位一体化准确分析，为煤自燃高温点精准探测提供关键技术支撑，进而实现对采空气密闭内煤自然发火的有效预测和防治。为了有效控制密闭墙内火灾发生危险的可能性,有必要合理地设计对密闭墙内气体从采集到监测的整体装置。

煤矿井下密闭墙的管理规定，瓦斯检查员每班负责检查1次所在区域的永久、临时密闭；老硐工每7天负责检查1次矿井永久、临时密闭，检查内容包括一氧化碳、二氧化碳、瓦斯、氧气浓度及墙体、围岩情况，检查结果记入通风设施检查记录簿。但是，这种人工抽检的方式相对比较麻烦，并且具有很高的危险性。因此，寻找一种方便有效的密闭墙内气体抽检方法显得颇为重要。

技术实现要素：

本发明一种矿井下密闭环境参数原位探测与远程监测分析系统与远程监测方法。主要通过煤自燃多组分气体快速一体化原位分析方法，实现对采空气密闭内煤自燃多种气体的准确分析，为煤自燃高温点精准探测提供关键技术支撑。

本发明的目的是这样实现的：一种矿井下密闭环境参数原位探测与远程监测分析系统，包含过滤式导气管、微功耗直流负压真空泵、长光程折反式吸收池、多元气体原位探测分析装置、本安蓄电电源模块、工业以太网通信系统和地面远程监控预警中心；所述过滤式导气管通过观测孔连接密闭墙的内外两侧，用于对采空气密闭内部的混合气体采样；所述微功耗直流负压真空泵设置连接过滤式导气管，用于抽取密闭空间内气体；所述长光程折反式吸收池为两端分别设置进气口、出气口的密闭空间，采用纳米级氢氧化镁、改性氢氧化铝阻燃剂或轻质氧化镁阻燃材料进行封装，两端内置交错的三个反射镜实现光程的有效叠加；用于对微功耗直流负压真空泵抽取的密闭空间内气体进行暂存、分析、排放，分离出碳氧类和烯烃类气体的组分浓度；所述多元气体原位探测分析装置，包括近红外光波段光源收发器、光源驱动集成电路、锁相放大器和中央处理器；所述的中央处理器向光源驱动集成电路发出探测信号；光源驱动集成电路驱动近红外光波段光源收发器发射不同波段的光束，利用光束在长光程折反式吸收池内多次反射获取不同浓度的煤自燃多组分指标气体的光谱信号；近红外光波段光源收发器将光谱信号通过锁相放大器处理后传给中央处理器进行分析、存储；所述中央处理器连接真空泵控制电路，控制微功耗直流负压真空泵抽取密闭气体至长光程折反式吸收池；所述中央处理器还连接远程通信控制电路，工业以太网通信系统用于将井下多元气体原位探测分析装置的分析结果传输至地面远程监控预警中心；所述本安型蓄电电源模块为微功耗直流负压真空泵、多元气体原位探测分析装置以及工业以太网通信系统供电；所述的地面远程监控预警中心包含监控中心站、通信模块、显示终端和服务器。

所述的过滤式导气管选用矿用阻燃聚乙烯管，两端均设有过滤装置，用于过滤固体杂质、高湿气体，减少对光吸收池的影响；所述的密闭采样孔距密闭墙顶板300～400mm处，导气管通过观测孔连接密闭的内外两侧，用于对采空气密闭内内部的各类气体进行采样。

所述的以太网通信系统采用电缆传输和无线射频传输相结合来传递信息。

所述的微功耗直流负压真空泵选择zx512-503-2900型微型真空气体捕集装置，外壳采用为工程型阻燃塑料，应用于对密闭墙内气体进行过滤抽气取样。

所述的地面远程监控预警中心包含监控中心站、通信模块、显示终端和服务器。

所述的本安型蓄电电源模块选用矿用防爆dtk30型铅酸蓄电池，电压为5v，额定容量为30ah，尺寸较小；主要用为井下微功耗监控装置供电，降低危险性，长久耐用的状态。

所述的监控中心站，用于对接井下密闭原位探测分析装置通过通讯系统所传递的信息；通信模块，用于地面监控中心与井下通信系统的数据传输，通讯方式主要通过有线与无线相结合的方式来进行数据传输；显示终端，用于实时显示矿井密闭内部气体成分与浓度的实时状态；服务器，用于井下密闭内部采空气密闭内气体信息的采集、存储、分析、预警与显示，为监测信息是否正常提供服务。

所述红外光波段光源收发器选用kyl850n300-60型；锁相放大器选用ad630jnz平衡调制解调器芯片；中央处理器选用msp430f149微功耗单片机。

一种矿井下密闭环境参数原位探测与远程监测分析方法，具体包含如下步骤；

步骤1)，结合煤矿井下密闭管理的现状和需求，确定煤矿井下密闭内环境参数原位探测装置的布置位置和通信方式，为了高效节能，装置在常态下处于睡眠状态，每12小时唤醒一次，按照设定功能进行密闭内气体采样，对采样气体组分进行原位分析，通过工业以太网通信系统传输给地面远程监控分析中心；具体采样过程如下：

步骤1.1),当井下密闭内环境参数原位探测装置被唤醒后，微功耗直流负压真空泵启动抽气，将采空气密闭内气体抽出到长光程折反式吸收池，经历排气过程置换长光程折反式吸收池内的原有气体，当长光程折反式吸收池内气体全部为采空气密闭内气体后，关闭微功耗直流负压真空泵，启动多元气体原位探测分析装置进行气体组分分析；

步骤1.2)，多元气体原位探测分析装置启动后，由近红外光波段的稳定光源收发器发射不同波段的光束，光束在多元组分混合气体中传播，根据不同气体对特定波段光束的吸收与反射作用，光速在长光程折反式吸收池内进行多次反射，延迟光速的传播时间，从而提高气体组分分析的精度和效果；

步骤1.3)，多元气体组分的分离分析过程中，采用人工神经网络算法，拟合浓度多参数相互影响下的不同气体解调分析方法，通过实验测试不同浓度的煤自燃多组分指标气体吸收光谱信号，验证该方法对于不同浓度烃类气体光谱分离效果和浓度检测的灵敏度，其计算公式为：

式中，参数ν和α分别代表吸收峰的中心位置和谱线宽度，s为与吸收峰峰值相关的待定系数；

基于多目标粒子群-极限学习机算法建立多参数影响下的修正方法，针对谱线干扰的特征，减少极限学习机隐层神经元的个数，提高网络的泛化性能和收敛速度；采用光谱修正法、浓度修正法和基于改进微粒群优化极限学习机算法，建立非线性函数关系的浓度修正模型，实现对烃类气体吸收谱线重叠分离和多种气体吸收谱线干扰的主动修正，实现煤自燃多组分气体的高灵敏检测；

具体实现过程中，抽气泵在2min内使检测装置吸收池中气体完全置换，随后原位探测装置采集n个浓度数据，将其平均值作为对比浓度；重复测量，记录所测得的数据结果，计算测量结果的标准差s，计算公式如下：

式中，c表示目标测定组分的浓度值；k表示取样次数；分别选择多组分标气进行实验测试，分析实验结果的重复性差值，检验系统测量结果的一致性；

步骤1.4)，井下密闭内环境参数多元气体原位探测分析装置为了提高精度在短时间内进行三次气体组分分析，装置的分析时间为ms级，对比检测结果，在三组数据偏差小于5％内取平均值，偏差较大时进行重复检测，如此迭代；完成一组高精度测量数据后，通过工业以太网将原位探测装置的检测结果传送到地面远程监控分析中心；

步骤2)，地面远程监控预警中心将井下采集的数据显示到终端软件平台上，同时存储到预设的数据库中，以备历史数据查询；监控终端软件内置密闭灾区预警研判模型，实时地将采样数据与预警研判模型中的阈值进行对比；当监测结果在阈值范围内时，地面远程监控预警中心将数据进行常态显示、刷新、记录；

步骤3)，当地面远程监控预警中心的监测数据超过阈值范围时，系统平台启动预警；通过工业以太网系统向井下密闭内环境参数原位探测装置下发指令，触发其采样频率由每12小时一次提高为每10分钟一次；系统平台启动预警程序，将远程监测数据进行统计分析，拟合关键指标性气体变化曲线，为防灭火方案制定提供参考，提高密闭内异常预警决策效率；当异常消除后，矿井下密闭环境参数原位探测与远程监测分析系统自主恢复常态。

系统中所述的气体监测室主要针对一氧化碳、二氧化碳、氧气、瓦斯、乙烯、乙炔等碳氧类和烯烃类气体进行抽取采集，用于对抽气泵与多元气体参数原位探测分析装置的相互连接进行管制。

矿井下密闭环境参数原位探测与远程监测分析系统中所述的多元气体参数原位探测分析装置主要是用于测试不同浓度的煤自燃多组分标志性气体吸收光谱信号，对不同浓度烃类气体光谱进行分离和浓度检测。

该原位分析装置的原理主要是根据不同浓度配比下ch4、co和c2h4等混合气体的光谱特性来研究不同谱线展宽对吸收谱线间隔的影响规律，建立非线性映射关系的mpso-elm补偿模型，提出消除混合气体谱线吸收干扰的方法，实现煤自燃多组分气体中co、ch4、c2h4等碳氧和烯烃类气体的高灵敏测量。通过优化设计装置的内部光学结构和外部机械结构，结合有限元模拟仿真和实验研究，设计小型化装置，且具有抗压、砸的高强度外壳，具有防水、透气、过滤功能的窗口；同时，设计集成度高的控制与处理系统，实现装置内部体积最小化。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明构造了一种煤矿井下密闭环境参数原位探测分析与远程通讯装置，从对矿井采空气密闭内煤自燃气体浓度的监测监控研究的需求出发，研究体积小、灵敏度高的原位气体分析光谱技术，结合不同浓度气体存在时各个气体的吸收谱线变化特征，分析密闭内气体浓度变化，为监控采空气密闭内特征气体的变化，对灾害预警能够及时作出反馈的研究提供技术支撑。研究成果将进一步为采空气密闭内内部特征气体的监测监控提供便利，并进一步攻克相关对矿井密闭有毒有害气体探测装备的关键技术，参与国际竞争，开拓国际市场，推动我国深地装备技术发展，满足和支撑国家煤炭高科技安全开采事业发展的需求。该抽气装置是无源的，可用铅酸电池来提供电源，抽气泵用电量很小，特别省电，降低装置的危险性。每天都能得到几组数据，每个密闭墙放置一套装置，分析多种密闭墙内，每隔一两个月换一次电池。真空泵每次抽气时间很短，较为省电。

2.在井下地质条件复杂，地下水比较丰富,区域电缆很容易受到损耗,发生腐蚀、损坏现象,信号质量不是很稳定，单纯通过有线通讯或者无线通讯的方式来解决矿井信号传输问题的方式显得十分困难，因此采用光纤通讯和无线通讯相结合的方式能够更加准确地实现对密闭墙内部气体信号的传输与获取。与此同时，依据煤自燃多组分气体快速一体化原位分析方法，实现采空气密闭内煤自燃多组分气体原位一体化准确分析，为煤自燃高温点精准探测提供关键技术支撑。

附图说明

图1为本发明的矿井下密闭环境参数原位探测与远程监测分析系统整体结构示意图。

图2为多元气体原位探测分析装置的结构示意图。

图3为煤矿密闭内自燃参数原位探测与远程监测分析系统流程图。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种矿井下密闭环境参数原位探测与远程监测分析系统，包含过滤式导气管1、微功耗直流负压真空泵2、长光程折反式吸收池3、多元气体原位探测分析装置4、本安蓄电电源模块5、工业以太网通信系统6和地面远程监控预警中心7；所述过滤式导气管1通过观测孔连接密闭墙8的内外两侧，用于对采空气密闭内部的混合气体采样；所述微功耗直流负压真空泵2设置连接过滤式导气管1，用于抽取密闭空间内气体；所述长光程折反式吸收池3为两端分别设置进气口3-1、出气口3-2的密闭空间，采用纳米级氢氧化镁、改性氢氧化铝阻燃剂或轻质氧化镁阻燃材料进行封装，两端内置交错的三个反射镜3-3实现光程的有效叠加；用于对微功耗直流负压真空泵2抽取的密闭空间内气体进行暂存、分析、排放，分离出碳氧类和烯烃类气体的组分浓度；所述多元气体原位探测分析装置4，包括近红外光波段光源收发器4-1、光源驱动集成电路4-2、锁相放大器4-3和中央处理器4-4；所述的中央处理器4-4向光源驱动集成电路4-2发出探测信号；光源驱动集成电路4-2驱动近红外光波段光源收发器4-1发射不同波段的光束，利用光束在长光程折反式吸收池3内多次反射获取不同浓度的煤自燃多组分指标气体的光谱信号；近红外光波段光源收发器4-1将光谱信号通过锁相放大器4-3处理后传给中央处理器4-4进行分析、存储；所述中央处理器连4-4接真空泵控制电路2-1，控制微功耗直流负压真空泵2抽取密闭气体至长光程折反式吸收池3；所述中央处理器4-4还连接远程通信控制电路6-1，工业以太网通信系统6用于将井下多元气体原位探测分析装置4的分析结果传输至地面远程监控预警中心7；所述本安型蓄电电源模块5为微功耗直流负压真空泵2、多元气体原位探测分析装置4以及工业以太网通信系统6供电；所述的地面远程监控预警中心7包含监控中心站、通信模块、显示终端和服务器。以上所述红外光波段光源收发器4-1选用kyl850n300-60型；锁相放大器4-3选用ad630jnz平衡调制解调器芯片；中央处理器4-4选用msp430f149微功耗单片机；各部件均为市售成熟产品，在本发明中的应用也未脱离其原本的用途，此处不再赘述。

所述的过滤式导气管1选用矿用阻燃聚乙烯管，两端均设有过滤装置，用于过滤固体杂质、高湿气体，减少对光吸收池的影响；所述的密闭采样孔距密闭墙8顶板300～400mm处，导气管通过观测孔连接密闭的内外两侧，用于对采空气密闭内内部的各类气体进行采样。

所述的以太网通信系统6采用电缆传输和无线射频传输相结合来传递信息。

所述的微功耗直流负压真空泵2选择zx512-503-2900型微型真空气体捕集装置，外壳采用为工程型阻燃塑料，应用于对密闭墙内气体进行过滤抽气取样。

所述的地面远程监控预警中心7包含监控中心站、通信模块、显示终端和服务器。所述的监控中心站，用于对接井下密闭原位探测分析装置通过通讯系统所传递的信息；通信模块，用于地面监控中心与井下通信系统的数据传输，通讯方式主要通过有线与无线相结合的方式来进行数据传输；显示终端，用于实时显示矿井密闭内部气体成分与浓度的实时状态；服务器，用于井下密闭内部采空气密闭内气体信息的采集、存储、分析、预警与显示，为监测信息是否正常提供服务。

所述的本安型蓄电电源模块5选用矿用防爆dtk30型铅酸蓄电池，电压为5v，额定容量为30ah，尺寸较小；主要用为井下微功耗监控装置供电，降低危险性，长久耐用的状态。

所述微功耗直流负压真空泵2设于长光程折反式吸收池3的进气端，多元气体原位探测分析装置4设于长光程折反式吸收池3的排气端，通过其排气端的近红外光波段光源收发器4-1发射光束；所述三个反射镜3-3的其中一个安装于近红外光波段光源收发器4-1的同侧，另外两个安装于其相向侧。

实施例1

结合图3可以看出，煤矿密闭内自燃参数原位探测与远程监测分析的具体方法为：步骤1)判断各项监控模块与通信是否正常，通过设定的握手协议判断通信，通过巡查结果分析监测模块的状态；如果正常，则唤醒系统工作触发抽气泵抽排气，同时启动多元气体原位探测分析装置；

步骤2)检测气体是否达到检测要求，以抽气泵是否持续运行满2min判断，如果是，则启动多元气体原位探测分析装置进行探测分析；如果否，则重新触发抽气泵抽排气；

步骤2.1)检测多元气体原位探测分析装置的近红外光波段光束是否正常收发，以锁相放大器的动态信号变化进行判断；如果是，则探测正常进行，如果否，则报警提示重新启动探测装置；

步骤2.2)气体组分分离与光谱解调修正分析，通过实验测试不同浓度的煤自燃多组分指标气体吸收光谱信号，验证该方法对于不同浓度烃类气体光谱分离效果和浓度检测的灵敏度，通过该修正方法进行研判：

式中，参数ν和α分别代表吸收峰的中心位置和谱线宽度，s为与吸收峰峰值相关的待定系数；

步骤2.3)气室组分多次采样与结果对比分析，气室内三次采样结果误差是否在5％以内，如果是取平均值，执行步骤2.4)，如果否，执行步骤2.6)；

步骤2.4)分析结果密闭内气体组分数据统计与存储；

步骤2.5)多组数据按时间排列等待发送；

步骤2.6)进行重复检测，如此迭代，多次采样分离统计确定理想结果；

具体实现过程中，抽气泵在2min内使检测装置吸收池中气体完全置换，随后原位探测装置采集n个浓度数据，将其平均值作为对比浓度；重复测量，记录所测得的数据结果，计算测量结果的标准差s，计算公式如下：

式中，c表示目标测定组分的浓度值；k表示取样次数；分别选择多组分标气进行实验测试，分析实验结果的重复性差值，检验系统测量结果的一致性；

步骤3)远程监控通信是否正常；以地面获取的参数，与井下各分站的握手指令进行研判；如果是，则步骤2.4)和步骤2.6)的数据传送至监控中心；如果否，则远程监控中心面板指示灯报警，重新执行步骤2.1)；

步骤4)监控中心显示密闭内动态数据。

以上，基于hitran数据库给出的气体吸收谱线的线强，波长和展宽等参数，结合其吸收谱线特点，构建出在近红外光谱范围内乙烷、丙烷、乙烯等煤自燃烃类气体分子吸收谱线的多重洛伦兹线型函数模型，以稀疏分解算法获得模型参数，实现从被测吸收谱线中分离出背景信号，进而获得待测目标气体的吸收谱线；对所用光源进行光谱线宽、波长与驱动电流的线型关系进行测试，确保光源的窄带宽和波长稳定等特性。测试不同浓度的煤自燃多组分标志性气体吸收光谱信号，验证该方法对不同浓度烃类气体光谱分离效果和浓度检测的灵敏度。

基于波长调制中多次谐波技术，研究不同浓度配比下ch4、co和c2h4混合气体的光谱特性，通过多波段谱线拟合及背景扣除方法，建立光谱拟合结果与混合气体浓度的函数关系，来消除ch4对co和c2h4气体高灵敏度检测的影响；采用人工神经网络算法，拟合浓度等多参数相互影响下的不同气体解调分析方法；基于多目标粒子群-极限学习机算法建立多参数影响下的修正方法，针对谱线干扰的特征，减少极限学习机隐层神经元的个数，提高网络的泛化性能和收敛速度，实验验证不同ch4浓度下，该模型对co和c2h4浓度解调的准确性；采用光谱修正法、浓度修正法和基于改进微粒群优化极限学习机算法，建立非线性函数关系的浓度修正模型，实现对烃类气体吸收谱线重叠分离和多种气体吸收谱线干扰的主动修正，达到煤自燃多组分气体中co和c2h4的高灵敏检测的目的。

通过优化设计装置的内部光学结构和外部机械结构，结合有限元模拟仿真和实验研究，达到装置的小型化，且具有抗压、砸的高强度外壳，具有防水、透气、过滤功能的窗口；同时，设计集成度高的控制与处理系统，实现装置内部体积最小化；采用激光控制器和锁相放大器，对比设计电路的功能和性能；基于herriott型和white型多次反射吸收池，设计小容积长光程的吸收池；采用气室腔体悬浮光路设计，获得优异的震动和温度稳定性；通过优化光路结构及设计高稳定的光机封装结构，实现装置可在采空气密闭内环境中的稳定工作；通过对光源驱动电路和数据处理电路的集成，将总体功耗降低到最小，测试不同负载系统的上电电压变化曲线和最佳电池放电曲线，优化电源管理系统，增加蓄电池在间隔工作模式下有效使用寿命；研制适用于煤矿采空气密闭内煤自燃多组分气体原位分析的小型化、低功耗装置。

通过光纤通讯和无线通讯相结合的方式，将密闭墙内气体相关参数传输至煤矿地面监控中心,可以实现对煤矿的生产过程进行实时监控,了解多个密闭中的co、co2、ch4、c2h2等煤自燃指标性气体的浓度，实现对密闭内气体成分的分析与监控，进而达到对采空气密闭内煤自燃情况的预测预报。