挑战杯说明书

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目录
一、矿井防灭火技术现状 (2)
二、注氮、注浆防灭火技术现状 (5)
三、束管监测系统概况及与本项目的对比分析 (7)
四、联动注氮（注浆）防火技术 (9)
⑴联动注氮（注浆）的意义 (9)
⑵联动注氮（注浆）的技术原理 (9)
⑶联动注氮系统设计 (10)
①采空区联动注氮（注浆）原理整体设计图 (10)
②器材简介及使用情况 (10)
③多源信号的数字显示及反馈 (14)
⑷联动注氮信号阀值设置与处理 (14)
⑸联动注氮（注浆）装置可视化 (15)
⑹联动控制实验平台 (16)
⑺实验效果 (16)
①整体效果： (16)
②核心控件电化实现 (16)
五、试验项目成本估算 (19)
六、详细解释及备注 (20)
七、参考文献 (22)
八、附录：程序代码 (23)
井下防灭火联动注氮（注浆）控制技术
一、矿井防灭火技术现状
为了防治煤炭自燃，国内外广泛采用注惰性气体、预防性灌浆、注水、喷洒阻化剂等技术。

近年来，又广泛地采用了凝胶、胶体泥浆、三相泡沫等防灭火技术。

该类技术对保证矿井安全生产起了重要作用，推动了矿井防灭火技术的进步。

1.1煤自然的识别和预测方法：
1)磁探测法：依据煤炭在氧化自燃过程中，烘烤后的上覆岩石的磁性随自燃温度升高而增强，通过检测煤岩磁性的变化来判断煤炭的自燃程度进行早期预报。

2)电阻率探测法：其依据是煤炭自燃发火后,煤层的结构状态和含水性会发生较大变化，通过分析其变化进而进行自燃的早期预报。

3)氡气探测法：根据煤层自燃后,随煤温升高,氡气浓度上升,依此判断火区位臵，确定自燃程度进行自燃的早期的预报。

4)测定空气和围岩的温度的方法：根据煤炭在氧化自燃过程中产生一定的热量，使围岩和空气温度升高的性质，通过检测煤岩和环境温度来判断煤炭的自燃程度进行早期预报。

5)测定井下空气成份的变化的方法：依据煤炭在氧化自燃过程中，除放出一定热量外，同时热解释放出CO，C2H4等碳氢类
气体的特点，通过检测分析采掘空间是否有煤炭自燃而产生的气体产物，进行煤炭自燃的早期预报。

1.2煤自燃防灭火方法：
一般情况下，易自燃的实体煤不会发生自燃，这是由于实体煤比表面积较小，煤与氧接触面积小，其氧化放热量也小，煤氧化放出的热量能很快发散到周围岩层，因而煤温不会升高而引起自燃；在采空区深部，尽管松散煤体量也较大，但由于煤的耗氧使采空区深部氧浓度很低，通常也不会发生自燃。

所以煤氧接触和煤温达到一定高度是煤发火的两个要素。

因而对于易自燃煤层，要防止其自燃应从减少煤氧接触入手，减少煤氧接触面积和阻止氧气向松散煤体附近扩散和渗漏。

当发生自燃或煤温较高时，还要降低煤温。

可通过尽量减少向煤体破碎带漏风，减少煤氧接触几率，防止煤体热量聚集。

1.2.1预防性灌浆防灭火技术：
预防性灌浆就是将水和不燃性固体材料（黏土、粉煤灰等）按一定比例制成泥浆，利用矿井的高度差或者泥浆泵通过钻孔或管路送至可能发生自燃的地点，起到防火的作用。

1.2.2惰性气体防灭火技术：
自从20世纪50年代以来，惰性气体防灭火的方法开始得到使用。

1974年起，德国的注氮气防灭火技术发展显著。

我国也从20世纪70年代开始应用氮气防灭火技术。

可以被用作矿井防灭火的惰性气体主要有3种：二氧化碳、燃烧产生的惰性气体和
氮气。

惰性气体防灭火技术主要是指将惰性气体送入拟处理区，稀释此空间内的氧气，使防治区域缺氧惰化，抑制煤自燃。

1.2.3阻化剂防灭火技术：
阻化剂防火是采用一种或几种物质的溶液灌注到采空区、煤柱裂隙等易于发生煤炭自燃的地点，降低煤的氧化能力，阻止煤的氧化进程。

阻化剂主要有无机盐吸水液、氢氧化钙阻化液、硅凝胶等直接在工作面喷洒阻化剂，会使工作面过于潮湿，工作面环境更加恶劣，生产设备也容易遭到腐蚀。

1.2.4均压防灭火技术：
均压防灭火技术就是采用风窗、风机、连通管、调压气室等调压手段，改变通风系统内的压力分布，降低漏风通道两端的风压，减少漏风，从而达到抑制和熄灭火区的目的。

1.2.5凝胶防灭火技术：
凝胶防灭火技术就是通过压注系统将基料和促凝剂按一定比例与水混合后，注入到煤体中凝结固化，起到堵漏和防火的目的。

矿井防灭火所用的胶体主要指水的凝胶，假凝胶或假凝胶与泥浆等形成的混合胶体，以及类似凝胶的黏稠流体。

1.2.6三相泡沫防灭火技术：
三相泡沫防灭火技术是由中国矿业大学通风防灭火课题组提出的。

防治煤炭自燃的三相泡沫是将不溶性的固态不燃物（粉煤灰、黄泥等）惰性气体和水并添加少量的添加剂（发泡剂和稳泡剂）通过三相泡沫发泡器充分搅拌混合，形成固体颗粒均匀
附着在气泡壁上的大量富集的含有气—液—固三相的体系。

三相泡沫集固、液、气三相材料的防灭火性能于一体，利用粉煤灰或黄泥的覆盖性、氮气的窒息性和水的吸热降温性进行防灭火，大大提高了防灭火效率。

二、注氮、注浆防灭火技术现状
2.1注氮防灭火技术现状
氮气防灭火就是利用氮气不燃烧、不助燃的性质来隋化采空区或火区，防止自然发火或灭火。

氮气防灭火的原理:氮气注入采空区或火区后，可臵换出空气，使氧气含量下降，使采空区或火区的浮煤缺氧而处于窒息状态。

若注入液态氮，液氮汽化，吸收大量的热量，不但可降低氧气含量，而且降低了气体、浮煤和围岩温度。

应用氮气防灭火技术防治矿井自燃火灾，是世界主要产煤国家公认的行之有效的技术措施。

氮气是一种无色、无味、无嗅、无毒的气体，其化学性质相对稳定，在常温、常压条件下氮气很难与其它物质发生化学反应，所以它是一种良好的惰性气体，随着空气中氮气含量的增加，氧气含量必然降低。

据有关资料介绍：当氧气含量低到5～10％时，可抑制煤炭的氧化自燃；氧气含量降至3％以下时，可以完全抑制煤炭等可燃物的阴燃与复燃。

基于上述氮气的性质及煤的氧化机理，向采空区及遗煤带注入氮气，使其渗入到采空区冒落区、裂隙带及遗煤带，降低这些区域
的氧含量，形成氮气惰化带，可达到抑制采空区自燃，同时还能防止瓦斯爆炸事故的发生。

氮气防灭火的作用和特点:
(1)氮气可以充满任何形状的空间并将氧气排挤出去，使采空区深部及其顶板高冒处因氧气含量不足而使遗煤不能氧化自燃；
(2)注氮过程中，采空区经常保持正压状态，致使新鲜空气难以漏入，有利于控制采空区遗煤自燃；
(3)注入氮气后，可使采空区内和采空区周围介质的温度降低，起到冷却降温作用；
(4)在瓦斯和火共存的爆炸危险区内注入氮气能抑制火区内可燃气体爆炸，提高灭火作业的安全性；
(5)工艺简单，不污染环境；
(6)氮气防灭火存在的主要问题是在矿井负压作用下，如果采空区
漏风严重，则注入的氮气不易留存，易随漏风流向采面或邻近采空区；加上氮气本身虽然无毒，但具有窒息性，对人体有害，因此需与均压和其他堵漏风措施配合应用，使氮气泄露量控制在最低限度。

2.2注浆防灭火技术现状
注（灌）浆防火就是将粘土、页岩、电厂飞灰等固体材料与水按一定比例制成浆液，通过管路输送到采空区或可能发生煤炭自燃的区域。

灌入的浆液脱水后,固体材料沉淀下来，水流到邻近的巷道中排除出。

注（灌）浆的作用是：包裹浮煤,隔绝它与空气的接触；堵塞煤体裂缝，减少漏风；对已经自热的煤炭起降温作用。

注浆防火在一定程度上是一种有效防止煤炭自燃的措施，也是我国防治煤炭自燃常用的方法。

根据矿井的具体条件，目前可选择一种或几种注浆方法。

1）钻孔注浆
2）埋管注浆
3）密闭墙插管注浆
4）洒浆
目前在煤炭矿山应用较为广泛、效果突出的几个方面：锚注支护、爆破注浆、立井综合注浆。

但是注浆技术相比本项目有很多落后的地方。

本项目先进性体现在实现信息的及时采集、分析与处理，通过井下煤自燃危险多元信号（温度、气体）的采集及逻辑处理，实现井下注氮的联动响应，此技术相比与目前的注浆技术具有较强的智能化、时效性，而且能够为煤矿的安全投入成本大大降低。

三、束管监测系统概况及与本项目的对比分析
束管监测系统是利用抽气泵和一束多芯的塑料管缆远距离的抽取监测地点的气样，利用专用气相色谱仪进行全自动进样分析，实时测定各测点的气体组分浓度，同时可以对监测地点煤自燃过程中标志气体浓度超值时发出警报的成套装臵。

主要由地面
气体分析中心和井下束管取样系统组成。

上世纪后期国外开始使用束管监测的方法以预报煤层自然发火。

八十年代我国引进了这种方法和技术，当时的束管监测系统使用的气体分析设备是由佛山分析仪器厂生产的红外线气体分析仪和磁导式氧气分析仪，分析的指标气体是一氧化碳，二氧化碳，甲烷和氧气。

使用过程中发现稳定性差，特别是分析微量气体的红外线一氧化碳分析仪不但不稳定，而且受到甲烷和二氧化碳气体的影响（气体交叉干扰）使分析数据不准确。

分析氧气的磁导式氧气分析仪对气体流量的稳定性要求高，而束管系统管路的长短不一样，管路的阻力不同使气体的流量不同，导致磁导式氧气分析仪分析的数据误差较大。

这些原因的存在使当时的束管监测系统的使用效果不好。

这种分析模式也可称为第一代束管监测系统。

后来国家专门安排资金研究束管监测系统的气体分析设备，结果生产出了以气相色谱仪为分析设备的束管监测系统。

这也可称为第二代束管监测系统。

由以上两种设备结合而成的束管监测系统具有分析指标气体全，分析速度快，可长期连续运行的优点，是一种目前最完善的束管系统，也可称之为第三代束管监测系统。

基于束管监测系统的优势，本项目广泛吸取束管的优点，在此基础上开发设计其所没有的功能：气体、温度信息的集成采集分析与处理，参数阀值的极大灵活性，联合控制的智能化系统，可视化操作的良好界面。

所有这些都是束管所不能实现的，且束管检测系统成本高，市场推广前景受限。

四、联动注氮（注浆）防火技术
⑴联动注氮（注浆）的意义
作为煤矿安全的主要环节，矿井火灾是直接威胁矿井安全生产的主要灾害之一，本项目主要研究防灭火联动控制技术的应用，通过对井下煤自燃危险多元信号（温度、气体等）的在线识别、逻辑判断、反馈与响应，实现对自燃特征的检测与联动处理，这对于实时跟踪井下自燃状况，增强防灭火的针对性和时间选择具有巨大的意义，此外
通过控制系统和防灭火管线系统联合使用，实现井下防火技术的智能化，对提高矿井抗灾及减灾能力具有重要的现实意义。

⑵联动注氮（注浆）的技术原理
通过井下煤自燃危险多元信号（温度、气体）的采集及逻辑处理，实现井下注氮的联动响应。

具体来说就是通过对环境信息的实时监控，根据采空区氧气、一氧化碳浓度以及环境温度的实时变化，实现注氮的自动控制。

核心的电路部分总体设计是：温度模块主要负责环境温度的实时监控，我们将根据以往经验以及实验数据设定一定的温度参数；甲烷、一氧化碳、氧气模块分别用三个独立的传感器对采空
区气体进行实时监控分析与控制；我们采用intel的51单片机作为中央处理器，处理器根据各个传感器模块的实时信息自动控制报警，注氮机构的自动调节。

⑶联动注氮系统设计
①采空区联动注氮（注浆）原理整体设计图
图9 采空区联动注氮原理整体设计图
②器材简介及使用情况
Co传感器（GS气体传感器），温度传感器（DS18B20），AT89C51单片机、电磁阀门，nokia5110液晶等。

⑴DS18B20的主要特性
1）适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供。

2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器，连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。

4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

5）温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。

6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。

7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。

8）测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

⑵GS系列传感器：
GS系列气体敏感元件采用半导体敏感材料，其灵敏度、选择性、稳定性、抗干扰性、响应时间及寿命等主要性能，均达到国内先进水平。

用该系列元件组装成易燃易爆和有毒气体泄露报警检测装臵，可广泛应用，尤其适用于矿山。

GS系列主要特点有：
1）灵敏度高、功耗低、输出信号强。

2）选择性好、对被检测的气体非常敏感，而对干扰气体则灵敏度很低。

3）稳定性、可靠性强。

4）具有抗高温、抗高湿性能。

5）元件不含任何贵金属催化剂，具有抗中毒及抗饱和性能。

由于气体传感器使用半导体材料来制作的，不可避免的是有温度漂移问题，如何处理好气体传感器温度补偿问题是报警设计的关键。

低温环境里，气体传感器的表面温度降低导致气体传感器的性能变差，解决的办法是在低温环境里提高气体传感器的加热功率，使气体传感器的表面温度维持相对稳定，达到使传感器稳定工作的目的。

传感器输出特性曲线图：传感器温度补偿所需的加热电压曲线：
传感器加热原理图：
AT89C51：
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

主要特性：
高度非易失性，数据可以保留10年；
全静态工作：0Hz—24Hz；
三级程序存储器锁定；
128×8位内部RAM；
32可编程I/O线；
两个16位定时器/计数器；
5个中断源；
高度的抗干扰性、功耗低。

③多源信号的数字显示及反馈
图10 控制原理图（解释同上）
⑷联动注氮信号阀值设置与处理
设定CO的初始值P0（安全范围的最大值），通过CO传感器实时监测，返回CO浓度的实时参数P1与设定参数P0进行比较：①当实时参数P1≥P0时，产生报警，并开始启动电磁阀控制系统，开始注入氮气，并启动通风设备加大巷道通风，以此来降低瓦斯气体的浓度；
②当实时参数P1≤P0时，停止报警，并关闭电磁阀，停止氮气的注入，降低通风设备的风速。

上述过程完全由设备自动完成，不需要人工干预。

相关参数可显示在提供的液晶显示屏幕上，实现可视化操作。

温度、氧气的检测与实现原理与此相同，由程序实现。

在单片机中程序中储存着一套参数，但每个矿上的实际情况
不同，参数也不近相同，因此在控制面板上设臵了调节旋钮和按键，用一个按键，选择要调节的变量，用另一个旋钮调节阀值大小。

设定值可以储存在单片机掉电后数据不丢失。

控制电磁阀通断的主要有4个参数，温度，氧气浓度，一氧化碳浓度和乙烯浓度，单片机通过传感器检测各种气体的浓度和温度，拿这些数值和设定值比较，如果这些值是安全值，在逻辑上为真，否则为假，当逻辑判断条件全部为真时，电磁阀没动作，否则电磁阀打开。

图11 逻辑“与”关系在现
⑸联动注氮（注浆）装置可视化
此步骤由于包括下文提到的问题尚未解决，资金成为现在最首要的问题，注氮机和传感器的价格难题是现在项目无法切实逼真进行，我们只能用理论作支撑，做一些小的模型近似去模拟，另外用专业软件去做一些现场的效果图。

注氮机有良好的人机交换界面，上面用液晶屏幕显示气体的浓度、检测点温度和当前时间，通过按钮改变各物理参数的阀值。

用发光二极管显示注氮机的工作状态，用蜂鸣器显示注氮机是否正常工作。

⑹联动控制实验平台
由于我们项目处于初级试验阶段，况且现阶段传感器的价格好一点的话要8000元左右，而且正规的矿井注氮设备也要100万元以上，因此不可能把此项目在短时间内应用到实体，我们用半封闭煤炉燃烧的气体中含有的CO代替真实场景中的一氧化碳，用实验室制取的甲烷、乙烯、乙炔代替采空区的残留气体，注氮设备用高压氮气瓶及释放管路代替，程序要用到的单片机我们采用实物，接近真实效果，电磁阀可以用数字信号模拟，传感器现在还不能满足具体要求。

⑺实验效果
①整体效果：
如上图10
②核心控件电化实现
封闭防爆数显装臵（模拟）：
图12
所用单片机
图13
数显原理模拟图示:(动画实现模块程序\综合显示系统.swf显示) 温度传感器：（超链接）
内部核心控件逻辑联系：
如图7展现
电路图部分我们采用飞思卡尔（初定，可改）单片机，在此单片机中加入瓦斯气体传感器、温度传感器、LED指示灯、蜂鸣报警器、显示液晶等相应扩展部分。

电路引脚图：
图14
初步PCB设计图：
图15
联动控制信息采集、处理、分析、显示控制程序实现:
程序代码:(超连接)
一氧化碳传感器模块：（超链接）
气体传感器技术指标：（超链接）
五、试验项目成本估算
原件单价数量合计单片机265 3 795 氧气传感器2900 2 5800 一氧化碳传感器2550 2 5100。