李亚超

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西 长治046100）

引言

煤炭是我国主要的一次性能源，在我国具有丰富的储量及开采量，对于我国经济的发展提供了充足的动力。在煤矿的开采生产中，煤矿安全问题是长期以来一直存在的问题，特别是矿井中含有的甲烷气体，容易造成煤矿的瓦斯爆炸，对煤矿的生产造成严重的威胁。在煤矿的安全监测系统中，建立有效的甲烷浓度监测系统[1]，实时监测井下系统的甲烷浓度，并进行及时反馈，可以提高煤矿安全监控水平，保证煤矿的安全生产，避免发生安全事故。

1 甲烷浓度监测系统的整体方案

由于郭庄煤矿井下生产环境恶劣，采用布线的方式会造成监测系统极大的工作量，并且维护的成本较高，不利于监测系统的扩展，同时有线设备的使用修复性较差，因此，郭庄煤矿的甲烷浓度监测系统采用无线传输的技术实现。进行甲烷浓度监测系统的设计，首先要保证矿井的安全性，避免甲烷的中毒、爆炸等安全事故[2]。确定甲烷的浓度范围，采用高灵敏度的传感器，能够及时有效地对矿井中甲烷含量的变化做出响应。由于矿井的环境复杂，延伸范围广，对于传感器的节点设置必须合理有效，对煤矿的井下环境进行全面的监测，并且能稳定有效地实时反馈监测的数据。随着开采工作的进行，监测系统要具有良好的可扩展性，能满足生产向前推进的需求。

设计采用基于ZigBee的无线传输甲烷浓度监测系统，系统的整体结构如图1所示，系统可以分为井上的监控中心和井下的数据采集系统两部分[3]。井上监控中心对矿井中布置的传感器数据进行分析处理，可以实时查看井下位置的甲烷浓度及变化情况，并针对不同的区域设定相应的安全阈值，保证数据处理的有效性。井下数据采集系统，通过布置在井下的传感器进行数据的采集，经过ZigBee无线模块将数据传输至路由器中。路由器进行数据的转发，实现无线网络的覆盖，将传感器数据进行上传给协调器，并且可以接收来自监控中心的指令。协调器作为井下数据采集的中枢，将路由器的数据进行汇总向上传输，并接收监控中心的指令传输给路由器[4]。

图1 甲烷浓度监测系统整体结构图

2 甲烷浓度监测系统的设计

2.1 甲烷检测传感器的选择

对矿井内的甲烷浓度进行检测常使用非光谱学的方法，采用红外光谱吸收型的传感器，其结构如下页图2所示，在充满甲烷气体的气室中，当含有甲烷气体的特征光谱的红外光通过时，甲烷气体吸收相对应的能量，使得红外光的能量发生一定的衰减，从而计算得到甲烷气体的浓度。采用这种类型的传感器进行甲烷气体的检测[5]，具有较快的响应速度、较高的灵敏度、良好的稳定性和防爆性，使用寿命超过5年以上。

2.2 终端节点的设计

系统的终端节点包括甲烷传感器、控制模块及电源模块。如图3所示：甲烷传感器进行井下甲烷浓度数据的采集，并进行信号的输出；控制模块采用CC2530作为核心芯片进行传感器信号的转换，将传感器输出的模拟量转换成数字量信号，并进行数据的发送；电源模块为各个甲烷传感器及控制模块提供电能，为了减少系统的布线设置，对供电模块采用电池供电的方式，保证终端节点的稳定运行[6]。

图2 红外光谱吸收型甲烷传感器

图3 终端节点的结构及连接

2.3 路由器节点的设计

在井下数据采集系统中，路由器节点作为中间的连接，对传感器的信息进行数据的转换打包上传至协调器，并将协调器来自监控中心的指令向终端节点进行传输，路由器同时保证ZigBee无线传输的网络覆盖，实现网络的稳定传输。路由器节点的结构及连接如图4所示，从图4中可以看出，路由器节点中同时设置了声光报警器，当检测到的甲烷浓度超过设定值时，会产生相应的警报，同时具有声音及红光闪烁，保证作业人员能及时有效接收到预警信息。

图4 路由器节点的结构及连接

2.4 协调器节点的设计

协调器节点的结构及连接如图5所示，协调器进行ZigBee无线网络的启动及维护，保证网络的稳定传输，协调器即相当于井上监控中心及井下数据采集系统的中间路由器，将所有路由器的数据进行汇总向上传输，并接收监控中心的指令向路由器传输，由路由器进行分配执行。

图5 协调器节点的结构及连接

3 结论

1）甲烷浓度监测系统分为井上的监控中心，可以实现对数据的监控及相关指令的下发，井下的数据采集中心，通过甲烷传感器进行井下甲烷浓度数据的采集，然后将数据传输至路由器节点，进行数据的转换及打包发送，协调器将所有路由器的数据向监控中心传输，并向路由器下发监控中心的指令，由路由器进行分配执行。

2）系统采用ZigBee无线传输的技术可以实时的掌握井下甲烷浓度情况，可靠性高，成本低，并且具有灵活的可拓展性，可以满足煤矿扩大生产的需求。