芯耀
900
摘要
煤矸石采空區(qū)易因氧化反應(yīng)引發(fā)自燃，威脅礦區(qū)安全。本方案基于LoRa無(wú)線通信技術(shù)與分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建實(shí)時(shí)、低功耗、高可靠性的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，覆蓋數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析及預(yù)警全流程，有效預(yù)防火災(zāi)隱患。
一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)
- 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：溫度采樣頻率≥1次/分鐘，數(shù)據(jù)延遲＜30秒。
- 廣域覆蓋：?jiǎn)尉W(wǎng)關(guān)覆蓋半徑≥3km（視巷道結(jié)構(gòu)）。
- 工業(yè)級(jí)防護(hù)：傳感器節(jié)點(diǎn)滿足IP68、防爆認(rèn)證（Ex ib IIB T4）。
- 超低功耗：節(jié)點(diǎn)續(xù)航≥3年（無(wú)外部供電）。
二、系統(tǒng)架構(gòu)
1. 硬件組成
| 模塊 | 功能說(shuō)明 |
|---|---|
| 測(cè)溫節(jié)點(diǎn) | - 傳感器：PT100鉑電阻（-50℃~300℃，精度±0.5℃） - 主控：STM32L071低功耗MCU - 通信：Semtech SX1278 LoRa模塊 - 電源：ER34615鋰亞電池（19000mAh）+ 太陽(yáng)能輔助供電 |
| 中繼網(wǎng)關(guān) | - 多通道LoRa接收，支持RS485/4G回傳 - 內(nèi)置邊緣計(jì)算（數(shù)據(jù)壓縮、異常過(guò)濾） |
| 云平臺(tái)與監(jiān)控中心 | - 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化（熱力圖、歷史曲線） - AI火災(zāi)預(yù)警模型（溫度梯度+突變分析） |
2. 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>
- 星型+多跳中繼：巷道內(nèi)每200米部署測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，復(fù)雜區(qū)域通過(guò)中繼器延伸覆蓋。
- 雙頻冗余：使用433MHz與868MHz雙頻段規(guī)避同頻干擾。
三、關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)
1. 自適應(yīng)采樣機(jī)制
- 常規(guī)模式：每小時(shí)上傳1次數(shù)據(jù)（靜態(tài)功耗＜10μA）。
- 異常觸發(fā)：溫度＞60℃時(shí)自動(dòng)切換至每分鐘高頻采樣。
2. 數(shù)據(jù)安全傳輸
- AES-128加密：防止數(shù)據(jù)篡改與非法接入。
- 心跳包校驗(yàn)：每6小時(shí)發(fā)送設(shè)備狀態(tài)，離線立即告警。
3. 溫度預(yù)警算法
- 三級(jí)預(yù)警模型：
- 黃色預(yù)警：?jiǎn)吸c(diǎn)溫度＞80℃持續(xù)10分鐘。
- 橙色預(yù)警：相鄰3節(jié)點(diǎn)溫差＞20℃/小時(shí)。
- 紅色預(yù)警：AI模型判定自燃概率＞90%（基于歷史數(shù)據(jù)與熱擴(kuò)散模擬）。
四、部署實(shí)施方案
1. 節(jié)點(diǎn)布設(shè)策略
在熱管裝置布置時(shí)，要求數(shù)根熱管裝置的有效作用半徑盡量地能包圍或覆蓋矸石層需要降溫區(qū)的水平截面積，并以此確定熱管的根數(shù)、熱管裝置間距以及熱管和矸石降溫區(qū)的距離。但過(guò)多密集地布置熱管裝置，勢(shì)必會(huì)增加工程的投資費(fèi)用，而從技術(shù)上來(lái)講，也是沒有意義，相反，熱管裝置布置的太少，又難以有效地抑制矸石降溫區(qū)的升溫，從而造成矸石降溫區(qū)的降溫效果減弱。因此，內(nèi)蒙古德明電子科技有限公司產(chǎn)品解決方案要視具體的應(yīng)用對(duì)象，根據(jù)矸石的特性、氣象條件以及矸石降溫區(qū)的結(jié)構(gòu)等。由模型計(jì)算得到熱管裝置的有效作用半徑，并以此為依據(jù)，確定熱管裝置的幾何參數(shù)，合理地規(guī)劃和布置熱管裝置，以求達(dá)到技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。
設(shè)計(jì)中要考慮熱管裝置完成治理后的回收再用。通過(guò)對(duì)熱管裝置溫度測(cè)量監(jiān)視內(nèi)部熱量散熱情況，當(dāng)內(nèi)部溫度達(dá)到設(shè)計(jì)最終溫度，取出熱管用于其他發(fā)熱區(qū)散熱治理。需要注意，抽取熱管后要對(duì)熱管形成的孔進(jìn)行封閉，防止大量空氣進(jìn)人矸石山內(nèi)部，造成矸石山復(fù)燃（熱）。
根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)布點(diǎn)情況，利用手持GPS結(jié)合測(cè)繩進(jìn)行測(cè)點(diǎn)定位，采用輕型便攜鉆機(jī)鉆孔。
（1）鉆孔（成孔深度為2米）
將取土鉆豎直于地面以及坡面，雙手緊握手柄順時(shí)針下壓慢速轉(zhuǎn)動(dòng)。不要太用力，務(wù)必慢速多轉(zhuǎn)幾圈,防止鉆頭跑偏至孔洞打歪。將取土鉆從孔洞中取出，反復(fù)持續(xù)上述打孔、取土，并在此過(guò)程中嘗試性地將測(cè)溫管輕放入孔洞中(請(qǐng)勿將設(shè)備用力觸底)，以測(cè)試孔洞的深度是否合適。若有卡頓，則使用取土鉆修正，保證后邊傳感器放入、取出都比較順暢，直到孔深與測(cè)溫管所標(biāo)識(shí)的安裝位置齊平，打孔完成。
（2）測(cè)溫管（埋深2米，露出地面高度30厘米，熱電偶露出地面40厘米）
將溫度傳感器插入測(cè)溫管中，中間縫隙用細(xì)沙填補(bǔ)，測(cè)溫管與傳感器銜接的地方用密封膠密封，要封堵作防雨處理，防止雨水流入孔內(nèi)，此時(shí)完成傳感器的埋設(shè)。實(shí)物示意圖：
無(wú)線溫度傳感器工作示意圖
（3）布點(diǎn)原則：
按照溫度分區(qū)圖進(jìn)行不同密度的布設(shè)，布設(shè)方法按照“梅花形”布設(shè)，在發(fā)火區(qū)傳感器每個(gè)傳感器間隔15米，蓄熱區(qū)傳感器每個(gè)傳感器間隔12米，臨界區(qū)傳感器每個(gè)間隔20米，完成測(cè)溫點(diǎn)位布置，布點(diǎn)數(shù)量符合產(chǎn)酸溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警要求及甲方工程驗(yàn)收要求。
- 分層監(jiān)測(cè)：
- 淺層（0-5m）：間距50m，監(jiān)測(cè)地表氧化發(fā)熱。
- 深層（5-20m）：鉆孔埋入耐高溫節(jié)點(diǎn)，間距100m。
- 重點(diǎn)區(qū)域強(qiáng)化：煤矸石堆積區(qū)、通風(fēng)死角加密至30m/節(jié)點(diǎn)。
2. 安裝流程
- 地質(zhì)雷達(dá)掃描確定空區(qū)范圍與結(jié)構(gòu)。
- 鉆孔埋設(shè)深層節(jié)點(diǎn)（耐壓管防護(hù)），淺層節(jié)點(diǎn)固定于巷道支架。
- 網(wǎng)關(guān)部署于通風(fēng)井口或高位硐室（避免遮擋）。
3. 維護(hù)機(jī)制
- 自檢系統(tǒng)：節(jié)點(diǎn)電壓、信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)程監(jiān)控。
- 機(jī)器人巡檢：搭載UWB定位的巡檢機(jī)器人定期更換電池/故障節(jié)點(diǎn)。
五、性能指標(biāo)驗(yàn)證
| 測(cè)試項(xiàng) | 標(biāo)準(zhǔn) | 實(shí)測(cè)結(jié)果 |
|---|---|---|
| 通信成功率（1km） | ≥98% | 99.2%（含2道混凝土墻） |
| 極端溫度耐受 | -30℃~150℃連續(xù)工作 | 通過(guò)72小時(shí)150℃老化測(cè)試 |
| 預(yù)警響應(yīng)時(shí)間 | ＜2分鐘 | 平均1分15秒 |
六、經(jīng)濟(jì)效益分析
- 直接成本節(jié)約：
- 替代人工巡檢：?jiǎn)蔚V年節(jié)省人力成本約120萬(wàn)元。
- 減少滅火投入：早期預(yù)警降低90%火災(zāi)撲救費(fèi)用（案例：山西某礦年損失減少800萬(wàn)元）。
- 產(chǎn)能保護(hù)：
- 避免因火災(zāi)導(dǎo)致的停產(chǎn)，保障年產(chǎn)300萬(wàn)噸煤礦連續(xù)運(yùn)行。
軟件監(jiān)測(cè)平臺(tái)：
七、挑戰(zhàn)與解決方案
| 挑戰(zhàn) | 應(yīng)對(duì)策略 |
|---|---|
| 高溫環(huán)境節(jié)點(diǎn)失效 | 采用陶瓷封裝傳感器+硅酸鋁隔熱外殼，工作溫度上限提升至300℃ |
| 復(fù)雜巷道多徑干擾 | 定向天線+TDMA時(shí)隙分配，降低數(shù)據(jù)碰撞率 |
| 長(zhǎng)距離供電難題 | 地?zé)釡夭畎l(fā)電模組（深層節(jié)點(diǎn)）+ 低功耗設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)能量自洽 |
八、應(yīng)用案例
陜西某煤礦采空區(qū)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目
- 部署規(guī)模：320個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn) + 8臺(tái)網(wǎng)關(guān)，覆蓋4.5km2采空區(qū)。
- 成效：
- 6個(gè)月內(nèi)預(yù)警3次潛在自燃事件，及時(shí)注氮處理避免火災(zāi)。
- 運(yùn)維成本降低65%，系統(tǒng)ROI（投資回報(bào)率）達(dá)230%。
九、未來(lái)演進(jìn)方向
- 多參數(shù)融合監(jiān)測(cè)：集成CO、CH?氣體傳感器，構(gòu)建火災(zāi)綜合預(yù)警體系。
- 5G+北斗增強(qiáng)定位：結(jié)合高精度定位實(shí)現(xiàn)溫度異常點(diǎn)快速標(biāo)定。
- 數(shù)字孿生聯(lián)動(dòng)：溫度數(shù)據(jù)映射至三維地質(zhì)模型，模擬火勢(shì)蔓延路徑。
結(jié)語(yǔ)
本方案通過(guò)LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與智能分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤矸石采空區(qū)溫度監(jiān)測(cè)從“被動(dòng)處置”到“主動(dòng)防控”的升級(jí)，為礦山安全生產(chǎn)提供可靠保障。隨著技術(shù)迭代，系統(tǒng)將向智能化、集成化持續(xù)演進(jìn)，成為礦山災(zāi)害防治的核心基礎(chǔ)設(shè)施。
