基于红外热成像的采空区防火监测系统

技术领域

本发明属于矿业工程领域及火灾预警技术领域，具体涉及一种基于红外热成像的采空区防火监测系统。

背景技术

煤矿采空区是指在煤矿作业过程中，将地下煤炭或煤矸石等开采完成后留下的空洞或空腔。由于在煤矿开采过程中采空区存在大量的遗留的浮煤，浮煤的存在为煤矿自燃提供了物资条件。煤矿自燃严重威胁着煤矿的安全生产、制约着煤矿的生产，而采空区煤矿自燃在煤矿自燃发生总体中占有重要的部分，我国国有重点煤矿中采空区煤矿自燃占自燃火灾的60%。加强对采空区火灾的监测可以有效的控制煤矿火灾的发生。

由于地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等特点，因此，如何对地下采空区的分布范围、空间形态特征和采空区的冒落状况等进行量化评判，一直是困扰工程技术人员进行采空区潜在危害性评价及合理确定采空区处治对策的关键技术难题。

热成像技术是指利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。

红外热成像技术是工业中重要的无损检测技术，目前在矿山的应用较少，已有的应用也主要是对矿山设备运行状况的诊断监测，而对开采引起的安全问题监测较少。与可见光的成像不同，它是利用目标与周围环境之间由于温度与发射率的差异所产生的热对比度不同，而把红外辐射能量密度分布图显示出来，成为“热图像”。

红外热成像技术与5G技术相结合，形成更高像素级别的红外热成像仪。5G技术具有高速率、大容量、低时延、高可靠等特点，可以提高热成像视频画面的传输速度。

防爆摄像机属于防爆监控类产品, 是防爆行业跟监控行业的交叉产物, 因为在具有高危可燃性、爆炸性现场不能使用常规的摄像产品, 所以具有防爆功能且有国家权威机构承认的防爆摄像机便应运而生。在这里需要说明的一点是,防爆和防暴易将二者混淆,防暴摄像机具有防暴力、防破坏或者耐打击的功能,具有较为坚硬的隔爆防护罩, 但不具备防爆的电器性能和认证, 与防爆摄像机是两种不同性质的产品。

目前, 网络高清监控已然成为安防监控的主流, 防爆高清网络一体化摄像仪在原有防爆一体化摄像仪功能上再做改进, 可实现网络传输或者通过光纤实现更远距离的传输, 功能上更强大, 结构上更灵巧。目前的防爆高清网络一体化摄像仪产品主要用于含有爆炸性气体或蒸汽混合物以及可燃性粉尘环境的场所, 用户能通过远程控制, 改变摄像仪的工作状态。

目前，防爆摄像机的国际主流方式是隔爆型, 其特征在于将常规的普通摄像机放在特制的隔爆防护罩内, 该隔爆防护罩具有将壳内电气部件产生的火花和电弧与壳外爆炸性混合物隔离的作用, 并能承受进入壳内的爆炸性混合物被引爆时所产生的压力, 这种具有隔爆隔爆防护罩的摄像机就是“隔爆型防爆摄像机”, 这种特殊的隔爆防护罩我们通常叫它“隔爆防护罩”。

“隔爆防护罩”通常以抗爆炸压力和冲击的高强度不锈钢制成, 极其坚固, 质量好的产品壁厚在5MM以上。很多情况下, 不锈钢隔爆防护罩远比铝制隔爆防护罩优越, 比如抗腐蚀性能和火灾情况下的耐热性能。而对于易发生爆炸的环境, 企业通常还要加大隔爆防护罩厚度, 对应高温燃烧的环境也是如此。对于产品中要求采用透明的视窗部分, 由于塑料容易带静电, 所以视窗需采用钢化玻璃, 对此, 视窗面积和厚度都有严格标准限制。

防爆产品对工作过程中自身发热有严格要求, 散热改良是最大的问题, 产品自身不发热或者发热不超过极限值才能使用, 否则就不符合防爆要求。用钢制材料, 对散热已起到一定的积极作用, 但这还不够, 还需实现设备的整体散热, 如在DVR的改造中, 电源、硬盘的散热处理比较棘手, 可把硬盘、电源部分的热量通过底板传导出来, 再用铝材连接到隔爆防护罩, 芯片散热也可采用此方案。但如果铝块与隔爆防护罩的直连导热方式由于接触紧密度不够造成散热不良, 则可再用导热硅脂填充在铝块与隔爆防护罩之间,以使二者充分接触来保证散热的良好效果。

为了防止采空区的余煤氧化自燃发火，煤矿采取封闭采空区和向采空区注氮、注浆等措施，以隔绝氧气的进入，防止煤炭氧化自燃发火。为了检验所采取的各种措施的防火效果，需要定期安排人员对封闭墙内的气体情况进行观测和检查，观测内容包括采空区内气体的瓦斯浓度、一氧化碳浓度、温度、封闭墙内外的气体正负压变化等。

这种人工观测和检查的方式存在以下弊端：

一、对采空区的防火情况观测，会因操作人员的熟练程度不同，造成观测结果存在差异；

二、因职工的责任心不同，存在漏检情况；

三、如果封闭墙封闭不严，可能有高浓瓦斯、一氧化碳以及其他有毒有害气体溢出，给观测人员带来危险；

四、所测得的数据实时性差，不容易及时判断采空区防火情况并积极采取处理措施；

五、随着采空区数量增加，需要更多的人工观测，增加矿生产成本。此外，由于采空区的分布极不规律，针对每一个采空区单独监测的工作量十分大，且不利于统一管理。

综上所述，本发明原理科学，安全性强，自动化程度高，监测数据精准，充分利用先进的非接触式无损检测技术，即红外热成像技术，实现对采空区的高精度实时远程监控，有效防止采空区自燃现象。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种自动化程度高、安全可靠性强、监测面广、监测数据精确的基于红外热成像的采空区防火监测系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于红外热成像的采空区防火监测系统，包括红外热成像采集系统、5G传输系统、图像存储及处理系统、远程监控系统和报警系统；红外热成像采集系统的信号输出端通过5G传输系统与图像存储及处理系统的信号输入端连接，图像存储及处理系统的信号输出端通过通讯电缆与远程监控系统的信号输入端连接，图像存储及处理系统的信号输出端与报警系统的信号输入端连接；

红外热成像采集系统设置在各个采空区，红外热成像采集系统的数量随采空区数量的增加而增加，红外热成像采集系统将实时监控采集到的数据通过5G传输系统传至图像存储及处理系统，图像存储及处理系统将图像传至远程监控系统，使工作人员在地面监控中心即可实现高精度实时远程监控，当远程监控系统接收到的数据异常时及时向报警系统发出信号，报警系统发出某个采空区出现火情的警报信号。

红外热成像采集系统包括置于各个采空区的矿用热成像监控，矿用热成像监控采用热成像仪与摄像机相结合，随着开采的推进采空区数目逐渐增加。

摄像机为防爆高清网络一体化摄像机，即“隔爆型防爆摄像机”，隔爆型防爆摄像机是将常规的普通摄像机设置在隔爆防护罩内, 该隔爆防护罩具有将壳内电气部件产生的火花和电弧与壳外爆炸性混合物隔离的作用, 并能承受进入壳内的爆炸性混合物被引爆时所产生的压力，隔爆型防爆摄像机的摄像头可360°旋转，达到对采空区360度无死角监控。

5G传输系统包括有线传输装置和无线传输装置，利用5G传输系统实现实时监测。

图像存储及处理系统包括主图像处理器、瓦斯浓度热图像处理器、CO浓度热图像处理器、采空区内温度热图像处理器、封闭墙热图像处理器。

主图像处理器具有自动识别分化功能，能够将采集系统收集的图像数据自动分至瓦斯浓度热图像处理器、CO浓度热图像处理器、采空区内温度热图像处理器、封闭墙热图像处理器进行分类处理，处理完毕后通过远程监控系统显示出来。

报警系统包括报警器和灭火装置，当热图像异常时报警器将发出警报信号并启动灭火装置将火苗扑灭。

采用上述技术方案，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.该红外热成像采集系统可实现对所有采空区的高精度实时全方位监测，有效避免了由于员工熟练度的不同所带来的监测差异，同时有效避免了漏检情况的发生。

2.本发明配备5G传输系统，具有高速率、大容量、低时延、高可靠等特点，可以提高热成像视频画面的传输速度。

3. 矿用热成像监控等于“隔爆防护罩+热成像摄像机+镜头”，即设计隔爆防护罩，可以自由选择内置的热成像摄像机和镜头, 这样一来首先成本有了降低, 其次日后的维护也方便很多。

4.本发明采用远程监控，不仅使检测更加方便，而且有效避免了因封闭墙封闭不严给观测人员带来的各种危险。

5.本发明所得数据的实时性好，能及时判断采空区的防火情况并采取相应措施。

6.随着采空区数量的增加，此系统可大大降低人工检测的成本，大大降低了检测人员的工作量，并且有利于采空区的统一管理。

附图说明

图1是本发明结构框图。

图2是本发明中矿用热成像监控的结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的基于红外热成像的采空区防火监测系统，包括红外热成像采集系统1、5G传输系统2、图像存储及处理系统3、远程监控系统4和报警系统5；红外热成像采集系统1的信号输出端通过5G传输系统2与图像存储及处理系统3的信号输入端连接，图像存储及处理系统3的信号输出端通过通讯电缆与远程监控系统4的信号输入端连接，图像存储及处理系统3的信号输出端与报警系统5的信号输入端连接；

红外热成像采集系统1设置在各个采空区，红外热成像采集系统1的数量随采空区数量的增加而增加，红外热成像采集系统1将实时监控采集到的数据通过5G传输系统2传至图像存储及处理系统3，图像存储及处理系统3将图像传至远程监控系统4，使工作人员在地面监控中心即可实现高精度实时远程监控，当远程监控系统4接收到的数据异常时及时向报警系统5发出信号，报警系统5发出某个采空区出现火情的警报信号。

红外热成像采集系统1包括置于各个采空区的矿用热成像监控，矿用热成像监控采用热成像仪与摄像机相结合，随着开采的推进采空区数目逐渐增加。

摄像机为防爆高清网络一体化摄像机，即“隔爆型防爆摄像机”，隔爆型防爆摄像机是将常规的普通摄像机设置在隔爆防护罩6内, 该隔爆防护罩6具有将壳内电气部件产生的火花和电弧与壳外爆炸性混合物隔离的作用, 并能承受进入壳内的爆炸性混合物被引爆时所产生的压力，隔爆型防爆摄像机的摄像头可360°旋转，达到对采空区360度无死角监控。

5G传输系统2包括有线传输装置和无线传输装置，利用5G传输系统2实现实时监测。

图像存储及处理系统3包括主图像处理器7、瓦斯浓度热图像处理器8、CO浓度热图像处理器9、采空区内温度热图像处理器10、封闭墙热图像处理器11。

主图像处理器7具有自动识别分化功能，能够将采集系统收集的图像数据自动分至瓦斯浓度热图像处理器8、CO浓度热图像处理器9、采空区内温度热图像处理器10、封闭墙热图像处理器11进行分类处理，处理完毕后通过远程监控系统4显示出来。

报警系统5包括报警器和灭火装置，当热图像异常时报警器将发出警报信号并启动灭火装置将火苗扑灭。

以上实施例说明了本发明的基本修整原理和特点，但上述仅仅说明了本发明的较优实施例，并不受所述实施例的限制。本领域的普通技术人员在本专利的启发下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式变形和改进，这些均属于本发明的保护范围之内。因此，本发明专利和保护范围应以所附权利要求书为准。