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一、煤矸石煤場場監(jiān)測系統(tǒng)項目背景
煤矸石是采煤和洗煤過程中的排棄物，含碳量較低、比煤堅硬的黑色巖石，通常占采煤量的15% ～ 20%，其年產(chǎn)量約占煤炭總產(chǎn)量的十分之一。據(jù)不完全統(tǒng)計，國有煤礦現(xiàn)有煤矸石山6000余座，堆積量50億噸以上，占我國工業(yè)固體廢物排放總量的40％以上。目前，隨著綜采機(jī)械化的提高及煤炭資源的大量利用，使得煤矸石的產(chǎn)生量逐年增加，為了節(jié)約土地利用率一般都是將煤矸石山堆積成山，但是長期的堆放以及氧化作用下會使得煤矸石內(nèi)部溫度急劇升高導(dǎo)致自燃。
煤矸石的主要成分是Al2O3、SiO2、SO3等，其自燃過程中會產(chǎn)生大量的有害氣體，污染空氣、土壤以及飲用水源，危害人們身體健康。在人們環(huán)保意識不斷提高、環(huán)保問題備受關(guān)注的今天，如何防治煤矸石自燃，就顯得尤其重要。煤矸石的自燃對生態(tài)環(huán)境和人類的安全健康都具有不良影響，通過對煤矸石的組成成分、自燃的條件及特征等的探索，提出對煤矸石自燃的滅火技術(shù)及防治措施，因此采取積極有效的措施對于預(yù)防煤矸石山自燃是亟待解決的問題。
《煤礦矸石山災(zāi)害預(yù)防與治理工作指導(dǎo)意見》中指出對于預(yù)防煤矸石山自燃應(yīng)定期測溫及預(yù)測、預(yù)警預(yù)報機(jī)制。目前常規(guī)的測溫技術(shù)多采用紅外熱成像技術(shù)，其在實施過程中主要存在以下幾個問題：
1、紅外熱成像技術(shù)對表層溫度感知較敏感、準(zhǔn)確，對于內(nèi)部深層的溫度很難有效捕捉；
2、煤矸石山一般較大，利用紅外熱技術(shù)探測溫度工作量大、費時費力；
3、對于感知的溫度異常區(qū)很難準(zhǔn)確判斷異常位置；
4、煤矸石山釋放的有害氣體會對操作人員身體健康帶來傷害；
5、不能實時監(jiān)測及全方位把握溫度分布。
公司研發(fā)的一種能夠?qū)γ喉肥竭M(jìn)行實時、操作便捷、適用性強(qiáng)的自燃預(yù)防監(jiān)測系統(tǒng)大大的解決了現(xiàn)有煤矸石山溫度監(jiān)測不完善的問題。提供：煤矸石山防自燃溫度監(jiān)測報警系統(tǒng)，遠(yuǎn)距離煤矸石山溫度場探測，自燃煤矸石山溫度，煤矸石山表面溫度場測量方法，煤矸石山自燃溫度監(jiān)測系統(tǒng)_煤矸石山遠(yuǎn)程無線LORA測溫采集系統(tǒng)廠家公司。lora無線LORA測溫的優(yōu)點
1. 傳輸距離遠(yuǎn)
lora無線LORA測溫在市面上收歡迎最主要的原因之一，就是在同等功率下的條件下，lora無線LORA測溫傳輸距離都會超過其他系列的無線LORA測溫。例如無線LORA測溫采集lora1276-C1和RF4432PRO無線LORA測溫的功率都是100mw，但lora1276-C1模塊的傳輸距離有5公里，RF4432PRO模塊的傳輸距離只有1.4公里，差距一目了然。
2. 功耗低
無線通訊領(lǐng)域中，有一個由來已久的問題，如何在無線LORA測溫超長傳輸距離的同時，保持模塊的低功耗；這個問題直至lora模塊的推出才得以解決。這也是lora模塊在市面上廣受歡迎的一個主要因素。
3. 抗干擾能力強(qiáng)
lora無線LORA測溫的lora調(diào)制模式具有很強(qiáng)的抗干擾性，相比較傳統(tǒng)的GFSK、FSK等調(diào)制方式，lora調(diào)制模式擁有出色的擴(kuò)頻調(diào)制及前向糾錯技術(shù)，甚至可以做到將數(shù)據(jù)從噪聲中分辨提取出來。無線LORA測溫的抗干擾行越強(qiáng)，可以使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更加穩(wěn)定且可靠。
4. 靈敏度高
LoRa無線LORA測溫的lora調(diào)制技術(shù)對信號進(jìn)行獨有的擴(kuò)頻功能，在等同的數(shù)據(jù)速率條件下，它的擴(kuò)頻調(diào)制方式可以獲得比傳統(tǒng)GFSK、FSK等調(diào)制方式高8-10dB的靈敏度。無線LORA測溫的傳輸距離越遠(yuǎn)時，信號就會越弱，這是靈敏度越高的模塊，就能接收更加微弱的信號，這也是靈敏度越高時，傳輸距離越遠(yuǎn)的原理。
lora無線LORA測溫的缺點
1. 傳輸速率低
很多人都只知道lora模塊傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點，但不明白為什么lora模塊為什么可以傳輸?shù)哪敲催h(yuǎn)。其實，lora模塊是犧牲了空中數(shù)據(jù)傳輸速率，來達(dá)到超遠(yuǎn)傳輸距離。在無線通訊領(lǐng)域中，模塊的傳輸速率越高，傳輸距離就越近，因為速率越高時，信號越容易衰弱；傳輸速率越低時，則反之。所以如果我們是對傳輸速率有要求的項目時，選擇lora模塊是一個不明智的選擇。
2. 成本
在無線LORA測溫采集眾多的無線LORA測溫種類中，lora模塊相比較GFSK、FSK系列的RF模塊來說，成本是相對貴上一點，但如果不是在項目經(jīng)費特別緊張的情況下，我司會推薦選擇lora模塊，它的各項參數(shù)性能在各類無線LORA測溫中確實是首屈一指的。
二、煤堆自燃的原因
2.1、煤矸石自燃的原因
關(guān)于煤矸石自燃的原因，主要有硫鐵礦氧化學(xué)說和煤氧復(fù)合自燃學(xué)說。硫鐵礦氧化學(xué)說是目前解釋煤矸石自燃的主要理論。它認(rèn)為，煤矸石中的硫鐵礦在低溫下發(fā)生氧化，產(chǎn)生熱量并不斷聚積，使煤矸石內(nèi)溫度聚集，引起煤矸石中的煤和可燃有機(jī)物燃燒起來，從而導(dǎo)致煤矸石自燃。而煤氧復(fù)合自燃學(xué)說則認(rèn)為煤矸石中通常夾帶著10 %～ 25 %的碳質(zhì)可燃物，在常溫下，煤矸石中的煤會發(fā)生緩慢的氧化反應(yīng)，同時放出熱量，當(dāng)熱量聚積到一定溫度時，便可引起可燃物自燃，從而導(dǎo)致矸石山自燃。
2.2、煤矸石自燃的條件
煤矸石山發(fā)生自燃須具備以下條件：
1、煤矸石具有自燃傾向性；
2、有連續(xù)的氧氣供給；
3、有熱量積聚的環(huán)境；
4、以上條件應(yīng)維持時間已達(dá)到自燃點。
其中條件1為煤矸石發(fā)生自燃的內(nèi)部特征，2、3為其自燃的外部條件。煤矸石中的可燃物主要是黃鐵礦和煤，而氧氣及熱量積聚的環(huán)境，與其堆積結(jié)構(gòu)有關(guān)。矸石山在自然堆放(平地或順坡堆放)過程中，均會發(fā)生粒度偏析，在矸石山內(nèi)產(chǎn)生“煙囪效應(yīng)”。氧化產(chǎn)生的熱量，一部分由“煙囪效應(yīng)”隨空氣帶出，另一部分則積聚在矸石山中。當(dāng)某一局部溫度達(dá)到自燃點時便引起自燃，且逐步向四周蔓延。
2.3、煤矸石山燃燒特點
煤矸石山自燃具有以下四個特點:燃燒先從煤矸石山內(nèi)的中部開始;屬于不完全燃燒。
1、燃燒首先從煤矸石山內(nèi)的中部開始
煤矸石山的自燃除了本身條件之外，主要取決于供氧條件。氧是沿著煤矸石之間的空隙和孔道向內(nèi)部補(bǔ)給的。煤矸石山內(nèi)的中部有利于氧化反應(yīng)生成熱的積聚，所以燃燒首先在這里開始。自燃后，燃燒區(qū)的溫度可達(dá)到800 ～ 1000℃。
2、煤矸石山的燃燒性質(zhì)——— 不完全燃燒
在自燃之前，煤矸石山中的空隙和孔道為黃鐵礦和炭質(zhì)可燃物的氧化提供空氣;在自燃之后，它們又為可燃物質(zhì)燃燒補(bǔ)給空氣。由于煤矸石山的燃燒首先從中部開始，因此通過空隙和孔道輸送空氣的速度比較緩慢;另外空隙和孔道較小，氧氣供應(yīng)不充分。所以從整體上說，矸石山燃燒是在供氧量不足情況下進(jìn)行的，其燃燒性質(zhì)屬于不完全燃燒。不完全燃燒的結(jié)果除產(chǎn)生二氧化硫和二氧化碳外，還產(chǎn)生大量一氧化碳、硫化氫和碳?xì)浠衔锏�，從而造成大氣環(huán)境的污染。煤矸石山燃燒速度緩慢，燃燒時間長，一座大型煤矸石山往往要燃燒十多年，甚至幾十年的時間。
3、煤矸石山在雨季有危險
燃燒的煤矸石山在雨季有可能發(fā)生爆炸，盡管幾率較小，但是爆炸一旦發(fā)生，有可能危害人們的生命與安全。降雨時，大量水噴灑到燃燒的煤矸石山上，并滲透到煤矸石山內(nèi)溫度高達(dá)800 ～ 1000℃的燃燒區(qū)，導(dǎo)致水變成蒸汽并與赤熱的碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氫氣和一氧化碳。大量氫氣和一氧化碳使氣體體積增大。由于煤矸石之間空隙和孔道狹小，大量氣體來不及釋放，導(dǎo)致壓力急劇增高而發(fā)生爆炸。另一方面，氫氣和一氧化碳的急劇增加，它們本身也會發(fā)生爆炸。
4、可燃物質(zhì)燃燼
煤矸石自燃并燃燼。
2.4、煤矸石自燃的影響因素
影響煤矸石自燃的主要因素有:硫鐵礦含量、水分、矸石的粒徑和溫度等。
1、硫鐵礦在常溫下，煤矸石中的硫鐵礦被空氣氧化并放出能量。如果硫鐵礦在煤中呈星狀分布，其顆粒與碳物質(zhì)連結(jié)在一起，就更易氧化自燃，因而硫鐵礦集中的區(qū)域，往往是自燃的中心區(qū)。但是，有的煤矸石中硫鐵礦含量很高卻不自燃，有的含硫量很低卻又非常敏感，這與煤矸石的堆存方式、氣候環(huán)境、水分的高低等有很大的關(guān)系，同時也說明硫鐵礦的存在是煤矸石自燃的重要因素。
2、水分的影響主要表現(xiàn)在兩個方面。其一，水分能促進(jìn)煤的氧化。雨水、空氣中的水分，被煤和含碳有機(jī)質(zhì)表面吸附后產(chǎn)生吸附熱，會促進(jìn)煤和含碳有機(jī)質(zhì)的氧化。這是煤矸石自燃的外因和條件。試驗證明，當(dāng)空氣中濕度低于15 %時，煤矸石的吸氧量隨濕度的增加而增加，當(dāng)煤的濕度增加到10 %～ 15 %時，吸氧量達(dá)到上限值。其二，水分能降低煤的著火溫度。在一定含水量范圍內(nèi)，隨含水量的增加，煤的著火溫度下降。當(dāng)煤的含水量達(dá)20 %時，其著火溫度比干燥時降低80%以上。另外，水分還能加速煤矸石自燃的燃燒速度。因此當(dāng)用注水法滅火時，如果注水不充分，反而會加劇矸石山的自燃。
3、矸石粒徑一般說來，粒徑組成決定了煤矸石的透氣性。粒徑太小，滲入的氧氣在矸石堆表面就消耗掉了，難以滲入煤矸石堆深部;粒徑太大，氧化產(chǎn)生的熱量容易散發(fā)，不易引起自燃。研究認(rèn)為，煤矸石的顆粒平均有效直徑在6 ～ 13mm 左右時，矸石山具有好的氧化升溫及蓄熱的條件，產(chǎn)生自燃的可能性大。
4、溫度煤矸石的自燃一般經(jīng)過緩慢反應(yīng)- 自動加速反應(yīng)- 燃燒三個過程。在初始階段，煤矸石中的硫鐵礦和有機(jī)碳質(zhì)在常溫下緩慢反應(yīng)，放出熱量，使煤矸石逐漸升溫。當(dāng)煤矸石達(dá)到臨界溫度時，若燃料和氧氣供應(yīng)充足，燃燒就會穩(wěn)定地進(jìn)行。煤矸石自燃的臨界溫度約為350 ℃，這對于滅火有著重要的指導(dǎo)意義。
三、有效手段了解整個煤矸石山內(nèi)部溫度情況
目前市場上檢測煤矸石山自燃的產(chǎn)品的局限性：
人工巡檢是現(xiàn)場通行的作法，但是靠一兩個工人扛2米的溫度計巡邏根本達(dá)不到有效測量密度，熱電阻插入煤堆需要幾分鐘才可以測量準(zhǔn)確，而且煤矸石山很多地方行走不便，煤場環(huán)境惡劣，安排太多的人測溫也非常不安全;
還有使用紅外溫槍或熱成像設(shè)備，該類設(shè)備都只能測量表面溫度，煤矸石山自熱自燃主要從內(nèi)部開始，所以達(dá)不到使用目的，導(dǎo)致選型失敗。所以現(xiàn)場明知預(yù)防自熱自燃的重要性，卻無可奈何。
3.1、煤矸石山測點位置及深度選擇方法
我公司與多家設(shè)計單位聯(lián)合對煤矸石山溫度場進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測研究，發(fā)現(xiàn)煤矸石山內(nèi)部溫度有規(guī)律變化。
受到供氧量和散熱條件的制約，煤堆自燃的發(fā)源點主要發(fā)生在煤堆側(cè)表面以內(nèi)3米到8米深度范圍內(nèi)。首先觀察3米以內(nèi)深度范圍，因為緊鄰空氣，煤矸石的散熱量大于發(fā)熱量，所以煤自熱初期所發(fā)出的熱量，不能得到有效積累，不能導(dǎo)致溫度明顯升高，所以這個區(qū)域的煤很難自燃；觀察從煤堆斜面以內(nèi)4米深度至煤堆中心的范圍，雖然溫度很快，但是因為氧氣供應(yīng)量太少，無法為煤發(fā)熱提供足夠的氧氣，所以很難自燃。所以，當(dāng)我們觀察到煤矸石山表面某處冒汽冒煙時，并不是表皮首先發(fā)熱自燃，而是內(nèi)部區(qū)域經(jīng)過一段時間的自燃，把熱量傳遞出來，形成的結(jié)果。所以觀察表面發(fā)熱自燃只是治標(biāo)，觀察煤矸石山內(nèi)部區(qū)域發(fā)熱自燃才是治本。
3.2、煤矸石山測點位置的選擇
測點越密集，發(fā)現(xiàn)煤的發(fā)熱現(xiàn)象就越早，但是測量設(shè)備的購置和維護(hù)成本就越高；反之，測點太稀疏，等到發(fā)現(xiàn)自燃現(xiàn)象就太晚了，自燃感染的區(qū)域就太大了。綜合考慮，既不能讓自燃的感染區(qū)域太大，也不能使設(shè)備的購置和維護(hù)成本太高，我們往往選擇沿著煤堆斜面，間隔20米的距離，布置一支測溫探頭。
考慮到很多煤場的儲煤有不同的來源、批次、煤質(zhì)等差異，所以也可以采用每個批次插入至少一支探頭的策略，該測點就能比較好的反應(yīng)該批次儲煤的發(fā)熱自燃情況。
3.3、煤矸石山測溫點的布置方法
每個煤矸石山都具有地理、氣候、形狀、土建結(jié)構(gòu)方面的個性，所以煤矸石山負(fù)責(zé)人經(jīng)過長期管理實踐，也會發(fā)現(xiàn)該煤場的發(fā)熱自燃現(xiàn)象，可以根據(jù)這些現(xiàn)象有針對性的布置測溫點。
解決方案：
LoRa無線溫濕度傳感器基于LoRa私有協(xié)議，是公司通過傳感器與LoRa模塊開發(fā)的一種經(jīng)濟(jì)型溫濕度傳感器，可置于冷庫、倉庫、大棚、糧倉等�？蓹z測室溫度與機(jī)器溫度。
四、煤矸石山無線LORA測溫采集系統(tǒng)硬件介紹
4.1、無線LORA測溫采集終端(電池供電)：
內(nèi)置鋰電池供電，可以實時采集煤堆內(nèi)部溫度，并實時發(fā)射出去。無線接收機(jī)與上位機(jī)通訊。可修改不同地址的模塊，由此可以達(dá)到多個模塊通過無線方式共同組網(wǎng)的應(yīng)用。內(nèi)置看門狗可長期運行。
技術(shù)參數(shù)：
頻率范圍：433MHZ～434.79MHZ（免申請）
輸出功率：+20dbm
傳輸距離：≥800m(無阻擋)
發(fā)射電流：90mA
測量循環(huán)周期：t*5秒（可按用戶要求設(shè)置）
電源：電池（可更換）
電池及整機(jī)壽命：2～8年（視測量時間間隔而定）
低功耗：低功耗高靈敏度，采用鋰電池，待機(jī)電流2微安
測溫范圍：-200度—1100度。（范圍可選）
準(zhǔn)確性：測量精度可達(dá)±0.5℃%
穩(wěn)定性：高絕緣性和抗電磁場干擾性
靈活性：用戶可根據(jù)自己的需求，靈活、方便的設(shè)置參數(shù)，便于安裝維護(hù)
保密性：可透明傳輸，也可以數(shù)據(jù)加密
防水級別：IP66
LORA網(wǎng)關(guān)通過“無線接收機(jī)”接收現(xiàn)場各個溫度點的信號，現(xiàn)場每個溫度點都有的編號與上位機(jī)軟件一一對應(yīng)。整個系統(tǒng)組網(wǎng)可以對大型場地進(jìn)行6千多溫度點的實時集中監(jiān)測。
4.2、 無線溫度傳感器工作原理圖
無線接收機(jī)用來接收傳感器的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)匯報給監(jiān)控電腦，通過軟件顯示出來。一個煤場，一臺無線接收機(jī)可以帶2000個無線LORA測溫采集終端。無線接收機(jī)內(nèi)部插入開通流量的手機(jī)卡利用GPRS無線傳輸與上位機(jī)電腦實時通訊，上電后自動啟動，開始接收數(shù)據(jù)。熱電偶溫度傳感器與無線LORA測溫采集配套，測量-200-1100℃范圍內(nèi)的液體、氣體介質(zhì)以及固體表面等的溫度耐高溫材質(zhì)不銹鋼保護(hù)管直徑，廣泛用于石油、化工、機(jī)械、冶金、電力、 輕紡、食品、原子能、宇航等工。在業(yè)部門和科技領(lǐng)域，裝配熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成。直徑可以定做Φ3mm Φ4mm Φ5mm Φ6mm Φ8mm ....
工作原理
鎧裝熱電偶的電極是由兩根不同導(dǎo)體的金屬材料組成，當(dāng)測量端與參比端在溫差時，就會產(chǎn)生熱電勢，這種電勢就叫輸出的毫伏信號（mV），工作儀表就會利用這一原理進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理這種熱電勢，使其能夠顯示出所對應(yīng)的溫度值。長度：L=300mm 350mm 400mm 500mm 600mm ....... 長度可以定制
五、煤矸石山溫度場監(jiān)測防自燃系統(tǒng)特點：
◆無線LORA測溫采集終端型號：IDM-102AP
◆測量范圍： -200℃～1100℃
◆測量精度：溫度±0.2℃
◆分辨率：溫度0.1℃
◆通訊接口：無線發(fā)射，可選RS-485、RS-232。
◆數(shù)據(jù)記錄：跟蹤溫度隨環(huán)境等的變化，自動記錄溫度數(shù)據(jù)，溫度記錄聯(lián)機(jī)實時保存至電腦硬盤
◆報警輸出：設(shè)定報警溫度，畫面溫度數(shù)據(jù)會不停閃爍并輸出報警聲音（溫度過高、過低報警等）。
◆電腦上可以實時監(jiān)控溫度、記錄溫度、查詢溫度、輸出溫度報警、打印溫度報表、查看溫度歷史曲線等。
◆根據(jù)客戶需求還可以增加“短信預(yù)警”功能（溫度過高時自動發(fā)送短信報警信息到相關(guān)人員手機(jī)上）。
◆對于客戶進(jìn)行二次開發(fā)需要，可提供通訊協(xié)議及相關(guān)技術(shù)支持。
◆采用工業(yè)電路板全隔離設(shè)計，控制器都具有較強(qiáng)的防雷措施。
軟件監(jiān)測平臺：
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