一种基于井下人员定位的本安型瓦斯矿灯
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【摘要】本文介绍了一种基于井下人员定位的本安型瓦斯矿灯，防爆型式符合GB3836标准要求，并达到ia等级。采用瓦斯检测与人员定位相结合，将瓦斯采集数据通过人员定位系统实时传送到地面，做到实时监控，有人员的地方就有瓦斯参数的安全目标，反应速率
【关键词】本安型;矿灯;保护器;PTC;过流保护
1.前言
矿井一旦发生瓦斯爆炸，就会造成一系列及其严重的危害，其危害主要表现在以下几个方面：
1）爆炸产生高温。
爆炸时产生的热量，使周围气体温度迅速升高，爆炸瞬间的温度为1850℃-2650℃。这样的高温，会造成人员伤亡，并可能引起火灾，烧毁设备、设施，损坏巷道;
2）爆炸产生高压气体和强大冲击波。
由于爆炸时气体温度骤然升高，引起爆源附近气体体积急速膨胀，气体压力突然增大，形成强大的高压冲击波。强大的冲击波可使井下人员遭受伤亡，严重摧毁巷道支架、井下设施和设备，造成巷道顶板冒落。
3）爆炸产生大量的有毒、有害气体。
瓦斯爆炸要消耗大量氧气，同时伴生大量的有害气体，其中主要是一氧化碳和二氧化碳。若有煤尘参与爆炸，产生的一氧化碳气体会更多，造成的人员伤亡更严重。统计资料表明，瓦斯、煤尘爆炸事故中死亡的人数，90%左右都是因为一氧化碳中毒、窒息死亡。
瓦斯（甲烷CH4）报警矿灯是在矿灯上增加了瓦斯报警装置。当瓦斯超限时，声、光形式报警，以警告使用者瓦斯超限。它具有结构简单、报警醒目、重量轻、使用方便等特点，其中主灯闪烁式瓦斯报警矿灯还具有当瓦斯超限时强制工人停止作业的功能，特别适宜于井下分散作业人员携带使用。
目前国内瓦斯矿灯无法将瓦斯采集数据实时传送到地面服务器，且属于矿用特殊型产品，防爆型式：EXSI，安全系数低，容易发生蓄电池、矿灯头碰撞摔破、电缆破皮扯断等现象而产生电火花，继而引发瓦斯爆炸事故，这也是矿灯引发矿难事故的根源[1，2]因此，研制一款与人员定位相结合的本安型瓦斯矿灯具有重大的安全意义。
2.现有的瓦斯矿灯对锂电池保护设计
本安型瓦斯矿灯的安全性能，直接取决于对矿灯锂电池的保护处理。目前，矿井常用的矿灯属于特殊型，其锂离子电池保护电路一般采用PTC和保护器，如图1所示。
图1 殊型矿灯电池保护电路
其中PTC是锂离子蓄电池出厂时自带，动作电流一般在4A以上，甚至有些达到10A，主要用于电池生产、运输过程中短路保护，但是保护动作值过大，不能完全起到保护作用。保护器具有过充保护、过流保护、过放保护、短路保护等功能。
过流保护是通过时间来限定释放能量。在锂电池电量充足时，可以快速的切断输出，然而在蓄电池低电量时，很难在短时间内切断输出，可靠性有限[3，4]。
3.ia级本安型瓦斯矿灯本安保护设计
本设计中，保留安标产品保护器，同时增加过流保护、PTC串限流电阻两重保护，达到ia级三重化保护，符合GB3836-2010的规定。
如图2所示，选择具有安标证号的保护器作为第一重保护。第二重过流保护电路，采用了精工电子的S8261锂电池保护电路，内置高精度电压检测电路，具有过充电、过放电和过电流的保护功能。这里主要采用S8261电路的过流保护功能，过电流1检测电压为0.05～0.3V。在通常状态的电池放电状态下，由于放电电流在额定值以上，VM端子的电压在过电流检测电压以上且这个状态持续在过电流检测延迟时间以上的场合，关闭放电控制FET停止放电，这个状态叫做过电流状态。当检测VM端子电位为过电流1检测电压以下时即恢复到通常状态。S8261保护IC的过充电检测电压为3.9～4.4V，过充电滞后电压为0.1～0.4V，过放电检测电压为2.0～3.0V，过放电滞后电压为0～0.7V，过电流1检测电压为0.05～0.3V，过电流2检测电压为0.5V。在第二级保护电路中，同时保留过充电、过放电保护，提高对电池的保护。
图2 本安原理图
图2中，第三重保护采取PTC串限流电阻的方式，限流电阻作为可靠元器件，可以抑制电流突变。PTC俗称“自恢复保险丝”，传统的保险丝在线路熔断后无法自行恢复，而PTC在故障撤除后即可恢复到预保护状态，当故障再次出现时，又可以起到过流保护。本设计中选用0.5Ω、5W的正偏值限流电阻，1.25A，0.2Ω的PTC，开路最大输出功率：
W
小于GB3836-2010规定的33W，限流电阻的功率符合GB3836-2010的要求，即：15×（ln×1.7）2×限流电阻最大电阻值。
三重化保护中，任意一重或两重保护失效，剩下的两重或一重保护，都能可靠的保证电源安全。三重化保护的本安参数设定为UO：4.2V、IO：2A，可顺利通过防爆火花实验。
在结构上采用内外双层外壳，将电池和保护板嵌入内壳中，并采用回天312浇封后，装入外壳内，起到保护隔离作用，确保矿灯可靠安全[5，6]。
4.本安型瓦斯矿灯瓦斯报警设计
采用催化燃烧原理，可燃性气体在有充足的氧气的前提下，在一定温度的催化剂表面就能产生无焰燃烧，其产生的热量使之转换为电信号而指示出来。如可燃性气体浓度在其爆炸下限的范围内，则催化燃烧的热量与可燃烧气体的浓度呈线性关系。
选用瓦斯报警矿灯模组MZ005，此模组采用高稳定性催化燃烧式气敏元件、高性能微电脑处理器，配合红外遥控调校方式，使模组拥有高可靠性和极简单的调试，并且此模组拥有传感器故障报警功能和零点标定限制功能，避免了由于传感器断丝引起的模组持续报警或不会报警等故障。当空气中的甲烷含量大于报警设定值时它会控制矿灯闪烁报警，同时将电信号通过井下人员定位系统实时上传到地面，及时提醒工作面人员采取加强通风或撤离措施。当甲烷浓度下降到正常值时，它又能控制矿灯恢复正常照明功能，从而保证人身和财产安全，避免不必要的损失。
瓦斯报警矿灯模组MZ005与人员定位板之间通过串口通信，采用标准、开放的modbus协议，原理图如图3所示。
图3 瓦斯报警矿灯原理图
瓦斯模块的额定电压（V）：3.1-5.0，额定控制电流（mA）：≤110，报警点（vol）：1.0%（出厂标定），报警误差：≤0.1%（CH4含量（0.5-1.0%），零点稳定性：±0.1%CH4（每周最大零漂）。
当空气中的甲烷含量大于预警值时，模组将电信号直接通过串口发给人员定位板，同时矿灯闪烁报警，人员定位板将报警信号实时上传到地面，及时提醒工作面人员采取加强通风或撤离措施。当浓度降低低于报警值时，报警矿灯回复正常状态[7，8]。
5.结语
本文设计一种基于井下人员定位的本安型瓦斯矿灯，采用三重化保护，结构上内外壳浇封隔离，同时与人员定位相结合，弥补瓦斯监测的不足，将瓦斯数据与人员定位数据相结合，实时上传到地面服务器，及时提醒工作面人员采取加强通风或撤离措施，消除矿工在瓦斯超限情况下仍违规作业的问题，确保安全生产。
参考文献
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[6]GB 3836.4-2010爆炸性环境，第4部分：由本质安全型“i”保护的设备[S].
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[8]秦宪礼，沈斌，刘新蕾等.基于锂电矿灯的无线瓦斯监测系统研究[J].矿业安全与环保，2009，36（5）：28-30.