一、煤矸石煤場場監測系統項目背景
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%，其年產量約占煤炭總產量的十分之一。據不統計，國有煤礦現有煤矸石山6000余座，堆積量50億噸以上，占我國工業固體廢物排放總量的40％以上。目前，隨著綜采機械化的提高及煤炭資源的大量利用，使得煤矸石的產生量逐年增加，為了節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部溫度急劇升高導致自燃。

煤矸石的主要成分是Al2O3、SiO2、SO3等，其自燃過程中會產生大量的有害氣體，污染空氣、土壤以及飲用水源，危害人們身體健康。在人們環保意識不斷提高、環保問題備受關注的今天，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環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及防治措施，因此采取積極有效的措施對于預防煤矸石山自燃是亟待解決的問題。

《煤礦矸石山災害預防與治理工作指導意見》中指出對于預防煤矸石山自燃應定期測溫及預測、預警預報機制。目前常規的測溫技術多采用紅外熱成像技術，其在實施過程中主要存在以下幾個問題：
1、紅外熱成像技術對表層溫度感知較、準確，對于內部深層的溫度很難有效捕捉；
2、煤矸石山一般較大，利用紅外熱技術探測溫度工作量大、費時費力；
3、對于感知的溫度異常區很難準確判斷異常位置；
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、不能實時監測及把握溫度分布。

公司研發的一種能夠對煤矸石山進行實時、操作便捷、適用性強的自燃預防監測系統大大的解決了現有煤矸石山溫度監測不完善的問題。提供：煤矸石山防自燃溫度監測報警系統，遠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測系統_煤矸石山遠程無線LORA測溫采集系統廠家公司。lora無線LORA測溫的優點

1. 傳輸距離遠
lora無線LORA測溫在市面上收歡迎主要的原因之一，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
lora無線LORA測溫的lora調制模式具有很強的抗干擾性，相比較傳統的GFSK、FSK等調制方式，lora調制模式擁有出色的擴頻調制及前向糾錯技術，甚至可以做到將數據從噪聲中分辨提取出來。無線LORA測溫的抗干擾行越強，可以使傳輸的數據更加穩定且可靠。

4. 靈敏度高
LoRa無線LORA測溫的lora調制技術對信號進行獨有的擴頻功能，在等同的數據速率條件下，它的擴頻調制方式可以獲得比傳統GFSK、FSK等調制方式高8-10dB的靈敏度。無線LORA測溫的傳輸距離越遠時，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模塊傳輸距離遠的優點，但不明白為什么lora模塊為什么可以傳輸的那么遠。其實，lora模塊是犧牲了空中數據傳輸速率，來達到超遠傳輸距離。在無線通訊領域中，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費特別緊張的情況下，我司會選擇lora模塊，它的各項參數性能在各類無線LORA測溫中確實是指的。

二、煤堆自燃的原因

2.1、煤矸石自燃的原因

關于煤矸石自燃的原因，主要有硫鐵礦氧化學說和煤氧復合自燃學說。硫鐵礦氧化學說是目前解釋煤矸石自燃的主要理論。它認為，煤矸石中的硫鐵礦在低溫下發生氧化，產生熱量并不斷聚積，使煤矸石內溫度聚集，引起煤矸石中的煤和可燃物燃燒起來，從而導致煤矸石自燃。而煤氧復合自燃學說則認為煤矸石中通常夾帶著10 %～ 25 %的碳質可燃物，在常溫下，煤矸石中的煤會發生緩慢的氧化反應，同時放出熱量，當熱量聚積到一定溫度時，便可引起可燃物自燃，從而導致矸石山自燃。


2.2、煤矸石自燃的條件

煤矸石山發生自燃須具備以下條件：


1、煤矸石具有自燃傾向性；
2、有連續的氧氣供給；
3、有熱量積聚的環境；
4、以上條件應維持時間已達到自燃點。
其中條件1為煤矸石發生自燃的內部特征，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境，與其堆積結構有關。矸石山在自然堆放(平地或順坡堆放)過程中，均會發生粒度偏析，在矸石山內產生“煙囪效應”。氧化產生的熱量，一部分由“煙囪效應”隨空氣帶出，另一部分則積聚在矸石山中。當某一局部溫度達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的中部開始;屬于不燃燒。

1、燃燒首先從煤矸石山內的中部開始

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部補給的。煤矸石山內的中部有利于氧化反應生成熱的積聚，所以燃燒首先在這里開始。自燃后，燃燒區的溫度可達到800 ～ 1000℃。

2、煤矸石山的燃燒性質——— 不燃燒

在自燃之前，煤矸石山中的空隙和孔道為黃鐵礦和炭質可燃物的氧化提供空氣;在自燃之后，它們又為可燃物質燃燒補給空氣。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行的，其燃燒性質屬于不燃燒。不燃燒的結果除產生二氧化硫和二氧化碳外，還產生大量一氧化碳、硫化氫和碳氫化合物等，從而造成大氣環境的污染。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生爆炸，盡管幾率較小，但是爆炸一旦發生，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溫度高達800 ～ 1000℃的燃燒區，導致水變成蒸汽并與赤熱的碳發生化學反應，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，導致壓力急劇增高而發生爆炸。另一方面，氫氣和一氧化碳的急劇增加，它們本身也會發生爆炸。


4、可燃物質燃燼


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，其顆粒與碳物質連結在一起，就更易氧化自燃，因而硫鐵礦集中的區域，往往是自燃的中心區。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，這與煤矸石的堆存方式、氣候環境、水分的高低等有很大的關系，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在兩個方面。其一，水分能促進煤的氧化。雨水、空氣中的水分，被煤和含碳質表面吸附后產生吸附熱，會促進煤和含碳質的氧化。這是煤矸石自燃的外因和條件。試驗證明，當空氣中濕度低于15 %時，煤矸石的吸氧量隨濕度的增加而增加，當煤的濕度增加到10 %～ 15 %時，吸氧量達到上限值。其二，水分能降低煤的著火溫度。在一定含水量范圍內，隨含水量的增加，煤的著火溫度下降。當煤的含水量達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，氧化產生的熱量容易散發，不易引起自燃。研究認為，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，產生自燃的可能性大。


4、溫度煤矸石的自燃一般經過緩慢反應- 自動加速反應- 燃燒三個過程。在初始階段，煤矸石中的硫鐵礦和有機碳質在常溫下緩慢反應，放出熱量，使煤矸石逐漸升溫。當煤矸石達到臨界溫度時，若燃料和氧氣供應充足，燃燒就會穩定地進行。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意義。

三、有效手段了解整個煤矸石山內部溫度情況


目前市場上檢測煤矸石山自燃的產品的局限性：


人工巡檢是現場通行的作法，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確，而且煤矸石山很多地方行走不便，煤場環境惡劣，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備，該類設備都只能測量表面溫度，煤矸石山自熱自燃主要從內部開始，所以達不到使用目的，導致選型失敗。所以現場明知預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


我公司與多家設計單位聯合對煤矸石山溫度場進行連續監測研究，發現煤矸石山內部溫度有規律變化。


受到供氧量和散熱條件的制約，煤堆自燃的發源點主要發生在煤堆側表面以內3米到8米深度范圍內。首先觀察3米以內深度范圍，因為緊鄰空氣，煤矸石的散熱量大于發熱量，所以煤自熱初期所發出的熱量，不能得到有效積累，不能導致溫度明顯升高，所以這個區域的煤很難自燃；觀察從煤堆斜面以內4米深度至煤堆中心的范圍，雖然溫度很快，但是因為氧氣供應量太少，無法為煤發熱提供足夠的氧氣，所以很難自燃。所以，當我們觀察到煤矸石山表面某處冒汽冒煙時，并不是表皮首先發熱自燃，而是內部區域經過一段時間的自燃，把熱量傳遞出來，形成的結果。所以觀察表面發熱自燃只是治標，觀察煤矸石山內部區域發熱自燃才是治本。


3.2、煤矸石山測點位置的選擇


測點越密集，發現煤的發熱現象就越早，但是測量設備的購置和維護成本就越高；反之，測點太稀疏，等到發現自燃現象就太晚了，自燃感染的區域就太大了。綜合考慮，既不能讓自燃的感染區域太大，也不能使設備的購置和維護成本太高，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該批次儲煤的發熱自燃情況。


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、土建結構方面的個性，所以煤矸石山負責人經過長期管理實踐，也會發現該煤場的發熱自燃現象，可以根據這些現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私有協議，是公司通過傳感器與LoRa模塊開發的一種經濟型溫濕度傳感器，可置于冷庫、倉庫、大棚、糧倉等。可檢測室溫度與機器溫度。

四、煤矸石山無線LORA測溫采集系統硬件介紹

4.1、無線LORA測溫采集終端(電池供電)：


內置鋰電池供電，可以實時采集煤堆內部溫度，并實時發射出去。無線接收機與上位機通訊。可修改不同地址的模塊，由此可以達到多個模塊通過無線方式共同組網的應用。內置看門狗可長期運行。

技術參數：

頻率范圍：433MHZ～434.79MHZ（免申請）
輸出功率：+20dbm
傳輸距離：≥800m(無阻擋)
發射電流：90mA
測量循環周期：t*5秒（可按用戶要求設置）
電源：電池（可更換）
電池及整機壽命：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，待機電流2微安
測溫范圍：-200度—1100度。（范圍可選）

準確性：測量精度可達±0.5℃%
穩定性：高絕緣性和抗電磁場干擾性
靈活性：用戶可根據自己的需求，靈活、方便的設置參數，便于安裝維護
保密性：可透明傳輸，也可以數據加密
防水級別：IP66

LORA網關通過“無線接收機”接收現場各個溫度點的信號，現場每個溫度點都有的編號與上位機軟件一一對應。整個系統組網可以對大型場地進行6千多溫度點的實時集中監測。

4.2、 無線溫度傳感器工作原理圖


無線接收機用來接收傳感器的數據，并把數據匯報給監控電腦，通過軟件顯示出來。一個煤場，一臺無線接收機可以帶2000個無線LORA測溫采集終端。無線接收機內部插入開通流量的手機卡利用GPRS無線傳輸與上位機電腦實時通訊，上電后自動啟動，開始接收數據。熱電偶溫度傳感器與無線LORA測溫采集配套，測量-200-1100℃范圍內的液體、氣體介質以及固體表面等的溫度耐高溫材質不銹鋼保護管直徑，廣泛用于石油、化工、機械、冶金、電力、 輕紡、食品、原子能、宇航等工。在業部門和科技領域，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體的金屬材料組成，當測量端與參比端在溫差時，就會產生熱電勢，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行轉換處理這種熱電勢，使其能夠顯示出所對應的溫度值。長度：L=300mm 350mm 400mm 500mm 600mm ....... 長度可以定制


五、煤矸石山溫度場監測防自燃系統特點：

◆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：無線發射，可選RS-485、RS-232。
◆數據記錄：跟蹤溫度隨環境等的變化，自動記錄溫度數據，溫度記錄聯機實時保存至電腦硬盤
◆報警輸出：設定報警溫度，畫面溫度數據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。
◆根據客戶需求還可以增加“短信預警”功能（溫度過高時自動發送短信報警信息到相關人員手機上）。
◆對于客戶進行二次開發需要，可提供通訊協議及相關技術支持。
◆采用工業電路板全隔離設計，控制器都具有較強的防雷措施。

軟件監測平臺：

審核編輯 黃宇