原创 煤矸石采空区无线测温方案

摘要
煤矸石采空区易因氧化反应引发自燃，威胁矿区安全。本方案基于LoRa无线通信技术与分布式传感网络，构建实时、低功耗、高可靠性的温度监测系统，覆盖数据采集、传输、分析及预警全流程，有效预防火灾隐患。

一、系统设计目标

1. 实时监测：温度采样频率≥1次/分钟，数据延迟＜30秒。
2. 广域覆盖：单网关覆盖半径≥3km（视巷道结构）。
3. 工业级防护：传感器节点满足IP68、防爆认证（Ex ib IIB T4）。
4. 超低功耗：节点续航≥3年（无外部供电）。

二、系统架构

1. 硬件组成

2. 网络拓扑

• 星型+多跳中继：巷道内每200米部署测温节点，复杂区域通过中继器延伸覆盖。
• 双频冗余：使用433MHz与868MHz双频段规避同频干扰。

三、关键技术实现

1. 自适应采样机制

• 常规模式：每小时上传1次数据（静态功耗＜10μA）。
• 异常触发：温度＞60℃时自动切换至每分钟高频采样。

2. 数据安全传输

• AES-128加密：防止数据篡改与非法接入。
• 心跳包校验：每6小时发送设备状态，离线立即告警。

3. 温度预警算法

• 三级预警模型：
  1. 黄色预警：单点温度＞80℃持续10分钟。
  2. 橙色预警：相邻3节点温差＞20℃/小时。
  3. 红色预警：AI模型判定自燃概率＞90%（基于历史数据与热扩散模拟）。

四、部署实施方案

1. 节点布设策略

在热管装置布置时，要求数根热管装置的有效作用半径尽量地能包围或覆盖矸石层需要降温区的水平截面积，并以此确定热管的根数、热管装置间距以及热管和矸石降温区的距离。但过多密集地布置热管装置，势必会增加工程的投资费用，而从技术上来讲，也是没有意义，相反，热管装置布置的太少，又难以有效地抑制矸石降温区的升温，从而造成矸石降温区的降温效果减弱。因此，要视具体的应用对象，根据矸石的特性、气象条件以及矸石降温区的结构等。由模型计算得到热管装置的有效作用半径，并以此为依据，确定热管装置的几何参数，合理地规划和布置热管装置，以求达到技术性和经济性的统一。

设计中要考虑热管装置完成治理后的回收再用。通过对热管装置温度测量监视内部热量散热情况，当内部温度达到设计最终温度，取出热管用于其他发热区散热治理。需要注意，抽取热管后要对热管形成的孔进行封闭，防止大量空气进人矸石山内部，造成矸石山复燃（热）。

根据监测区布点情况，利用手持GPS结合测绳进行测点定位，采用轻型便携钻机钻孔。
（1）钻孔（成孔深度为2米）
将取土钻竖直于地面以及坡面，双手紧握手柄顺时针下压慢速转动。不要太用力，务必慢速多转几圈,防止钻头跑偏至孔洞打歪。将取土钻从孔洞中取出，反复持续上述打孔、取土，并在此过程中尝试性地将测温管轻放入孔洞中(请勿将设备用力触底)，以测试孔洞的深度是否合适。若有卡顿，则使用取土钻修正，保证后边传感器放入、取出都比较顺畅，直到孔深与测温管所标识的安装位置齐平，打孔完成。
（2）测温管（埋深2米，露出地面高度30厘米，热电偶露出地面40厘米）
将温度传感器插入测温管中，中间缝隙用细沙填补，测温管与传感器衔接的地方用密封胶密封，要封堵作防雨处理，防止雨水流入孔内，此时完成传感器的埋设。实物示意图：

无线温度传感器工作示意图
（3）布点原则：
按照温度分区图进行不同密度的布设，布设方法按照“梅花形”布设，在发火区传感器每个传感器间隔15米，蓄热区传感器每个传感器间隔12米，临界区传感器每个间隔20米，完成测温点位布置，布点数量符合产酸温度监测预警要求及甲方工程验收要求。

• 分层监测：
  • 浅层（0-5m）：间距50m，监测地表氧化发热。
  • 深层（5-20m）：钻孔埋入耐高温节点，间距100m。
• 重点区域强化：煤矸石堆积区、通风死角加密至30m/节点。

2. 安装流程

1. 地质雷达扫描确定空区范围与结构。
2. 钻孔埋设深层节点（耐压管防护），浅层节点固定于巷道支架。
3. 网关部署于通风井口或高位硐室（避免遮挡）。

3. 维护机制

• 自检系统：节点电压、信号强度远程监控。
• 机器人巡检：搭载UWB定位的巡检机器人定期更换电池/故障节点。

五、性能指标验证

六、经济效益分析

1. 直接成本节约：
   • 替代人工巡检：单矿年节省人力成本约120万元。
   • 减少灭火投入：早期预警降低90%火灾扑救费用（案例：山西某矿年损失减少800万元）。
2. 产能保护：
   • 避免因火灾导致的停产，保障年产300万吨煤矿连续运行。

软件监测平台：

七、挑战与解决方案

八、应用案例

陕西某煤矿采空区监测项目

• 部署规模：320个测温节点 + 8台网关，覆盖4.5km²采空区。
• 成效：
  • 6个月内预警3次潜在自燃事件，及时注氮处理避免火灾。
  • 运维成本降低65%，系统ROI（投资回报率）达230%。

九、未来演进方向

1. 多参数融合监测：集成CO、CH₄气体传感器，构建火灾综合预警体系。
2. 5G+北斗增强定位：结合高精度定位实现温度异常点快速标定。
3. 数字孪生联动：温度数据映射至三维地质模型，模拟火势蔓延路径。

结语
本方案通过LoRa无线网络与智能分析技术，实现煤矸石采空区温度监测从“被动处置”到“主动防控”的升级，为矿山安全生产提供可靠保障。随着技术迭代，系统将向智能化、集成化持续演进，成为矿山灾害防治的核心基础设施。