关于压力传感器在煤矿瓦斯突出应急处理中的应用

现代测量技术涉及到众多的非电量,如重量、加速度、力和力矩、压力等力学量或者其它一些等化学量。这些物理量进行直接测量时非常困难或者不方便,需用一种转换装置将其转化为易于测量、传输和处理的电量,这种装置就是传感器，其中压力传感器在工业现场中应用非常广泛。压力传感器检测技术是以获取压力信号,同时再经一些转换电路转换为电信号,进行显示或提供给控制电路,以达到过程控制的目的装置[1]。

　　1．问题提出

煤矿发生瓦斯突出后会向采掘空间涌出大量的瓦斯,很容易达到爆炸极限,一旦达到爆炸极限再遇上火源就会发生爆炸,改变了突出事故的性质。所以在发生突出后*时间内切断电源是防止事故扩大化的一条有效途径[2]。如何正确的反映瓦斯超限是因为瓦斯突出还是普通意义上的瓦斯超限,在鉴别是压力传感器可以起到很大的作用。当瓦斯突出的瞬间，工作面的气压会有很大变化,利用压力传感器测得压力数据转化为电信号，电信号经过处理后传输到单片机，由单片机控制断电的范围，达到防止爆炸的目的。

　　2. 压力传感器介绍

电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器，它具有温度稳定性好、结构简单、适应性强、动态响应性好、可以实现非接触测量等一系列优点，可以实现微压、微力、微小位移、加速度等的测量，在工业生产，现实生活在应用广泛。本文采用的是变极距型电容式传感器--单只变极距型电容压力传感器。

　　2.1 工作原理

单只变极距型电容压力传感器结构如下图，其结构由一个固定电极和膜片电极构成电容。由于膜片电极很薄，在外压力的作用下向固定电极方向呈球状突起，改变电容的极距，使电容量发生变化。在测气体压力时，气体压力（P）作用于弹性膜（动极板），使弹性膜片产生位移，导致电容量变化。

　　2.2 测量电路

变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系，使电容式传感器的应用受到了一定的限制。采用比例运算放大器电路，可以使输出电压与位移的关系转换为线性关系。如下图所示，反馈回路中的Cx 为极距变化型电容式传感器的输入电路，采用固定电容Ci，Ui 为稳定的工作电压。由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器的运算关系如下，可得到输出电压与电容传感器的间隙成线性关系。

　　3. 瓦斯突出处理方法

在发生瓦斯突出事故后，首先应停止事故区一切非本质安全工作设备工作，然后在井口周围和井下设置瓦斯传感器,监测井口周围及井内瓦斯浓度。恢复主井井口局部通风机和风筒,向井筒内供风,在可控范围内排放井筒内瓦斯。利用转载胶带机巷掘进巷道贯通主井装载硐室,作为事故抢险通道和处理瓦斯通道。探明灾区人员及灾情,缩短瓦斯排放时间。利用地面风井负压系统和巷道局部通风机风压排放主井井筒内瓦斯。井筒内瓦斯降至安全浓度后,由矿山救护队进入主井探险,恢复地面绞车提升系统,抢救遇险人员[3]。

　　4. 应急处理系统设计

4.1 系统组成

系统结构组成如所示。单只变极距型电容压力传感器用于压力测量,由放大器组成的测量电路来完成压力信号到电信号的转化,以便于进行转换控制,由测量电路得到电压通过比较器进行比较，比较器有多个输出又来表示瓦斯突出的程度,其输出量作为单片机P1 口的输入，单片机实时读取P1 口的状态，执行子程序控制继电器的开通于关断控制停电.

4.2 软件设计系统程序有主程序和 3 个子程序构成。MCS-51 单片机执行主程序不断读取P1 口的状态，然后送入CPU 进行判断确定是否有瓦斯突出。瓦斯突出（一般情况、严重情况和特别严重情况）分三种情况，根据传感器测出的压力大小而定，高电平“1”表示有瓦斯突出，单片机控制继电器的开合，进行开通和关断电源的控制。比较器的三个输出分别输入P1.0 口、P1.1 口和P1.2

5.实例分析以安阳龙山矿为例，如图4“龙山矿瓦斯突出事故停电范围示意图” [2]。2006 年5 月1日,23061 掘进工作而发生小型突出，突出煤量32 吨,瓦斯涌出瓦斯量 542 立方米，冲击波速度为155 米每秒，如果安装上高强度反向风门，*可以抵抗此次突出的冲击，所以就没必要停掉整个23 采区的电源，只需要根据瓦斯传感器的反应停掉反向风门以里至工作面的电源即可，如图中浅色巷道所示。当发生大型的突出后，防突设施皆无法抗拒冲击波的冲击，压力传感器发挥作用，产生动作，停掉整个23 采区的电源，传感器的共同应用,比单一使用瓦斯传感器来控制断电要更,可以做到不盲目断电,避免不必要的损失。

6. 结语

本系统中所介绍的单只变极距型电容压力传感器与MCS-51 单片机组成的系统,具有成本低、体积小、可靠性高和使用简单方便等优点，而且可以和微机远距离通信。

　　突出的强度量化从来都是一个不确定的因素,突出冲击波和瓦斯涌出量的关系也是不确定的,也就是说,某地点发生突出,有可能冲击波把风门破坏,但是突出的瓦斯量并不大,未造成大面积逆风;也有可能发生同样突出煤量的突出,风门同样被破坏,但是突出的瓦斯量很大,造成大面积逆风,甚至是一翼或者全矿井,所以压力传感器的断电范围还是不足以满足此类型突出状况,有待进一步的探讨和研究[2]。如果把压力传感器与瓦斯