井下粉塵監測預警系統探究

張貴生

（安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001）

煤炭是我國主要能源之一，近年來，其開采量受國家能源結構調控影響而出現波動。據國家統計局數據顯示，2019年煤炭消費總量依舊占據能源消費總量的57.7%，煤炭將長期服務于我國的經濟發展［1］。近10年來，隨著自動化機械設備、智能化管理系統的迅速推廣，煤炭開采深度和集中開采量大幅增加［2-3］，地質條件越復雜、破壞程度越高［4］、煤質疏松與干燥度越大、集中開采量越大，產塵量也就越高，粉塵防控問題就越發突出。

通過調研發現，現有井下粉塵監測與預警系統僅僅是為了監測井下部分區域當前狀態下的粉塵質量濃度［5］，且監測方法單一、偏差較大、測塵點少、智能化程度低，無法形成粉塵質量濃度數據庫；此外，缺少對井下各測塵點基礎產塵原因的有效分析與記錄，無法形成基礎產塵機理數據庫。

近年來，國內外學者對井下粉塵監測方法和預警系統開展了大量研究，有了諸多學術論文和專利，成果頗為豐碩。在井下粉塵監測方面，丁云峰等提出了一種基于光纖光柵和光纖準直器的新型粉塵質量濃度監測技術，并驗證了該技術的可靠性和準確度［6］；菅潔等通過井下現場測試與實驗分析，探尋出了粉塵質量濃度分布規律和粉塵粒徑分布規律［7］。在井下粉塵預警系統方面，鄭學召等介紹了煤礦智能監測與預警技術研究現狀與發展趨勢［8］；鄭林江等開發了基于物聯網的煤礦粉塵監測云服務平臺［9］；周子昂等設計出了一種便攜式井下多參數監控系統［10］。

1 研究思路

文章研究目的在于探索粉塵監測新方法、設計井下新型粉塵預警分站，顯示綜掘工作面、掘進頭、轉載機處、主副井底、主輔運巷與各工作面交匯口等煤工集中活動區域空氣中的粉塵質量濃度和對應基礎產塵機理，采用分層次全方位粉塵質量濃度監測新方法，確保井下粉塵數據的實時性和準確性；同時，依托井下原有光纖通信系統，形成基礎產塵機理及粉塵質量濃度數據庫，并具備數據存儲、導出、編輯等功能，為粉塵防控提供實時、可靠的理論依據；建設井下新型粉塵智能預警系統，作為地面監控室和井下各監測點的中樞紐帶。

文章以井下粉塵濃度監測方法單一、系統性差和不同礦井中無線基站、通信線路、供電網絡、監測設備等井下基建設施的差異性為研究背景，以粉塵防控及職業健康保障為根源，采用現場調研法、文獻研究法、定性分析法和實證研究法，研究井下粉塵監測新方法、數據庫系統與井下預警分站，構建井下粉塵監測與智能預警系統。擬采用的技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線

2 粉塵質量濃度監測新方法

通過現場調研，以不同礦井中無線基站、通信線路、供電網絡、監測設備等井下基建設施的差異性為設計基礎，按照數據監測與傳輸的自動化程度，將粉塵濃度監測方案設計出自動監測與無線傳輸、自動監測與有線傳輸、自動監測與人工記錄、手動監測與人工記錄四層功能結構。

（1）自動監測與無線傳輸

在井下無線網絡覆蓋區域內的測塵點合理位置安裝以激光散射原理為代表的粉塵傳感器，實時、動態、持續地監測測塵點附近空氣中的粉塵質量濃度，連接無線收發器后就可以實現數據信號的無線傳輸，通過無線網絡的數個節點能量補充與傳輸后，最終匯入井下預警分站的接收器內，通過PC主機實現數據存儲、顯示；此外，PC主機通過程序控制可實現粉塵質量濃度監測值與設定值的動態比較，超出閾值時，PC主機發出報警指令，井下預警分站內報警，同時，信號原路返回至測塵點粉塵傳感器，進行現場報警。

以Zigbee無線網絡為例，粉塵傳感器上安裝精簡功能設備（RFD）后，可將定位信息通過全功能設備（FFD）與Zigbee協調器傳輸至預警分站的接收器內，實現粉塵傳感器的定位問題，避免信號傳輸出現錯亂，提高數據傳輸與識別的準確性。Zigbee網絡拓撲結構如圖2（a）所示。

激光粉塵傳感器測塵原理為，當空氣中粉塵隨風流進入激光粉塵傳感器內待測區域后，激光器發射的激光信號受阻而向四周散射，探測組件接收前向散射光信號，該信號強度和角度與粉塵顆粒的粒徑大小相關，探測組件將該光信號轉化為電信號后傳入控制系統，并根據電壓信號強弱來判斷粉塵顆粒的粒徑大小。在待測區的特殊結構內，粉塵顆粒幾乎是順序性單個入內，可以保證每個粉塵顆粒所散射出來的光信號皆被轉換、識別、處理。根據激光散射原理，運用Lambert-Beer law反演得到顆粒物濃度C：

其中，θ為前向散射角；I（θ）為前向散射角為θ時的散射光強度；I0為激光粉塵傳感器內激光器光強；λ為入射光波長；m為入射光折射率；ρ為粉塵顆粒密度；C為粉塵顆粒質量濃度；N為單位體積內粉塵顆粒個數。

（2）自動監測與有線傳輸

在井下無線網絡覆蓋區域之外的測塵點合理位置安裝粉塵傳感器，可以實時、動態、持續地監測測塵點附近空氣中的粉塵質量濃度，同一線路不同測塵點需要用交換機將不同粉塵質量濃度的電信號匯聚起來，再通過光電轉換器，將電信號轉換為光信號，依托井下原有通信光纜，將光信號傳遞至井下預警分站，再經過光電轉換器的信號轉換與交換機的信號分離作用，最終由PC主機識別、存儲、顯示；此外，PC主機內亦設置有監測值與設定值動態比較程序，超出閾值時，亦具有井下預警分站與測塵點現場雙向報警功能。光纖通信網絡拓撲結構如圖2（b）所示。

圖2 拓撲結構

（3）自動監測與人工記錄

在綜掘面液壓支架間、掘進機司機處等空間內，存在粉塵濃度較大、人員停留時間短且無法安裝傳感器的場合，需在測塵點合理位置安裝以直讀式測塵儀為代表的便攜式粉塵監測設備。直讀式測塵儀吸塵速度快并可自動進行監測，但需人工記錄和報送監測數據，并在井下預警分站內通過PC主機人機界面錄入系統；此外，直讀式測塵儀可以輔助濾膜法作為數據對比、檢驗巡查時的測量儀器。

（4）手動監測與人工記錄

在井下無通信線纜且無網絡覆蓋的區域內測塵，盡量使用以粉塵采樣器為代表的濾膜法測塵，即在井下固定測塵點定時定量地吸取空氣中的粉塵樣本（包括總塵和呼塵兩種），帶回實驗室，經恒溫烘干箱烘干后，用電子天平稱重，再通過公式（2）計算出總塵濃度或呼塵濃度：

式中，T為總塵濃度或呼塵濃度；f0為采樣前濾膜的質量；f1為采樣后濾膜的質量；h為采樣時間；Q為采樣流量。

使用濾膜法測量井下粉塵質量濃度，需手動測塵且操作煩瑣，需人工記錄且時效性差，但準確度較高，可以作為數據對比、檢驗巡查時的測量方法；此外，將實驗桌臺放置在井下預警分站，恒溫烘干箱和電子天平皆設置礦用標準，可以縮減粉塵樣本的運輸距離，有效防止樣本中粉塵飄散或抖落，大幅提高計算精度和效率。

分層次全方位粉塵質量濃度監測新方法的結構層次分類如表1所示。

表1 結構層次分類

采用此四層結構測得的粉塵濃度數據，最終匯聚在井下預警分站的PC主機內，形成粉塵質量濃度數據庫，可隨時查看、編輯、下載。

3 測塵點基礎產塵機理分析

以綜掘工作面、掘進頭、轉載機處、主副井底、主輔運巷與各工作面交匯口等煤工集中活動和車輛運輸區域為例，從產塵塵源、傳播路徑、影響人群三個環節分析基礎產塵機理。

（1）綜掘工作面、掘進頭的產塵塵源主要包括掘進機破煤、出煤、鉆眼、液壓支架移架、煤巖冒落與片幫、清煤、地面揚塵等，根據煤巖地質構造、理化性質及煤質特點等因素的不同，可分析出該綜掘工作面、掘進頭內每種產塵塵源的基礎產塵原因；傳播路徑主要是通風風流、運輸機攜帶；影響人群以掘進隊煤工、掘進機司機為主，粉塵隨風流逸散后，影響井下全部工作人員及運輸車輛。

（2）轉載機處的產塵塵源主要包括轉載落煤揚塵、運輸風流卷煤、機械振動揚塵等，根據轉載機、運輸機等機械設備的振動特性及煤質特點可以分析出每種產塵塵源的基礎產塵原因；傳播路徑主要是通風風流、運輸機攜帶；影響人群以轉載機看護人員為主，粉塵隨風流逸散后，主要影響主輔運巷內工作人員及運輸車輛。

（3）主副井底、主輔運巷與各工作面交匯口的主要產塵塵源為地面揚塵，通過在某礦井下主運巷到某工作面膠運順槽連接口位置的現場實驗可知，該位置三個測塵點求取的平均粉塵質量濃度為3.30mg·m-3，當防爆皮卡、雙排人車、防爆人車、防爆指揮車、雙頭膠輪車等不同車輛通過時，粉塵質量濃度瞬間增大至6.6~9.2mg·m-3，然后逐漸回落，由此可見，地面揚塵為風流攜帶粉塵濃度的兩到三倍，且車身重量越大，地面揚塵就越大，車速越慢，回落時間就越長；傳播路徑主要是通風風流攜帶；影響人群為現場人員。

對每個測塵點內各產塵方式的基礎產塵原因分析、歸納、總結后，將其錄入PC主機內，與對應測塵點的粉塵質量濃度一起形成數據庫系統，可隨時編輯、調用、查看。

4 系統結構設計

4.1 數據庫系統功能模塊設計

本數據庫系統采用SQL Server 2008 R2數據庫系統，具有較強的數據管理能力，井下預警分站PC主機界面采用Dreamweaver CS3開發工具，界面包括基礎信息和監測數據兩個區域。數據庫主系統流程如圖3所示。

圖3 數據庫主系統流程

基礎信息界面負責顯示開關、時間、日期、礦井基本信息、用戶登錄信息、報警指示燈、歷史報警信息等礦井基礎信息及輔助資料。

監測數據界面包括數據查詢、編輯、導出、繪圖、當前數據、各測塵點等按鈕和欄目。其中，數據查詢、編輯、導出、繪圖、各測塵點按鈕皆設置為超鏈接形式，點擊數據查詢按鈕，可從數據庫中調出所有測塵點的粉塵質量濃度信息和對應基礎產塵原因；點擊編輯按鈕，可對所有測塵點數據及對應基礎產塵原因進行在線編輯，并可對各測塵點的名稱進行編輯，例如綜掘工作面、掘進頭、轉載機處、主井底、副井底、主運巷、輔運巷等，亦可用數字表示，如15208（1為主巷道南側編號，煤質為5-2煤，第8個工作面）；點擊導出按鈕，可將所有測塵點數據以表格形式從數據庫中下載導出；點擊繪圖按鈕，可將每個測塵點的粉塵質量濃度數據以動態折線圖形式顯示，亦可分項下載導出；點擊當前數據按鈕，各測塵點處設置的顯示屏幕就會顯示當前粉塵濃度數據；點擊各測塵點按鈕，可顯示出對應測塵點的基礎產塵原因和動態粉塵濃度數據，亦可下載導出。

4.2 井下粉塵智能預警系統設計

為避免通信線路改造，文章依托井下原有基站，通過室內實驗與現場應用方式，創建粉塵智能預警系統。該系統以DSP28335芯片為主控制器，外接報警系統、供電模塊等電路結構，負責數據整合、指令調配、驅動報警、數據傳輸等功能，是下屬子系統的調度核心、地面監控系統的傳輸紐帶。

智能預警系統下設數據庫和PC主機兩個子系統，為方便數字通信及電壓匹配，提高數字處理及通信效率，兩個子系統控制器皆采用DSP28335芯片。其中，數據庫子系統控制器負責發送現場報警信息，接收各傳感器的監測信號和人工錄入數據，識別、存儲后形成獨立數據庫，供系統主控制器隨時調配使用；PC主機子系統控制器負責界面顯示、人機操作等功能，是系統主控制器的附屬部件。智能預警系統主電路結構如圖4所示。

圖4 智能預警系統主電路結構

（1）主系統：上承地面監控室數據傳輸，下接兩個子系統數據傳遞、信息匯總。

DSP28335主控制器與兩分控制芯片之間雙向通信，數據庫子系統所形成的基礎產塵機理與粉塵質量濃度數據庫每隔一小時自動打包，發送給DSP28335主控制器，最終輸送至地面監控室；當某測塵點監測數據超出設定值時，DSP28335主控制器自動發出報警指令，觸發井下預警分站內報警器自動聲光報警，與此同時，將報警指令傳遞至數據庫子系統的DSP28335控制芯片，依次傳遞至該測塵點附近的現場報警器，自動聲光報警，從而實現雙向報警功能；供電模塊采用交直流變換的反激式開關電源，井下原有供電系統經供電模塊轉換后變為DC3.3V，分別為DSP28335主控制器與兩分控制芯片供電。

（2）數據庫子系統：包括有線傳輸和無線傳輸兩種數據傳輸路徑。

有線傳輸路徑以井下有線通信網絡為基礎，將粉塵傳感器監測數據以光信號形式傳送至井下預警分站，再通過光電轉換器和交換機將光信號解碼并轉換成電信號，由于此時的電信號平滑度較低，信號質量差，需用低通濾波器將其平滑形成連續的模擬信號，再經過DSP28335控制芯片內置A/D轉換模塊，將電信號無失真地轉換為數字信號，從而使監測數據無差錯地傳遞至DSP28335控制芯片，進行信號識別、處理后填充數據庫內存。

無線傳輸路徑以井下無線通信網絡為基礎，將粉塵傳感器監測數據以電磁波形式無線傳輸至井下預警分站，再通過無線收發器將其轉換為電信號，此時的電信號質量差、平滑度低，需用低通濾波器將其平滑形成連續的模擬信號，再經過DSP28335控制芯片內置A/D轉換模塊，將電信號無失真地轉換為數字信號，從而使監測數據無差錯地傳遞至DSP28335控制芯片，進行信號識別、處理后填充數據庫內存。

（3）PC主機子系統。

粉塵采樣器、直讀式測塵儀、基礎產塵機理等依靠人工傳輸的監測數據需通過PC主機子系統的人機界面錄入DSP28335控制芯片內，實時通過主系統DSP28335主控制器傳遞到數據庫子系統DSP28335控制芯片內，與粉塵傳感器采樣數據一起形成基礎產塵機理與粉塵質量濃度數據庫；顯示屏主要為PC主機界面，其內各項功能皆是在DSP28335控制芯片的指令控制下完成。

5 總結

文章通過實地調研，進行了井下粉塵監測預警系統探究，根據井下實際情況確定了研究思路，設計出分層次全方位粉塵質量濃度監測新方法，并總結基礎產塵機理。在此基礎上，研發了智能預警系統，相比于傳統預警系統，該系統構建了基礎產塵機理與粉塵質量濃度數據庫，結構更加完善，更能為后續的粉塵防控提供實時現場數據和基礎理論。