井下粉塵監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)探究

張貴生

（安徽理工大學(xué)深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)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(jié)構(gòu)調(diào)控影響而出現(xiàn)波動。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2019年煤炭消費總量依舊占據(jù)能源消費總量的57.7%，煤炭將長期服務(wù)于我國的經(jīng)濟發(fā)展［1］。近10年來，隨著自動化機械設(shè)備、智能化管理系統(tǒng)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(zhì)條件越復(fù)雜、破壞程度越高［4］、煤質(zhì)疏松與干燥度越大、集中開采量越大，產(chǎn)塵量也就越高，粉塵防控問題就越發(fā)突出。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有井下粉塵監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)僅僅是為了監(jiān)測井下部分區(qū)域當前狀態(tài)下的粉塵質(zhì)量濃度［5］，且監(jiān)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(zhì)量濃度數(shù)據(jù)庫；此外，缺少對井下各測塵點基礎(chǔ)產(chǎn)塵原因的有效分析與記錄，無法形成基礎(chǔ)產(chǎn)塵機理數(shù)據(jù)庫。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對井下粉塵監(jiān)測方法和預(yù)警系統(tǒng)開展了大量研究，有了諸多學(xué)術(shù)論文和專利，成果頗為豐碩。在井下粉塵監(jiān)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(zhì)量濃度監(jiān)測技術(shù)，并驗證了該技術(shù)的可靠性和準確度［6］；菅潔等通過井下現(xiàn)場測試與實驗分析，探尋出了粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律和粉塵粒徑分布規(guī)律［7］。在井下粉塵預(yù)警系統(tǒng)方面，鄭學(xué)召等介紹了煤礦智能監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［8］；鄭林江等開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦粉塵監(jiān)測云服務(wù)平臺［9］；周子昂等設(shè)計出了一種便攜式井下多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)［10］。

1 研究思路

文章研究目的在于探索粉塵監(jiān)測新方法、設(shè)計井下新型粉塵預(yù)警分站，顯示綜掘工作面、掘進頭、轉(zhuǎn)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(qū)域空氣中的粉塵質(zhì)量濃度和對應(yīng)基礎(chǔ)產(chǎn)塵機理，采用分層次全方位粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測新方法，確保井下粉塵數(shù)據(jù)的實時性和準確性；同時，依托井下原有光纖通信系統(tǒng)，形成基礎(chǔ)產(chǎn)塵機理及粉塵質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)庫，并具備數(shù)據(jù)存儲、導(dǎo)出、編輯等功能，為粉塵防控提供實時、可靠的理論依據(jù)；建設(shè)井下新型粉塵智能預(yù)警系統(tǒng)，作為地面監(jiān)控室和井下各監(jiān)測點的中樞紐帶。

文章以井下粉塵濃度監(jiān)測方法單一、系統(tǒng)性差和不同礦井中無線基站、通信線路、供電網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測設(shè)備等井下基建設(shè)施的差異性為研究背景，以粉塵防控及職業(yè)健康保障為根源，采用現(xiàn)場調(diào)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(jiān)測新方法、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與井下預(yù)警分站，構(gòu)建井下粉塵監(jiān)測與智能預(yù)警系統(tǒng)。擬采用的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

2 粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測新方法

通過現(xiàn)場調(diào)研，以不同礦井中無線基站、通信線路、供電網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測設(shè)備等井下基建設(shè)施的差異性為設(shè)計基礎(chǔ)，按照數(shù)據(jù)監(jiān)測與傳輸?shù)淖詣踊潭龋瑢⒎蹓m濃度監(jiān)測方案設(shè)計出自動監(jiān)測與無線傳輸、自動監(jiān)測與有線傳輸、自動監(jiān)測與人工記錄、手動監(jiān)測與人工記錄四層功能結(jié)構(gòu)。

（1）自動監(jiān)測與無線傳輸

在井下無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)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(tài)、持續(xù)地監(jiān)測測塵點附近空氣中的粉塵質(zhì)量濃度，連接無線收發(fā)器后就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的無線傳輸，通過無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)個節(jié)點能量補充與傳輸后，最終匯入井下預(yù)警分站的接收器內(nèi)，通過PC主機實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、顯示；此外，PC主機通過程序控制可實現(xiàn)粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測值與設(shè)定值的動態(tài)比較，超出閾值時，PC主機發(fā)出報警指令，井下預(yù)警分站內(nèi)報警，同時，信號原路返回至測塵點粉塵傳感器，進行現(xiàn)場報警。

以Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)為例，粉塵傳感器上安裝精簡功能設(shè)備（RFD）后，可將定位信息通過全功能設(shè)備（FFD）與Zigbee協(xié)調(diào)器傳輸至預(yù)警分站的接收器內(nèi)，實現(xiàn)粉塵傳感器的定位問題，避免信號傳輸出現(xiàn)錯亂，提高數(shù)據(jù)傳輸與識別的準確性。Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)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(nèi)待測區(qū)域后，激光器發(fā)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(guān)，探測組件將該光信號轉(zhuǎn)化為電信號后傳入控制系統(tǒng)，并根據(jù)電壓信號強弱來判斷粉塵顆粒的粒徑大小。在待測區(qū)的特殊結(jié)構(gòu)內(nèi)，粉塵顆粒幾乎是順序性單個入內(nèi)，可以保證每個粉塵顆粒所散射出來的光信號皆被轉(zhuǎn)換、識別、處理。根據(jù)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(nèi)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(zhì)量濃度；N為單位體積內(nèi)粉塵顆粒個數(shù)。

（2）自動監(jiān)測與有線傳輸

在井下無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域之外的測塵點合理位置安裝粉塵傳感器，可以實時、動態(tài)、持續(xù)地監(jiān)測測塵點附近空氣中的粉塵質(zhì)量濃度，同一線路不同測塵點需要用交換機將不同粉塵質(zhì)量濃度的電信號匯聚起來，再通過光電轉(zhuǎn)換器，將電信號轉(zhuǎn)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(yù)警分站，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器的信號轉(zhuǎn)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(nèi)亦設(shè)置有監(jiān)測值與設(shè)定值動態(tài)比較程序，超出閾值時，亦具有井下預(yù)警分站與測塵點現(xiàn)場雙向報警功能。光纖通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。

圖2 拓撲結(jié)構(gòu)

（3）自動監(jiān)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(nèi)，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(jiān)測設(shè)備。直讀式測塵儀吸塵速度快并可自動進行監(jiān)測，但需人工記錄和報送監(jiān)測數(shù)據(jù)，并在井下預(yù)警分站內(nèi)通過PC主機人機界面錄入系統(tǒng)；此外，直讀式測塵儀可以輔助濾膜法作為數(shù)據(jù)對比、檢驗巡查時的測量儀器。

（4）手動監(jiān)測與人工記錄

在井下無通信線纜且無網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域內(nèi)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(jīng)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(zhì)量；f1為采樣后濾膜的質(zhì)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(zhì)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(shù)據(jù)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(yù)警分站，恒溫烘干箱和電子天平皆設(shè)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(zhì)量濃度監(jiān)測新方法的結(jié)構(gòu)層次分類如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)層次分類

采用此四層結(jié)構(gòu)測得的粉塵濃度數(shù)據(jù)，最終匯聚在井下預(yù)警分站的PC主機內(nèi)，形成粉塵質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)庫，可隨時查看、編輯、下載。

3 測塵點基礎(chǔ)產(chǎn)塵機理分析

以綜掘工作面、掘進頭、轉(zhuǎn)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(qū)域為例，從產(chǎn)塵塵源、傳播路徑、影響人群三個環(huán)節(jié)分析基礎(chǔ)產(chǎn)塵機理。

（1）綜掘工作面、掘進頭的產(chǎn)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(jù)煤巖地質(zhì)構(gòu)造、理化性質(zhì)及煤質(zhì)特點等因素的不同，可分析出該綜掘工作面、掘進頭內(nèi)每種產(chǎn)塵塵源的基礎(chǔ)產(chǎn)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(zhuǎn)載機處的產(chǎn)塵塵源主要包括轉(zhuǎn)載落煤揚塵、運輸風流卷煤、機械振動揚塵等，根據(jù)轉(zhuǎn)載機、運輸機等機械設(shè)備的振動特性及煤質(zhì)特點可以分析出每種產(chǎn)塵塵源的基礎(chǔ)產(chǎn)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(zhuǎn)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(nèi)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(chǎn)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(xiàn)場實驗可知，該位置三個測塵點求取的平均粉塵質(zhì)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(zhì)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(xiàn)場人員。

對每個測塵點內(nèi)各產(chǎn)塵方式的基礎(chǔ)產(chǎn)塵原因分析、歸納、總結(jié)后，將其錄入PC主機內(nèi)，與對應(yīng)測塵點的粉塵質(zhì)量濃度一起形成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可隨時編輯、調(diào)用、查看。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

本數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用SQL Server 2008 R2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，具有較強的數(shù)據(jù)管理能力，井下預(yù)警分站PC主機界面采用Dreamweaver CS3開發(fā)工具，界面包括基礎(chǔ)信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)兩個區(qū)域。數(shù)據(jù)庫主系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫主系統(tǒng)流程

基礎(chǔ)信息界面負責顯示開關(guān)、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(chǔ)信息及輔助資料。

監(jiān)測數(shù)據(jù)界面包括數(shù)據(jù)查詢、編輯、導(dǎo)出、繪圖、當前數(shù)據(jù)、各測塵點等按鈕和欄目。其中，數(shù)據(jù)查詢、編輯、導(dǎo)出、繪圖、各測塵點按鈕皆設(shè)置為超鏈接形式，點擊數(shù)據(jù)查詢按鈕，可從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出所有測塵點的粉塵質(zhì)量濃度信息和對應(yīng)基礎(chǔ)產(chǎn)塵原因；點擊編輯按鈕，可對所有測塵點數(shù)據(jù)及對應(yīng)基礎(chǔ)產(chǎn)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(zhuǎn)載機處、主井底、副井底、主運巷、輔運巷等，亦可用數(shù)字表示，如15208（1為主巷道南側(cè)編號，煤質(zhì)為5-2煤，第8個工作面）；點擊導(dǎo)出按鈕，可將所有測塵點數(shù)據(jù)以表格形式從數(shù)據(jù)庫中下載導(dǎo)出；點擊繪圖按鈕，可將每個測塵點的粉塵質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)以動態(tài)折線圖形式顯示，亦可分項下載導(dǎo)出；點擊當前數(shù)據(jù)按鈕，各測塵點處設(shè)置的顯示屏幕就會顯示當前粉塵濃度數(shù)據(jù)；點擊各測塵點按鈕，可顯示出對應(yīng)測塵點的基礎(chǔ)產(chǎn)塵原因和動態(tài)粉塵濃度數(shù)據(jù)，亦可下載導(dǎo)出。

4.2 井下粉塵智能預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

為避免通信線路改造，文章依托井下原有基站，通過室內(nèi)實驗與現(xiàn)場應(yīng)用方式，創(chuàng)建粉塵智能預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以DSP28335芯片為主控制器，外接報警系統(tǒng)、供電模塊等電路結(jié)構(gòu)，負責數(shù)據(jù)整合、指令調(diào)配、驅(qū)動報警、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽窍聦僮酉到y(tǒng)的調(diào)度核心、地面監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸紐帶。

智能預(yù)警系統(tǒng)下設(shè)數(shù)據(jù)庫和PC主機兩個子系統(tǒng)，為方便數(shù)字通信及電壓匹配，提高數(shù)字處理及通信效率，兩個子系統(tǒng)控制器皆采用DSP28335芯片。其中，數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)控制器負責發(fā)送現(xiàn)場報警信息，接收各傳感器的監(jiān)測信號和人工錄入數(shù)據(jù)，識別、存儲后形成獨立數(shù)據(jù)庫，供系統(tǒng)主控制器隨時調(diào)配使用；PC主機子系統(tǒng)控制器負責界面顯示、人機操作等功能，是系統(tǒng)主控制器的附屬部件。智能預(yù)警系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 智能預(yù)警系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)

（1）主系統(tǒng)：上承地面監(jiān)控室數(shù)據(jù)傳輸，下接兩個子系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)所形成的基礎(chǔ)產(chǎn)塵機理與粉塵質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)庫每隔一小時自動打包，發(fā)送給DSP28335主控制器，最終輸送至地面監(jiān)控室；當某測塵點監(jiān)測數(shù)據(jù)超出設(shè)定值時，DSP28335主控制器自動發(fā)出報警指令，觸發(fā)井下預(yù)警分站內(nèi)報警器自動聲光報警，與此同時，將報警指令傳遞至數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)的DSP28335控制芯片，依次傳遞至該測塵點附近的現(xiàn)場報警器，自動聲光報警，從而實現(xiàn)雙向報警功能；供電模塊采用交直流變換的反激式開關(guān)電源，井下原有供電系統(tǒng)經(jīng)供電模塊轉(zhuǎn)換后變?yōu)镈C3.3V，分別為DSP28335主控制器與兩分控制芯片供電。

（2）數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)：包括有線傳輸和無線傳輸兩種數(shù)據(jù)傳輸路徑。

有線傳輸路徑以井下有線通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，將粉塵傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)以光信號形式傳送至井下預(yù)警分站，再通過光電轉(zhuǎn)換器和交換機將光信號解碼并轉(zhuǎn)換成電信號，由于此時的電信號平滑度較低，信號質(zhì)量差，需用低通濾波器將其平滑形成連續(xù)的模擬信號，再經(jīng)過DSP28335控制芯片內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換模塊，將電信號無失真地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而使監(jiān)測數(shù)據(jù)無差錯地傳遞至DSP28335控制芯片，進行信號識別、處理后填充數(shù)據(jù)庫內(nèi)存。

無線傳輸路徑以井下無線通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，將粉塵傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)以電磁波形式無線傳輸至井下預(yù)警分站，再通過無線收發(fā)器將其轉(zhuǎn)換為電信號，此時的電信號質(zhì)量差、平滑度低，需用低通濾波器將其平滑形成連續(xù)的模擬信號，再經(jīng)過DSP28335控制芯片內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換模塊，將電信號無失真地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而使監(jiān)測數(shù)據(jù)無差錯地傳遞至DSP28335控制芯片，進行信號識別、處理后填充數(shù)據(jù)庫內(nèi)存。

（3）PC主機子系統(tǒng)。

粉塵采樣器、直讀式測塵儀、基礎(chǔ)產(chǎn)塵機理等依靠人工傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)需通過PC主機子系統(tǒng)的人機界面錄入DSP28335控制芯片內(nèi)，實時通過主系統(tǒng)DSP28335主控制器傳遞到數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)DSP28335控制芯片內(nèi)，與粉塵傳感器采樣數(shù)據(jù)一起形成基礎(chǔ)產(chǎn)塵機理與粉塵質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)庫；顯示屏主要為PC主機界面，其內(nèi)各項功能皆是在DSP28335控制芯片的指令控制下完成。

5 總結(jié)

文章通過實地調(diào)研，進行了井下粉塵監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)探究，根據(jù)井下實際情況確定了研究思路，設(shè)計出分層次全方位粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測新方法，并總結(jié)基礎(chǔ)產(chǎn)塵機理。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)了智能預(yù)警系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)構(gòu)建了基礎(chǔ)產(chǎn)塵機理與粉塵質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)庫，結(jié)構(gòu)更加完善，更能為后續(xù)的粉塵防控提供實時現(xiàn)場數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)理論。