井下粉尘监测预警系统探究

张贵生

（安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001）

煤炭是我国主要能源之一，近年来，其开采量受国家能源结构调控影响而出现波动。据国家统计局数据显示，2019年煤炭消费总量依旧占据能源消费总量的57.7%，煤炭将长期服务于我国的经济发展［1］。近10年来，随着自动化机械设备、智能化管理系统的迅速推广，煤炭开采深度和集中开采量大幅增加［2-3］，地质条件越复杂、破坏程度越高［4］、煤质疏松与干燥度越大、集中开采量越大，产尘量也就越高，粉尘防控问题就越发突出。

通过调研发现，现有井下粉尘监测与预警系统仅仅是为了监测井下部分区域当前状态下的粉尘质量浓度［5］，且监测方法单一、偏差较大、测尘点少、智能化程度低，无法形成粉尘质量浓度数据库；此外，缺少对井下各测尘点基础产尘原因的有效分析与记录，无法形成基础产尘机理数据库。

近年来，国内外学者对井下粉尘监测方法和预警系统开展了大量研究，有了诸多学术论文和专利，成果颇为丰硕。在井下粉尘监测方面，丁云峰等提出了一种基于光纤光栅和光纤准直器的新型粉尘质量浓度监测技术，并验证了该技术的可靠性和准确度［6］；菅洁等通过井下现场测试与实验分析，探寻出了粉尘质量浓度分布规律和粉尘粒径分布规律［7］。在井下粉尘预警系统方面，郑学召等介绍了煤矿智能监测与预警技术研究现状与发展趋势［8］；郑林江等开发了基于物联网的煤矿粉尘监测云服务平台［9］；周子昂等设计出了一种便携式井下多参数监控系统［10］。

1 研究思路

文章研究目的在于探索粉尘监测新方法、设计井下新型粉尘预警分站，显示综掘工作面、掘进头、转载机处、主副井底、主辅运巷与各工作面交汇口等煤工集中活动区域空气中的粉尘质量浓度和对应基础产尘机理，采用分层次全方位粉尘质量浓度监测新方法，确保井下粉尘数据的实时性和准确性；同时，依托井下原有光纤通信系统，形成基础产尘机理及粉尘质量浓度数据库，并具备数据存储、导出、编辑等功能，为粉尘防控提供实时、可靠的理论依据；建设井下新型粉尘智能预警系统，作为地面监控室和井下各监测点的中枢纽带。

文章以井下粉尘浓度监测方法单一、系统性差和不同矿井中无线基站、通信线路、供电网络、监测设备等井下基建设施的差异性为研究背景，以粉尘防控及职业健康保障为根源，采用现场调研法、文献研究法、定性分析法和实证研究法，研究井下粉尘监测新方法、数据库系统与井下预警分站，构建井下粉尘监测与智能预警系统。拟采用的技术路线如图1所示。

图1 技术路线

2 粉尘质量浓度监测新方法

通过现场调研，以不同矿井中无线基站、通信线路、供电网络、监测设备等井下基建设施的差异性为设计基础，按照数据监测与传输的自动化程度，将粉尘浓度监测方案设计出自动监测与无线传输、自动监测与有线传输、自动监测与人工记录、手动监测与人工记录四层功能结构。

（1）自动监测与无线传输

在井下无线网络覆盖区域内的测尘点合理位置安装以激光散射原理为代表的粉尘传感器，实时、动态、持续地监测测尘点附近空气中的粉尘质量浓度，连接无线收发器后就可以实现数据信号的无线传输，通过无线网络的数个节点能量补充与传输后，最终汇入井下预警分站的接收器内，通过PC主机实现数据存储、显示；此外，PC主机通过程序控制可实现粉尘质量浓度监测值与设定值的动态比较，超出阈值时，PC主机发出报警指令，井下预警分站内报警，同时，信号原路返回至测尘点粉尘传感器，进行现场报警。

以Zigbee无线网络为例，粉尘传感器上安装精简功能设备（RFD）后，可将定位信息通过全功能设备（FFD）与Zigbee协调器传输至预警分站的接收器内，实现粉尘传感器的定位问题，避免信号传输出现错乱，提高数据传输与识别的准确性。Zigbee网络拓扑结构如图2（a）所示。

激光粉尘传感器测尘原理为，当空气中粉尘随风流进入激光粉尘传感器内待测区域后，激光器发射的激光信号受阻而向四周散射，探测组件接收前向散射光信号，该信号强度和角度与粉尘颗粒的粒径大小相关，探测组件将该光信号转化为电信号后传入控制系统，并根据电压信号强弱来判断粉尘颗粒的粒径大小。在待测区的特殊结构内，粉尘颗粒几乎是顺序性单个入内，可以保证每个粉尘颗粒所散射出来的光信号皆被转换、识别、处理。根据激光散射原理，运用Lambert-Beer law反演得到颗粒物浓度C：

其中，θ为前向散射角；I（θ）为前向散射角为θ时的散射光强度；I0为激光粉尘传感器内激光器光强；λ为入射光波长；m为入射光折射率；ρ为粉尘颗粒密度；C为粉尘颗粒质量浓度；N为单位体积内粉尘颗粒个数。

（2）自动监测与有线传输

在井下无线网络覆盖区域之外的测尘点合理位置安装粉尘传感器，可以实时、动态、持续地监测测尘点附近空气中的粉尘质量浓度，同一线路不同测尘点需要用交换机将不同粉尘质量浓度的电信号汇聚起来，再通过光电转换器，将电信号转换为光信号，依托井下原有通信光缆，将光信号传递至井下预警分站，再经过光电转换器的信号转换与交换机的信号分离作用，最终由PC主机识别、存储、显示；此外，PC主机内亦设置有监测值与设定值动态比较程序，超出阈值时，亦具有井下预警分站与测尘点现场双向报警功能。光纤通信网络拓扑结构如图2（b）所示。

图2 拓扑结构

（3）自动监测与人工记录

在综掘面液压支架间、掘进机司机处等空间内，存在粉尘浓度较大、人员停留时间短且无法安装传感器的场合，需在测尘点合理位置安装以直读式测尘仪为代表的便携式粉尘监测设备。直读式测尘仪吸尘速度快并可自动进行监测，但需人工记录和报送监测数据，并在井下预警分站内通过PC主机人机界面录入系统；此外，直读式测尘仪可以辅助滤膜法作为数据对比、检验巡查时的测量仪器。

（4）手动监测与人工记录

在井下无通信线缆且无网络覆盖的区域内测尘，尽量使用以粉尘采样器为代表的滤膜法测尘，即在井下固定测尘点定时定量地吸取空气中的粉尘样本（包括总尘和呼尘两种），带回实验室，经恒温烘干箱烘干后，用电子天平称重，再通过公式（2）计算出总尘浓度或呼尘浓度：

式中，T为总尘浓度或呼尘浓度；f0为采样前滤膜的质量；f1为采样后滤膜的质量；h为采样时间；Q为采样流量。

使用滤膜法测量井下粉尘质量浓度，需手动测尘且操作烦琐，需人工记录且时效性差，但准确度较高，可以作为数据对比、检验巡查时的测量方法；此外，将实验桌台放置在井下预警分站，恒温烘干箱和电子天平皆设置矿用标准，可以缩减粉尘样本的运输距离，有效防止样本中粉尘飘散或抖落，大幅提高计算精度和效率。

分层次全方位粉尘质量浓度监测新方法的结构层次分类如表1所示。

表1 结构层次分类

采用此四层结构测得的粉尘浓度数据，最终汇聚在井下预警分站的PC主机内，形成粉尘质量浓度数据库，可随时查看、编辑、下载。

3 测尘点基础产尘机理分析

以综掘工作面、掘进头、转载机处、主副井底、主辅运巷与各工作面交汇口等煤工集中活动和车辆运输区域为例，从产尘尘源、传播路径、影响人群三个环节分析基础产尘机理。

（1）综掘工作面、掘进头的产尘尘源主要包括掘进机破煤、出煤、钻眼、液压支架移架、煤岩冒落与片帮、清煤、地面扬尘等，根据煤岩地质构造、理化性质及煤质特点等因素的不同，可分析出该综掘工作面、掘进头内每种产尘尘源的基础产尘原因；传播路径主要是通风风流、运输机携带；影响人群以掘进队煤工、掘进机司机为主，粉尘随风流逸散后，影响井下全部工作人员及运输车辆。

（2）转载机处的产尘尘源主要包括转载落煤扬尘、运输风流卷煤、机械振动扬尘等，根据转载机、运输机等机械设备的振动特性及煤质特点可以分析出每种产尘尘源的基础产尘原因；传播路径主要是通风风流、运输机携带；影响人群以转载机看护人员为主，粉尘随风流逸散后，主要影响主辅运巷内工作人员及运输车辆。

（3）主副井底、主辅运巷与各工作面交汇口的主要产尘尘源为地面扬尘，通过在某矿井下主运巷到某工作面胶运顺槽连接口位置的现场实验可知，该位置三个测尘点求取的平均粉尘质量浓度为3.30mg·m-3，当防爆皮卡、双排人车、防爆人车、防爆指挥车、双头胶轮车等不同车辆通过时，粉尘质量浓度瞬间增大至6.6~9.2mg·m-3，然后逐渐回落，由此可见，地面扬尘为风流携带粉尘浓度的两到三倍，且车身重量越大，地面扬尘就越大，车速越慢，回落时间就越长；传播路径主要是通风风流携带；影响人群为现场人员。

对每个测尘点内各产尘方式的基础产尘原因分析、归纳、总结后，将其录入PC主机内，与对应测尘点的粉尘质量浓度一起形成数据库系统，可随时编辑、调用、查看。

4 系统结构设计

4.1 数据库系统功能模块设计

本数据库系统采用SQL Server 2008 R2数据库系统，具有较强的数据管理能力，井下预警分站PC主机界面采用Dreamweaver CS3开发工具，界面包括基础信息和监测数据两个区域。数据库主系统流程如图3所示。

图3 数据库主系统流程

基础信息界面负责显示开关、时间、日期、矿井基本信息、用户登录信息、报警指示灯、历史报警信息等矿井基础信息及辅助资料。

监测数据界面包括数据查询、编辑、导出、绘图、当前数据、各测尘点等按钮和栏目。其中，数据查询、编辑、导出、绘图、各测尘点按钮皆设置为超链接形式，点击数据查询按钮，可从数据库中调出所有测尘点的粉尘质量浓度信息和对应基础产尘原因；点击编辑按钮，可对所有测尘点数据及对应基础产尘原因进行在线编辑，并可对各测尘点的名称进行编辑，例如综掘工作面、掘进头、转载机处、主井底、副井底、主运巷、辅运巷等，亦可用数字表示，如15208（1为主巷道南侧编号，煤质为5-2煤，第8个工作面）；点击导出按钮，可将所有测尘点数据以表格形式从数据库中下载导出；点击绘图按钮，可将每个测尘点的粉尘质量浓度数据以动态折线图形式显示，亦可分项下载导出；点击当前数据按钮，各测尘点处设置的显示屏幕就会显示当前粉尘浓度数据；点击各测尘点按钮，可显示出对应测尘点的基础产尘原因和动态粉尘浓度数据，亦可下载导出。

4.2 井下粉尘智能预警系统设计

为避免通信线路改造，文章依托井下原有基站，通过室内实验与现场应用方式，创建粉尘智能预警系统。该系统以DSP28335芯片为主控制器，外接报警系统、供电模块等电路结构，负责数据整合、指令调配、驱动报警、数据传输等功能，是下属子系统的调度核心、地面监控系统的传输纽带。

智能预警系统下设数据库和PC主机两个子系统，为方便数字通信及电压匹配，提高数字处理及通信效率，两个子系统控制器皆采用DSP28335芯片。其中，数据库子系统控制器负责发送现场报警信息，接收各传感器的监测信号和人工录入数据，识别、存储后形成独立数据库，供系统主控制器随时调配使用；PC主机子系统控制器负责界面显示、人机操作等功能，是系统主控制器的附属部件。智能预警系统主电路结构如图4所示。

图4 智能预警系统主电路结构

（1）主系统：上承地面监控室数据传输，下接两个子系统数据传递、信息汇总。

DSP28335主控制器与两分控制芯片之间双向通信，数据库子系统所形成的基础产尘机理与粉尘质量浓度数据库每隔一小时自动打包，发送给DSP28335主控制器，最终输送至地面监控室；当某测尘点监测数据超出设定值时，DSP28335主控制器自动发出报警指令，触发井下预警分站内报警器自动声光报警，与此同时，将报警指令传递至数据库子系统的DSP28335控制芯片，依次传递至该测尘点附近的现场报警器，自动声光报警，从而实现双向报警功能；供电模块采用交直流变换的反激式开关电源，井下原有供电系统经供电模块转换后变为DC3.3V，分别为DSP28335主控制器与两分控制芯片供电。

（2）数据库子系统：包括有线传输和无线传输两种数据传输路径。

有线传输路径以井下有线通信网络为基础，将粉尘传感器监测数据以光信号形式传送至井下预警分站，再通过光电转换器和交换机将光信号解码并转换成电信号，由于此时的电信号平滑度较低，信号质量差，需用低通滤波器将其平滑形成连续的模拟信号，再经过DSP28335控制芯片内置A/D转换模块，将电信号无失真地转换为数字信号，从而使监测数据无差错地传递至DSP28335控制芯片，进行信号识别、处理后填充数据库内存。

无线传输路径以井下无线通信网络为基础，将粉尘传感器监测数据以电磁波形式无线传输至井下预警分站，再通过无线收发器将其转换为电信号，此时的电信号质量差、平滑度低，需用低通滤波器将其平滑形成连续的模拟信号，再经过DSP28335控制芯片内置A/D转换模块，将电信号无失真地转换为数字信号，从而使监测数据无差错地传递至DSP28335控制芯片，进行信号识别、处理后填充数据库内存。

（3）PC主机子系统。

粉尘采样器、直读式测尘仪、基础产尘机理等依靠人工传输的监测数据需通过PC主机子系统的人机界面录入DSP28335控制芯片内，实时通过主系统DSP28335主控制器传递到数据库子系统DSP28335控制芯片内，与粉尘传感器采样数据一起形成基础产尘机理与粉尘质量浓度数据库；显示屏主要为PC主机界面，其内各项功能皆是在DSP28335控制芯片的指令控制下完成。

5 总结

文章通过实地调研，进行了井下粉尘监测预警系统探究，根据井下实际情况确定了研究思路，设计出分层次全方位粉尘质量浓度监测新方法，并总结基础产尘机理。在此基础上，研发了智能预警系统，相比于传统预警系统，该系统构建了基础产尘机理与粉尘质量浓度数据库，结构更加完善，更能为后续的粉尘防控提供实时现场数据和基础理论。