實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤礦井下生產(chǎn)中的應(yīng)用

張廷偉

摘 ?要：本文主要探討了在粉塵濃度監(jiān)測(cè)、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及水害監(jiān)測(cè)等三個(gè)方面的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù);粉塵濃度;電機(jī)運(yùn)行;水害

當(dāng)前，我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)已有了顯著提高，生產(chǎn)環(huán)境得到了相應(yīng)的改善和優(yōu)化，煤炭開采事故率和死亡率都迅速下降。但是，在煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中依然面臨著較為嚴(yán)峻的形勢(shì)，煤礦井下存在的安全隱患并沒有得到徹底有效的治理，而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，則為排查解決這些隱患提供了科學(xué)的技術(shù)支持。通過(guò)采取煤礦井下實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以對(duì)煤礦生產(chǎn)過(guò)程中存在的典型危險(xiǎn)因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，隨時(shí)關(guān)注相關(guān)變化，顯著提高煤礦井下安全生產(chǎn)水平。在下文中分析探討的內(nèi)容主要有粉塵濃度、電機(jī)運(yùn)行狀況以及水害等幾個(gè)方面。

一、粉塵濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤礦井下生產(chǎn)中的應(yīng)用

煤礦井下粉塵不僅直接影響到生產(chǎn)工人的身體健康，導(dǎo)致工人患上煤肺病，而且當(dāng)?shù)V井中的粉塵濃度與氧氣濃度達(dá)到一定的界限時(shí)，容易出現(xiàn)明火時(shí)，引發(fā)煤礦粉塵爆炸，給礦井生產(chǎn)安全帶來(lái)極大的威脅。因此，對(duì)煤礦井下粉塵濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尤為必要。

在對(duì)煤礦井下粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，主要采用礦用測(cè)塵儀對(duì)礦井中的粉塵濃度進(jìn)行在線檢測(cè)。其中，光電式測(cè)塵儀因?yàn)槠渚容^高、可靠性好而被廣泛的應(yīng)用。其檢測(cè)是基于粉塵對(duì)光線的投射損耗與散射原理而實(shí)現(xiàn)的，能夠?qū)Σ蛔儩舛冗M(jìn)行精確的測(cè)量。但是，在煤礦井下的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，因?yàn)樽鳂I(yè)環(huán)境內(nèi)粉塵濃度在不同的生產(chǎn)工藝、工序以及作業(yè)地點(diǎn)的變化有很大的差異，使用傳統(tǒng)的采樣器在現(xiàn)場(chǎng)采樣然后再到地面分析的方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，因此，構(gòu)建一套基于光電式測(cè)塵儀的煤礦粉塵濃度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尤為必要（如圖1）。

圖1 ?粉塵傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該粉塵濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用一臺(tái)主機(jī)與多臺(tái)分機(jī)相連，對(duì)井下多個(gè)位置同時(shí)測(cè)量，傳感器獲得的電信號(hào)通過(guò)RS485總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)及時(shí)獲得粉塵濃度信號(hào)的目的。需要注意的是，在構(gòu)建檢測(cè)系統(tǒng)的過(guò)程中，應(yīng)該注意到光電式粉塵傳感器中，LED點(diǎn)光源在給檢測(cè)系統(tǒng)提供光源的過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生熱量，使得周圍的溫度隨之上升，從而使得光源強(qiáng)度會(huì)隨之衰減，尤其是在長(zhǎng)期使用該系統(tǒng)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)，所導(dǎo)致的檢測(cè)誤差將會(huì)更加明顯。因此，在設(shè)計(jì)粉塵實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及相關(guān)算法的過(guò)程中，應(yīng)該對(duì)此進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，從而為檢測(cè)系統(tǒng)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信號(hào)。

二、電機(jī)運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤礦井下生產(chǎn)中的應(yīng)用

電機(jī)是煤礦機(jī)電設(shè)備的重要?jiǎng)恿?lái)源，因此，保證電機(jī)正常工作，是確保煤礦生產(chǎn)用設(shè)備處于長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)、提高煤礦生產(chǎn)效率、保證煤礦生產(chǎn)安的必要條件。

（一）煤礦電機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理。在待測(cè)電機(jī)的各個(gè)位置設(shè)置高精度的傳感器，對(duì)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩、溫度、速度、電壓以及電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè);之后使用傳感器將檢測(cè)信號(hào)輸出，然后通過(guò)信號(hào)采集和放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并將處理后的信號(hào)傳遞給DSP控制系統(tǒng)。通過(guò)DSP對(duì)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線計(jì)算和分析，將電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)顯示出來(lái)，并將主要參數(shù)傳遞給上位機(jī)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的監(jiān)測(cè)和反饋控制。

（二）煤礦電機(jī)運(yùn)行溫度和電流監(jiān)測(cè)。（1）溫度監(jiān)測(cè)。溫度是衡量礦用電機(jī)正常工作與否的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)電機(jī)本體、逆變單元等部分的工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是確保電機(jī)安全、可靠工作的重要途徑。以AD590型溫度傳感器為例，該傳感器屬于電流式集成溫度傳感器，在把它用于電機(jī)溫度測(cè)量的過(guò)程中，相當(dāng)于形成一個(gè)恒流源，能夠輸出大小為1μA/K、并與絕對(duì)溫度成正比的電流信號(hào)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和線性度。將傳感器設(shè)置在礦用電機(jī)的待測(cè)量部位，隨著電機(jī)工作溫度的升高，傳感器的溫度也隨之上升，輸出的電流將隨之增大，系統(tǒng)將獲得的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)，并通過(guò)后續(xù)的信號(hào)放大、經(jīng)

A/D轉(zhuǎn)換處理之后，將信號(hào)發(fā)送至DSP，從而獲得電機(jī)的實(shí)時(shí)工作溫度。（2） 電流監(jiān)測(cè)。在傳統(tǒng)的電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般使用串聯(lián)的分壓電阻作為傳感器對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，這種檢測(cè)方式具有監(jiān)測(cè)方法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是容易受到檢測(cè)環(huán)境溫度的影響，較難保證電阻值的恒定不變，導(dǎo)致所采集到的電流值精度不高，而且通常情況下，控制系統(tǒng)的反饋電路沒有與主電路相互隔離，一旦功率電路中的高壓電流通過(guò)反饋電路進(jìn)入到控制電路后，將直接破壞整個(gè)控制系統(tǒng)的安全程度。因此，現(xiàn)在大多使用高精度霍爾電流傳感器作為電流檢測(cè)裝置，對(duì)礦用電機(jī)的三相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且該傳感器只需要使用

12V的電源供電，系統(tǒng)架設(shè)較為方便。

三、水害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤礦井下生產(chǎn)中的應(yīng)用

在生產(chǎn)中，隨著煤礦開采深度的增加，水害的威脅也更大，對(duì)水害的潛在威脅實(shí)施在線監(jiān)測(cè)也是現(xiàn)代化礦井的必備條件。

（一）煤礦井下水害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原理。在煤礦井下設(shè)置足夠的分布式水文觀測(cè)孔，對(duì)觀測(cè)孔中的水壓、水位進(jìn)行測(cè)量，逐步形成“一線多點(diǎn)”的測(cè)量體系，從而實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的實(shí)時(shí)水害監(jiān)測(cè)。當(dāng)前，許多礦井所采用的水害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的都是高速數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)能夠保證系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。利用所測(cè)得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以及時(shí)的反映不同地質(zhì)層水位的實(shí)時(shí)水壓、水位等動(dòng)態(tài)信息，并結(jié)合歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及組織管理經(jīng)驗(yàn)，采取對(duì)應(yīng)的治理措施，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下水害的防范和治理。

（二）煤礦井下水害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成。建立礦井水壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的地面監(jiān)測(cè)中心站，利用檢測(cè)系統(tǒng)軟件（系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)通信以及數(shù)據(jù)處理等應(yīng)用軟件）處理來(lái)自系統(tǒng)子站傳遞的相關(guān)數(shù)據(jù)，將檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在對(duì)應(yīng)的設(shè)備中。煤礦井下子站（水壓、水位測(cè)量孔）主要由水壓/水位數(shù)據(jù)收集裝置、壓力/液位信號(hào)傳送器、數(shù)據(jù)通信模塊和安全保護(hù)罩等構(gòu)成，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總共包含1-258個(gè)子站，通知對(duì)這些子站的實(shí)時(shí)檢測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)礦井的水害情況的監(jiān)測(cè)。在信號(hào)通信的過(guò)程中，該系統(tǒng)使用了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制技術(shù)，使得所有的檢測(cè)子站都能夠有內(nèi)置的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)水文觀測(cè)孔中的水壓、水位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換以及存儲(chǔ)之后，利用地面的監(jiān)測(cè)中心站完成對(duì)水害情況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的任務(wù)。

通過(guò)前面的分析可以看出，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，提高了礦井的安全生產(chǎn)系數(shù)和經(jīng)濟(jì)效益，減少了災(zāi)害性事故的發(fā)生率，在井下安全管理中獲得了廣泛的應(yīng)用。本文中，筆者只選擇了幾個(gè)比較具有代表性的應(yīng)用實(shí)例，如粉塵、電機(jī)、水害等進(jìn)行了粗略的分析，而在實(shí)際的煤礦井下生產(chǎn)中，監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用絕不是僅僅局限于這三個(gè)方面，適合其發(fā)揮作用的工作場(chǎng)所還非常多，具有一定的普遍性，值得同仁繼續(xù)做進(jìn)一步的研究。

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