煤礦低功耗激光粉塵傳感器與自動灑水降塵裝置聯(lián)動的研究和應(yīng)用

代兵 鄭珂浩 趙寧 鄭州煤炭工業(yè)（集團）有限公司蘆溝煤礦

一、引言

煤礦粉塵長期困擾煤礦安全生產(chǎn)和工人健康，嚴重的甚至會引起自燃和爆炸，對煤礦粉塵的治理刻不容緩。目前煤礦基本實現(xiàn)將粉塵濃度傳感器接入煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，對粉塵濃度實現(xiàn)在線實時監(jiān)測，并采取人工檢測方式定期檢測，目前，國內(nèi)外粉塵傳感器在線監(jiān)測設(shè)備和技術(shù)，基本上都采用的是激光散射原理，在測量誤差、測量范圍和電流消耗上都有較大差別，國內(nèi)粉塵傳感器普遍存在測量范圍礦、準確度偏低、工作電流大的特點。

二、研究的必要性

蘆溝煤礦位于河南省新密市岳村鎮(zhèn)，設(shè)計生產(chǎn)能力60萬噸/年，2018年12底按照國家局文件要求，完成了監(jiān)控系統(tǒng)升級改造工作，升級后使用的是鎮(zhèn)江中煤電子有限公司生產(chǎn)的KJ101X（B）型安全監(jiān)控系統(tǒng)，搭配型號為GC1000J的礦用粉塵濃度傳感器，僅僅通過監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)測粉塵濃度大和數(shù)據(jù)上傳小的作用，未與井下水幕降塵裝置實現(xiàn)聯(lián)動和自動化控制。

在實際現(xiàn)場實踐過程中發(fā)現(xiàn)，該類型粉塵傳感器體積較大，吊掛困難，使用過程中故障率高，最主要缺點是功耗大，與現(xiàn)有監(jiān)控分站連接情況下，往往需要單獨接線（1*4*7/*0.52mm標準線纜）供電，線纜老化或供電距離較遠情況下壓降下降更多。由于粉塵傳感器一般與采掘面各類監(jiān)控設(shè)備處于同一監(jiān)控分站，甚至會造成監(jiān)控分站短時間無信號或者誤動作等異常情況，給日常安全管理帶來極大不便。

三、研究目標及內(nèi)容

（一）研究目標

（1）對新型激光粉塵傳感器設(shè)備進行改善，通過斷電控制器輸出無源接點與灑水降塵的電動裝置實現(xiàn)聯(lián)動，根據(jù)粉塵濃度高低實現(xiàn)自動灑水裝置的噴灑和關(guān)閉。

（2）大大降低傳感器功耗，節(jié)約監(jiān)測線纜材料費用，就地實現(xiàn)控制輸出，減少故障率和因線纜供電不足造成的信號中斷情況，非常方便吊掛和便于維護。

（3）免除粉塵傳感器定期更換過濾濾芯的工作內(nèi)容。

（4）實現(xiàn)粉塵濃度檢測方式的升級。

（二）研究內(nèi)容

1.粉塵檢測原理

目前，粉塵檢測儀的工作原理主要是光吸收、光散射、β射線和交流靜電感應(yīng)原理。光散射原理主要通過采氣泵將待測氣溶膠吸入檢測艙，待測氣溶膠在分支處分流成為兩部分，一部分經(jīng)過一個高效過濾器后被過濾為干凈的空氣，來保護傳感器室的元器件不受待測氣體污染。另一部分氣溶膠，作為待測樣品直接進入傳感器室。傳感器室中，主要元器件為激光二極管、透鏡組和光電檢測器。檢測時，首先由激光二極管發(fā)出的激光，通過透鏡組形成一個薄層面光源。薄層光照射在流經(jīng)傳感器室的待測氣溶膠時，會產(chǎn)生散射，通過光電探測器來檢測光的散射光強。光電探測器受光照之后產(chǎn)生電信號，正比于氣溶膠的質(zhì)量濃度。然后乘以電壓校準系數(shù)，這個系數(shù)通過測定特定濃度的氣溶膠來得到。

2.研究內(nèi)容

（1）新型激光粉塵濃度傳感器由光感應(yīng)探頭，信號處理電路，主控制器，電源調(diào)理電路，信號輸出電路，聲光報警，數(shù)碼顯示等電路組成；傳感器可檢測空氣中1微米以上的粉塵顆粒。該檢測技術(shù)吸收國內(nèi)外先進的測塵技術(shù)，選用該光散射原理的測塵探頭，由微處理器對檢測數(shù)據(jù)進行運算直接顯示粉塵濃度質(zhì)量濃度并輸出RS485信號及斷電信號，供礦井監(jiān)測系統(tǒng)或者其他測控系統(tǒng)使用。

（2）該檢測頭采用開放式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠有效放置粉塵污染，不用加裝粉塵過濾裝置即可實現(xiàn)可靠檢測；并且將傳感器整體重量進行降低，易于井下安裝和維護。

（3）對新型激光粉塵傳感器設(shè)備進行改善，大大降低傳感器功耗。老式粉塵功耗接近200mA（DC18V），采用新型激光原理粉塵濃度功耗可以控制在小于70mA（DC18V）。

（4）增加粉塵傳感器斷電控制輸出端口，通過傳感器航空插頭第五引腳實現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換，結(jié)合礦用隔爆兼本安型斷電器和礦用隔爆型電動球閥實現(xiàn)與灑水降塵的電動裝置的聯(lián)動；該設(shè)計的考慮因素為礦用本安設(shè)備不能與隔爆設(shè)備直接連接，利用礦用斷電器的隔爆兼本安型的殼體和電路設(shè)計從而實現(xiàn)不同設(shè)備之間的有效、快速連接；通過傳感器設(shè)置粉塵濃度的斷電值大小，可以設(shè)置允許的動作濃度，當粉塵濃度達到設(shè)置的斷電值，傳感器可以在1秒內(nèi)完成控制指令的發(fā)出，從而實現(xiàn)快速動作反應(yīng)。

四、現(xiàn)場應(yīng)用情況

（一）實施地點及工作面基本情況

根據(jù)蘆溝煤礦2020年9月份日常檢測粉塵情況分析：蘆溝煤礦主要產(chǎn)塵地點和產(chǎn)塵工序為21煤柱綜采面采煤機作業(yè)和放煤，全塵濃度測值最高3.7-3.8mg/m3。項目實施位置確定為21煤柱面綜采工作面回風巷，距回風口10-15米位置，進行現(xiàn)場調(diào)試和應(yīng)用。

（二）使用期間測試情況

（1）誤差測試情況

如表1所示。

表1 21回風順槽上段粉塵傳感器與采樣器測試結(jié)果對比表

（2）靈敏度測試情況

現(xiàn)場共進行3次靈敏度測試，粉塵傳感器達到設(shè)定的報警濃度值，現(xiàn)場水幕均能靈活開啟，3次測試延遲 均在1 秒內(nèi)。

從以上測試結(jié)果看出，新型粉塵傳感器功耗大大降低，由原來老式200mA（DC18V）控制到小于70mA（DC18V），節(jié)約現(xiàn)場線纜使用和維護，新型粉塵傳感器測量誤差有效控制在＜10%范圍內(nèi)，當檢測粉塵濃度超過粉塵傳感器設(shè)定值時，傳感器將信號送入礦用隔爆兼本安型斷電器，斷電器即控制電動球閥開啟噴霧灑水降塵，動作靈敏可靠，可以實現(xiàn)智能化控制，現(xiàn)場應(yīng)用效果較好。

五、效益分析

（1）社會效益：粉塵濃度達到設(shè)定數(shù)值，實現(xiàn)在線監(jiān)測和智能化控制自動水幕降塵，有效減少采掘面現(xiàn)場粉塵濃度超限持續(xù)時間，大大降低監(jiān)測地點24h平均粉塵濃度，降低職業(yè)病發(fā)病率。

（2）經(jīng)濟效益：節(jié)約現(xiàn)場線纜敷設(shè)和維護，大大降低監(jiān)控線纜（1*4*7/*0.52mm標準線纜）使用和維護。

（3）由于粉塵傳感器一般與采掘面各類監(jiān)控設(shè)備處于同一監(jiān)控分站，大大減少因粉塵傳感器供電線路問題造成分站短時間無信號或者誤動作等異常情況。

六、結(jié)論與建議

（1）該裝置由微電腦程序化自動控制，當檢測粉塵濃度低于粉塵傳感器設(shè)定值時，傳感器不輸出控制信號，斷電器不動作，電動球閥處于關(guān)閉狀態(tài)；當檢測粉塵濃度超過粉塵傳感器設(shè)定值時，傳感器將信號送入礦用隔爆兼本安型斷電器，斷電器即控制電動球閥開啟噴霧灑水降塵。

（2）新型粉塵傳感器功耗大大降低，由原來老式200mA（DC18V）控制到小于70mA（DC18V），能夠真正實現(xiàn)低功耗、精度高、易操作和便于維護，并與現(xiàn)有設(shè)備和水幕系統(tǒng)進行連接試驗，能夠根據(jù)監(jiān)測粉塵濃度值來實現(xiàn)聯(lián)動和控制。

（3）建議加強日常維護，定期對粉塵傳感器進行煤塵清理，防止煤塵阻塞進氣口，監(jiān)控系統(tǒng)升級和設(shè)備更新時，對應(yīng)用過程中產(chǎn)生的漏洞進行實時監(jiān)控。