代兵 鄭珂浩 趙寧 鄭州煤炭工業(yè)（集團(tuán)）有限公司蘆溝煤礦

一、引言

煤礦粉塵長(zhǎng)期困擾煤礦安全生產(chǎn)和工人健康，嚴(yán)重的甚至?xí)鹱匀己捅?，?duì)煤礦粉塵的治理刻不容緩。目前煤礦基本實(shí)現(xiàn)將粉塵濃度傳感器接入煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)粉塵濃度實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并采取人工檢測(cè)方式定期檢測(cè)，目前，國內(nèi)外粉塵傳感器在線監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)，基本上都采用的是激光散射原理，在測(cè)量誤差、測(cè)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(cè)量范圍礦、準(zhǔn)確度偏低、工作電流大的特點(diǎn)。

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(jì)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(jí)改造工作，升級(jí)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(hào)為GC1000J的礦用粉塵濃度傳感器，僅僅通過監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)和自動(dòng)化控制。

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(diǎn)是功耗大，與現(xiàn)有監(jiān)控分站連接情況下，往往需要單獨(dú)接線（1*4*7/*0.52mm標(biāo)準(zhǔn)線纜）供電，線纜老化或供電距離較遠(yuǎn)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?xí)斐杀O(jiān)控分站短時(shí)間無信號(hào)或者誤動(dòng)作等異常情況，給日常安全管理帶來極大不便。

三、研究目標(biāo)及內(nèi)容

（一）研究目標(biāo)

（1）對(duì)新型激光粉塵傳感器設(shè)備進(jìn)行改善，通過斷電控制器輸出無源接點(diǎn)與灑水降塵的電動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，根據(jù)粉塵濃度高低實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(cè)線纜材料費(fèi)用，就地實(shí)現(xiàn)控制輸出，減少故障率和因線纜供電不足造成的信號(hào)中斷情況，非常方便吊掛和便于維護(hù)。

（3）免除粉塵傳感器定期更換過濾濾芯的工作內(nèi)容。

（4）實(shí)現(xiàn)粉塵濃度檢測(cè)方式的升級(jí)。

（二）研究?jī)?nèi)容

1.粉塵檢測(cè)原理

目前，粉塵檢測(cè)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(cè)氣溶膠吸入檢測(cè)艙，待測(cè)氣溶膠在分支處分流成為兩部分，一部分經(jīng)過一個(gè)高效過濾器后被過濾為干凈的空氣，來保護(hù)傳感器室的元器件不受待測(cè)氣體污染。另一部分氣溶膠，作為待測(cè)樣品直接進(jìn)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(cè)器。檢測(cè)時(shí)，首先由激光二極管發(fā)出的激光，通過透鏡組形成一個(gè)薄層面光源。薄層光照射在流經(jīng)傳感器室的待測(cè)氣溶膠時(shí)，會(huì)產(chǎn)生散射，通過光電探測(cè)器來檢測(cè)光的散射光強(qiáng)。光電探測(cè)器受光照之后產(chǎn)生電信號(hào)，正比于氣溶膠的質(zhì)量濃度。然后乘以電壓校準(zhǔn)系數(shù)，這個(gè)系數(shù)通過測(cè)定特定濃度的氣溶膠來得到。

2.研究?jī)?nèi)容

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

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

（3）對(duì)新型激光粉塵傳感器設(shè)備進(jìn)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(shí)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(dòng)球閥實(shí)現(xiàn)與灑水降塵的電動(dòng)裝置的聯(lián)動(dòng)；該設(shè)計(jì)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(jì)從而實(shí)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(dòng)作濃度，當(dāng)粉塵濃度達(dá)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(shí)現(xiàn)快速動(dòng)作反應(yīng)。

四、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

（一）實(shí)施地點(diǎn)及工作面基本情況

根據(jù)蘆溝煤礦2020年9月份日常檢測(cè)粉塵情況分析：蘆溝煤礦主要產(chǎn)塵地點(diǎn)和產(chǎn)塵工序?yàn)?1煤柱綜采面采煤機(jī)作業(yè)和放煤，全塵濃度測(cè)值最高3.7-3.8mg/m3。項(xiàng)目實(shí)施位置確定為21煤柱面綜采工作面回風(fēng)巷，距回風(fēng)口10-15米位置，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和應(yīng)用。

（二）使用期間測(cè)試情況

（1）誤差測(cè)試情況

如表1所示。

表1 21回風(fēng)順槽上段粉塵傳感器與采樣器測(cè)試結(jié)果對(duì)比表

（2）靈敏度測(cè)試情況

現(xiàn)場(chǎng)共進(jìn)行3次靈敏度測(cè)試，粉塵傳感器達(dá)到設(shè)定的報(bào)警濃度值，現(xiàn)場(chǎng)水幕均能靈活開啟，3次測(cè)試延遲 均在1 秒內(nèi)。

從以上測(cè)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(chǎng)線纜使用和維護(hù)，新型粉塵傳感器測(cè)量誤差有效控制在＜10%范圍內(nèi)，當(dāng)檢測(cè)粉塵濃度超過粉塵傳感器設(shè)定值時(shí)，傳感器將信號(hào)送入礦用隔爆兼本安型斷電器，斷電器即控制電動(dòng)球閥開啟噴霧灑水降塵，動(dòng)作靈敏可靠，可以實(shí)現(xiàn)智能化控制，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好。

五、效益分析

（1）社會(huì)效益：粉塵濃度達(dá)到設(shè)定數(shù)值，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和智能化控制自動(dòng)水幕降塵，有效減少采掘面現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度超限持續(xù)時(shí)間，大大降低監(jiān)測(cè)地點(diǎn)24h平均粉塵濃度，降低職業(yè)病發(fā)病率。

（2）經(jīng)濟(jì)效益：節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)線纜敷設(shè)和維護(hù)，大大降低監(jiān)控線纜（1*4*7/*0.52mm標(biāo)準(zhǔn)線纜）使用和維護(hù)。

（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(shí)間無信號(hào)或者誤動(dòng)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(dòng)控制，當(dāng)檢測(cè)粉塵濃度低于粉塵傳感器設(shè)定值時(shí)，傳感器不輸出控制信號(hào)，斷電器不動(dòng)作，電動(dòng)球閥處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)粉塵濃度超過粉塵傳感器設(shè)定值時(shí)，傳感器將信號(hào)送入礦用隔爆兼本安型斷電器，斷電器即控制電動(dòng)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(shí)現(xiàn)低功耗、精度高、易操作和便于維護(hù)，并與現(xiàn)有設(shè)備和水幕系統(tǒng)進(jìn)行連接試驗(yàn)，能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)粉塵濃度值來實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)和控制。

（3）建議加強(qiáng)日常維護(hù)，定期對(duì)粉塵傳感器進(jìn)行煤塵清理，防止煤塵阻塞進(jìn)氣口，監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)和設(shè)備更新時(shí)，對(duì)應(yīng)用過程中產(chǎn)生的漏洞進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。