無線傳感器網絡在煤礦井下環境監測中的應用

潘 瑞

(山西寧武大運華盛老窯溝煤業有限公司，山西 忻州 036700)

引 言

煤礦井下的生產安全主要取決于礦井的環境條件，通風、溫度、濕度、粉塵和瓦斯氣體是影響煤礦井下環境狀況的主要因素。煤礦開采作業與各種有毒易燃氣體的產生有著內在的聯系，如，硫化氫(H2S)、二氧化碳(CO2)、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)等[1-2]。煤礦地下開采的其他主要危害是煤炭自燃引起的礦井火災，以及瓦斯爆炸、煤塵爆炸等隱患。

近年來，由于近地表的煤層資源迅速枯竭，為了開采埋深較深的煤層，地下開采活動正在向地球深層移動。由于通風不良產生大量的濕熱氣體，有毒有害氣體以及與煤伴生的大量瓦斯氣體與煤塵，埋深較深的礦井環境條件惡劣。因此，煤礦為滿足日益增長的煤炭生產需求而采用的高水平機械化設備的使用條件進一步惡化。由此便產生了持續監測復雜危險的煤礦環境確保礦工工作環境安全健康的需求。為緩解這一問題，發達國家采用了在線監測系統，對煤礦井下的環境狀況進行實時跟蹤。因此，無線傳感器網絡在煤礦井下工作環境連續監測成為一項重要技術，該技術可以通過在礦井下適當位置部署傳感器節點來收集環境數據，并監測礦井中可能發生的火災、爆炸、冒頂等危害并提供警報[3]。

基于以上觀點，本文對近年來無線傳感器網絡在煤礦監測中的應用進行了系統性總結，并總結現有研究的局限性，為未來無線傳感器網絡在煤礦井下環境監測提出建議，為該系統的進一步研究提供參考。

1 無線傳感器網絡在礦井環境監測中的應用

埋深較大的煤層采用地下開采方法開采。世界范圍內普遍采用兩種基本的地下采煤方法，即長壁采煤法和板柱采煤法[4-6]。在長壁開采中，采煤機在長壁工作面采煤。液壓支架用于支護長壁工作面頂板，工作面后面留下的大空洞稱為采空區。在板柱開采中，煤層的切割形成了長條形通道，留下一系列的煤柱來支撐礦井頂板。部署無線傳感器網絡進行礦井監測的長壁、板、柱開采的典型布局如第142頁圖1所示。

圖1 典型煤礦井下監控系統

1.1 瓦斯氣體監測

煤礦井下瓦斯氣體監測與正常大氣相比，含有更多的雜質。礦井下需要足夠的氧氣濃度支持井下人員生存。煤礦井下環境中發現的雜質可分為以下幾種:

a) 無毒爆炸性氣體:甲烷、乙炔、氫氣和高等碳氫化合物。

b) 有毒氣體:二氧化碳、氡及其子產物。

c) 劇毒氣體:二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、硫化氫，有時還有砷和磷化氫。

d) 其他雜質:煤塵、水蒸氣。

許多研究人員使用無線傳感器網絡技術監測煤礦井下瓦斯。Bai等設計了一種基于無線傳感器網絡的煤礦工作面瓦斯監測系統。也就是ZigBee系統，該系統中傳感器節點部署在采煤工作面，用于瓦斯監測，Zhu等在此基礎上開發了一種更加節能的方案，采用地理自適應逼真度路由算法將傳感器節點部署在礦井巷道中，并將巷道劃分為多個大小相等的分區。Wang等提出了利用貝葉斯網絡系統的無監督學習實現煤礦井下瓦斯時空異常事件檢測。利用維數分析的貝葉斯網絡，從布置在煤礦井下的傳感器節點中分析瓦斯濃度數據的圓柱形基線，減少了誤報。

Osunmakinde等開發了基于環境智能決策概念的交互式自主實時跟蹤系統，用于監測煤礦井下有毒氣體和礦工安全的無線傳感器網絡。Zhou等提出了基于ZigBee協議的帶式無線傳感器網絡擁塞規避機制，用于監測煤礦瓦斯濃度。分別采用自適應速率控制策略和基于優先級的后退算法兩種機制來避免傳輸擁塞的情況。

1.2 溫度、濕度監測

這兩個參數對煤礦井下環境條件有顯著影響，進而影響煤礦人員的安全、舒適和工作效率。溫度表示工作人員在空氣中的感熱程度。不同熱源地下礦山環境惡化是煤炭自燃和其他碳質物質，氧化礦物，回填材料和木材，熱量從地下巖層，光和電氣設備配件、礦山機械、鉆孔切割、爆破和焊接操作，巖層的運動，表面溫度的空氣進入礦井，人體新陳代謝等。

濕度是指空氣中的水分含量，它分為兩種類型，即相對濕度和絕對濕度。相對濕度被廣泛用于測量礦井空氣中的水分含量，表示空氣含水率相對于空氣的承濕能力。趙等設計了一種利用光纖裝置監測煤礦井下采空區溫度的在線監測系統。

1.3 空氣壓力監測

井下氣壓的變化對空氣和礦井瓦斯的密度有顯著影響。井下氣壓的下降往往導致瓦斯體積(特別是甲烷)的膨脹，而氣壓的增加則對采空區或采空區的瓦斯產生相反的影響。此外，氣壓的下降導致甲烷等有毒氣體從封閉的采空區或未封閉的采空區后面釋放到活躍的礦井中，從而產生火災和爆炸危險。因此，對井下氣壓進行持續監測是保證井下環境條件適宜和安全的必要條件。Wu和Gillies討論了一種實時計算機氣流監測系統，用于監測井下通風網絡中氣流和壓力的變化。該系統是通過傳感器與通風網絡仿真軟件的連接實現的。

1.4 粉塵監測

煤礦開采作業與粉塵的產生有內在的聯系。產生大量煤塵的采礦活動有鉆孔、切割、爆破、破碎、裝載和運輸。由此產生的粉塵不僅污染了礦井大氣，而且給礦工帶來了嚴重的健康問題，導致塵肺、矽肺、支氣管炎、哮喘、肺纖維化和肺結核等疾病的產生。近年來，礦山機械化水平不斷提高，加劇了煤礦的粉塵問題。因此，對煤礦井下環境中空氣呼吸性粉塵濃度進行持續監測，是保持粉塵濃度在允許范圍內的必要條件。

Mahdavvipour等提出了一種由光學和微制造傳感器組成的無線傳感器網絡，稱為煤塵自動控制傳感器，用于連續監測煤礦井下累積粉塵的總不可燃含量。該傳感器布置在整個礦井，利用質量、介質測量和連續光學方法來估計浮塵的可燃物含量以及礦井中存在的水分。

1.5 礦井火災監控

礦井火災是煤礦井下的主要災害之一。它們不僅危及礦工的生命，給煤礦生產造成相當大的經濟損失，而且釋放有毒氣體，對地下環境造成不利影響。煤礦井下發生礦井火災的原因有很多，如明火、煤的自燃、電鉆削摩擦、焊接、爆破、爆炸等。其中，煤等含碳物質自氧化引起的自燃是煤礦井下火災的主要原因。因此，需要對煤炭自燃進行持續監測，以防止煤礦井下火災危險的發生。

對煤礦自燃檢測的研究通常是布置紅外傳感器和熱電偶/熱敏電阻來采集數據，并對其進行分析判斷。根據監測數據，不同公司采用不同的指標對煤的自燃進行檢測。以下是一些研究機構提出的用于煤礦井下煤自燃檢測的重要火災指標或比率:

1) 格雷厄姆比:無論是在早期還是發展階段，格雷厄姆比在煤礦井下自發加熱火災狀態檢測中應用最廣泛。它是由自燃過程中產生的一氧化碳(CO)與消耗的氧氣(ΔO2)的比值得出，一般用百分數表示，見式(1)。

格雷厄姆比=(100×CO2)/ΔO2

(1)

其中：ΔO2=0.265N2-O2

2) 楊氏比率:它是由產生的二氧化碳與消耗的氧氣的比率得出，計算公式見式(2)。

楊氏比率=(100×CO2)/ΔO2

(2)

一氧化碳燃燒引起的CO2∕ΔO2的增加和CO/ΔO2的減少表明了火焰從陰燃到明火的過程。

3) 威爾特率：氮氣與CO和CO2混合氣體的比率。該指標用于煤礦井下封閉火區，不適用于通風區。比率隨溫度的升高而增加，計算公式見式(3)。

威爾特率=(100×CO)/(黑色氣體+可燃氣體)

(3)

其中，黑色氣體是大氣中氮氣和二氧化碳等氣體的混合物。

4) 莫里斯比率:是N2與CO和CO2混合氣體的比率。該指標用于煤礦井下封閉火區，不適用于通風區。比率隨溫度的升高而增加，計算公式見式(4)。

莫里斯比率=N2/(CO+CO2)

(4)

5) CO/CO2比率:也稱為氧化物的碳比率，為CO和CO2最終濃度和初始濃度之差的比值。使用這個比率的優點是，不受空氣、氮氣或甲烷流入的影響。該比值與格雷厄姆比值是判斷煤礦火災狀態更為敏感的指標。而格雷厄姆比決定了火在早期時的狀態。此外，CO傳感器比CO2傳感器更容易獲得，因此，該比率被廣泛用于評估煤礦井下火災狀態，計算見式(5)。

CO/CO2=(最終CO-初始CO)/
(最終CO2-初始CO2)

(5)

6) 瓊斯和特里克特比率：通常用來表示與火災或爆炸有關的燃料類型，它是用來確定礦井爆炸中涉及的是甲烷還是煤塵，計算見式(6)。

瓊斯和特里克特比率=(CO2+0.75CO-
0.25H2)/O2

(6)

7) C/H比率:這個比率用來預測火災強度和缺氧狀態。以煤作為CxHyOz型燃料來計算這個比例，計算式見(7)。

C/H比率=6(CO2+CO+CH4+2C2H4)/2
(ΔO2-CO2+C2H4+CH4)+H2-CO

(7)

8) 解吸碳氫化合物比率：研究表明，通過在火災區域的地表鉆大量的鉆孔，對收集到的氣體樣本進行分析得出這個比例。對氣體樣品分析可知，甲烷是在環境溫度下產生的烴的主要來源，計算見式(8)。

R1=[1.01THC-CH4]/[THC+C]×1000

(8)

式中，THC為總烴濃度，×10-6；CH4為甲烷濃度，×10-6；C為常數，0.01×10-6。

1.6 礦井爆炸監控

礦井爆炸是煤礦井下的一種嚴重危害。它是一種無法預見的燃燒過程，將原始的氣體和固體燃料轉化為氣體產品。它伴隨著大量的熱能和壓力波的釋放。煤礦井下爆炸主要是由瓦斯爆炸或煤塵爆炸或瓦斯-煤塵混合爆炸引起的。

1) 瓦斯爆炸：從煤層自然排放的易燃氣體的混合物，主要含有甲烷(80%～96%)和其他微量污染物。礦井大氣中甲烷體積分數在5%～15%范圍內累積，會導致煤礦井下瓦斯爆炸的危險。然而，大多數猛烈的爆炸發生在10%左右的甲烷，這略高于9.5%的甲烷-空氣混合物。煤礦地下大氣中除甲烷外，還發現了H2、CO、H2S等重要爆炸性氣體。圖2所示的科沃德圖是描繪CH4、H2和CO在空氣中的爆炸性的列線圖。從圖2中可以看出，CH4、H2和CO的爆炸極限分別在5%～15%、4%～75%和12.5%～74%范圍內變化。圖2煤礦井下封閉火區的安全封堵和重新開啟提供了指導，分析爆炸危險。

圖2 氫氣、一氧化碳和甲烷的爆炸三角形

2) 煤塵爆炸：煤礦大氣中懸浮的高濃度細煤塵顆粒，被足夠強度的點火源點燃，引起煤塵爆炸。在大多數情況下，煤塵爆炸是由沼氣爆炸引起的。煤塵的揮發分比、粒徑和濃度是影響煤塵可爆性的重要參數，進而影響爆炸的嚴重程度。

1.7 塌方監控

塌方是煤礦井下最突出的巖土災害之一。塌落、崩落和突然性落石是造成頂板塌落危險的主要原因。風險分析技術被用于評估與頂板倒塌相關的風險。塌頂所涉及的風險計算如下:

塌方風險=塔防概率×礦工工作時間

塌方概率是指煤礦井下在一定時間內發生落頂的可能性。將煤礦井下工作人員的暴露量作為預測頂板塌落風險的參數。利用無線傳感器網絡預測了煤礦井下的落頂事故。Li等提出了一種用于煤礦井下塌方早期檢測的無線傳感器網絡系統。該系統是通過將傳感器節點適當部署在巷道壁面和頂板上，形成傳感器節點的網狀網絡來實現的。在無線傳感器網絡中，采用協同信標通信機制，形成無線組播優勢，有助于減少信標擁塞流量。無線網狀網絡和信標管理系統能夠準確定位煤礦井下塌方的位置，并根據塌方的結構變化進行自動配置。胡等提出了一種基于傳感器節點連通性的煤礦井下塌陷孔檢測系統。采用基于對數正態投影模型對塌陷井探測系統的精度進行了分析。研究表明，基于連通度的鉆孔探測方法相比其他方法更適合于探測地下礦山垮塌。

2 結語

盡管無線傳感器網絡技術已被用于煤礦井下不同環境參數的監測，但在溫度、濕度、風壓、粉塵濃度、火災、爆炸、頂板塌落等重要參數的監測中尚未得到廣泛應用。因此，為了提高監測系統的效率和效能，最大限度地降低與煤礦井下相關的風險，對于上述有效利用無線傳感器網絡技術的領域應給予更多的重視。