无线传感器网络在煤矿井下环境监测中的应用

潘 瑞

(山西宁武大运华盛老窑沟煤业有限公司，山西 忻州 036700)

引 言

煤矿井下的生产安全主要取决于矿井的环境条件，通风、温度、湿度、粉尘和瓦斯气体是影响煤矿井下环境状况的主要因素。煤矿开采作业与各种有毒易燃气体的产生有着内在的联系，如，硫化氢(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]。煤矿地下开采的其他主要危害是煤炭自燃引起的矿井火灾，以及瓦斯爆炸、煤尘爆炸等隐患。

近年来，由于近地表的煤层资源迅速枯竭，为了开采埋深较深的煤层，地下开采活动正在向地球深层移动。由于通风不良产生大量的湿热气体，有毒有害气体以及与煤伴生的大量瓦斯气体与煤尘，埋深较深的矿井环境条件恶劣。因此，煤矿为满足日益增长的煤炭生产需求而采用的高水平机械化设备的使用条件进一步恶化。由此便产生了持续监测复杂危险的煤矿环境确保矿工工作环境安全健康的需求。为缓解这一问题，发达国家采用了在线监测系统，对煤矿井下的环境状况进行实时跟踪。因此，无线传感器网络在煤矿井下工作环境连续监测成为一项重要技术，该技术可以通过在矿井下适当位置部署传感器节点来收集环境数据，并监测矿井中可能发生的火灾、爆炸、冒顶等危害并提供警报[3]。

基于以上观点，本文对近年来无线传感器网络在煤矿监测中的应用进行了系统性总结，并总结现有研究的局限性，为未来无线传感器网络在煤矿井下环境监测提出建议，为该系统的进一步研究提供参考。

1 无线传感器网络在矿井环境监测中的应用

埋深较大的煤层采用地下开采方法开采。世界范围内普遍采用两种基本的地下采煤方法，即长壁采煤法和板柱采煤法[4-6]。在长壁开采中，采煤机在长壁工作面采煤。液压支架用于支护长壁工作面顶板，工作面后面留下的大空洞称为采空区。在板柱开采中，煤层的切割形成了长条形通道，留下一系列的煤柱来支撑矿井顶板。部署无线传感器网络进行矿井监测的长壁、板、柱开采的典型布局如第142页图1所示。

图1 典型煤矿井下监控系统

1.1 瓦斯气体监测

煤矿井下瓦斯气体监测与正常大气相比，含有更多的杂质。矿井下需要足够的氧气浓度支持井下人员生存。煤矿井下环境中发现的杂质可分为以下几种:

a) 无毒爆炸性气体:甲烷、乙炔、氢气和高等碳氢化合物。

b) 有毒气体:二氧化碳、氡及其子产物。

c) 剧毒气体:二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、硫化氢，有时还有砷和磷化氢。

d) 其他杂质:煤尘、水蒸气。

许多研究人员使用无线传感器网络技术监测煤矿井下瓦斯。Bai等设计了一种基于无线传感器网络的煤矿工作面瓦斯监测系统。也就是ZigBee系统，该系统中传感器节点部署在采煤工作面，用于瓦斯监测，Zhu等在此基础上开发了一种更加节能的方案，采用地理自适应逼真度路由算法将传感器节点部署在矿井巷道中，并将巷道划分为多个大小相等的分区。Wang等提出了利用贝叶斯网络系统的无监督学习实现煤矿井下瓦斯时空异常事件检测。利用维数分析的贝叶斯网络，从布置在煤矿井下的传感器节点中分析瓦斯浓度数据的圆柱形基线，减少了误报。

Osunmakinde等开发了基于环境智能决策概念的交互式自主实时跟踪系统，用于监测煤矿井下有毒气体和矿工安全的无线传感器网络。Zhou等提出了基于ZigBee协议的带式无线传感器网络拥塞规避机制，用于监测煤矿瓦斯浓度。分别采用自适应速率控制策略和基于优先级的后退算法两种机制来避免传输拥塞的情况。

1.2 温度、湿度监测

这两个参数对煤矿井下环境条件有显著影响，进而影响煤矿人员的安全、舒适和工作效率。温度表示工作人员在空气中的感热程度。不同热源地下矿山环境恶化是煤炭自燃和其他碳质物质，氧化矿物，回填材料和木材，热量从地下岩层，光和电气设备配件、矿山机械、钻孔切割、爆破和焊接操作，岩层的运动，表面温度的空气进入矿井，人体新陈代谢等。

湿度是指空气中的水分含量，它分为两种类型，即相对湿度和绝对湿度。相对湿度被广泛用于测量矿井空气中的水分含量，表示空气含水率相对于空气的承湿能力。赵等设计了一种利用光纤装置监测煤矿井下采空区温度的在线监测系统。

1.3 空气压力监测

井下气压的变化对空气和矿井瓦斯的密度有显著影响。井下气压的下降往往导致瓦斯体积(特别是甲烷)的膨胀，而气压的增加则对采空区或采空区的瓦斯产生相反的影响。此外，气压的下降导致甲烷等有毒气体从封闭的采空区或未封闭的采空区后面释放到活跃的矿井中，从而产生火灾和爆炸危险。因此，对井下气压进行持续监测是保证井下环境条件适宜和安全的必要条件。Wu和Gillies讨论了一种实时计算机气流监测系统，用于监测井下通风网络中气流和压力的变化。该系统是通过传感器与通风网络仿真软件的连接实现的。

1.4 粉尘监测

煤矿开采作业与粉尘的产生有内在的联系。产生大量煤尘的采矿活动有钻孔、切割、爆破、破碎、装载和运输。由此产生的粉尘不仅污染了矿井大气，而且给矿工带来了严重的健康问题，导致尘肺、矽肺、支气管炎、哮喘、肺纤维化和肺结核等疾病的产生。近年来，矿山机械化水平不断提高，加剧了煤矿的粉尘问题。因此，对煤矿井下环境中空气呼吸性粉尘浓度进行持续监测，是保持粉尘浓度在允许范围内的必要条件。

Mahdavvipour等提出了一种由光学和微制造传感器组成的无线传感器网络，称为煤尘自动控制传感器，用于连续监测煤矿井下累积粉尘的总不可燃含量。该传感器布置在整个矿井，利用质量、介质测量和连续光学方法来估计浮尘的可燃物含量以及矿井中存在的水分。

1.5 矿井火灾监控

矿井火灾是煤矿井下的主要灾害之一。它们不仅危及矿工的生命，给煤矿生产造成相当大的经济损失，而且释放有毒气体，对地下环境造成不利影响。煤矿井下发生矿井火灾的原因有很多，如明火、煤的自燃、电钻削摩擦、焊接、爆破、爆炸等。其中，煤等含碳物质自氧化引起的自燃是煤矿井下火灾的主要原因。因此，需要对煤炭自燃进行持续监测，以防止煤矿井下火灾危险的发生。

对煤矿自燃检测的研究通常是布置红外传感器和热电偶/热敏电阻来采集数据，并对其进行分析判断。根据监测数据，不同公司采用不同的指标对煤的自燃进行检测。以下是一些研究机构提出的用于煤矿井下煤自燃检测的重要火灾指标或比率:

1) 格雷厄姆比:无论是在早期还是发展阶段，格雷厄姆比在煤矿井下自发加热火灾状态检测中应用最广泛。它是由自燃过程中产生的一氧化碳(CO)与消耗的氧气(ΔO2)的比值得出，一般用百分数表示，见式(1)。

格雷厄姆比=(100×CO2)/ΔO2

(1)

其中：ΔO2=0.265N2-O2

2) 杨氏比率:它是由产生的二氧化碳与消耗的氧气的比率得出，计算公式见式(2)。

杨氏比率=(100×CO2)/ΔO2

(2)

一氧化碳燃烧引起的CO2∕ΔO2的增加和CO/ΔO2的减少表明了火焰从阴燃到明火的过程。

3) 威尔特率：氮气与CO和CO2混合气体的比率。该指标用于煤矿井下封闭火区，不适用于通风区。比率随温度的升高而增加，计算公式见式(3)。

威尔特率=(100×CO)/(黑色气体+可燃气体)

(3)

其中，黑色气体是大气中氮气和二氧化碳等气体的混合物。

4) 莫里斯比率:是N2与CO和CO2混合气体的比率。该指标用于煤矿井下封闭火区，不适用于通风区。比率随温度的升高而增加，计算公式见式(4)。

莫里斯比率=N2/(CO+CO2)

(4)

5) CO/CO2比率:也称为氧化物的碳比率，为CO和CO2最终浓度和初始浓度之差的比值。使用这个比率的优点是，不受空气、氮气或甲烷流入的影响。该比值与格雷厄姆比值是判断煤矿火灾状态更为敏感的指标。而格雷厄姆比决定了火在早期时的状态。此外，CO传感器比CO2传感器更容易获得，因此，该比率被广泛用于评估煤矿井下火灾状态，计算见式(5)。

CO/CO2=(最终CO-初始CO)/
(最终CO2-初始CO2)

(5)

6) 琼斯和特里克特比率：通常用来表示与火灾或爆炸有关的燃料类型，它是用来确定矿井爆炸中涉及的是甲烷还是煤尘，计算见式(6)。

琼斯和特里克特比率=(CO2+0.75CO-
0.25H2)/O2

(6)

7) C/H比率:这个比率用来预测火灾强度和缺氧状态。以煤作为CxHyOz型燃料来计算这个比例，计算式见(7)。

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

(7)

8) 解吸碳氢化合物比率：研究表明，通过在火灾区域的地表钻大量的钻孔，对收集到的气体样本进行分析得出这个比例。对气体样品分析可知，甲烷是在环境温度下产生的烃的主要来源，计算见式(8)。

R1=[1.01THC-CH4]/[THC+C]×1000

(8)

式中，THC为总烃浓度，×10-6；CH4为甲烷浓度，×10-6；C为常数，0.01×10-6。

1.6 矿井爆炸监控

矿井爆炸是煤矿井下的一种严重危害。它是一种无法预见的燃烧过程，将原始的气体和固体燃料转化为气体产品。它伴随着大量的热能和压力波的释放。煤矿井下爆炸主要是由瓦斯爆炸或煤尘爆炸或瓦斯-煤尘混合爆炸引起的。

1) 瓦斯爆炸：从煤层自然排放的易燃气体的混合物，主要含有甲烷(80%～96%)和其他微量污染物。矿井大气中甲烷体积分数在5%～15%范围内累积，会导致煤矿井下瓦斯爆炸的危险。然而，大多数猛烈的爆炸发生在10%左右的甲烷，这略高于9.5%的甲烷-空气混合物。煤矿地下大气中除甲烷外，还发现了H2、CO、H2S等重要爆炸性气体。图2所示的科沃德图是描绘CH4、H2和CO在空气中的爆炸性的列线图。从图2中可以看出，CH4、H2和CO的爆炸极限分别在5%～15%、4%～75%和12.5%～74%范围内变化。图2煤矿井下封闭火区的安全封堵和重新开启提供了指导，分析爆炸危险。

图2 氢气、一氧化碳和甲烷的爆炸三角形

2) 煤尘爆炸：煤矿大气中悬浮的高浓度细煤尘颗粒，被足够强度的点火源点燃，引起煤尘爆炸。在大多数情况下，煤尘爆炸是由沼气爆炸引起的。煤尘的挥发分比、粒径和浓度是影响煤尘可爆性的重要参数，进而影响爆炸的严重程度。

1.7 塌方监控

塌方是煤矿井下最突出的岩土灾害之一。塌落、崩落和突然性落石是造成顶板塌落危险的主要原因。风险分析技术被用于评估与顶板倒塌相关的风险。塌顶所涉及的风险计算如下:

塌方风险=塔防概率×矿工工作时间

塌方概率是指煤矿井下在一定时间内发生落顶的可能性。将煤矿井下工作人员的暴露量作为预测顶板塌落风险的参数。利用无线传感器网络预测了煤矿井下的落顶事故。Li等提出了一种用于煤矿井下塌方早期检测的无线传感器网络系统。该系统是通过将传感器节点适当部署在巷道壁面和顶板上，形成传感器节点的网状网络来实现的。在无线传感器网络中，采用协同信标通信机制，形成无线组播优势，有助于减少信标拥塞流量。无线网状网络和信标管理系统能够准确定位煤矿井下塌方的位置，并根据塌方的结构变化进行自动配置。胡等提出了一种基于传感器节点连通性的煤矿井下塌陷孔检测系统。采用基于对数正态投影模型对塌陷井探测系统的精度进行了分析。研究表明，基于连通度的钻孔探测方法相比其他方法更适合于探测地下矿山垮塌。

2 结语

尽管无线传感器网络技术已被用于煤矿井下不同环境参数的监测，但在温度、湿度、风压、粉尘浓度、火灾、爆炸、顶板塌落等重要参数的监测中尚未得到广泛应用。因此，为了提高监测系统的效率和效能，最大限度地降低与煤矿井下相关的风险，对于上述有效利用无线传感器网络技术的领域应给予更多的重视。