传感器在煤矿生产中的应用研究及展望_刘志明.pdf

0引言传感器作为物理世界和数字世界的信息传递桥梁,是推进信息化和工业化深度融合不可或缺的产业关键技术。煤矿智能化发展的愿景是实现煤矿全时空多源信息实时感知和风险闭环管控本质安全。智能化应具有三要素：对外部信息的实时感知与获取的能力；基于对感知信息的存储、分析、判断、联想和自学习、自决策的能力；基于自决策的自动执行能力。由此可见，传感器既是煤矿生产的感知基础，还是智能矿山建设的数字基石，在当前智能煤矿建设的背景下，研究和发展传感器是提升煤矿智能化生产水平的有效途径。本文从生产设备监控和环境安全监测2个角度对传感器在煤矿生产中的应用进行研究，分析了其使用现状，在此基础上结合传感器的技术发展和智能矿山的建设需求，提出了传感器的4个重点发展方向。1煤矿用传感器分类煤矿生产是将大量的煤炭和矸石从煤矿工作面开采并运输到指定地点。生产过程中使用大量的机械设备，如采煤机、输送机和矿用卡车等。同时，煤矿生产还需面对复杂的地质环境，如瓦斯和地下涌水等。因此，煤矿生产过程中传感器应用不仅涉及到生产设备监控，还包括环境安全监测。煤矿生产用传感器可以分为生产设备监控和环境安全监测2类，如图1所示。生产设备监控按照工艺系统分为采掘系统、运输系统、通风系统、供排水系统和供电系统。环境安全监测分为地质环境监测和大气环境监测。图1煤矿用传感器分类2传感器在煤矿生产设备监控中的应用随着大型设备的大规模投入煤矿开采，煤矿生产用传感器也有了更高的要求。生产设备监控传感器主要用于对煤矿生产参数进行测量，确保安全开采；对设备运行状态进行感知，以便在问题出现前进行维修。煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.202305049传感器在煤矿生产中的应用研究及展望刘志明1，2，金刚2，杜波2，乔伟2，李滢2（1.中国矿业大学（北京），北京100083；2.中煤科工集团 信息技术有限公司，西安710054）摘要：结合煤矿生产实际，从生产设备监控和工作环境监测两方面系统概括了传感器在我国煤矿生产的应用现状。依托传感器技术的发展，结合我国智能矿山的建设和发展需求，展望了传感器在智能煤矿应用中的重点方向，包括无线传感器、智能传感器、智能边缘网关和主动标识传感器，旨在帮助煤矿企业提高对传感器应用的系统性和前瞻性。关键词：传感器；生产设备；工作环境；主动标识；智能边缘网关中图分类号：TP212文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0159 03Research and Prospect of Application of Sensor in Coal MineLiu Zhiming1，2，Jin Gang2，Du Bo2，Qiao Wei2，Li Ying2（1.China University of Mining and Technology（Beijing）,Beijing 100083,China；2.Information Technology Co.,Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group,Xian 710054,China）Abstract:Combined with the actual production of coal mine,systematically summarized the applicationstatus of sensors in China coal mine production from two aspects,production equipment monitoring andworking environment monitoring.Combined with the development trend of sensor technology,accordingto the construction and development of intelligent mine in China,prospected the focus of the sensor inthe application of intelligent coal mine,including wireless sensors,intelligent sensors,intelligent edgegateway and active identification sensors and,so as to help coal mining enterprises to improve theapplication systematic and forward-looking of sensor.Key words:sensor；productionequipment；workingenvironment；activeidentification；smartedgegateway煤矿用传感器生产设备监控环境安全监测采掘系统运输系统通风系统排水系统供电系统地质环境大气环境159（1）采煤系统采煤系统常用设备主要有露天矿的轮斗式挖掘机和井工矿的采煤机、锚杆钻车、掘锚一体机和液压支架等。采煤系统传感器的应用包括：位移、煤层倾角、摇臂摆角、乳化液浓度、应力和轨压等工作参数监测；温度、流量、转速、振动、电流和设备开停等设备运行状态监测。（2）运输系统运输系统是把煤炭和矸石从工作面运出，露天煤矿常采用矿用卡车，井工矿利用一些巷道，采用带式输送机和提升机的方式。主要设备有刮板输送机、转载机、提升机、带式输送机和运输车等。运输系统传感器的应用包括：温度、转速、振动、电流、张力、输送带撕裂和跑偏等工作参数监测；温度、称重、堆煤和成分检测等煤流状态监测。（3）通风系统通风系统是煤矿井下生产最重要的保障系统，有效保障井下有毒有害气体的稀释和排放，保证人员呼吸所需的新鲜空气。设备主要是通风和瓦斯抽排风机。通风系统传感器应用包括：温度、转速、电流和振动等风机状态监测；风量、风压、风向、CO、O2和CO2等风道状态监测。（4）供排水系统煤矿生产要洒水抑尘，防灭火需要消防水，煤矿中的自然涌水和工程废水也需排到地面。供排水系统设备主要是水仓和水泵。供排水系统传感器的应用包括：温度、转速、电流和振动等水泵工作状态监测；液位、流量、流速和水文等参数监测。（5）供电系统供电系统是为生产设备提供动力的系统，包括各级变电所和各电压等级的配电线路。供电系统传感器的应用主要是电流、电压、有功功率、功率因数和电量等变电所工作状态测量。3传感器在煤矿工作环境监测中的应用煤矿安全保证系统中的好环境应该是适宜人员存在、适宜设备使用、有利材料使用。环境安全监测主要用于对环境的安全性进行感知，保障矿工的人身安全和设备的稳定运行，主要分为地质环境监测和大气环境监测。（1）地质环境检测煤矿地质灾害的表现形式主要有边坡滑坡、煤层坍塌、冒顶、涌水渗水等。矿山灾害发生的区域和时间均具有未知性，并且矿山处于动态开采过程中，要感知这些灾害产生的前兆信息，就需要应用大量的传感器和测量手段，传感器的应用就集中在边坡滑坡监测、崩塌监测、顶板离层监测、顶板压力测量和渗水监测等。（2）大气监测检测井工矿一般距离地面较远，空气质量是保障井下人员安全的基石。井下瓦斯、粉尘和煤层的自燃都会带来极大的大气环境安全隐患。因此，大气环境监测系统主要用来监测井下的环境参数，包括瓦斯、烟雾、粉尘、风速、CO、O2、CO2等，也包括露天矿的粉尘浓度监测。4传感器在煤矿应用的展望传感器技术的发展给智能矿山建设带来了新的突破点，本文从4个角度展望新型传感器在智能矿山建设中的应用前景。（1）无线传感器无线传感器应用于井下作业环境监测，可有效地提高采矿作业的安全，并确保人员的安全系数得到全面的提升。井下大部分传感器采用有线方式，通过信号电缆和光缆等方式将数据送出，存在以下几方面的问题：井下环境复杂，工作面位置随生产推进而变化，电缆走向和敷设比较复杂，后期维护不便；使用大量的通信电缆和光缆，建设成本较高；电缆覆盖范围有限，很难实现全方位监测。随着ZigBee、LoRa、WiFi和5G等无线技术的发展，越来越多的无线传感器应用在生产现场。无线传感器通过节点形成网络化布局，利用节点内多种传感器对环境进行分析。目前部分瓦斯和CO传感器通过采用ZigBee传感器实现自组网和无线传输。（2）智能传感器每种传感器都有自身的测量特性，使用单一传感器往往会造成一定程度的误差，智能传感器便应运而生，在以下几方面发挥作用：对复杂系统进行感知分析，使用多传感器融合技术来降低单一传感器采集数据的模糊性和冗余性，包括对同一个目标的不同位置采用同一类型的测量传感器，对同一个目标采用不同的传感器进行综合测量。例如，采用多传感器信息融合技术对采集到的支架倾角、位移、压力等数据信息进行融合，监测液压支架的运转状态，提高了监测结果的准确性和可靠性。MEMS传感器将微处理机融入传感器，使得传感器具有采集和感知数据的能力的同时还能处理第44卷第5期Vol.44 No.5传感器在煤矿生产中的应用研究及展望刘志明，等160原始数据和信息交换。与传统传感器相比，MEMS传感器通过软件技术即可实现低成本、高精度的数据和信息采集，实现多功能化，还具备体积小、低功耗、良好的抗振动和抗冲击能力等优点。基于MEMS技术的矿用无线传感采集系统通过自定义的通信规约可实现对煤矿设备的振动、温度信号的采集及数据无线传输等功能，具备传输距离远、可靠性强、组网灵活性高、能耗低等特点。（3）智能边缘网关边缘网关在现场进行多传感器数据采集，有效避免了将数据长距离传输至地面而面临的网络资源不足和信号干扰等问题，最大限度地保证数据的实时性和可靠性。同时，智能边缘网关还能提供边缘计算，对数据进行实时处理和分析，极大地减轻了全量数据在煤矿工业环网的传输和管控平台的处理。智能边缘网关的应用将有利于安全和高效生产，主要体现在数据清洗、异构数据融合和计算的数据处理、数据存储和数据备份的边缘存储、边缘侧的建模、数据分析的边缘智能。其典型应用如图2所示，将区域环境检测的无线传感器数据送至边缘网关，边缘网关充分发挥数据处理和计算的能力，就地实现环境安全决策，及时发出报警通知生产和管理人员。图2智能边缘网关与无线传感器结合的典型应用（4）主动标识传感器主动标识传感器是将主动标识嵌入传感器。主动标识承载标识编码和安全证书，并具备通信功能，主动向标识解析平台发起连接。解析系统向传感器发起订阅，传感器同时向平台发起认证，实现主动标识传感器和解析平台数据的安全可信传输，提升数据传输效率。解析平台通过可信采集、接入认证、数据安全等功能，实现对标识传感器的身份管理、安全服务和实时安全态势感知。可以通过3种方式将主动标识载体融入传感器：将主动标识芯片嵌入传感器内部；利用传感器内部具有存储能力的芯片承载主动标识；利用传感器的通信模组作为主动标识的载体。主动标识融入传感器使得传感器有了唯一的身份ID和数据的可信传输。同时，基于主动标识解析体系还可以开展定制化的应用开发，如传感器全生命周期管理。将主动标识载体嵌入传感器如图3所示，利用企业级标识解析平台实现传感器的全生命周期管理。图3主动标识传感器的典型应用5结语本文系统性地归纳了当前传感器在煤矿生产中的应用现状，通过对结合新技术的传感器在智能矿山应用的展望，为煤炭企业生产感知系统的科学规划提供了强有力的支撑，可以有效提高智慧矿山感知系统建设的合理性与前瞻性，有较强的现实意义。参考文献：1陆峰.传感器产业发展的现状与问题J.中国工业和信息化，2022(7):18-23.2王国法.“十四五”煤矿智能化和煤炭高质量发展的思考J.智能矿山，2021,2(1):1-6.3王国法，刘峰，庞义辉，等.煤矿智能化煤炭工业高质量发展的核心技术支撑J.煤炭学报，2019,44(2)：349-357.4刘子龙.煤矿安全生产保证系统的建立J.煤炭工程，2