高海拔矿山井下运输环境感知技术研究

张聪瑞 杨旭春 王树勋 黄 刚

（1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430020；2.中国恩菲工程技术有限公司，北京100038）

随着平原地区矿产资源进入深部开采以及我国“一带一路”战略的加快推进［1-2］，我国矿业亦将逐步向高海拔区域发展［3-4］。然而，运输系统作为联系矿山各个生产环节的动脉，高海拔条件下，矿山运输系统所处的环境低温、低压、低氧等特殊气候条件，将直接导致井下作业人员身体机能下降、耗氧机械功率降低和设备尾气污染物增加［5-7］，同时，低温、低气压环境也使得传统监测感知设备无法正常工作，导致矿山企业无法实时掌握运输环境状态，进而采取安全保障措施。因此，在国家战略和行业发展均有极大需求的大背景下，开展高海拔矿山井下运输环境感知技术研究刻不容缓。

随着大数据技术、物联网技术的迅速发展，基于大数据技术、物联网技术实现矿山运输环境的实时感知得以实现［8-10］。结合智能采矿、绿色矿山行业发展趋势，构建高效的高海拔矿山安全感知平台、建立矿山安全感知保障体系十分迫切［11-13］。针对矿山井下运输环境感知技术，国内外专家学者展开了大量研究：李腾飞［14］提出了一种煤矿信息全面感知与智慧决策系统。该系统由胶囊网络层、数据传输层和云服务层组成；汤海龙［15］提炼出建设智慧矿山的4项关键技术:泛在网络、智能感知、基于SOA架构DDS规范的数据仓库、实时数据流的大数据流式计算；张达［16］引入物联网与云服务技术，设计并实现了一套地压安全监测与分析一体化的解决方案；刘统玉［17］提出采用光纤传感器与无线传感器构建煤矿人、机、环多维度、多参数、大容量监测系统；但以上研究主要是依托于低海拔矿山开展，针对高海拔矿山井下运输环境感知目前研究较少，通过文献调研和现场咨询，高海拔矿山井下运输环境感知存在难题主要表现为感知手段传统单一、感知设备难以适应低温低压环境、感知数据井下高效交互传输困难等。

针对以上问题，项目以高海拔矿山井下运输环境为研究对象，以降低事故风险和保障运输安全为目的，在调研大量文献的基础上，通过理论分析、室内测试、硬件设计、软件开发等方法，开展高海拔矿山井下运输环境风险感知技术研究，研发适合于低温低压环境下实时监测复杂运输环境的感知装置，并通过开展高海拔环境模拟舱适应性测试以保证研发成果的可行，为高海拔矿山井下运输安全保驾护航。

1 高海拔矿山井下运输环境感知装置研发

高海拔矿山井下运输环境感知装置研发架构如图1所示，装置主要由空气环境测量模块、信号面板、应力变形测量模块、振弦式传感器读数模块、PCB电路板、集成采集处理终端、数据传输模块等组成。集成采集处理终端选用支持嵌入式开发技术的NI sbRIO开发板，其中空气环境测量模块所采集到的数据类型为模拟量信号，可通过信号面板直接接入开发板；应力变形模块则通过固定于PCB板上的振弦式传感器读数模块完成振弦式传感器的激励与数据采集后，进而接入开发板；数据传输模块支持2.4G无线通讯和基于TCP/IP协议有线通讯2种方式，实现数据井下交互通信和上传数据中心功能。研发成功的高海拔矿山井下运输感知装置实物图如图2所示，其性能指标如表1所示。

1.1 硬件组成

（1）NI sbRIO开发板。开发主板的性能指标直接影响高海拔矿山井下运输环境感知装置能否正常工作，通过调研，选取支持低压、低温运行环境的NI sbRIO开发板作为高海拔矿山井下运输环境感知装置嵌入式开发内核。该开发板基于FPGA运行，易于设计、编程和定制，用于控制传感器、采集和传输数据。

（2）传感器模块。根据高海拔矿山井下运输环境感知装置设计思路，该装置采集数据类型主要包括井下空气环境质量和巷道围岩变形情况，因此传感器模块分为空气环境测量模块和应力变形测量模块。经过广泛调研，特别考虑高海拔矿山低温低压环境特点，选用合适的各类型气体传感器用于感知井下运输环境空气质量，选用振弦式钻孔应力计和多点位移计用于感知巷道围岩变形。选用的传感器

实物图如图3～图5所示。

（3）振弦式传感器读数模块和PCB板。通过研究振弦式传感器激励方式和传感原理［18-20］，选用振弦式传感器读数模块用于激励并读取应力变形测量模块包括的振弦式传感器。该模块支持多种激励方式，可将频率值转化为电流或电压模拟信号输出，并适用于低温低压环境，满足高海拔矿山井下运输环境感知装置使用要求，其实物图如图6所示。PCB板则用于支撑振弦式传感器读数模块并提供符合其正常工作的电气化指标，各振弦式传感器读数模块采用并联方式供电并通过插拔式方法固定安装于PCB板上，易于更换且不会因为某一振弦式传感器读数模块出现异常而导致其他读数模块无法工作，性能稳定且容错率高。PCB板布局如图7所示。

（4）数据传输模块。考虑高海拔矿山井下低温低压环境特点，同时分析高海拔矿山井下数据交互量大小、通信速率要求、通信环境干扰性等要素，选用尺寸小、数据传输速率高的WiFi 2.4GHz模块用于和井下车辆驾驶室健康环境自适应调控系统通信，如图8所示。高海拔矿山井下运输环境感知装置同时支持TCP/IP协议进行数据有线传输，可通过RJ45接口并入矿山井下光纤环网，实现井下组网和上传数据中心。

1.2 软件开发

高海拔矿山井下运输环境感知装置软件部分利用LabVIEW虚拟仪器技术进行编程［21-23］。开发的软件具有人性化特点，软件界面简洁直观，可实现对不同类型的气体传感器和应力变形传感器的配置和调试，同时具备对任一传感器唤醒与关闭的控制功能，保证多通道多传感器数据采集与传输的同步稳定，具有操作简便、响应快速的特点。软件主要包括以下模块。

（1）UI设计。用户界面是软件和用户交互的主要界面，这关系到软件的使用效率。监测主界面如图9所示，该界面主要体现传感器监测数据，监测人员可以轻松读取各监测点的数据。

（2）配置模块。传感器采集的数据一般是需要经过转换成常见的监测数值，本装置选用的部分传感器的转换公式如表2所示。传感器配置工作主要包括通道选择、传感器类别选择、计算公式类型的选择、公式参数的输入等信息。

（3）采集模块。采集模块主要实现包括数据采集、数据转换功能。数据采集主要针对模拟信号，此部分功能采用状态机形式编写，部分代码如图10所示。在采集到原始数据后，需要根据标定公式进行转换，图11所示为数据转换部分代码。

（4）数据存储模块。在数据采集处理完成后，需要将数据保存至本地MySQL数据库和数据中心的MySQL数据库中，通过LabVIEW的自带Database函数，配置DSN包括主机名、端口和数据库名称连接至本地数据库和云端数据库，运用通用sql语句实现数据的增删查改功能，部分数据存储代码如图12所示。

（5）数据回放模块。为了查看历史数据，本程序设计了数据回放功能，包括一个用户显示数据曲线的图表，选定查询时间间隔、显示方式和文件路径，点击查询即可实现。

2 高海拔矿山井下运输环境感知装置适应性测试

为验证研发的高海拔矿山井下运输环境感知装置能否适应于低温、低压环境，装置研发过程中在高海拔环境模拟舱开展了2次适应性测试。高海拔环境模拟舱用于模拟大气环境在一定海拔情况下的压力、温度环境情况，最高模拟海拔高度在出厂时可定制［24］。

2.1 主体硬件模块在高海拔环境模拟舱中适应性测试

由于选取的各模块其生产厂家均已进行低温测试，支持-40～80℃温度范围内正常工作，因此后续测试不再进行低温适应性测试。本次测试主要针对振弦传感器读数模块、空气氧含量传感器、多点位移计、土压力计、钻孔应力计等硬件开展，测试了其工作性能从海拔高度1 000～5 000 m过程中的变化情况。测试时高海拔环境模拟舱的模拟海拔高度以每次1 000 m的速率升高，并在达到1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m、5 000 m时分别保持1 h，以留足时间观察各硬件模块工作性能是否变化。高海拔环境模拟舱如图13所示，各硬件模块模拟舱测试如图14所示。

结果表明，高海拔矿山井下运输环境感知装置选取的振弦传感器读数模块、空气氧含量传感器、多点位移计、土压力计、钻孔应力计从海拔高度1 000～5 000 m过程中，性能稳定，未出现传感器失灵、读数异常等情况，初步确定了振弦传感器读数模块、空气氧含量传感器、多点位移计、土压力计、钻孔应力计适用于高海拔环境。

2.2 感知装置在高海拔环境模拟舱中适应性测试

在高海拔矿山井下运输环境感知装置研发成功后，在高海拔环境模拟舱开展适应性测试实验，验证其性能在低压环境下是否稳定。

具体测试过程如下：采用220 V DC对高海拔矿山井下运输环境感知装置供电，并连接振弦式多点位移计，通过改变振弦式多点位移计测杆长度测试感知装置采集数据的实时性、灵敏性、真实性。选用的振弦式传感器量程为30 mm，在高海拔环境模拟仓达到2 000 m、3 000 m、4 000 m、5 000 m海拔高度时均进行3组测试，每组进行7次测试，测试范围为0～30 mm，相邻测试之间测杆长度相隔5 mm。高海拔矿山井下运输环境感知装置模拟舱测试如图15所示，各海拔高度时的测量值及其线性拟合如图16所示。

测试结果表明，高海拔矿山井下运输环境感知装置在海拔逐步升高至5 000 m过程中，各通道能够正确实时采集传感器数据，误差不超过1 mm，证明了高海拔矿山井下运输环境感知装置能灵敏正确地感知到测杆长度的变化，同时各组测试线性度良好，符合测试规律；进而也论证了高海拔矿山运输环境感知装置软硬件配合稳定，整体性能良好，满足高海拔条件下的设备性能要求。

3 结 论

项目以保障高海拔矿山井下运输安全为目的，开展了高海拔矿山井下运输环境感知技术研究，具体有以下结论：

（1）为实现实时全方位感知运输环境状况，研究了嵌入式开发主板、气体传感器、力学传感器、振弦式传感器读数模块、无线传输模块、PCB板等硬件的工作原理和性能指标，选取了适用于高海拔矿山低温、低压环境的硬件模块，研发了高海拔矿山井下运输环境感知装置；基于LabVIEW虚拟仪器技术和多传感器控制理论开发了高海拔矿山井下运输环境感知装置软件控制程序，实现了多类型传感器的配置和调试、数据存储和回放功能。

（2）在装置研发过程中开展了2次高海拔环境模拟舱适应性测试，测试结果表明研发的高海拔矿山井下运输环境感知装置性能稳定，达到了设计要求，能够适用于高寒环境。