矿山自动能量捕获和无线智能传感技术在亚克斯铜镍矿的应用

杨 楠，王济农，张 达

（1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038；2.矿冶科技集团有限公司，北京 100160）

矿山为高危行业，井下条件恶劣，矿岩条件复杂且开采扰动严重，随着开采深度不断延伸，作业环境恶化、安全风险突出、安全管控困难。现有信息感知系统的环境适用性差、实施复杂度高、运行可靠性低、系统维护量大，已成为矿山安全生产的瓶颈［1-2］。

本文针对矿山地下供电系统稳定性低、监测传感器维护量大、监测系统经济性差、故障率高等实际难题［3-5］，采用现场调研、理论计算、系统建模、软件仿真与现场测试等方法研制了能量捕获与智能管理装置、故障自诊断智能传感装置、无线智能传感交互技术与装备，并开展了亚克斯铜镍矿的矿山自动能量捕获与无线智能传感技术应用研究。

1 矿区概况

1.1 矿山现状及应用需求分析

新疆亚克斯黄山铜镍矿年采选矿石120万t，是国内第二大铜镍矿山，矿山采用无底柱分段崩落采矿法作为主要采矿方法，如图1所示，矿体边角部位的薄矿体采用浅孔留矿采矿法，设计生产能力为4 000 t／d，主要开采30、32号矿体。随着矿山开采的推进，在崩落法回采过程中，30、32号矿体530 m以上部分矿体回采易造成上覆采空区空顶距过大，两采区的空区间柱薄，可能贯通。同时，底部结构进路围岩破碎明显，围岩泥化严重，节理面发育，出现片帮及局部冒顶，部分聚矿槽支护失效，在深部开采过程中地压问题突出，带来较大的安全生产隐患。

图1 黄山铜镍矿30、32号矿体潜在地压风险Fig.1 Potential ground pressure risk at Huangshan copper-nickel ore bodies 30 and 32

为了监测采空区大面积冒落和井下生产作业区域地压活动，在空区顶板冒落至地表之前必须采用有效、稳定且易于维护的监测手段对采空区进行监测，揭示各隐患区域岩体产生微裂隙、开裂和冒落发展的时空演化机理与过程，对潜在的危险源进行监测、预警与控制，从而实现基于真实数据指导矿山安全生产。

1.2 矿山井下微能量可用性调研

新疆亚克斯黄山铜镍矿采用LED光源作为巷道照明灯，如图2所示，通过井下环境能量水平、潜在能量、分布特点、井下结构、监测需求等多方面因素分析与评定，最终选定了井下光能作为无线传感器的可靠能量来源，并试验了不同光电材料在弱光环境下的光电转换性能，在黄山铜镍矿450中段的采场区域，开展了基于光能自动能量捕获装置、微能量管理装置、故障自诊断智能传感器装置、无线智能传感信息交互技术的现场实验研究以及技术应用［6-7］。

图2 亚克斯铜镍矿井下环境条件Fig.2 Underground environmental conditions at Yax copper-nickel mine

2 矿山现场应用的总体方案

结合矿山现状，本文在新疆亚克斯铜镍矿主要开展矿山自动能量捕获、传感器状态检测与诊断、无线智能传感信息交互、矿山物联网云交互服务平台、矿山安全监测分析服务等实验研究与集成测试（见图3），监测30、32号矿体采空区顶板的冒落规律和范围，并对潜在的危险源进行监测、预警与控制。

图3 矿山现场应用的总体架构Fig.3 General architecture for mine site applications

3 能量捕获与智能管理装置研制

3.1 弱光能量捕获装置研制及应用

研究井下弱光能的收集方法，在60 lux以上的低照度条件下直接产生m W的电能，并以低功耗能量采集器为核心，采用光伏电池与超级电容作为采集器与储能器，设计了弱光能采集转换装置（见图4），在160 lux LED光照条件下，能够达到3.3 V、3 m A的有效输出电压和电流。

图4 多种规格光能薄膜电池输出特性测试Fig.4 Testing the output characteristics of a wide range of photovoltaic thin film cell sizes

通过在黄山铜镍矿450中段的采场区域安装井下能量捕获装置，以井下作业区LED灯带的高质量光能作为能量源，对自动能量捕获装置在多种工况下的关键性能与指标进行测试。如表1所示，自动能量捕获装置的最低输出电压为3.6 V，输出功率为25.9 m W。

表1 自动能量捕获装置输出能力Table 1 Automatic energy capture device output capacity

3.2 能量管理装置研发与应用

本文建立储能元件的能量存储—损耗—输出模型，攻克了微能量自适应泵压储能技术，设计了基于升压结构和锂电池的能量收集与电源管理电路，解决微弱电流条件下储能元件端电压的快速建立及微能量高效存储与利用难题。

研究低功耗运行与节能输出方法，利用不连续能量的缓冲管理方法，设计具有能量缓冲电路与超低静态电流特性的能量管理装置，降低无线通讯等脉冲型高瞬时功耗类负载对储能电源的能量损耗，延长能量捕获装置及储能电源的持续工作时间（见图5）。

图5 能量管理方法与装置机理Fig.5 Energy management methods and device mechanisms

通过在黄山铜镍矿450中段的采场区域安装井下能量管理装置，对微能量管理装置在多种工况下的关键性能与指标进行测试。如表2所示，微能量管理装置的最低输出电压为3.61 V，输出功率为130.3 m W。

表2 微能量管理装置输出能力Table 2 Output capacity of micro-energy management devices

4 故障自诊断智能传感装置研制及应用

4.1 故障自诊断智能传感技术研究与装置研制

本文通过传感器状态的主要影响因素分析，建立了多指标融合的传感器自诊断算法模型，提出了基于状态模型的智能传感器状态自检测方法，攻克了传感状态、供电电路、通信链路、换能元件、环境温湿度、信号质量等状态在线自诊断技术，并研发出了具备状态检测与故障自诊断功能的低功耗、无线智能传感器装置，实现了传感网络设备的实时状态检测、异常能耗监控、网络拓扑分析、数据动态更新。

同时，本文针对矿山井下传感器的工作状态诊断及监测数据管理，通过信息校验算法、数据交互协议、软件平台架构等设计，研发了智能传感器在线管理软件与云端数据同步软件，通过本地化部署，实现采集、处理、存储及可视化功能，同时支持远端数据同步，实现了传感器网络状态与感知数据的实时动态管控（见图6）。

图6 故障自检测模型、样机及通信与故障识别测试Fig.6 Fault self-detection models，prototypes and communication and fault identification tests

4.2 故障自诊断智能传感装置应用

通过测试故障自诊断智能传感装置在井下实际工作环境下的运行情况，针对信号采集精度、故障信号识别、故障识别时间、射频场强、实际功耗等项目进行测试与评估，如图6与表3所示，故障自诊断智能传感装置的故障识别时间为1.15 ms。

表3 故障自诊断智能传感器装置故障识别时间Table 3 Fault self-diagnosing intelligent sensor unit fault recognition time

通过现场实验，测试了故障自诊断智能传感器装置的实际性能及故障识别能力，并进行系统参数、诊断策略、线路布局、壳体结构的优化，实现了高防护性及在线式状态自诊断，形成了满足性能指标要求的物联网终端装置。如图7与表4所示，对矿山井下应力、振动等常用地压传感器存在的功能失效、供电异常、线路故障等多种故障进行模拟测试，结果表明，故障自诊断智能传感装置的故障并行识别通道为14路。

图7 故障自诊断智能传感器装置掉电故障识别Fig.7 Fault self-diagnostic intelligent sensor unit power-down fault identification

表4 故障自诊断智能传感器装置故障识别通道Table 4 Fault identification channel for self-diagnostic intelligent sensor devices

5 基于矿山现场的地压监控应用

本文将研究成果与矿山需求相融合，形成了具有自动能量捕获和故障自诊断能力的应力点监测传感装置，并与高精度微震监测系统组合成兼具区域监测与点监测的地压监测系统，并结合矿山井下环网结构，采用基于无线智能传感器信息交互技术和有线通信方式，形成空间包络对开采过程进行综合监测，建立了矿山地压安全分析预警云服务平台。

微震监测技术及系统具有区域大、精度高、灵敏度高、稳定性高等监测优点，通过在采场周边布设高密度微震监测台网，实现对采场范围内地压活动的高精度、高灵敏度监测与分析；点监测无线地压传感装置，具有低功耗、无线化、能量自动捕获等优点。通过在采场内关键区域布设点监测无线地压传感装置，形成多点无线应力监测系统，实现对采场范围内高风险区域、关键区域的地压活动的针对性监测，系统结构如图8所示。

图8 无线应力监测系统结构Fig.8 Wireless stress monitoring system architecture

本文将点监测无线地压传感装置与微震监测装置作为感知终端与数据源，结合工业混合云服务对传感、数据、服务器、存储、网络、资源进行云端整合，建立“维护－分析－预警－防控”等不同层级的虚拟化、服务化和协同化，实现采集、存储、管理、三维展示与统计查询功能。

6 结论

本文针对亚克斯黄山铜镍矿供电系统稳定性低、监测传感器维护量大、故障率高等实际难题，基于多学科交叉综合研究，整体上采用现场调研、理论计算、系统建模、软件仿真与现场测试等方法开展了系统性应用技术研究。研制了能量捕获与智能管理装置、故障自诊断智能传感装置、无线智能传感交互技术与装备，并将相关装备在矿山现场进行了实际应用，提升了监测系统的运行稳定性和维护的便捷性，为亚克斯黄山铜镍矿构建动态监控与在线维护、并行计算与实时诊断、安全监测与风险预警的运维云服务模式建立技术基础。