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煤矿呼吸性粉尘浓度监测技术研究
摘要：为了向煤矿尘肺病预警提供呼吸性粉尘浓度数据支持，开发了一种呼吸性粉尘浓度监测技术。首先，设计了适用于煤矿环境的监测方案，确保其能精准监测不同浓度的粉尘，并符合行业标准。对前端虚拟冲击分离器进行了设计与验证，以确保其高效分离性能。其次，对自动换向装置和气路管径进行了优化，确保监测单元在不同浓度条件下的灵活切换与稳定运行。通过优化气流管路和流量控制系统，确保了监测的准确性和稳定性。经过工业现场应用验证，研制的呼吸性粉尘浓度传感器具有90d的维护周期，且检测误差小于13.5%。该技术为煤矿尘肺病的早期预警提供了可靠的数据支持，为矿工的健康安全提供了保障。
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目前我国尘肺病防治形势严峻[1-2]｡尘肺病的致病因素是呼吸性粉尘,因此对其进行连续监测至关重要[3-4]｡目前,国内外研究多集中于总粉尘检测｡赵政[5]研发了低功耗､高精度的总粉尘传感器;陈建阁等[6]开发了无堵塞､易维护的光散射法无动力检测技术;ZHANGZhaopeng[7]设计了低成本高精度的Mie散射检测系统;ZHANGHao等[8]结合Mie散射理论,研究了粒径和折射率对光强分布的影响,并开发了煤矿高精度测量传感器;YumengZhao等[9]提出通过消光系数变化感知悬浮粉尘浓度的新方法｡
然而,目前针对呼吸性粉尘浓度的监测技术仍为空白｡本文面向煤矿高湿高尘环境,通过设计虚拟冲击分离器,结合自动换向装置､气路优化及恒流控制系统,开展了呼吸性粉尘浓度监测技术研究并完成试验验证｡
1、呼吸性粉尘监测方案
在煤矿复杂环境中,粉尘浓度波动较大,这对监测方法的适应性和准确性提出了更高要求｡激光监测方法在低浓度条件下(低于20mg/m3)[10]表现较好,但由于激光监测单元易受粉尘污染(在70%RH湿度条件下连续工作42h后出现污染现象)[11],长期使用可能影响结果的稳定性和可靠性｡相比之下,静电感应检测法适用于高浓度环境,但在低浓度条件下(低于20mg/m3)因粉尘携带的静电量不足,信号强度较弱,导致监测准确性下降｡尽管通过提高风速(超过4m/s)[12]可一定程度改善精度,但监测误差仍然较大｡
针对上述问题,提出一种将激光监测与静电感应监测相结合的方法,以发挥两者在不同浓度条件下的优势｡通过优化结构设计和监测流程,该方法显著提高浓度监测的可靠性和精确性｡呼吸性粉尘监测单元结构如图1所示｡
图1呼吸性粉尘监测单元结构示意图
呼吸性粉尘浓度监测单元由呼吸性粉尘虚拟冲击分离器､气路换向阀､光学与静电感应监测模块､抽气泵及控制处理与显示系统组成｡管路设计统一直径并按顺序布置,气流沿重力方向进入,减少直角连接对气流的影响;管路流速设定大于2m/s,抽气泵保持稳定流量,降低粉尘沉积和光学单元污染风险｡
为提高抗干扰能力,传感器外壳采用金属材质并接地构建屏蔽结构,有效消除电磁干扰,保障监测数据的准确性｡整体设计增强了设备在复杂环境中的适应性与可靠性｡
2、虚拟冲击分离器设计
(1)虚拟冲击分离原理
虚拟冲击分离器是传统惯性冲击分离器的改进版,其特点是用收集腔代替传统冲击板,将较大粒径的颗粒直接排出,从而延长了分离器的使用寿命并减少清洁维护频率｡
虚拟冲击分离原理如图2所示,含尘气流进入虚拟冲击器后,通过喷嘴加速,颗粒物惯性力随之增大｡喷嘴出口处,约90%的气流(强流)发生90°变向,其余10%(弱流)进入收集腔｡惯性大的颗粒物随弱流进入收集腔,惯性小的颗粒物则随强流继续运动,从而实现颗粒物的分离或分级｡
图2虚拟冲击分离原理图
(2)虚拟冲击分离器结构参数设计
虚拟冲击器的主要结构参数有喷嘴直径D1､收集腔直径D2､喷嘴长度L､喷嘴与收集腔之间的距离S和喷嘴与收集腔的同轴度δ｡
依据《作业场所空气采样仪器的技术规范》确定采样流量,并结合斯托克斯数公式计算虚拟冲击分离器的喷嘴直径｡收集腔直径为喷嘴直径的1.3~1.4倍时,颗粒物损失最小;收集腔与喷嘴的距离为喷嘴直径的1.2~1.8倍,且同轴度小于0.05mm｡设计的虚拟冲击器基本参数如表1所示｡
表1虚拟冲击分离器的基本参数
(3)虚拟冲击分离器仿真与分析
虚拟冲击分离器前处理后的网格模型如图3所示｡
图3虚拟冲击分离器网格模型图
基于气粒两相流,采用CFD方法,设置好边界条件进行数值模拟[13]｡
以粒径4.0μm为例,对速度场及压力场进行了模拟分析;对分离器切割效率进行测试,结果如表2所示,平均绝对误差为3.69%｡
表2分离效能数值模拟数据
3、自动换向装置设计
自动换向装置在高低浓度条件下选择合适的监测通道(静电感应或光学检测),确保精准监测｡光学与静电感应单元采用一进两出管路设计,通过切换器灵活切换支路｡传统电动三通阀功耗高,无法满足低功耗要求｡为解决这一问题,系统改用微型减速电机与霍尔传感器,精确切换气路,降低功耗并提升设备可靠性｡低功耗自动切换阀如图4所示｡
图4低功耗自动切换阀
自动切换阀由进气盖､带2个气路的阀芯､带气路盖的减速电机､阀芯上的2个霍尔定位开关,以及驱动电路组成｡主控电路根据粉尘浓度自动判断并驱动微型减速电机旋转,选择打开不同气路进入测试单元｡自动切换器功耗仅为0.1W,满足传感器的低功耗要求｡
4、气路管径优化
气路管径影响粉尘在管路中的沉积｡管径过大需增加流量和分离器体积,但受限于功耗和体积;管径过小则容易堵塞,尤其在矿井应用中｡在额定流量4L/min下,管径与流速的对应关系如表3所示｡
表3气路管径-流量参数对应表
由表3可知,当管径小于φ4mm时,阻力急剧增加,超过100Pa,抽气泵流量下降;管径在φ8~10mm时,进入管路的粉尘量极少,且流速低于1.5m/s时,无法准确反映浓度｡为验证此情况,在静态发尘箱内(50mg/m3､80%湿度)对φ5~7mm管路进行了沉积实验,时间对应关系如表4所示｡实验表明,管径为φ6mm时沉积时间最长,而φ7mm管径因流速较低导致粉尘更易沉积｡
表4管径-沉积时间对应关系表
根据实验测试结果,在流量为4L/min时,管径为φ6mm不易引起管路粉尘的沉积｡
5、流量检测及恒流控制设计
(1)气体流量的实时监测
为减少粉尘污染对流量监测的影响,采用孔板流量计实时监测气体流量｡当流体流经收缩件(节流装置)时,流体加速,相应动能增加,静压力降低｡根据能量守恒定律,假设收缩段内能量损失可忽略,流体的总能量不变｡一次装置(如孔板､喷嘴､文丘里管)安装在管线中,产生静压差[14],根据压差和流体特性､装置环境,结合校准装置的几何相似性和使用条件,可确定流量｡根据这一原理,设计了适用的孔板,并考虑到连接与安装方便,布局合理｡孔板流量计结构如图5所示｡
图5孔板流量计结构示意图
(2)恒流量的控制系统设计
恒流量控制系统如图6所示,采用PID控制技术｡当流量低于设定值时,系统提高抽气泵转速;当流量高于设定值时,降低转速｡该系统设置了超限值回差机制,避免流量在设定值附近波动｡通过PID调节,流量稳定在设定值附近,确保抽气流量恒定｡
图6恒流量控制系统框图
6、传感器现场工业性试验
呼吸性粉尘传感器在四川华蓥山龙滩煤矿连续开展了120d工业性试验,将传感器接入防尘设备在线监控系统,上传至地面监控中心,试验效果良好,工业性试验部分数据如表5所示｡该传感器的维护周期为90d｡
表5呼吸性粉尘浓度传感器工业性试验部分数据表
7、结语
(1)基于虚拟冲击原理,设计了一种呼吸性粉尘分离器,分离效能满足标准要求;
(2)设计了自动换向装置,降低了整机功耗;
(3)对采样气路管径进行了优化设计,尽量降低粉尘的沉积;
(4)采用孔板流量,设计了呼吸性粉尘采样恒流系统;
(5)工业性试验证明:研制的呼吸性粉尘浓度传感器维护周期为90d,检测误差不大于13.5%｡
参考文献:
[1]李德文,赵政,郭胜均,等.“十三五”煤矿粉尘职业危害防治技术及发展方向[J].矿业安全与环保,2022,49(4):51-58.
[2]李德文,隋金君,刘国庆,等.中国煤矿粉尘危害防治技术现状及发展方向[J].矿业安全与环保,2019,46(6):1-7+13.
[5]赵政.基于光散射法的粉尘浓度检测技术研究[J].电子设计工程,2015,23(24):116-118+121.
[6]陈建阁,李德文,许江,等.基于光散射法无动力粉尘质量浓度检测技术[J].煤炭学报,2023,48(S1):149-158.
[10]赵政.基于光散射多源耦合的粉尘浓度检测技术[J].煤矿安全,2023,54(8):195-201.
[11]赵政,李德文,吴付祥,等.基于光散射法和电荷感应法融合的粉尘浓度检测技术[J].东北大学学报(自然科学版),2021,42(1):139-146+152.
[12]颜鸽来,刘国庆.基于主动荷电的电荷感应粉尘浓度检测技术[J].电子设计工程,2023,31(10):111-116.
[13]惠立锋,李德文,郭永彩.基于虚拟冲击原理的呼吸性粉尘连续分离技术[J].中南大学学报(自然科学版),2022,53(8):3062-3070.
[14]蔡伟华,王玉航,张文超,等.多孔介质-文丘里气泡发生器产气特性[J].化工学报,2024,75(10):3488-3497.
基金资助:重庆市博士“直通车”项目(CSTB2023NSCQ-BSX0010);
参考文献：董传宝,郑磊.煤矿呼吸性粉尘浓度监测技术研究[J].煤矿机械,2025,46(04):59-62.
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2025-07-07
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2025-04-07
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