王彥斌

（中煤科工集團(tuán)煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013）

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1綜合反映煤層瓦斯含量及卸壓初期瓦斯解吸速度的大小，用特定儀器測(cè)定鉆屑試樣在卸壓初期一段時(shí)間（5 min）瓦斯解吸的斜率表示[1]。K1值的大小與煤的破壞程度、煤層瓦斯壓力及瓦斯解吸速度等有關(guān)。研究人員通過實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證[2-10]，都表明K1值與突出危險(xiǎn)性密切關(guān)聯(lián)，可用于突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)[11]。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值因測(cè)定方法簡單，操作方便而得到廣泛應(yīng)用。

依照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》，當(dāng)采用鉆屑指標(biāo)法預(yù)測(cè)時(shí)，預(yù)測(cè)鉆孔的布置方式為：在近水平、緩傾斜煤層工作面應(yīng)當(dāng)向前方煤體至少施工3 個(gè)預(yù)測(cè)鉆孔，在傾斜或者急傾斜煤層至少施工2 個(gè)預(yù)測(cè)鉆孔，鉆孔直徑42 mm、孔深8～10 m。采用鉆屑指標(biāo)法預(yù)測(cè)煤巷掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)性時(shí)，預(yù)測(cè)鉆孔從第2 m 深度開始，每鉆進(jìn)1 m 測(cè)定該1 m 段的全部鉆屑量S，每鉆進(jìn)2 m 至少測(cè)定1 次鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1（或者△h2值）。

現(xiàn)有煤礦使用的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值測(cè)定儀（以下簡稱測(cè)定儀），1 次只能測(cè)量1 個(gè)煤樣，由于打鉆速度要求控制在1 m/min，而采集及測(cè)量1 個(gè)煤樣需要5～7 min，這樣就會(huì)造成打鉆及接粉人員不斷處于等待狀態(tài)，瓦斯突出預(yù)測(cè)時(shí)間加長，占用較多的生產(chǎn)時(shí)間[12]，影響預(yù)測(cè)效率。攜帶1 臺(tái)集數(shù)據(jù)采集及K1值計(jì)算于一體的測(cè)定儀用于突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)在煤礦應(yīng)用較為普遍。有的煤礦為了加快測(cè)量，則攜帶多臺(tái)測(cè)定儀交替操作，但由于測(cè)定儀需要通過按鍵操作來回切換顯示界面及進(jìn)行編輯輸入，容易導(dǎo)致因編輯出錯(cuò)或界面切換不及時(shí)而造成測(cè)量誤差。

目前升級(jí)換代后的測(cè)定儀主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，而編輯操作及K1值計(jì)算功能則由本安手機(jī)完成，1臺(tái)本安手機(jī)與1 臺(tái)采集儀配合使用，雖然本安手機(jī)操作方便，但測(cè)量效率問題并沒有得到解決。為了加快測(cè)量且利用本安手機(jī)操作簡便的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于無線通信的煤與瓦斯突出數(shù)據(jù)采集儀（以下簡稱采集儀）；采集儀可實(shí)時(shí)測(cè)量鉆屑瓦斯壓力值，既可與本安手機(jī)通過低功耗藍(lán)牙（BLE）實(shí)現(xiàn)無線通信，又能與其他采集儀之間通過RF433 實(shí)現(xiàn)無線通信，BLE 和RF433 無線的綜合應(yīng)用，使1對(duì)多設(shè)計(jì)理念得以實(shí)現(xiàn)，解決了打鉆與測(cè)量的銜接問題，大幅提高了預(yù)測(cè)效率。

1 采集儀總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖1。采集儀設(shè)計(jì)為1 對(duì)多無線通信方案，即1 臺(tái)本安手機(jī)與多臺(tái)采集儀配合使用。本安手機(jī)與采集儀1 之間采用BLE 連接，采集儀1 與其他采集儀之間采用RF433 連接。通過本安手機(jī)選擇編號(hào)為1 的采集儀及要連接的采集儀數(shù)量n（n≤6）；采用智能地址分配技術(shù)通過采集儀1 對(duì)其他采集儀從2 到n 進(jìn)行自動(dòng)順序編號(hào)。

圖1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)Fig.1 Design of system function

具體方案為：打開本安手機(jī)采集儀專用APP，通過BLE 與采集儀1 建立連接，通過RF433 建立采集儀1 與其他采集儀2 到n 之間的連接。APP 通過接收與接粉對(duì)應(yīng)的采集儀1 到n 的采樣時(shí)間間隔相匹配的壓力值，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值。本安手機(jī)采集儀專用APP 采用了專業(yè)化和人性化設(shè)計(jì)，功能邏輯清晰，方便用戶輸入及編輯。防突工根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用情況及對(duì)APP 和采集儀操作的熟練程度，可以選擇性攜帶1～6 臺(tái)采集儀進(jìn)行交替預(yù)測(cè)，極大提高了防突工的預(yù)測(cè)效率。

2 采集儀硬件

采集儀硬件總體框圖如圖2。

圖2 采集儀硬件總體框圖Fig.2 Total block diagram of acquisition instrument hardware

采集儀硬件主要由主控電路板和OLED 顯示板組成。主控板包含STM32 單片機(jī)、電壓轉(zhuǎn)換模塊、按鍵、存儲(chǔ)、BLE 模塊、RF433 無線模塊、氣體壓力傳感器、溫度測(cè)量模塊及蜂鳴器等。采集儀有壓力、溫度、電池電量實(shí)時(shí)采集顯示，與本安手機(jī)及其他采集儀間進(jìn)行無線數(shù)據(jù)交互等功能。

2.1 主控電路

主控電路是采集儀的核心，單片機(jī)選用高性能的ARM○RCortexTM-M332位的RISC內(nèi)核STM32F103RCT6。工作頻率為72 MHz，3 個(gè)SPI 接口（1 個(gè)專門用于與OLED 通信，1 個(gè)用于壓力傳感器及存儲(chǔ)芯片的讀寫，1 個(gè)用于與溫度測(cè)量模塊進(jìn)行交互），5 個(gè)USART 接口（BLE 與RF433 無線通信各自占用1 個(gè)），3 個(gè)12 位的ADC（用其中1 個(gè)進(jìn)行電池電量采集），51 個(gè)多功能雙向I/O 口，每個(gè)I/O 口都可由C 語言代碼控制輸出（推拉或開路）、輸入（帶或不帶上拉或下拉），多數(shù)I/O 管腳都與數(shù)字或模擬的外設(shè)共用，且都有大電流通過能力[13]。

采集儀采用本質(zhì)安全型設(shè)計(jì)，電源采用可充電錳酸鋰電池。為保證正常測(cè)定，要求在測(cè)定過程中儀器的電量充足，如果在欠壓情況下繼續(xù)用于測(cè)定，則測(cè)出的K1值將會(huì)產(chǎn)生很大誤差[11]。電池容量按至少連續(xù)工作不低于10 h 的最大功耗考慮，并井上及時(shí)充電。OLED 屏為關(guān)鍵耗能器件，可通過軟件設(shè)置在一定時(shí)長內(nèi)沒有按鍵操作或通信命令的情況下，OLED 屏進(jìn)入熄屏狀態(tài)，在熄屏后一定時(shí)長內(nèi)仍沒有任何操作，采集儀自行關(guān)機(jī)。通過此種軟件設(shè)置既可以節(jié)電，又可延長鋰電池及顯示屏壽命。電源電路采用輸入防反接電路設(shè)計(jì)，電源輸入后通過1 路3.3 V 轉(zhuǎn)換電路給采集儀主板供電，另1 路通過12 V 轉(zhuǎn)換電路給OLED 顯示板供電。

壓力傳感器采用HSC 系列硅壓力傳感器，工作電壓較低，10 mm×10 mm 微型封裝，能耗極小，14位數(shù)字輸出壓力，范圍為0～10 kPa，總誤差帶為1%的滿量程最大值[14]。單片機(jī)與壓力傳感器采用SPI接口傳輸?；诟鞯V井煤層賦存深度、通風(fēng)設(shè)施、巷道斷面等不同，采集儀設(shè)計(jì)有壓力自動(dòng)校零功能，能有效排除現(xiàn)場(chǎng)其他因素帶來的壓力測(cè)量誤差。

采集儀與本安手機(jī)APP 采用私有協(xié)議通過藍(lán)牙進(jìn)行無線通信。藍(lán)牙模塊選用一款超低功耗藍(lán)牙4.2 模塊WH-BLE102，1.7～3.6 V 單電源供電，平均200 μA 低功耗廣播模式，平均500 nA 休眠模式，多種喚醒方式。支持128 bit 格式UUID 修改，可與其他廠家模塊通信。該模塊主從一體，可用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)透明傳輸及加密傳輸，用戶無需關(guān)心傳輸協(xié)議，只需要進(jìn)行簡單的設(shè)置就可以進(jìn)行通訊，滿足采集儀無線設(shè)計(jì)要求。

各采集儀之間用私有協(xié)議通過RF433 模塊進(jìn)行無線通信。模塊選擇結(jié)合功耗低、抗干擾性能強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、性價(jià)比高等方面綜合考慮，最終選定RF180B 模塊。該模塊高度集成超低功耗半雙工微功率嵌入式無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其嵌入高速單片機(jī)和高性能射頻芯片。采用高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼，使抗干擾和靈敏度大大提高。RF180B 模塊可在2.1～3.6 V 電壓范圍內(nèi)工作，在接收狀態(tài)僅僅消耗3.2 mA，有4 種工作模式。在1 s 周期輪詢喚醒省電模式下，接收僅僅消耗不到20 μA，1 節(jié)3.6 V/3.6 Ah的鋰電池可工作10 年以上。700 m 傳輸距離（1 000 bps），頻率430～437 MHz，雙256 bytes 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，內(nèi)置看門狗。

2.2 OLED 顯示屏控制電路

OLED 顯示屏可用于顯示壓力、溫度、電池電量等實(shí)時(shí)測(cè)量信息，查詢或設(shè)置BLE 及RF433 MHz無線等參數(shù)，配置各種節(jié)能及出廠參數(shù)等功能，與單片機(jī)采用SPI 方式通信。顯示屏選用中景園電子控制芯片為SSD1309 的2.42 寸24 pin 插接128*64 單色OLED，12 V 供電，OLED 驅(qū)動(dòng)電路如圖3。

圖3 OLED 驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 OLED drive circuit

3 采集儀軟件

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值測(cè)定軟件設(shè)計(jì)主要包括采集儀單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和本安手機(jī)專用APP 軟件設(shè)計(jì)2 個(gè)部分，通過私有通信協(xié)議共同完成壓力、溫度的數(shù)據(jù)采集，并最終由本安手機(jī)專用APP 完成K1值計(jì)算及突出預(yù)測(cè)。在KeilμVision5 編譯環(huán)境下采用C 語言對(duì)采集儀軟件程序進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)[15]，包括主程序、初始化子程序、壓力及溫度數(shù)據(jù)采集子程序、藍(lán)牙通信子程序、RF433 通信子程序、按鍵處理子程序等。

3.1 采集儀主流程

采集儀軟件主程序流程如圖4。

圖4 采集儀軟件主程序流程Fig.4 Main program flow of acquisition instrument software

上電后首先進(jìn)行初始化，初始化子程序主要完成STM32F103RTC6、外部總線、各外設(shè)模塊的引腳和時(shí)鐘初始化，配置定時(shí)器和中斷，配置SPI 和USART 及OLED 初始化。初始化完成后實(shí)時(shí)采集壓力、溫度、電池電量等數(shù)據(jù)并在OLED 屏上顯示。此時(shí)各采集儀都處于待連接狀態(tài)。若有本安手機(jī)發(fā)送建立連接命令，則對(duì)應(yīng)硬件地址的采集儀被編號(hào)為1 并建立連接且與本安手機(jī)時(shí)鐘同步。同時(shí)采集儀1 發(fā)送廣播命令，并根據(jù)其他采集儀的回復(fù)進(jìn)行智能地址從2 到n 的分配且同步時(shí)鐘信息。主程序無線通信部分包含BLE 與RF433，根據(jù)不同的指令進(jìn)行拆包解析及響應(yīng)回復(fù)處理。按鍵處理程序用于界面切換、編輯、參數(shù)設(shè)置、藍(lán)牙模式切換、壓力校零等操作。

3.2 本安手機(jī)專用APP 操作流程

防突工開始進(jìn)行突出預(yù)測(cè)前，先將各采集儀開機(jī)上電，接著打開本安手機(jī)專用APP，本安手機(jī)專用APP 操作流程如圖5。

圖5 本安手機(jī)專用APP 操作流程Fig.5 Special APP operation process of intrinsically safe type mobile phone

在APP 設(shè)置要連接的采集儀數(shù)量及選擇要連接的1 號(hào)采集儀地址并建立連接，此時(shí)通過采集儀1 也與智能分配2-n 的編號(hào)的其他采集儀建立連接。預(yù)測(cè)時(shí)，首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)打鉆情況，選擇提前設(shè)置好的工作面孔號(hào)，開始打鉆并每1 m 測(cè)量鉆屑量S，從孔深為2 m 處開始測(cè)量K1值。K1值測(cè)量包括接粉和測(cè)量過程，其中接粉要求控制在120 s 以內(nèi)完成，否則該次煤樣失效。為了提高測(cè)量精度，設(shè)計(jì)采用間隔15 s 采集1 次壓力值，共計(jì)采集20 次。接粉時(shí)，先選擇空閑采集儀，被選中的采集儀屏幕反色顯示區(qū)分于其他采集儀以利于準(zhǔn)確快速裝粉。接粉完成進(jìn)入測(cè)量后無需等待測(cè)量過程，只要有空閑采集儀，即可進(jìn)行下1 次的打鉆及接粉工序，各個(gè)采集儀交替工作，形成并行操作，提高效率。在每次測(cè)量完成后，APP 會(huì)快速給出K1值計(jì)算結(jié)果，綜合鉆屑量S 及突出預(yù)兆情況，若K1值指標(biāo)或鉆屑量指標(biāo)S超出定值或有較嚴(yán)重的突出預(yù)兆，則預(yù)測(cè)為有突出危險(xiǎn)，結(jié)束本次預(yù)測(cè)，采取相應(yīng)防突措施。否則可繼續(xù)測(cè)量，直到所有鉆孔預(yù)測(cè)完成，且K1值指標(biāo)及鉆屑量指標(biāo)S 皆不超限，亦無突出預(yù)兆現(xiàn)象產(chǎn)生，則預(yù)測(cè)為無突出危險(xiǎn)，結(jié)束本次預(yù)測(cè)。

4 測(cè)試驗(yàn)證

產(chǎn)品測(cè)試包含無線測(cè)距及性能、電池性能、本安電路設(shè)計(jì)及軟件邏輯等多方面，雙無線鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值測(cè)定儀已取得安標(biāo)證書（MFA200478），相關(guān)的性能測(cè)試不在此展開。重點(diǎn)從壓力值測(cè)試及測(cè)量效率方面進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證分析。

1）壓力值測(cè)試。采集儀設(shè)計(jì)測(cè)量范圍0～10 kPa，分辨率：1 Pa，基本誤差±0.5%FS。實(shí)驗(yàn)室采用KY2010 數(shù)字精密壓力表（壓力范圍：0～20 kPa，準(zhǔn)確度：0.02%FS）作為基準(zhǔn)源，對(duì)采集儀壓力精度進(jìn)行了多次測(cè)量，結(jié)果呈現(xiàn)較好的一致性。測(cè)試前，在連通大氣壓的情況下，先對(duì)KY2010 及采集儀同時(shí)進(jìn)行校零，再進(jìn)行測(cè)量。氣體壓力值測(cè)試數(shù)據(jù)反映出在滿量程范圍內(nèi)壓力測(cè)量誤差未超出±0.1%FS，遠(yuǎn)小于行業(yè)采集儀±1%FS 的精度要求，也符合采集儀設(shè)計(jì)指標(biāo)±0.5%F.S 的精度要求。

2）測(cè)量效率。提前準(zhǔn)備出粒徑1～3 mm 的煤樣1 200 g，每組200 g 分別密封在編號(hào)為1#～6#的不銹鋼煤樣筒中進(jìn)行瓦斯吸附，充氣壓力保持為2 MPa，充氣時(shí)間48 h。為了對(duì)比測(cè)量效率，完成所有鉆孔模擬測(cè)量，K1值設(shè)定為超限不退出測(cè)量或調(diào)大K1值超限值為1.0 cm3/g·min1/2。利用1 臺(tái)本安手機(jī)分別連接1～6 臺(tái)采集儀，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬測(cè)試鉆孔3 個(gè)，每個(gè)鉆孔深度10 m，分別在2、4、6、8、10 m 處測(cè)量瓦斯鉆屑解吸指標(biāo)K1值，每鉆進(jìn)1 m 輸入該1 m 段的全部鉆屑量S 值（輸入固定值2.0 kg），不考慮打鉆停歇時(shí)間，接粉時(shí)長根據(jù)屏幕計(jì)時(shí)提示統(tǒng)一在1 min 完成接粉切換到測(cè)量，連接不同數(shù)量采集儀，利用對(duì)應(yīng)編號(hào)的煤樣筒煤樣進(jìn)行測(cè)量，前期準(zhǔn)備工作中的工作面及鉆孔信息設(shè)定時(shí)間不計(jì)入，從采集儀連接成功到第1 個(gè)鉆孔2 m 處開始接粉處計(jì)時(shí)，若有空閑采集儀則連續(xù)進(jìn)行，以連接1 臺(tái)采集儀所用時(shí)間為基準(zhǔn)，則測(cè)量完成所用時(shí)間及效率提高情況（與基準(zhǔn)值的比值），預(yù)測(cè)效率分析表見表1。1 臺(tái)手機(jī)連接1 臺(tái)采集儀兼容目前市場(chǎng)手機(jī)版測(cè)定儀。通過表1 可見，連接2～6 臺(tái)采集儀效率會(huì)不斷提升，但從4 臺(tái)起，增速會(huì)趨于下降，雖然采集儀支持連接6 臺(tái)，結(jié)合工作效率提高程度、采集儀成本、現(xiàn)場(chǎng)擺放及操作的方便性，建議連接2～4 臺(tái)更能充分發(fā)揮采集儀的優(yōu)勢(shì)（省時(shí)1/2～2/3）。

表1 預(yù)測(cè)效率分析表Table 1 Predictive efficiency analysis

5 結(jié) 語

針對(duì)目前煤礦井下應(yīng)用的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值測(cè)定儀測(cè)定時(shí)間長、效率低的問題，從解決防突預(yù)測(cè)效率考慮，研制出以STM32F103RTC6 為核心處理器，具有BLE 和RF433 的綜合無線通信的煤與瓦斯突出數(shù)據(jù)采集儀，并已取得安標(biāo)證書（MFA200478）。根據(jù)K1值測(cè)量流程分析及煤安認(rèn)證和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果，得出采用1 臺(tái)本安手機(jī)對(duì)應(yīng)連接多臺(tái)采集儀的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，可顯著提高預(yù)測(cè)效率。