趙政，四川蒼溪人，博士，副研究員，主要從事煤礦粉塵監測儀表及塵肺預警技術的科研工作。長期從事粉塵監測及塵肺預警方面的研究工作。為提高累積接塵量(引發塵肺病的重要因素)通用工班采樣法的時效性，首次提出作業工人累積接塵量實時監測方法，取得了國際專利，研發了首套“作業工人累積接塵量實時監測系統”，實現了累積接塵量的實時監測。負責或參與國家重點研發計劃項目3項，子課題7項，負責省部級項目2項，參與省部級項目5項。制定相關行業標準2項，修訂行業標準2項；授權發明專利27項(國際1項)；發表論文28篇，SCI 5篇，EI 9篇；獲得省部級獎勵5次，集團獎勵1次。

主要內容

1  呼吸性粉塵關鍵監測點分析

      在綜掘面巷道頂板總共布置了34個關鍵監測點, 安裝呼吸性粉塵濃度傳感器, 為呼吸性粉塵濃度時空場算法提供實時數據。綜掘面呼吸性粉塵濃度關鍵監測點布置如圖 1所示。

圖  1 綜掘面呼吸性粉塵濃度關鍵監測點布置圖

2   基于關鍵監測點的呼吸性粉塵濃度擴展空間插值算法

2.1   距離加權反比法分析

2.2   克里金法分析

2.3   擴展的空間插值算法

3   基于半變異理論的呼吸性粉塵時空場算法

3.1   半變異理論分析

3.2   呼吸性粉塵時空場算法

4    綜掘面呼吸性粉塵濃度時空場函數模型

     基于以上分析，建立綜掘面呼吸性粉塵濃度時空場函數模型。重點關注綜掘面人行區域呼吸帶水平面的呼吸性粉塵濃度變化情況。

綜掘面呼吸性粉塵濃度時空場函數模型的建立步驟如下:

        1) 按圖 1布置呼吸性粉塵濃度傳感器。

2) 將34個監測點0~500 s的實時數據上傳和保存, 作為已知監測點的數據樣本。

3) 對數據樣本采用經過對比的高斯理論模型擬合γs(li)空間半變異函數和γt(tj)時間半變異函數：

       4) 將γs(li)空間半變異函數和γt(tj)時間半變異函數代入式(19)得到式(22), 用以計算綜掘面內任意位置的呼吸性粉塵濃度：

5) 在實際應用中, 第2)步的實時數據樣本不斷更新, 帶動第4)步γs(li)和γt(tj)的重新擬合, 不斷更新式(22)中的kl1、kl2、kl3、kt1、kt2、kt3等6個系數, 再通過插值計算可得到綜掘面內任意時刻任意位置的呼吸性粉塵濃度。

經過以上步驟, 完成了綜掘面內呼吸性粉塵濃度時空場函數模型的建立。

該綜掘面呼吸性粉塵濃度時空場函數模型適用于采用正壓通風、綜掘機自帶除塵器的綜掘面。

5   試驗驗證

5.1   試驗準備

       5.1.1   試驗現場

       5.1.2   試驗儀器

      1) 呼吸性粉塵采樣器

      2) 分析天平

      3) 呼吸性粉塵濃度傳感器

5.2 試驗及數據分析

   5.2.1   試驗步驟

   5.2.2   試驗數據及分析

     經過驗證試驗, 得到距離加權反比法、克里金法和呼吸性粉塵時空場函數模型等計算的32個點的呼吸性粉塵濃度數據和采樣稱重實測數據, 結果如表 1所示。

表  1  綜掘面采樣位置的采樣器濾膜稱重呼吸性粉塵濃度與插值計算呼吸性粉塵濃度數據

        對比抽檢區域測點的呼吸性粉塵濃度值發現，在綜掘面司機5~10 m、端頭回風側10~15 m區域內的呼吸性粉塵濃度較高, 且變化較劇烈；而在回風側15 m后方呼吸性粉塵濃度開始逐步趨于平穩降低。

采用距離加權反比法、克里金法和呼吸性粉塵濃度時空場函數模型等方法計算綜掘面的呼吸性粉塵濃度時空場數據，并通過分析采樣稱重實測數據發現: 以各個點采樣稱重實測濃度數據為標準, 建立的呼吸性粉塵濃度時空場函數模型計算結果相對誤差為±14.8%, 比克里金法小±10.8%, 比距離加權反比法小±22.4%。

究其原因, 建立的時空場函數模型將時間維度和空間維度納入了權重系數中, 構建的呼吸性粉塵濃度時空場函數模型提高了插值計算的精度, 提升了去特異值點的能力；同時, 將半變異函數作為指導理論, 使呼吸性粉塵濃度時空場函數模型的計算效率更高、響應速度更快。

1) 對綜掘面呼吸性粉塵監測關鍵點進行了分析, 提出了關鍵監測點呼吸性粉塵濃度傳感器的布置方案, 為呼吸性粉塵濃度時空場函數提供實時數據。

2) 對距離加權反比法和克里金法等插值計算方法的優缺點進行了對比分析, 發現2種方法均缺少時間變量, 因此, 基于半變異理論提出一種空間和時間維度并重的呼吸性粉塵時空場算法。

3) 基于呼吸性粉塵時空場算法, 厘清了空間和時間半變異回歸函數的模型, 建立了綜掘面呼吸性粉塵濃度時空場函數模型。

4) 以河南新橋煤礦2502綜掘面為工程背景, 對綜掘面呼吸性粉塵濃度時空場函數模型進行試驗驗證, 發現: 綜掘面呼吸性粉塵濃度時空場函數模型計算結果相對誤差為±14.8%, 比克里金法小±10.8%, 比距離加權反比法小±22.4%。

5) 研究結果表明: 綜掘面呼吸性粉塵濃度時空場函數模型將時間維度和空間維度納入了權重系數中, 構建的時空場函數模型能更好地提高插值計算的精度, 提升去特異值點的能力。