近日，资源与安全工程学院杜翠凤教授团队在《Nature Communications》上发表矿山安全领域重要研究性论文，北京科技大学为论文第一单位和第一通讯单位。
随着浅部资源日趋枯竭，金属非金属矿山深部开采已成为保障国家战略资源安全的核心路径。深井开采面临高温（>35℃）、高湿（RH>90%）及多组分有害气体（CO/NO₂/NH₃等）的复杂环境挑战。为保障作业人员生命健康与矿井安全生产，需利用通风系统为井下提供新鲜风流，并规模化部署传感器监测其运行状态。然而，现有通风监测传感器面临供电布线困难、线路易受损、电池持续供能不足、功能集成度低以及大规模部署受限等问题，难以满足智能矿山的建设需求。如何突破“供电依赖-功能单一-部署受限”的技术困局，成为矿井安全监测领域亟待解决的关键问题。
杜翠凤教授带领团队联合中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和朱来攀研究员研究开发了一种基于摩擦纳米发电机（TENG）技术的自供能传感平台（TESS），该平台集成了风能收集、能量管理、多参数监测、信号处理与无线通信等功能模块，实现了面向智能矿业的高可靠性环境监测系统的构建。TESS采用双TENG结构协同工作的模式，其一用于风速的高精度监测（非接触式TENG），另一则耦合伯努利与涡激振动效应，实现对巷道风能的收集与高效电能转化，其输出开路电压可高达4.55 kV。该研究还提出了一种具有迟滞释放控制特性的能量管理系统，可以使机电能量转化效率提升近10倍；并首次提出了“充电功率密度”这一概念，其充电功率密度达到16.36 mW/m2。在实际矿井环境中，TESS每166 s可完成一次数据监测（包含风速、温度、湿度、大气压及CO、NO₂、NH₃气体浓度）、处理与无线传输，并在无人值守且相对湿度超过90%的真实矿井巷道中稳定运行超过3个月。该成果以“Self-powered sensing platform based on triboelectric nanogenerators towards intelligent mining industry”为题，发表在国际知名期刊《Nature Communications》上，北京科技大学为论文第一单位和第一通讯单位。
要点一：提出混合模式TENG，通过耦合伯努利与涡激振动效应，增强涡流引起的接触起电与静电感应效果，使表面电荷密度显著提升，输出电压峰-峰值突破4.5 kV。
图1. 用于风能收集的混合模式TENG的设计、表征和优化。a TESS中用于风能收集的混合模式TENG的结构与组件示意图。b 独立层模式、接触-分离模式与混合模式TENG的特性对比。c 混合模式TENG输出的电压信号。d 在扰流器作用下，涡流引起的压力分布云图。e 介电薄膜的初始运动状态。f 混合模式TENG的工作原理。g 混合模式TENG输出的电压峰-峰值随风速的变化。h 不同介电薄膜条件下，混合模式TENG在4 m/s和6 m/s风速条件下输出的电压峰-峰值。i 不同厚度的FEP介电薄膜条件下，混合模式TENG输出的电压峰-峰值。
要点二：构建了具有迟滞释放控制特性的能量管理系统，通过优化电路拓扑结构及关键器件，使能量转化效率提升近10倍，充电功率密度达到16.36 mW/m²，系统对矿井巷道环境具有良好适应性。
图2. 适配混合模式TENG的能量管理系统（PMS）的原理和优化。a 集成在TESS中的PMS的结构示意图。b PMS的工作原理。c-e 储能电容Cₛₜₒᵣₑ的电压随c陶瓷电容Cin的电容值及其额定电压、d 电感L的电感值以及 e齐纳二极管D2的耐压值的变化。f 使用整流桥、未优化的PMS及优化后的PMS (O-PMS)条件下，混合模式TENG在10 s内对470 μF的储能电容的充电曲线。g 水平和垂直布设的混合模式TENG在10 s内对100 μF的储能电容的充电曲线。h 温度和湿度对PMS能量转化效率的影响分析。
要点三：开发低功耗无线传感系统，构建一主多从的分布式传感网络，系统工作周期为166 s，可同步监测风速、温度、湿度、大气压及CO、NO₂、NH₃气体浓度等参数，并在无人值守且相对湿度超过90%的真实矿井巷道中稳定运行超过3个月。
图3. 低功耗无线传感器节点的原理、优化以及TESS的现场测试。a 低功耗无线传感节点及其各组成部分与功能。b TESS的现场实验照片。c 储能电容器的充电与PMS的放电曲线。d TESS与商用风速传感器的风速测量结果对比。e TESS运行三个月的工作周期时长对比。f-g混合模式TENG的FEP摩擦层与Cu电极的表面形貌。
该研究构建了一种高度集成的摩擦纳米发电机自供能传感平台（TESS），通过风能收集-多参数感知-无线传输一体化架构，突破矿井监测领域长期存在的供能依赖与部署限制，可实现无人值守下的长期稳定运行。该平台具备可大规模部署、适应复杂环境的显著优势，有效提升了矿井实时监测的能力与系统运行的可靠性，为新一代智能矿山监测系统的技术原型提供了有力支撑。
该成果为摩擦纳米发电机技术在智能矿业领域的系统集成与工程化应用奠定了坚实的理论基础与实施路径，系统验证了其在高湿、高粉尘、高扰动等极端工况下的应用可行性，有效突破了传统监测系统对电池供能与复杂布线的长期依赖，推动了矿山监测系统向自主供能、高度集成、可大规模部署等方向的技术演进。该研究中的自供能多参数传感系统还有望拓展至地下交通、城市管廊、智慧工厂、极地科研站等极端环境的连续监测领域，推动形成“部署即运行”的感知新范式。该技术在推动绿色能源、智能监测与低碳安全运行融合发展方面，具有广阔的应用前景与战略意义。
研究得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金和国家重点研发计划的支持。
杜翠凤，北京科技大学资源与安全工程学院教授，博士生导师；国家应急管理部非煤矿山安全生产专家，山东省应急管理厅非煤矿山安全专家；中国金属学会冶金安全与健康专业委员会委员；30余年来一直从事矿山安全领域研究工作，致力于矿山智能通风、深井降温、尘毒防治技术、矿井灾害防治技术的创新和应用，为提升矿山安全生产水平提供科技支撑。主持或参与国家自然科学基金面上项目、国家科技专项、校企合作项目等100余项，获省部级科学技术奖20余项，发表论文100余篇。
（供图：资源与安全工程学院）
（责编：付云笛）
