銅坑礦安全監(jiān)控及保障信息系統(tǒng)融合構(gòu)建與應(yīng)用*

潘家旭 羅先偉 胡建華 薛小蒙 周科平

(1.廣西華錫集團(tuán)股份有限公司；2.廣西高峰礦業(yè)股份有限公司；3.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院)

銅坑礦安全監(jiān)控及保障信息系統(tǒng)融合構(gòu)建與應(yīng)用*

潘家旭1羅先偉2,3胡建華3薛小蒙3周科平3

(1.廣西華錫集團(tuán)股份有限公司；2.廣西高峰礦業(yè)股份有限公司；3.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院)

地下礦山復(fù)雜的生產(chǎn)條件和受限的空間環(huán)境給井上、井下信息傳輸與快速響應(yīng)造成了困難?；谖覈?guó)地下礦山構(gòu)建的通信調(diào)度、環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控和人員定位等安全監(jiān)控與保障系統(tǒng)，以銅坑礦為例，提出了基于Wifi無(wú)線通信技術(shù)的三網(wǎng)融合體系，并在銅坑礦的生產(chǎn)安全管理控制中得到了應(yīng)用。結(jié)果表明：三網(wǎng)融合系統(tǒng)具有高可靠性、易維護(hù)性、低成本等優(yōu)勢(shì)，提高了礦山通信調(diào)度與安全預(yù)警的效率，為井下安全生產(chǎn)提供了有力保障。

Wifi技術(shù) 通信調(diào)度 安全健康與保障系統(tǒng) 人員定位 三網(wǎng)融合系統(tǒng)

隨著淺部礦產(chǎn)資源逐漸枯竭，深部開(kāi)采已經(jīng)成為礦山企業(yè)的主要發(fā)展方向。礦山開(kāi)采深度的不斷增加使得井下作業(yè)環(huán)境日趨復(fù)雜，安全風(fēng)險(xiǎn)與安全事故發(fā)生的概率增加[1-4]。為有效降低事故發(fā)生的損失，提高預(yù)警和安全救援效率，有必要建立有效的井上、井下安全監(jiān)控與保障系統(tǒng)的快速傳遞與響應(yīng)信息傳輸系統(tǒng)。我國(guó)礦山井下通訊主要經(jīng)歷了信號(hào)傳輸、有線傳輸和無(wú)線傳輸?shù)陌l(fā)展歷程，目前大多數(shù)礦山正從有線傳輸向無(wú)線傳輸?shù)陌l(fā)展過(guò)渡。有線傳輸方式適合于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊，無(wú)法實(shí)現(xiàn)突發(fā)情況下區(qū)域內(nèi)整體高效通訊調(diào)度[5-7]。隨著科技的進(jìn)步，小靈通技術(shù)、泄漏通訊、無(wú)線通信對(duì)話技術(shù)和Wifi通訊技術(shù)日漸成熟，其中Wifi技術(shù)以其抗干擾能力強(qiáng)、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[8]。部分煤礦企業(yè)已經(jīng)建立了井下Wifi系統(tǒng)的通信調(diào)度系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)，滿足了我國(guó)礦山井下六大安全系統(tǒng)的建設(shè)要求。然而，該3套系統(tǒng)相互獨(dú)立，難以實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確的信息傳遞與預(yù)警，未能實(shí)現(xiàn)較好的融合[9-10]。本研究針對(duì)銅坑礦的實(shí)際情況，通過(guò)構(gòu)建基于Wifi技術(shù)的通信調(diào)度、環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控和人員定位的統(tǒng)一系統(tǒng)，便于進(jìn)行高效管理。

1 工程背景

銅坑礦位于廣西南丹縣大廠鎮(zhèn)，是廣西華錫集團(tuán)下屬的主要礦山企業(yè)之一，主要包括細(xì)脈帶礦體、91#、92#礦體，是集團(tuán)公司主要原材料的采礦基地。銅坑礦經(jīng)過(guò)30 a的不斷開(kāi)拓，礦山產(chǎn)能已達(dá)200多萬(wàn)t/a。礦井由提升運(yùn)輸系統(tǒng)、主斜坡道和11個(gè)采掘中段組成，巷道錯(cuò)綜復(fù)雜。由于礦石為硫化礦石，且頂板圍巖為炭質(zhì)頁(yè)巖，高溫條件下易自燃，產(chǎn)生二氧化硫、一氧化碳等有毒害氣體。

2 系統(tǒng)建設(shè)

無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)是一種全新的信息獲取平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位、監(jiān)測(cè)和追蹤任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身定位是大多數(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提。目前，該技術(shù)有IEEE802.11a、IEEE802.11b 和 IEEE802.11g等3類可用標(biāo)準(zhǔn)[11-12]。該3 類標(biāo)準(zhǔn)的寬帶可隨信號(hào)的變化自動(dòng)調(diào)整，有效保障了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性，便于與現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)絡(luò)整合，組網(wǎng)靈活、成本較低，具有覆蓋范圍廣、有效距離長(zhǎng)、傳輸速度快、可靠性高、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)[13-14]。當(dāng)前較流行的Wifi定位是無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)系列標(biāo)準(zhǔn)(IEEE 802.11)的一種定位解決方案。該系統(tǒng)采用經(jīng)驗(yàn)測(cè)試和信號(hào)傳播模型相結(jié)合的方式，易于安裝，所需無(wú)線基站較少，采用相同的底層無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總精度高。

2.1 通訊調(diào)度系統(tǒng)

通訊調(diào)度系統(tǒng)包含井下手機(jī)語(yǔ)音對(duì)講和井下IP固話通訊2個(gè)部分，可在無(wú)線基站覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)手機(jī)與手機(jī)之間、手機(jī)與IP固話之間的通信。在地表監(jiān)控中心安裝智能型通信聯(lián)絡(luò)網(wǎng)關(guān)后，可實(shí)現(xiàn)井下手機(jī)、IP固話直接接入地表程控電話網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)專用的井下Wifi智能通信聯(lián)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，井下人員使用Wifi手機(jī)，可在無(wú)線Wifi網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部通話，也可撥打PSTN外線電話。井上包括調(diào)度中心監(jiān)控室等處的IP電話也可與井下的Wifi手機(jī)進(jìn)行通話。通過(guò)智能語(yǔ)音通訊網(wǎng)關(guān)可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)插、強(qiáng)拆、代接、監(jiān)聽(tīng)、組呼、群呼、會(huì)議、夜服等各種綜合調(diào)度操作、監(jiān)控及管理功能。該系統(tǒng)完全突破了有限地域的限制，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋調(diào)度、分布組網(wǎng)、集中管理，如圖1所示。

圖1 通訊調(diào)度系統(tǒng)

2.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括2類：①環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，將各環(huán)境檢測(cè)器(如一氧化碳、二氧化硫、風(fēng)速等)的數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確地傳輸給相應(yīng)服務(wù)器并經(jīng)綜合處理后供監(jiān)控人員以各種方式查詢和統(tǒng)計(jì)，圖形界面即時(shí)顯示井下氣體含量信息及一段時(shí)間(根據(jù)礦山實(shí)際情況設(shè)定)內(nèi)的平均值；②礦山采動(dòng)地壓監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)已有的地壓監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)直接接入礦山井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，若礦井某個(gè)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)器的環(huán)境或地壓參數(shù)超出相關(guān)規(guī)定，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)彈出報(bào)警對(duì)話框(包括報(bào)警位置、超標(biāo)氣體類型、地壓最大值、超標(biāo)量等)并發(fā)出聲音報(bào)警提示，同時(shí)井下檢測(cè)器及調(diào)度監(jiān)控中心均會(huì)以聲光形式提醒現(xiàn)場(chǎng)人員。根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)、監(jiān)控的實(shí)際需要，在355，405，455，505 m等4個(gè)中段平巷指定的井下位置點(diǎn)共安裝了21臺(tái)檢測(cè)器(8臺(tái)一氧化碳檢測(cè)器、8臺(tái)二氧化硫檢測(cè)器及5臺(tái)風(fēng)速檢測(cè)器)。在監(jiān)控中心安裝環(huán)境監(jiān)測(cè)服務(wù)器軟件，將各檢測(cè)器的數(shù)據(jù)信息及時(shí)準(zhǔn)確地傳輸給相應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)服務(wù)器，經(jīng)綜合處理后，供監(jiān)控人員以各種方式查詢和統(tǒng)計(jì)。若礦井某個(gè)檢測(cè)器的環(huán)境參數(shù)未達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在井下及監(jiān)控中心都將以聲光等形式報(bào)警，提醒相關(guān)人員及時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處理。

2.3 人員定位系統(tǒng)

人員定位系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)代級(jí)聯(lián)式光纖總線收發(fā)技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的Wifi通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，可實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、直觀地將井下各區(qū)域的人員和移動(dòng)設(shè)備情況動(dòng)態(tài)反映到地面調(diào)度中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，每位井下人員及重要的移動(dòng)設(shè)備，均配備系統(tǒng)專門(mén)設(shè)計(jì)的定位卡，在其經(jīng)過(guò)分布于井下的無(wú)線基站附近時(shí)，其定位卡信息被無(wú)線基站捕獲并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至調(diào)度中心人員定位系統(tǒng)主服務(wù)器進(jìn)行信息處理和展現(xiàn)，使管理人員能夠隨時(shí)掌握井下人員和移動(dòng)設(shè)備的總數(shù)及分布狀況。該系統(tǒng)可跟蹤每個(gè)下井人員入井、出井時(shí)間及運(yùn)動(dòng)軌跡，便于礦山進(jìn)行更加合理的人員調(diào)度和管理。當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，救援人員可根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)、圖形等信息，及時(shí)掌握事故地點(diǎn)的人員和設(shè)備信息，并及時(shí)采取相應(yīng)的救援措施，提高應(yīng)急救援工作效率。

在主斜坡道255，305，355，386～364，396，405，422～450，455，470～200，483，505 m等11個(gè)中段分別安裝相應(yīng)的無(wú)線基站(CRD-706/708N)，利用無(wú)線Wifi通訊技術(shù)對(duì)所有經(jīng)過(guò)無(wú)線基站覆蓋區(qū)域的作業(yè)人員和移動(dòng)設(shè)備的定位卡信息、位置和路徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)安裝于監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)圖形服務(wù)軟件，直觀形象地顯示在調(diào)度中心的監(jiān)控屏幕上，銅坑礦人員定位系統(tǒng)如圖2所示。

2.4 三網(wǎng)融合設(shè)計(jì)

通過(guò)在井下安裝若干個(gè)無(wú)線基站，在實(shí)現(xiàn)井下Wifi無(wú)線網(wǎng)覆蓋的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)人員定位、通信聯(lián)絡(luò)和監(jiān)測(cè)監(jiān)控。下井人員攜帶Wifi手機(jī)，通過(guò)Wifi手機(jī)不僅可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通話，而且可實(shí)現(xiàn)對(duì)攜帶該手機(jī)的人員進(jìn)行定位。未配置Wifi手機(jī)的下井人員須攜帶Wifi定位卡，當(dāng)攜帶Wifi定位卡的人員進(jìn)入井下巷道后，通過(guò)坑道內(nèi)的任何一個(gè)Wifi無(wú)線基站附近時(shí)，無(wú)線基站與定位卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并將信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到至控制中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)檢索數(shù)據(jù)庫(kù)，可查找出當(dāng)前定位卡的具體信息(包括攜帶者身份信息、所在位置、當(dāng)前時(shí)間等)。網(wǎng)絡(luò)同時(shí)可容納幾十部固定IP電話(固話)和多臺(tái)監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備的接入。Wifi(無(wú)線局域網(wǎng))或PHS(無(wú)線手持系統(tǒng)，小靈通)配合調(diào)度機(jī)可實(shí)現(xiàn)方便、靈活的無(wú)線調(diào)度，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度指揮提供可靠保障，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖2 人員定位系統(tǒng)

(1)爆破警戒。由于井下工作人員較多，為保證安全，需劃定一定的警戒區(qū)域。該融合系統(tǒng)可對(duì)井下人員進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，對(duì)于接近警戒區(qū)域的工作人員予以警告，確保爆破作業(yè)安全進(jìn)行。

(2)通訊調(diào)度。通過(guò)雙向反饋，對(duì)施工小組下達(dá)實(shí)時(shí)生產(chǎn)任務(wù)指標(biāo)，根據(jù)井下作業(yè)的實(shí)際情況，對(duì)不同的工作進(jìn)行調(diào)度，提高礦山的生產(chǎn)效率。

(3)災(zāi)前預(yù)警。礦山井下情況復(fù)雜，存在二氧化硫、一氧化碳等有毒氣體，地壓活動(dòng)顯現(xiàn)區(qū)等潛在災(zāi)源。井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到危險(xiǎn)后，立即發(fā)出警報(bào)，調(diào)度室通過(guò)通訊系統(tǒng)的群呼功能通知井下人員撤離，此外，人員定位系統(tǒng)可協(xié)助調(diào)度人員確定每個(gè)工人的位置。

(4)災(zāi)后救援。通過(guò)人員定位模塊迅速確定被困人員的位置，利用監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)分析井下環(huán)境是否適合救援，借助通信模塊聯(lián)系被困人員并指導(dǎo)人員救助工作。

3 應(yīng)用實(shí)例

銅坑礦建立了三網(wǎng)融合系統(tǒng)，使得井上通訊系統(tǒng)與井下的安監(jiān)系統(tǒng)(如人員定位系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng))得以無(wú)縫兼容對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)、一體化應(yīng)用。銅坑礦細(xì)脈帶礦體為含硫礦石，頂板圍巖為炭質(zhì)頁(yè)巖，高溫作用下易發(fā)生自燃并產(chǎn)生有毒有害氣體。2012年10月該礦455 m中段的某次回采作業(yè)過(guò)程中，采場(chǎng)作業(yè)人員3人，由于細(xì)脈帶采場(chǎng)密閉，局部產(chǎn)生高溫自燃，導(dǎo)致污染風(fēng)流下串，布設(shè)于該中段的一氧化碳和二氧化硫檢測(cè)器突然發(fā)出超標(biāo)警報(bào)，地面控制中心接收到警報(bào)信息后，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度信息的聯(lián)動(dòng)。利用人員定位系統(tǒng)對(duì)污染區(qū)域的作業(yè)人員進(jìn)行了精確定位，通訊系統(tǒng)對(duì)該區(qū)域工作人員進(jìn)行了群呼操作，指導(dǎo)采場(chǎng)作業(yè)人員和周邊區(qū)域人員迅速撤離。整個(gè)過(guò)程從預(yù)警到調(diào)度到撤離，全程不超過(guò)5 min。礦山啟動(dòng)備用局扇加大通風(fēng)量對(duì)污染巷道予以稀釋，并派遣了工作人員封堵相關(guān)巷道，防止有害氣體的再次溢出。

圖3 礦山三網(wǎng)融合系統(tǒng)

4 結(jié) 語(yǔ)

在銅坑礦復(fù)雜的地下生產(chǎn)系統(tǒng)中構(gòu)建了井下通訊系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)以及人員定位系統(tǒng)，基于Wifi技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三者的高效融合，成效顯著。

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*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51074178)。

2015-09-13)

潘家旭(1958—)，男，高級(jí)工程師，547000 廣西壯族自治區(qū)河池市。