基于智能傳感技術(shù)的人員安全感知與定位技術(shù)研究

李月月 王春森

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，煤礦機械化、自動化技術(shù)水平得到顯著提升，智能傳感技術(shù)在礦井的應(yīng)用日趨廣泛，基于此，筆者以巴彥高勒礦為背景，對低頻接近感知的智能工作面人員安全感知與定位系統(tǒng)以及電液控制系統(tǒng)進行分析，結(jié)果表明：該技術(shù)在近距離范位內(nèi)精度較高，在支架金屬半包裹環(huán)境中可正常工作，系統(tǒng)達到人員安全感知與定位的目的。最后并從經(jīng)濟、社會等方面分析了該項技術(shù)對礦井的具體益處。

關(guān)鍵詞：智能傳感技術(shù)；綜采工作面；定位技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.104

當(dāng)前煤礦井下越來越多自動化設(shè)備投入使用，如何為自動化采煤工作面操作人員提供安全保障成為迫切需要研究的課題，眾多學(xué)者開展了廣泛的研究，并取得了豐碩成果[1-3]。采煤工作面易發(fā)生采煤機、支架、轉(zhuǎn)載機、破碎機設(shè)備的傷人事故，要想避免上述事故發(fā)生首先需要部署安全感知器件，對人員、設(shè)備的未知位置、運行狀態(tài)進行監(jiān)控。本項目主要研究智能傳感技術(shù)的人員安全感知與定位相關(guān)方法、技術(shù)及其在煤礦采掘工作面的應(yīng)用，研制工作面安全感知與定位技術(shù)，保護人員的安全對于煤礦綜采工作面的安全運行具有重要意義。通過人員感知裝置實現(xiàn)工作面人員定位，控制系統(tǒng)根據(jù)人員精確位置數(shù)據(jù)閉鎖人員所在支架，從而實現(xiàn)人員安全保護，避免傷人事故發(fā)生。

1 試驗地點基本概況

巴彥高勒礦井是內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司下屬特大型煤礦，煤層甲烷含量在0.00～0.13ml/g之間，沖擊地壓嚴重。自2012年投產(chǎn)以來，開采的綜采工作面有311101、311201和311306，三個工作面分別位于巴彥高勒煤礦11盤區(qū)、12盤區(qū)、13盤區(qū)，均為實炭區(qū)，屬于厚煤層開采，煤厚在5.0～5.8米之間，煤層傾角在0～3°之間，工作面長度260米左右，推采長度約2550米。

2 試驗主要內(nèi)容

2.1 主要研究內(nèi)容

根據(jù)綜采工作面支架環(huán)境特征，選擇并設(shè)計適合金屬半包裹環(huán)境的人員接近感知方法及其實現(xiàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在工作面支架上部署一定數(shù)量的定位傳感器，工作人員攜帶定位標(biāo)簽進入工作面。定位傳感器定期通過其低頻天線發(fā)送定位幀，當(dāng)人員進入特定傳感器作用范圍時，其攜帶標(biāo)簽收到該數(shù)據(jù)，然后該標(biāo)簽與基站通過射頻通信建立連接完成定位，系統(tǒng)將該定位數(shù)據(jù)通知電控系統(tǒng)實現(xiàn)特定支架閉鎖。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點

針對工作面的復(fù)雜條件，主要研究了綜采工作面人員安全感知與定位關(guān)鍵技術(shù)，取得了以下成果：

（1）將低頻通信技術(shù)引入綜采工作面人員定位系統(tǒng)，利用其極強的穿透性和優(yōu)良的RSSI與距離相關(guān)性，實現(xiàn)工作面人員感知定位，并實現(xiàn)亞米級定位精度；（2）基站采用同步技術(shù)，保證鄰近的幾個基站定位數(shù)據(jù)幀發(fā)送時間不會重合，從而實現(xiàn)基站的密集分布，保證定位精度；（3）用于距離計算的RSSI信息通過XYZ三個方向分量的電磁場計算所得，避免由于標(biāo)簽不同姿態(tài)產(chǎn)生的誤差；（4）定位感知系統(tǒng)與電液控制系統(tǒng)相兼容，基站可通過控制器連接到電控系統(tǒng)，實現(xiàn)電控系統(tǒng)人員感知與自動閉鎖。

整套系統(tǒng)在內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司巴彥高勒煤礦已完成井下工業(yè)性試驗，現(xiàn)拓展應(yīng)用于巴彥高勒煤礦在采工作面。試驗結(jié)果表明智能化的低頻定位技術(shù)在近距離范位內(nèi)精度較高，在支架金屬半包裹環(huán)境該技術(shù)可正常工作，定位精度滿足1個支架的要求，該技術(shù)適用于井下采煤工作面應(yīng)用。系統(tǒng)達到人員安全感知與定位的目的。

3 經(jīng)濟效益

3.1 直接經(jīng)濟效益

經(jīng)過井下現(xiàn)場調(diào)試和運行，礦用感知傳感器、人員定位標(biāo)識卡工作穩(wěn)定，實現(xiàn)了人員感知定位的目標(biāo)。通過該項目的實施，綜采工作面實現(xiàn)操作人員的自動感知與定位，對于一般工作面來說，系統(tǒng)可以避免由于誤操作帶來的傷人事故；對于自動化工作面來說，操作工人逐步向巡檢、維修人員轉(zhuǎn)化，在采面設(shè)備遠程遙控操作過程中，人員可以根據(jù)其權(quán)限進入工作面，且保證安全。該技術(shù)的應(yīng)用為無人化采煤方式提供技術(shù)支撐，將工人從危險的工作面采場解放到相對安全的順槽監(jiān)控中心，在提高生產(chǎn)作業(yè)安全性的同時，也節(jié)約了人工的投入，每個生產(chǎn)小班將節(jié)省2人，每個原班將節(jié)省人工1人，每年可節(jié)約人工總費用45萬元。

3.2 間接經(jīng)濟效益

該項目成果的應(yīng)用，可有效解決綜采工作面人員安全感知與精確定位問題，有效的減少采煤過程中的傷人事故發(fā)生和維修時間，增加每個工作日的工作時間，同時可減小綜采工作面工人的作業(yè)強度，降低作業(yè)的危險系數(shù)，經(jīng)濟安全效益顯著。

3.3 社會效益分析

通過該項目的實施，取得了以下社會效益：

（1）將綜采工作面人員位置由原來的視覺、對話確定改進為自動識別，大大提高識別的準(zhǔn)確性和自動化程度，結(jié)合電液控制系統(tǒng)自動實現(xiàn)所在支架閉鎖。提高了工人的安全系數(shù)，提升了礦井的安全級別。（2）該技術(shù)的應(yīng)用可以保證工作面人員安全的前提下，大幅提高工作面推進速度，提高開采效率，增加礦井單位時間的產(chǎn)量。（3）該技術(shù)的實現(xiàn)為無人化開采技術(shù)提供了重要的技術(shù)支撐。

綜采工作面人員安全感知與定位技術(shù)包括低頻信號識別感知，高頻信號通信等相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)了綜采工作面操作人員的安全感知與自動定位，在工作面推進過程中一系列感知傳感器不停的監(jiān)控進入工作面的人員識別標(biāo)簽，對于識別到的操作人員自動閉鎖所在支架，保證該支架不會發(fā)生動作，避免因為誤操作或者誤動作導(dǎo)致的傷人事故，在高效采煤的同時，也保證工作面操作人員的人身安全。因此綜采工作面人員安全感知于定位技術(shù)具有良好的推廣應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]吳嘉林，辛德林，張建平.井工開采技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展[J].煤炭工程，2014，46（01）：4-8.

[2]朱世松.煤礦瓦斯監(jiān)測多傳感器信息融合與知識發(fā)現(xiàn)研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2013.

[3]蘭天.煤礦智能紅外甲烷傳感系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2011.

作者簡介：李月月（1990-），男，山東聊城人，本科，助理工程師，綜采工區(qū)副區(qū)長，從事采煤工作。