無(wú)線紅外監(jiān)控系統(tǒng)在露天礦山爆破現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用

付 軍，劉 慶，郝亞飛，周桂松，保天才

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)易普力股份有限公司，重慶 401121)

近幾十年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)礦產(chǎn)資源需求的增長(zhǎng)，礦山開(kāi)采工藝技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。工程爆破作為露天礦山開(kāi)采的重要方法，爆破規(guī)模也隨著礦山開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展不斷提高[1]。其中預(yù)裝藥爆破作為提高爆破規(guī)模和經(jīng)濟(jì)效益的有效手段，成為爆破作業(yè)區(qū)域監(jiān)管日漸突出的安全問(wèn)題[2]。

在大規(guī)模礦山爆破，尤其是預(yù)裝藥爆破中，現(xiàn)場(chǎng)使用大量的炸藥、起爆器材等，存在多種不安全因素[3]，爆破作業(yè)區(qū)域需要始終保持安全警戒。常規(guī)的安全警戒方法往往采用人工值守，需要大量人員監(jiān)管現(xiàn)場(chǎng)，不僅容易存在視覺(jué)盲區(qū)，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)炮區(qū)全過(guò)程、全覆蓋監(jiān)控。預(yù)裝藥爆破作業(yè)周期少則兩至三天，最多長(zhǎng)達(dá)數(shù)十天，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管人工成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度較大[4]，已成為制約大規(guī)模爆破作業(yè)的重要因素。然而，目前爆破行業(yè)從業(yè)人員在這方面的研究比較少見(jiàn)[5]。周界安全監(jiān)控系統(tǒng)在建筑物安全防范中已有應(yīng)用案例[6]，但在露天礦山施工中尚未有可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

因此，針對(duì)露天礦山爆破作業(yè)區(qū)域監(jiān)控方式單一、人工成本高等問(wèn)題，結(jié)合無(wú)線紅外光墻和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，提出采用無(wú)線紅外監(jiān)控系統(tǒng)，并以攀枝花白馬鐵礦為工程背景，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。

1 系統(tǒng)原理及構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)原理

無(wú)線紅外監(jiān)控系統(tǒng)是采用現(xiàn)代化紅外技術(shù)，對(duì)人員入侵及物體移動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)產(chǎn)生聲光報(bào)警并聯(lián)動(dòng)相關(guān)電子設(shè)備，防止爆破器材遺失和實(shí)時(shí)周界防護(hù)的一套安全監(jiān)控系統(tǒng)。

爆破區(qū)域無(wú)線紅外監(jiān)控系統(tǒng)主要由無(wú)線紅外光墻報(bào)警系統(tǒng)組成，通過(guò)無(wú)線與數(shù)字微波通信技術(shù)，實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)周界情況穩(wěn)定地傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)車(chē)載設(shè)備及監(jiān)控中心，監(jiān)控系統(tǒng)為可移動(dòng)、可操作、信號(hào)無(wú)線傳輸?shù)囊惑w化結(jié)構(gòu)。

無(wú)線紅外光墻報(bào)警系統(tǒng)采用無(wú)線對(duì)碼通信以及無(wú)線微波傳輸方式，前端紅外光墻設(shè)備通過(guò)無(wú)線對(duì)碼與報(bào)警主機(jī)聯(lián)通，報(bào)警主機(jī)結(jié)合無(wú)線通信模塊，通過(guò)微波傳輸至監(jiān)控中心，組成一套爆區(qū)周界監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電腦客戶端遠(yuǎn)程監(jiān)控，且全方位、全過(guò)程覆蓋[7]。

另外，無(wú)線紅外光墻報(bào)警系統(tǒng)可與無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)相互配合，實(shí)現(xiàn)多級(jí)可視化監(jiān)控，構(gòu)成大型爆區(qū)綜合監(jiān)控平臺(tái)。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

1)前端爆區(qū)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備。主要由紅外對(duì)射探頭和緊急報(bào)警裝置組成。紅外對(duì)射探頭由發(fā)射端和接收端組成，發(fā)射紅外對(duì)射信號(hào)后，共同組成紅外對(duì)射光墻(見(jiàn)圖1)。發(fā)射端經(jīng)調(diào)制后發(fā)出多光束紅外線，構(gòu)成保護(hù)區(qū)域。對(duì)射探頭采用太陽(yáng)能供電一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，操作方便，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)；內(nèi)置無(wú)線信號(hào)發(fā)送模塊，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。

圖1 紅外對(duì)射光墻Fig.1 Infrared counter-beam light wall

2)信號(hào)中轉(zhuǎn)設(shè)備。設(shè)備內(nèi)置無(wú)線通信模塊，支持微波傳輸，與前端對(duì)射光墻通過(guò)無(wú)線對(duì)碼通信，由無(wú)線微波傳輸至監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程報(bào)警主機(jī)。

3)終端監(jiān)控?，F(xiàn)場(chǎng)報(bào)警主機(jī)可安裝在現(xiàn)場(chǎng)巡視車(chē)中，接收?qǐng)?bào)警信號(hào)，提示值班人員應(yīng)急處理；遠(yuǎn)程報(bào)警主機(jī)安裝于終端控制中心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或者GPRS，將信號(hào)傳輸至手機(jī)APP或總控制中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

無(wú)線紅外光墻報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Alarm system structure

2 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

1)可靠性高。無(wú)線對(duì)射的紅外光為二次調(diào)制光，區(qū)別于太陽(yáng)光中未經(jīng)調(diào)制的紅外光，在一定程度上可防止自然光干擾、誤報(bào)等情況的發(fā)生。采用點(diǎn)光源技術(shù)，每個(gè)點(diǎn)光源用時(shí)萬(wàn)分之一秒，把能量聚集到一個(gè)點(diǎn)上，確保穿透性，可有效降低大雨、大霧影響而產(chǎn)生的誤報(bào)。

2)經(jīng)濟(jì)節(jié)能。紅外對(duì)射探頭內(nèi)置磷酸鐵鋰電池，可充電，可更換。由于系統(tǒng)功耗小，電池待機(jī)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)30 d。供電部分采用弱光型太陽(yáng)能板供電，無(wú)需外接電源和線纜，且能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，節(jié)能環(huán)保。

3)穩(wěn)定性好。采用FSK調(diào)頻和跳頻信號(hào)無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控，無(wú)需外接信號(hào)線，穩(wěn)定性好，抗誤報(bào)、抗干擾能力強(qiáng)，可有效降低無(wú)線信號(hào)被干擾導(dǎo)致的誤收、誤報(bào)。

3 應(yīng)用實(shí)踐

3.1 工程背景

攀枝花白馬鐵礦是一座特大型露天釩鈦磁鐵礦，儲(chǔ)量52 118萬(wàn)t，目前采剝總量5 500萬(wàn)t/年，采選原礦達(dá)1 500萬(wàn)t/年。采場(chǎng)使用汽車(chē)-平硐溜井-鐵路聯(lián)合開(kāi)拓、運(yùn)輸，主要使用電鏟、牙輪鉆、礦用汽車(chē)等大型設(shè)備進(jìn)行施工，礦山年爆破頻次百余次。隨著開(kāi)采規(guī)模的日益增加，現(xiàn)有爆破施工方式與鏟裝的矛盾日益凸顯，采用預(yù)裝藥爆破技術(shù)可有效解決生產(chǎn)矛盾。

但預(yù)裝藥爆破施工期間需要人工看守現(xiàn)場(chǎng)，增大了人力成本。因此，在爆破作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，利用信息化監(jiān)控，可有效保障預(yù)裝藥爆破安全施工，提高生產(chǎn)效率。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)布防

選取白馬礦某平臺(tái)爆破作業(yè)區(qū)域進(jìn)行布防，布防區(qū)周界由A、B、C三點(diǎn)圍成(見(jiàn)圖3)。每個(gè)點(diǎn)放置一對(duì)紅外對(duì)射探頭，并設(shè)定AB段為第1區(qū)，對(duì)射間距約50 m；BC段為第2區(qū)，對(duì)射間距約64 m；AC段為第3區(qū)，對(duì)射間距約85 m，形成三角防護(hù)區(qū)，對(duì)射光墻防護(hù)高度為110 cm。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)區(qū)域Fig.3 Site layout area

現(xiàn)場(chǎng)布防區(qū)與現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警主機(jī)、信號(hào)中轉(zhuǎn)設(shè)備間的無(wú)線信號(hào)傳輸有效距離可達(dá)3 000 m(空曠地面)；信號(hào)中轉(zhuǎn)設(shè)備信號(hào)與遠(yuǎn)程報(bào)警主機(jī)間的無(wú)線信號(hào)傳輸有效距離大于3 000 m(點(diǎn)對(duì)點(diǎn))。

3.3 系統(tǒng)測(cè)試

選取3組無(wú)線紅外對(duì)射探頭(一共6個(gè))進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，每組裝置可以通過(guò)無(wú)線的方式將觸發(fā)的報(bào)警信號(hào)傳輸給報(bào)警主機(jī)。

1)人工模擬闖入及風(fēng)沙影響測(cè)試。通過(guò)人工模擬闖入布防區(qū)域觸發(fā)報(bào)警，報(bào)警主機(jī)和手機(jī)APP都能實(shí)時(shí)收到報(bào)警信號(hào)，并發(fā)出報(bào)警提示聲。當(dāng)風(fēng)沙穿過(guò)布防區(qū)域，系統(tǒng)正常工作，未觸發(fā)報(bào)警。測(cè)試表明，無(wú)線信號(hào)傳輸未受干擾，系統(tǒng)靈敏度高。

2)夜間布防全過(guò)程測(cè)試。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，3個(gè)防區(qū)夜間系統(tǒng)正常，報(bào)警主機(jī)和手機(jī)APP正常工作。

3)太陽(yáng)能供電能力測(cè)試。紅外對(duì)射探頭采用弱光型太陽(yáng)能電池板，按白天極端環(huán)境(陰天或雨天)考慮，太陽(yáng)能板可輸出電流≥2 mA/h，如果白天按8 h接收太陽(yáng)光，共持續(xù)輸出約16 mA電流。而對(duì)射探頭正常靜態(tài)功耗≤0.5 mA/h，存儲(chǔ)電量可持續(xù)供電32 h，滿足現(xiàn)場(chǎng)電量應(yīng)用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線紅外監(jiān)控系統(tǒng)安全、節(jié)能、實(shí)用、兼容性高，可分級(jí)控制，也可聯(lián)網(wǎng)集成，并結(jié)合當(dāng)前最成熟的產(chǎn)品技術(shù)—數(shù)字微波通信技術(shù)和無(wú)線紅外對(duì)射光墻技術(shù)，構(gòu)建了一套先進(jìn)的爆破作業(yè)區(qū)域無(wú)線監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破區(qū)域的全方位監(jiān)控，還能嵌入視頻監(jiān)控功能，根據(jù)爆破區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采用高度集成的設(shè)備，方便移動(dòng)、操作，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)零布線。該系統(tǒng)作為爆破作業(yè)區(qū)域現(xiàn)代化安全管理的輔助手段，可將爆破區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)險(xiǎn)情信號(hào)傳送至控制中心，值班人員即使不在爆破區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)，也可對(duì)各爆破區(qū)域進(jìn)行集中監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，統(tǒng)一調(diào)動(dòng)，利于減少人工投入、促進(jìn)降本增效。

綜上，在特大型礦山爆破尤其是預(yù)裝藥爆破中，應(yīng)用無(wú)線紅外監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于提升爆破施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理水平具有重要意義。