無感式井下禁區(qū)報(bào)警裝置探討及應(yīng)用

李開達(dá)

(潞安化工集團(tuán) 五陽煤礦，山西 長治 046205)

煤炭是我國主要的礦產(chǎn)資源，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)起著至關(guān)重要的作用。由于煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工作風(fēng)險(xiǎn)性高，瓦斯爆炸、巖層坍塌、突水等事故時(shí)有發(fā)生，所以必須對(duì)礦井進(jìn)行全方位監(jiān)控，以保障井下工作人員的安全。

井下巷道縱深交錯(cuò)，工作人員流動(dòng)性較強(qiáng)，監(jiān)控設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)無死角全覆蓋。尤其是開采多年或巷道延伸長的礦井，巷道分支多，用于排水或其他單一功能的專用巷道也多，只在測試相關(guān)數(shù)據(jù)或安全專項(xiàng)檢查時(shí)才會(huì)有人員進(jìn)入。這些危險(xiǎn)區(qū)域如果警示力度不夠，可能會(huì)使進(jìn)入的人員陷入危險(xiǎn)境地。

現(xiàn)有的警示裝置有眾多不足之處：防護(hù)欄可攔截人員進(jìn)入，但無法警示靠近人員；人員定位系統(tǒng)部署基站可實(shí)現(xiàn)誤闖者檢測及報(bào)警，但成本較高；現(xiàn)有的聲光報(bào)警防爆裝置在惡劣環(huán)境中使用易出現(xiàn)故障，運(yùn)輸過程中還容易損壞；安排專人進(jìn)行看守成本高，且實(shí)施和管理難度大。針對(duì)上述情況，研究了一種無感式井下禁區(qū)報(bào)警裝置。

1 裝置結(jié)構(gòu)及運(yùn)行模式

1) 無感式井下禁區(qū)報(bào)警裝置的內(nèi)部模塊包括電源模塊、控制模塊、聲光報(bào)警模塊。電源模塊用于為各個(gè)裝置供電?？刂颇K用于接收檢測裝置發(fā)送的信號(hào)并傳輸至遠(yuǎn)程終端，同時(shí)接收主控裝置發(fā)送的控制指令以控制聲光報(bào)警模塊運(yùn)行狀態(tài)。

聲光報(bào)警模塊采用蜂鳴器和發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)報(bào)警，利用NE555搭建脈沖輸出電路，給NE555脈沖不同頻率的控制信號(hào)，電路就能輸出不同頻率的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)不同聲調(diào)的聲光報(bào)警效果。

2) 運(yùn)行系統(tǒng)裝置包括安裝于井下禁區(qū)處的檢測裝置、主控裝置、報(bào)警裝置、遠(yuǎn)程終端和存儲(chǔ)裝置；檢測裝置、報(bào)警裝置、遠(yuǎn)程終端和存儲(chǔ)裝置分別與主控裝置連接，見圖1。

圖1 無感式井下禁區(qū)報(bào)警裝置結(jié)構(gòu)框圖

檢測裝置：檢測單元為微波雷達(dá)，通過微波雷達(dá)不斷發(fā)射和接收微波無線信號(hào)。無人員經(jīng)過時(shí)，無信號(hào)反饋，不發(fā)送信號(hào)；當(dāng)有人員經(jīng)過時(shí)，接收反饋信號(hào)，并發(fā)送給主控裝置。主控裝置采用PLC控制，用于對(duì)檢測模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)識(shí)別上位機(jī)發(fā)送的指令發(fā)送給聲光報(bào)警模塊。報(bào)警裝置由揚(yáng)聲器、指示燈組成，由主控裝置通過聲光報(bào)警模塊進(jìn)行控制，通過報(bào)警聲音和燈光閃爍警示經(jīng)過人員。遠(yuǎn)程終端主要為地面上位機(jī)，內(nèi)有運(yùn)行程序軟件，同時(shí)包含數(shù)據(jù)庫，能夠根據(jù)接收情況進(jìn)行運(yùn)算并發(fā)送相應(yīng)指令至控制裝置，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)以便管理人員查看。存儲(chǔ)裝置為硬盤錄像機(jī)，存儲(chǔ)周期為1 a，以便管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)和分析。

無感式井下禁區(qū)報(bào)警裝置的主控裝置驅(qū)動(dòng)檢測裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測覆蓋區(qū)域的無線感知信號(hào)，傳輸給主控裝置，將其代入數(shù)據(jù)庫中，分析信號(hào)的類別；當(dāng)判定結(jié)果為靠近或進(jìn)入警示區(qū)后，主控模塊發(fā)送開啟指令至報(bào)警裝置，報(bào)警裝置運(yùn)行，警示誤闖人員；當(dāng)判定結(jié)果為離開警示區(qū)或其他類別時(shí)，主控模塊發(fā)送關(guān)閉指令至報(bào)警裝置。主控裝置還將判定結(jié)果和采集的原始無線感知信號(hào)傳輸至遠(yuǎn)程終端處，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理[1]。

2 裝置功能及特點(diǎn)

1) 通過無感式井下禁區(qū)報(bào)警裝置能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域的人員檢測功能，通過無感知被動(dòng)的方式對(duì)誤闖人員進(jìn)行報(bào)警、檢測和記錄。

根據(jù)經(jīng)過人員的運(yùn)動(dòng)速度，分為人員靜止站立、人員常規(guī)行走和人員慢跑經(jīng)過三種情形；根據(jù)經(jīng)過人員的數(shù)目，分為單人和多人兩種情形；根據(jù)經(jīng)過人員同檢測單元的距離，由近及遠(yuǎn)，從0 m開始，每隔0.5 m進(jìn)行細(xì)分。綜合上述三種分類，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)分類、兩兩組合以及三種情況組合模式運(yùn)行。以多種情形，各類形式在上位機(jī)上進(jìn)行調(diào)閱和查看。

檢測裝置檢測每種模式下的傳輸信號(hào)并通過主控裝置發(fā)送給遠(yuǎn)程終端，遠(yuǎn)程終端基于現(xiàn)有的射頻層析方法對(duì)采集的數(shù)據(jù)構(gòu)建多信道信號(hào)層析成像模型，并將所有的信號(hào)分類成靠近警示區(qū)、進(jìn)入警示區(qū)、離開警示區(qū)和其他類型，以確保每個(gè)進(jìn)入人員的安全。

2) 由于所采用的硬件和軟件均基于現(xiàn)有設(shè)施，降低了裝置的復(fù)雜度和技術(shù)的實(shí)現(xiàn)成本。

利用現(xiàn)有的人員定位系統(tǒng)鋪設(shè)光纖網(wǎng)，通過遠(yuǎn)端設(shè)備通過光纖轉(zhuǎn)換板，經(jīng)過光纖傳輸至環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，用以太環(huán)網(wǎng)將信息傳輸至地面，在防火墻上做地址映射，通過訪問映射地址，實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程終端控制、查看相關(guān)數(shù)據(jù)。大大降低了設(shè)備投入費(fèi)用，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了警示功能。

3) 通過對(duì)裝置殼體的設(shè)置，更好地保護(hù)了放置在殼體內(nèi)的聲光報(bào)警防爆裝置電路。

通過設(shè)置滑槽和滑軌，使安裝塊在安裝腔內(nèi)能夠沿著滑槽升降，同時(shí)能對(duì)安裝塊進(jìn)行限位，防止安裝塊晃動(dòng)；通過設(shè)置安裝槽，方便揚(yáng)聲器、指示燈和控制模塊的安裝[2]。

通過設(shè)置殼體，在運(yùn)輸聲光報(bào)警防爆裝置時(shí)，能將安裝塊縮回殼體內(nèi)，不但方便運(yùn)輸，而且能保護(hù)內(nèi)部電路；在實(shí)際使用時(shí)，還能通過調(diào)節(jié)安裝塊的高度，使其適用于多種工況。殼體機(jī)構(gòu)見圖2。

圖2 殼體示意

3 應(yīng)用情況分析

目前該裝置在五陽礦井下76.2號(hào)?；剡M(jìn)行了試用。76.2號(hào)?；厝L1 800 m，有5個(gè)通道與76號(hào)膠帶運(yùn)輸巷相通，每個(gè)通道口布置了1套無感式報(bào)警裝置，在地面調(diào)度室建立了禁區(qū)管理上位機(jī)系統(tǒng)，所有靠近或進(jìn)入禁區(qū)的人員均能在地面上位機(jī)上準(zhǔn)確地顯示出來，同時(shí)通過語音報(bào)警對(duì)進(jìn)入人員進(jìn)行警示，提高了礦井安全性。

4 改進(jìn)后的效益分析

1) 對(duì)闖入特殊區(qū)域的人員進(jìn)行警示、檢測和記錄，確保了人員的安全，社會(huì)效益良好。

2) 該裝置的應(yīng)用，減少了特定區(qū)域配置看護(hù)人員的數(shù)量，預(yù)計(jì)年節(jié)約人工費(fèi)20萬元；基于現(xiàn)有的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，大大減少了資金的投入，每年節(jié)約資金投入28萬元；報(bào)警裝置的殼體保護(hù)裝置，減少了運(yùn)營維護(hù)成本，每年可節(jié)約0.6萬元，合計(jì)可為五陽礦節(jié)約50萬元左右，創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

3) 該裝置運(yùn)行穩(wěn)定，模式多樣化，適用于用途少、人員進(jìn)入少、分支多的特定巷道，推廣價(jià)值較大。

5 結(jié) 語

無感式井下禁區(qū)報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定區(qū)域的人員檢測功能，并且由于所采用的硬件和軟件均基于現(xiàn)有的設(shè)施，有效地降低了裝置的復(fù)雜度和技術(shù)的實(shí)現(xiàn)成本。能夠通過無感知被動(dòng)的方式對(duì)誤闖人員進(jìn)行報(bào)警，確保零散崗位人員工作安全、可靠，具有很好的安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)示范作用，值得大力推廣。