物联网在煤矿安全生产中的应用研究

2013-04-01余建芳

采矿与岩层控制工程学报 2013年2期

余建芳

(甘肃民族师范学院，甘肃合作747000)

目前，物联网已在很多地方的煤矿安全生产、经营管理等方面得到初步的应用。但是，现有系统仍不能满足煤矿安全生产、灾害预警、应急救援等需求。主要原因在于瓦斯、水、火、顶板、煤尘“五大灾害”以及放炮、运输、机电等事故威胁着煤矿安全生产。煤矿井下潮湿、有淋水、巷道空间狭小、巷道弯曲和分支，因此，用于地面的物联网技术和设备，难以直接用于煤矿井下。

1 我国煤矿安全生产现状

1.1 环境恶劣

首先，煤矿工作环境较差。据统计，我国95%以上的煤矿都是井工矿，井下作业困难，场所狭小，光线阴暗，环境潮湿，通风设备不完善;其次，我国煤矿生产煤层赋存差、地质条件复杂，瓦斯灾害较为严重，地下水防治难度大，煤炭资源勘探程度低;第三，我国煤矿不仅地质构造复杂，而且自然灾害也较为严重，发生事故的客观因素很多，如瓦斯爆炸、水、火、顶板等灾害较多;第四，煤矿井下生产工艺复杂，具有多工种、多方位、多系统立体交叉连续作业的特点，采煤、掘井、通风、供电、运输等系统任何一个环节出现问题，都有可能酿成事故，甚至造成重大事故［1］。

1.2 大多数整体装备水平低，抗灾防灾能力差

部分煤矿中尚有高瓦斯和突出矿井没有装备安全监测系统;国有煤矿安全仪器仪表老化、设备陈旧现象极为普遍;大多数乡镇煤矿几乎找不出一台像样的安全仪表。更加令人不安的是，在存在巨额安全欠账的情况下安全投入仍呈递减趋势。这些都对安全生产构成重大威胁，使煤矿安全生产形势更加严峻［1］。

2 物联网在煤矿中的应用

2.1 物联网技术

物联网就是物物相连的互联网。物联网技术的核心和基础仍然是“互联网技术”，是在互联网技术基础上的延伸和扩展的一种网络技术，其用户端延伸和扩展到了任何物品和物品之间，进行信息交换和通讯。它的定义是通过射频识别 (RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术［2］。目前在业界，物联网普遍被认为有三层体系结构，由下而上依次为感知层、网络层和应用层。

2.2 物联网在煤矿安全生产中的应用

煤炭资源是我国经济发展和社会进步的重要命脉，在我国经济发展中占据着举足轻重的地位。随着物联网时代的到来，可以将物联网的相关技术应用在煤矿生产中，从而有效地对煤矿设备以及相关人员进行规范管理，减少煤矿事故的发生。

煤矿行业对安全生产要求的特殊性以及井下作业的复杂环境，决定了地面现有的物联网技术和设备难以直接应用于煤矿井下，因此需要分析煤矿对物联网应用的设计要求和功能需求，以研发适用于煤矿的物联网技术［3］。

矿用物联网就是采用物联网相关技术，将煤矿作业人员和操作设备作为目标接入网络，从煤矿人员出入井、全程作业活动，以及对应设备生产、运输、使用、维护等环节进行全过程监管。研究煤矿用物联网技术，实现煤矿井下动态和静态实时管控、人机环动态闭锁、矿用安全标志准用产品和关键设备的全程跟踪管理等，对提高煤矿信息化水平，促进煤矿安全生产具有十分重要的意义［4］。

煤矿安全生产最主要的是井下安全管理，应以井下大型设备安全管理为主，按照煤矿工作人员安全、矿用炸药安全，以及灾害预警、应急救援等方面进行管理［4－8］。

2.2.1 煤矿工作人员安全管理

人是煤矿安全生产中最主要、也最活跃的因素，对煤矿工作人员有效地进行管理是提高煤矿安全生产的重要因素。目前，煤矿对于井下工作人员位置的监测系统尚不能满足煤矿井下作业人员管理和灾难事故应急救援的需求，还需要研究对煤矿井下人员的精确定位。因此，在煤矿安全生产中，对煤矿井上、井下工作人员，除了促使其提高安全意识，按规程工作外，更重要的是要通过RFID技术对各个端口人员定位跟踪，这主要包含井下人员的出入、滞留的信息。在煤矿井下人员出入口放置虹膜和人脸检测装置，相应负责人员只要单击煤矿井下巷道的某一位置，系统就会自动显示该位置人员的各项详细信息 (包括肖像、上岗证、姓名、工种类型等)，从而可以检测下井人员的特征，并与安全培训时的虹膜和人脸数据资料相比较，对于没有取得上岗证的人员，不允许下井，以此来加强煤矿人员的安全管理。

2.2.2 大型设备安全管理

传统的煤矿重大关键设备生产、运输、使用、维护等全过程管控生产设备通常是通过有线通信的方式来进行定位的。无论在生产技术、成本，还是在现场使用上均有许多制约因素。因此，不能对其进行高密度的安装，造成了许多不必要的隐患。目前，对于煤矿井上、井下设备的定位还是一片空白。使用物联网技术可对煤矿井上和井下生产设备进行有效的定位，对煤矿运营中所涉及到的所有设备均配置一个ID标签，从而通过读写器、本地数据接口将这些代码信息发送到本地监控中心，以便相应工作人员能够方便地对井上、井下各种设备进行控制。通过全过程跟踪管理和诊断检测，为煤矿安全生产提供快速有效的物资保障，优化采购和库存，降低成本，从而实现技术上的突破。

2.2.3 矿用炸药安全管理

炸药是煤矿企业经常使用的物资，也是危险性较高的物品，如果对其使用不善，极易导致事故的发生。据不完全统计，大部分炸药燃烧事故是由于在矿井中长时间存放大量非法购买的私制炸药自燃引发的。因此，有必要将物联网应用于煤矿炸药安全管理中。首先，炸药的获取路径应当是合法的，通过合法部门获取后，对炸药贴上二维码标签，只有这样，才可以做到对炸药的全程运营进行有效地监控和管理，包括炸药的出入库时间、运输时间、使用时间，以及领取人的身份验证、炸药的运输车辆、危险区域进行隔离等相关信息的管理与监控，从而实现矿用安全炸药的生产、运输等过程中的跟踪管控，杜绝使用私制炸药而引起炸药燃烧和爆炸事故，减少伤亡事故。

2.2.4 重大灾害预警、应急救援

目前，物联网已在煤矿的安全生产、经营管理等方面得到了应用。煤矿井下人员位置监测系统、运输监控系统等在煤矿安全生产、应急救援、事故调查工作中发挥着重要作用。其中部分系统具有瓦斯、火灾、冲击地压等重大灾害预警功能，但大多数预警缺乏准确性，因而，迫切需要提高煤矿重大灾害预警准确度，研究基于物联网的煤矿安全检测系统，可以凭借煤矿井下以太环网的高效控制网络技术，对煤矿安全监控系统的瓦斯、水、火、顶板、煤尘“五大灾害”以及放炮、运输、机电等灾害有效地预警，提高煤矿井下生产过程的控制水平，并且能够对煤矿生产进程中的数据进行自动、有效地采集，可以在很大程度上汇总煤矿生产过程中的各种作业信息，有效地对煤矿生产进程进行管理与控制，对井下瓦斯、温度、设备运行状况等安全环境参数进行动态监测，对出现的不安全因素，随时随地进行预警，采取及时有效的措施，将损失降到最低，从而达到煤矿安全管理的科学水平，实现煤矿安全生产的智能化。