铜坑矿安全监控及保障信息系统融合构建与应用*

2015-01-20潘家旭罗先伟胡建华薛小蒙周科平

现代矿业 2015年12期

关键词：检测器通讯基站

潘家旭罗先伟胡建华薛小蒙周科平

(1.广西华锡集团股份有限公司；2.广西高峰矿业股份有限公司；3.中南大学资源与安全工程学院)

铜坑矿安全监控及保障信息系统融合构建与应用*

潘家旭1罗先伟2,3胡建华3薛小蒙3周科平3

(1.广西华锡集团股份有限公司；2.广西高峰矿业股份有限公司；3.中南大学资源与安全工程学院)

地下矿山复杂的生产条件和受限的空间环境给井上、井下信息传输与快速响应造成了困难。基于我国地下矿山构建的通信调度、环境监测监控和人员定位等安全监控与保障系统，以铜坑矿为例，提出了基于Wifi无线通信技术的三网融合体系，并在铜坑矿的生产安全管理控制中得到了应用。结果表明：三网融合系统具有高可靠性、易维护性、低成本等优势，提高了矿山通信调度与安全预警的效率，为井下安全生产提供了有力保障。

Wifi技术通信调度安全健康与保障系统人员定位三网融合系统

随着浅部矿产资源逐渐枯竭，深部开采已经成为矿山企业的主要发展方向。矿山开采深度的不断增加使得井下作业环境日趋复杂，安全风险与安全事故发生的概率增加[1-4]。为有效降低事故发生的损失，提高预警和安全救援效率，有必要建立有效的井上、井下安全监控与保障系统的快速传递与响应信息传输系统。我国矿山井下通讯主要经历了信号传输、有线传输和无线传输的发展历程，目前大多数矿山正从有线传输向无线传输的发展过渡。有线传输方式适合于点对点的通讯，无法实现突发情况下区域内整体高效通讯调度[5-7]。随着科技的进步，小灵通技术、泄漏通讯、无线通信对话技术和Wifi通讯技术日渐成熟，其中Wifi技术以其抗干扰能力强、施工周期短等优点被广泛应用[8]。部分煤矿企业已经建立了井下Wifi系统的通信调度系统、安全监测监控系统和人员定位系统，满足了我国矿山井下六大安全系统的建设要求。然而，该3套系统相互独立，难以实现及时准确的信息传递与预警，未能实现较好的融合[9-10]。本研究针对铜坑矿的实际情况，通过构建基于Wifi技术的通信调度、环境监测监控和人员定位的统一系统，便于进行高效管理。

1 工程背景

铜坑矿位于广西南丹县大厂镇，是广西华锡集团下属的主要矿山企业之一，主要包括细脉带矿体、91#、92#矿体，是集团公司主要原材料的采矿基地。铜坑矿经过30 a的不断开拓，矿山产能已达200多万t/a。矿井由提升运输系统、主斜坡道和11个采掘中段组成，巷道错综复杂。由于矿石为硫化矿石，且顶板围岩为炭质页岩，高温条件下易自燃，产生二氧化硫、一氧化碳等有毒害气体。

2 系统建设

无线局域网络(WLAN)是一种全新的信息获取平台，可实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务，网络节点自身定位是大多数应用的基础和前提。目前，该技术有IEEE802.11a、IEEE802.11b 和 IEEE802.11g等3类可用标准[11-12]。该3 类标准的宽带可随信号的变化自动调整，有效保障了网络的稳定性和可靠性，便于与现有的有线以太网络整合，组网灵活、成本较低，具有覆盖范围广、有效距离长、传输速度快、可靠性高、工作效率高等优点[13-14]。当前较流行的Wifi定位是无线局域网络系列标准(IEEE 802.11)的一种定位解决方案。该系统采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，易于安装，所需无线基站较少，采用相同的底层无线网络结构，系统总精度高。

2.1 通讯调度系统

通讯调度系统包含井下手机语音对讲和井下IP固话通讯2个部分，可在无线基站覆盖范围内实现手机与手机之间、手机与IP固话之间的通信。在地表监控中心安装智能型通信联络网关后，可实现井下手机、IP固话直接接入地表程控电话网络。根据实际需求，设计专用的井下Wifi智能通信联络网关，井下人员使用Wifi手机，可在无线Wifi网络覆盖区域实现内部通话，也可拨打PSTN外线电话。井上包括调度中心监控室等处的IP电话也可与井下的Wifi手机进行通话。通过智能语音通讯网关可实现强插、强拆、代接、监听、组呼、群呼、会议、夜服等各种综合调度操作、监控及管理功能。该系统完全突破了有限地域的限制，实现无线网络全覆盖调度、分布组网、集中管理，如图1所示。

图1 通讯调度系统

2.2 环境监测监控系统

环境监测监控系统主要包括2类：①环境监控系统，将各环境检测器(如一氧化碳、二氧化硫、风速等)的数据及时准确地传输给相应服务器并经综合处理后供监控人员以各种方式查询和统计，图形界面即时显示井下气体含量信息及一段时间(根据矿山实际情况设定)内的平均值；②矿山采动地压监控系统，通过已有的地压监控网络系统直接接入矿山井下监测系统，若矿井某个网络检测器的环境或地压参数超出相关规定，计算机会自动弹出报警对话框(包括报警位置、超标气体类型、地压最大值、超标量等)并发出声音报警提示，同时井下检测器及调度监控中心均会以声光形式提醒现场人员。根据环境监测、监控的实际需要，在355，405，455，505 m等4个中段平巷指定的井下位置点共安装了21台检测器(8台一氧化碳检测器、8台二氧化硫检测器及5台风速检测器)。在监控中心安装环境监测服务器软件，将各检测器的数据信息及时准确地传输给相应的环境监测服务器，经综合处理后，供监控人员以各种方式查询和统计。若矿井某个检测器的环境参数未达到相关标准，在井下及监控中心都将以声光等形式报警，提醒相关人员及时进行应急处理。

2.3 人员定位系统

人员定位系统应用现代级联式光纤总线收发技术，结合先进的Wifi通讯技术和计算机技术，可实时、准确、直观地将井下各区域的人员和移动设备情况动态反映到地面调度中心的计算机系统，每位井下人员及重要的移动设备，均配备系统专门设计的定位卡，在其经过分布于井下的无线基站附近时，其定位卡信息被无线基站捕获并通过网络传送至调度中心人员定位系统主服务器进行信息处理和展现，使管理人员能够随时掌握井下人员和移动设备的总数及分布状况。该系统可跟踪每个下井人员入井、出井时间及运动轨迹，便于矿山进行更加合理的人员调度和管理。当发生事故时，救援人员可根据系统提供的数据、图形等信息，及时掌握事故地点的人员和设备信息，并及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作效率。

在主斜坡道255，305，355，386～364，396，405，422～450，455，470～200，483，505 m等11个中段分别安装相应的无线基站(CRD-706/708N)，利用无线Wifi通讯技术对所有经过无线基站覆盖区域的作业人员和移动设备的定位卡信息、位置和路径进行动态实时监控，通过安装于监控中心的计算机图形服务软件，直观形象地显示在调度中心的监控屏幕上，铜坑矿人员定位系统如图2所示。

2.4 三网融合设计

通过在井下安装若干个无线基站，在实现井下Wifi无线网覆盖的同时，实现人员定位、通信联络和监测监控。下井人员携带Wifi手机，通过Wifi手机不仅可实现语音通话，而且可实现对携带该手机的人员进行定位。未配置Wifi手机的下井人员须携带Wifi定位卡，当携带Wifi定位卡的人员进入井下巷道后，通过坑道内的任何一个Wifi无线基站附近时，无线基站与定位卡进行数据交换，并将信息通过网络上传到至控制中心的计算机系统，通过检索数据库，可查找出当前定位卡的具体信息(包括携带者身份信息、所在位置、当前时间等)。网络同时可容纳几十部固定IP电话(固话)和多台监测监控设备的接入。Wifi(无线局域网)或PHS(无线手持系统，小灵通)配合调度机可实现方便、灵活的无线调度，为现场调度指挥提供可靠保障，系统结构见图3。

图2 人员定位系统

(1)爆破警戒。由于井下工作人员较多，为保证安全，需划定一定的警戒区域。该融合系统可对井下人员进行实时定位，对于接近警戒区域的工作人员予以警告，确保爆破作业安全进行。

(2)通讯调度。通过双向反馈，对施工小组下达实时生产任务指标，根据井下作业的实际情况，对不同的工作进行调度，提高矿山的生产效率。

(3)灾前预警。矿山井下情况复杂，存在二氧化硫、一氧化碳等有毒气体，地压活动显现区等潜在灾源。井下监测监控系统监测到危险后，立即发出警报，调度室通过通讯系统的群呼功能通知井下人员撤离，此外，人员定位系统可协助调度人员确定每个工人的位置。

(4)灾后救援。通过人员定位模块迅速确定被困人员的位置，利用监测监控系统分析井下环境是否适合救援，借助通信模块联系被困人员并指导人员救助工作。

3 应用实例

铜坑矿建立了三网融合系统，使得井上通讯系统与井下的安监系统(如人员定位系统、监测监控系统)得以无缝兼容对接，实现了统一规划、统一建设、一体化应用。铜坑矿细脉带矿体为含硫矿石，顶板围岩为炭质页岩，高温作用下易发生自燃并产生有毒有害气体。2012年10月该矿455 m中段的某次回采作业过程中，采场作业人员3人，由于细脉带采场密闭，局部产生高温自燃，导致污染风流下串，布设于该中段的一氧化碳和二氧化硫检测器突然发出超标警报，地面控制中心接收到警报信息后，实现了调度信息的联动。利用人员定位系统对污染区域的作业人员进行了精确定位，通讯系统对该区域工作人员进行了群呼操作，指导采场作业人员和周边区域人员迅速撤离。整个过程从预警到调度到撤离，全程不超过5 min。矿山启动备用局扇加大通风量对污染巷道予以稀释，并派遣了工作人员封堵相关巷道，防止有害气体的再次溢出。