矿井救灾模拟演练系统的研究和应用

秦冬冬　王曙东

摘要：矿山救护队是煤矿抢险救灾的主要力量，目前国内矿山救护队训练手段单一，训练局限于常规的体能训练，不能有效训练队员应对煤矿井下突发灾害时的应急反应能力。该文设计了一种矿井救灾模拟演练系统，该系统能够通过电气控制与监测监控手段营造矿井灾害时期的高温浓烟和缺氧等灾害环境以及声光特性，训练受训人员在矿井火灾、瓦斯爆炸、冒顶和水灾等灾害环境下的应急救援能力和心理素质。系统在陕西陕煤彬长集团救援中心成功应用，取得了良好的现场使用效果。

关键词：矿山救护队；应急救援；灾害模拟；远程监控

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）18-0217-04

矿井火灾、瓦斯与煤尘爆炸、瓦斯突出、冒顶以及水灾等灾害是煤矿生产过程中的主要灾害，严重威胁着矿井的安全生产。矿山救护队是处理矿山灾害事故的专业队伍，矿山事故的突发性和灾难性使灾害救援工作困难重重，矿山救护队应急救援能力的不足不但影响抢险救灾工作的顺利进行，还会导致救护队员自身身亡情况的出现。据统计，1949至2005年，我国矿山救护队指战员牺牲案例239起牺牲506人。其中由于指挥失当或是自身应急救援能力不足导致的伤亡人数占伤亡总数的61.75%。救灾指挥人员指挥能力欠缺、救护队员身体和心理承受能力差、对应急救援设备不熟悉、灾害处理方法不得当是造成救护队员自身伤亡事故的主要因素。因此，迫切需要研究一套现代化的救灾模拟演练系统，模拟并营造灾害环境，全面训练救护队员的心理和身体素质，提高救护队员和救灾指挥人员的应急救援能力，最大程度降低因为救护队员自身因素导致的伤亡事故。

山东科技大学、煤科总院以及中国矿业大学等国内研究单位相继对矿山救护队应急救援训练系统进行了研究，但设计的系统不能营造矿井火灾及爆炸时期的缺氧环境，不能形象模拟矿井火灾及瓦斯爆炸时的声光特性，没有实现声光模拟的同步。另外，现有的系统子系统间通讯协议不同，系统复杂。针对目前国内矿山救护队模拟训练系统研究的不足，作者开展了救灾模拟演练系统的研究。

1系统设计

1.1系统功能

目前，大部分国内矿山救护队日常训练均局限于常规的体能训练，无法对队员的应急救援能力进行正对性的训练。根据救护大队应急演练需求，设计的救灾模拟演练系统必须具备灾害模拟训练功能、缺氧环境营造功能、远程网络化控制功能以及音频广播对讲和视频监控功能。设计的系统能够在短时间内营造矿井火灾及瓦斯爆炸时高温浓烟的灾害环境，实现救护大队日常烟热训练的电气化、数字化和自动化；系统能够模拟矿井瓦斯及瓦斯爆炸的声光特性，训练受训人员心理承受能力；系统应具备缺氧环境模拟功能，训练救护队员救灾过程中正确操作氧气呼吸设备，以及在缺氧环境下正确抢救伤员；此外，系统还应具备顶板事故模拟功能以及障碍训练功能，训练救护队员应对冒顶等突发灾害时的应急反应能力以及对进行复杂灾害地形的适应能力；作为现代化救灾模拟演练系统，系统需集合远程控制技术、网络技术以及多媒体技术，实现系统远程网络化监控控制以及自动控制。

1.2系统结构

系统的从功能上分为三层结构：现场设备层、控制层和信息层。系统主要由上位机服务器、显示设备、PLC、采集总线和现场设备组成。

现场设备层的包括数字视频摄像头、音频终端、发烟机、产热装置、温度变送器、汽化装置和声光装置等；控制层由PLC通过根据采集到的数据和设备运转的逻辑关系，自动控制训练室內各个设备的运行状态，并实现与中央控制层的数据通讯；信息层由中央监控计算机、监控软件和网络设备组成。监控软件的上位机可以显示训练流程和现场数据，并对数据进行分析处理，实现故障报警和数据设定等功能，也可以和可编程逻辑控制器PLC实时数据通信，控制和改变现场设备的运转。利用IFix组态软件将这些功能可视化，实现将整个训练流程和进度的直观显示。通过三层结构的结合最终实现将现场训练环境中设备的启停信息以及环境中气体浓度及温度信息实时的采集到上位机监控界面，实时显示，发出指令控制。

系统实际运转时，当选择远程控制时，用户通过监控软件像信息层发送控制信息，控制层根据收到的信息层控制信息控制现场设备层。现场设备层设备运转状态、传感器数据等信息反馈给控制层，控制层一方面根据反馈的信息自动控制现场设备层，另一方面将设备层反馈的信息发送至信息层，用户根据收到的信息实时向控制层发送控制信息，完成整个系统的运转。当就地控制时，用户可直接通过控制层控制现场设备启停。

根据三层结构设计，将救灾模拟演练系统分为音频网络广播对讲子系统、视频监控子系统以及灾害模拟训练子系统。音频网络广播对讲子系统、视频监控子系统以及灾害模拟训练子系统均通过信息层的通信网络相互通信。

音频网络广播对讲子系统分为对讲和广播两个部分，调度室音频上位机上的控制软件通过演练系统通讯网络实现和模拟巷道内的用户终端实现对讲和广播功能。

灾害模拟训练子系统分为高温浓烟模拟子系统、爆炸及火灾声光模拟子系统、缺氧环境模拟子系统、顶板灾害模拟训练子系统以及灾害模拟训练评估子系统。高温浓烟模拟子系统能够短时间内营造高温浓烟的灾害环境，训练受训人员的身体承受能力；爆炸及火灾声光模拟子系统能够形象模拟井下火灾及瓦斯爆炸时的声光特性，给受训人员强大的视听冲击，训练受训人员心理承受能力；缺氧环境模拟子系统能够将受训空间的氧气浓度降到15%以下，训练受训人员在低氧的灾害环境下正确操作氧气呼吸设备；顶板灾害模拟训练子系统能够利用轻质材料模拟灾害救援时突发的顶板灾害事故，训练受训人员针对井下突发事件的应急反应能力；灾害模拟训练子系统根据考核人员对受训人员训练完成质量打分以及现场采集的模拟训练数据进行综合考量，给出受训人员训练成绩。进行灾害模拟训练时应根据具体救护大队救援基地的实际情况设置相应的训练设施，如金属栅栏障碍训练设施、体能训练设施、验力器等。系统的整体设计图如图1所示。endprint

1.3系统通讯

系统通讯采用TCP/IP通讯协议，系统各子系统的远程设备均通过以太网线与交换机相连，以太网交换机将数据集中后通过光电转换器将电信号转化为光信号，并由光缆传输到远端的地面光电转换器将光信号再转化为电信号传输给地面交换机，地面交换机再根据数据包的接收端IP地址将数据分发给各个上位机，从而实现系统远程通讯。系统整体通讯设计图如图2所示。

系统工作时，系统上位机以及终端采集的音频信号经声卡处理后经编码电路转换为带IP地址的网络数据包，视频采集卡采集的视频数字信号流经编码电路编码后同样转化为带lP地址的网络数据包，网络数据包根据目标主机根据IP地址实现数据收发和处理。PLC的控制信息流和传感器数据流通过以太网扩展模块实现与上位机的信息交换。

1.4系统实现

系统基于工业以太网技术、PLC技术以及光纤传输技术设计，子系统之间均采用TCP/IP协议通讯，因而系统所用设备必须具备以太网通讯功能。音频网络广播对讲子系统采用IP网络广播终端，能够实现地面呼叫中心和远程求救终端的双向通讯。视频监控子系统采用网络数字红外摄像设备，不但能够通过网络传输数字视频信号，还能够实现黑暗环境下的视频监控。系统实现原理图如图3所示。

高温浓烟模拟训练子系统采用产热装置和浓烟发生装置营造高温浓烟灾害环境，产热装置在120立方的密闭训练室内的升温速率可以达到1.2℃/Min，通过温度传感器和PLC使烟热训练室温度自动控制在40-45摄氏度之间；浓烟发生装置发烟速率喷烟速率达到20000立方英尺份钟，20秒内即可将80立方的密闭训练空间内充满浓烟。由于模拟用的烟雾是物理加热方式产生的，无毒无味，没有颗粒物，因而传统的烟雾浓度传感器并不能有效测定训练时的烟雾浓度，所以，本系统采用时间分级的方法来区分烟雾训练等级，即以喷烟时间20秒、40秒、60秒3个级别作为浓烟训练分级标准。

爆炸及火灾声光模拟子系统采用大功率LED光源以及频闪光源模拟瓦斯燃烧机爆炸的光特性，采用火焰模拟光源模拟井下可燃物燃烧时产生的明火，通过音频剪辑，制作模拟井下爆炸、火灾以及冒顶等灾害的音频文件，利用声光控制器控制实现声光模拟的同步，形象模拟煤矿井下火灾及爆炸的声光特性。

缺氧环境模拟子系统采用液氮绝热存储和瞬间大流量汽化技术，能够实现体积存储下，快速、安全、稳定降低较大空间内氧气浓度的目的。系统由液氮绝热瓶、液氮汽化器、电磁阀、氧气传感器、PLC、配电箱以及上位机组成，子系统结构图如图4所示。设子系统外置汽化器汽化流量为Q（m3/h），密闭训练时体积为V立方，将密闭空间内氧气浓度降到15%以下所用的时间为T（min），则T=24Q/V。当汽化器汽化流量为100m3/h，训练室体积为120立方时，将室内氧气浓度降到15%时所用时间为28.8min。当训练室体积很大时，只需要配备大流量的汽化器即可。

顶板灾害模拟训练子系统通过电磁冒顶模拟装置以及轻质材料块实现对冒顶灾害的模拟。使用时配合红外线传感器以及PLC自动控制系统，子系统能够人为或者根据传感器信号触发冒顶灾害模拟电磁装置。

系统控制系统采用PLC集中自动控制，PLC根据反馈的传感器数据实现对整个环境模拟的自动控制，使训练环境温度、氧气浓度和能见度等参数维持在要求范围内。借助PLC的以太网扩展模块，集中控制系统具备了远程网络化控制功能，训练基地局域网或者远程英特网用户终端获得授权后均可远程查看，指挥灾害模拟训练。实际模拟救灾演练时，训练指挥人员可以配合音频和视频通讯实现对模拟训练过程的全方位监控，训练救灾指挥人员应急救援的指挥能力，减少决策失误。

2救灾模拟演练系统的现场应用

2.1应用地点简介

陕西陕煤彬长矿业有限公司救援中心位于山西省咸阳市彬县，承担整个彬长矿区的应急救援任务，拥有国家矿山应急救援二级资质，达到了国家特级质量标准化救护大队，是彬长矿区重要的应急救援基地。

救援中心建有标准化的地下训练模拟巷道，主要由斜井、主巷道、联巷、冒顶模拟训练巷道、烟热训练室、匍匐巷道以及回风立井组成。如图5所示，巷道采用自然通风的方式，第一联巷和冒顶模拟巷道用于障碍训练和冒顶模拟训练，烟热训练室用于高温浓烟训练以及缺氧环境模拟训练，匍匐巷道用于训练受训人员针对低矮复杂地形的适应能力。

2.2设备的安装及系统的技术参数

研究根据救援中心模拟巷道实际特点确定了系统设备的现场安装方案，即第一联巷布置有金属栅栏障碍训练设备，冒顶模拟巷道内安装顶板灾害电磁模拟设备，第二联巷为集中控制系统和液氮存储和汽化装置放置地点；烟热训练室内安装有爆炸及火灾模拟光源、烟热发生装置、氮气排放管路以及各种传感器；音频对讲广播设备和视频监控设备安装于巷道的各个地点，做到无死角全方位监控。系统主要技术参数如表1所示：

2.3系统的调试运行及应用效果

系统现场安装完成后进行了调试和运行，取得了良好的效果。系统能够营造出40℃以上的环境温度，并能短时可控制造出浓烟，配合播放各种环境噪音以及释放模拟灾害气体的氮气，能够逼真模拟煤矿火灾和瓦斯爆炸的环境特性。演练系统配合制定的演练方案，并结合训练设施，能够训练受训人员应对煤矿突发事件的应急救援能力，完全能够满足救护大队日常模拟训练要求，现场应用效果图如图6-9所示：

现场应用时，通过对受训人员心率的实时采集分析受训人员的身体及心理素质变化情况。正常人心率数值60-80之间，剧烈运动或受到惊吓情况下心率会出现升高现象。心率的连续升高可以作为受训人员身体体能状况的衡量指标，心率的突变则可用来衡量受训人员应对突发灾害环境的恐惧心理变化情况。因而通过在心率值变化能够反应受训人员在训练过程中的身体能以及心理变化情况。训练分3个阶段，通过对每个阶段个体样本训练过程中的数据变化分析训练效果，观察训练采集的数据如图10、图11所示：

从图中可以看出，常规的体能训练受训人员心率变化幅度较小，没有突变，不能有效训练受训人员的心理素质；在救灾模拟训练条件，三个训练阶段受训人员均有明显的心率突变过程，表明心理上出现突然的惊慌现象，且三个阶段出现的心率幅度逐渐变小，说明通过3个阶段的训练，受训人员对突发事件的心理承受能力显著提高；从图中还可以看出，第一到第三阶段，同一训练时间点心率数值依次降低，训练中心理最大值也出现明显的下降，说明通过训练，受训人员应对复杂灾害环境的身体承受能力以及心理承受能力明显提高；从图中还可以看出，受训人员训练结束后，心率数据第一阶段最高，第二阶段、第三阶段依次降低，说明通过训练，受训人员应对灾害的身体承受能力显著提高。

3结论

研究针对我国矿山救护大队模拟训练手段以及矿山救护大队救灾模拟演练研究的不足开发了一套矿山救护大队救灾模拟演练系统，并在彬长集团救援中心成功应用。主要结论如下：

1）根据矿山救护大队日常模拟训练需求确定了救灾模拟演练系统的整体结构和功能。即系统由音频网络广播对讲子系统、视频监控子系统和音频对讲子系统构成，实现远程监控、应急救援演练以及灾害模拟训练等功能。

21结合工业以太网技术、光纤传输技术以及PLC自动化控制技术设计了救灾模拟演练系统三大子系统。子系统间均采用以TCP/IP协议通信，通过光纤传输技术以及PLC控制技术，实现系统的远程网络化和自动化监控。

3）设计的灾害模拟训练子系统采用声、光、热、烟雾、轻质材料以及气体等手段营造了煤矿火灾和瓦斯爆炸时期高温、浓烟以及缺氧的灾害环境，并能够模拟灾害时期的声光特性，训练救护队员在灾害环境下的心理和生理承受能力；同时，系统能够模拟冒顶、风流紊亂等突发灾害，训练救护队员以及救灾指挥人员面对突发灾害时的应急救援能力。

4）设计的救灾模拟演练系统在陕西陕煤彬长集团救援中心成功应用，系统能够快速营造矿井灾害时期高温、浓烟以及缺氧的灾害环境，并能够模拟冒顶等其他突发灾害。通过对受训人员心率等训练数据的采集分析，系统能够显著提高受训人员应对灾害环境的心理和身体承受能力，具有良好的实用性和推广价值。endprint