矿井突发灾害模拟系统研究

王永翀

(潞安集团 潞宁煤业公司，山西 忻州 036000)

安全是煤矿生产的前提和基础，但近些年来，煤矿事故时有发生，升温、产烟、有毒气体释放，这些都是对矿井生产造成巨大挑战和威胁的安全问题。若救护队员现场经验不足，缺乏处理问题的经验和技能，就极易造成安全事故，甚至可能造成人员伤亡。因此，本文设计了一套安全高效的矿山救护模拟培训系统，借此来提高救护人员的专业技能，丰富救护队员的现场经验，提高救护效率。

1 设计模拟培训矿井

1.1 设计原则

矿山救护的模拟培训需设计出一条模拟矿井巷道，而模拟巷道的设计则需根据矿井的实际情况及紧急状况的具体特点进行设计，总体而言，模拟矿井的设计需满足以下要求：①模拟巷道应满足正常矿井的通风要求，尽可能设计为通风巷；②模拟巷道的设计应根据实际情况设置合适的倾角，可设计为平巷、立井或斜巷；③模拟巷道需设置有特定的矮巷，来满足紧急情况救护的要求；④模拟巷道需有足够的空间和长度来进行救护模拟工作。

1.2 模型设计

根据以上设计原则，现设计出一个用于矿山救护专用的矿井模型，该模拟矿井由八条巷道组成。模型采用明挖法施工，先从地面向地下掘出所需巷道，作为矿山救护模拟培训用，整个培训工作都在地下进行，施工完后进行封顶，在地面留一入口，作为进入地下巷道用。这八条巷道的名称及尺寸如表1所示。

表1 矿山救护矿井模型尺寸

西大巷和东大巷沿南北方向平行布置，且每条大巷内设置有4个硐室，硐室均为上顶宽1.9 m、下底宽2.6 m、长5.5 m、高1.9 m的梯形断面，沿东西大巷均匀布置。联络巷布置在西大巷与东大巷之间，矮巷布置于西大巷西侧，进风巷和回风巷布置在东西大巷两端，回风井布置在回风巷端头，斜井布置在进风巷端头，具体布置如图1所示。

图1 模拟矿井巷道布置

2 模拟培训系统开发

模拟培训系统主要包括现场模拟系统、监控系统、控制系统三部分，具体用到的设备及布置情况如图2所示。

图2 模拟培训系统装备及布置

2.1 现场模拟系统

现场模拟主要有升温、产烟、有毒气体、瓦斯爆炸等状况下的模拟。

1) 产烟系统。由于模拟烟雾环境主要是在有烟雾作用、能见度降低的情况，故产烟系统由两部分组成，即产烟和能见度测量。采用市场上常用的喷烟机进行产烟操作，用PLC(可编程逻辑控制器)对喷烟量进行控制并对巷道内的能见度进行测量。

2) 升温系统。升温系统由两部分组成，即升温和温度检测。采用电热管进行升温操作，用PLC对巷道内温度进行控制，采用电阻温度传感器对巷道内温度进行测量。

3) 毒气释放系统。模拟有毒气体主要为CO，毒气释放系统由两部分组成，即释放有毒气体和毒气浓度检测。通过连接毒气罐的气体输送管进行CO有毒气体的释放，并用PLC对巷道内有毒气体的释放量进行控制，采用毒气传感器对有毒气体浓度进行测量。

2.2 监控系统

监控系统主要包括视频监控、语音监控、人员定位等。

1) 视频监控。对现场的监控通过在现场安装红外线摄像头来实现，在大巷内安装可变焦的带云台摄像头，在大巷内的硐室内安装定焦摄像头，并将现场摄像数据传输到调度中心，进而对现场进行实时监控。

2) 语音监控。语音监控包括现场向调度中心汇报现场情况和调度中心向现场发布施行两部分。现场设备采用麦克风、防水扬声器、定压功放，调度设备有麦克风、柱状扬声器、定压功放、调频机。

3) 定位系统。人员定位系统主要依靠定位卡来实现，通过工作人员随身佩带定位卡，定位卡将位置信息传输给调度中心的计算机，调度中心可通过计算机显示的信号实时监测工作人员的位置。

2.3 控制系统

为保证模拟培训过程的安全高效进行，控制系统要满足既能自动调控又能手动操控的要求，在进行救护工作时，既可以通过现场的调控系统根据现场情况自动进行控制，又可以通过指挥部的指挥控制系统手动进行操控，总体而言，控制系统主要包括以下两方面：

1) 现场控制。现场控制主要通过PLC完成，PLC是一种方便、稳定、高效、准确度高的现场控制系统。PLC控制的原理是：先根据模型设计出一套可适应于现场的编程，然后将其输入到控制程序，当现场有情况发生时，根据现场情况，匹配合适的代码，将其代入编程，运行控制程序，即可对现场进行自动调控。

2) 指挥部控制。指挥部通常设在地面调度中心，在调度中心内安设计算机控制器，通过控制网线与现场PLC连接。PLC将现场收集到的数据发送给计算机，计算机可通过分析数据实时监控现场情况，并及时发布指令对现场进行远程操控。

3 工程应用

3.1 应用过程

将该系统应用于山西某矿山救护队，模拟矿井采用图1所示矿井，进行矿山救护演习，检验其作用效果。

在西大巷内的四个硐室内各安装一个升温控制装置，巷道内安装两套产烟装置，在井口放置一毒气储存罐并通过输送管路与西大巷内安置的两套毒气释放装备连接。在整个矿井巷道内安置11台红外线摄像头和10台语音监控装置，具体布置如图2所示。整个模拟培训分为三组，第一组为单项模拟，第二组为多项模拟，第三组为综合模拟。

1) 单项模拟。在进行单项模拟时，分别模拟救护队员在高温、浓烟、有毒气体单一条件作用下的反应。具体安排如表2所示。

表2 单项模拟培训计划

2) 多项模拟。所谓多项模拟，就是把上述三种情况即高温、浓烟、有毒气体两两共同出现或者三种同时出现进行模拟，这里不在赘述。

3) 综合模拟。综合模拟是指在进行单项模拟培训后，再进行一定时间的常规模拟训练，具体安排如表3所示。

表3 综合模拟培训计划

3.2 应用效果

在进行上述三组模拟培训的同时，调度中心通过现场的视频监控装置和语音监控装置实时监控现场情况，并通过现场安置的PLC自动对现场进行调整。演习培训结束后，对参训队员的身体状况进行检测，主要检测其血压变化、心率变化和恢复所需时间，结果如图3—图5所示。

图3 培训人员血压变化

图4 培训队员心率变化

图5 培训队员身体恢复时间变化

1) 在开始进行模拟培训时，培训队员的身体反应较大，说明该系统的模拟效果较好；在进行多次的模拟培训后，培训队员的身体反应变化逐步减小，说明队员在经过多次训练后身体素质不断增强。

2) 在应用该模拟培训系统后，培训队员对井下突发情况有了更真切更清晰的认识，在应对突发情况时可以从容应对、高效解决。提高了救援效率。

4 结 语

针对煤矿各种安全隐患的特点，为提高救护对员的培训质量，使培训更真实地贴近现实情况，设计了一套安全高效的矿山救护模拟培训系统，对提升救护对员的专业技能，提高救护效率，具有积极意义。