井下突发状态监测与人员紧急救援协同系统的研究

赵 章

（朔州市应急救援大队，山西 朔州 036002）

0 引 言

煤矿工作区发生自然灾害对于煤矿安全具有重要影响，随着煤矿开采程度的增加，自然灾害的发生概率更大，如何针对煤矿地区特点开展突发状况的检测是保证煤矿安全生产，保障工作人员安全的重要方法。对灾害的预测目的是降低突发情况造成的影响，提高生产过程的连续性，保证煤矿安全生产的顺利进行。

人员安全是煤矿生产的基本要求，而对自然灾害的监测是保障煤矿安全生产的一道防线，对自然灾害进行检测，能够降低煤矿安全事故的发生，保证煤矿井下人员的生命安全。本文灾害监测和人员救援两方面着手，对煤矿自然灾害进行分析，分析当前灾害监测和人员救援存在的问题，提出井下突发状态监测与人员救急协同系统，为煤矿企业的自动化发展和安全生产提供建议。

1 煤矿井下自然灾害分析

煤矿井下自然灾害发生的情况较多，主要分为巷道进水、顶板坍塌、矿井火灾、瓦斯爆炸、冲击地压等。不同的自然灾害可能一种或者多种同时发生，相互之间影响可能导致更大的破坏，造成人员伤亡和矿井企业经济损失，影响正常生产工作的开展。

1.1 瓦斯危害与矿井火灾

瓦斯是一种混合气体，主要成分是甲烷，当矿井中瓦斯含量到达一定程度时，遇到明火就会引起爆炸，且浓度高的瓦斯会导致煤矿井下工作人员窒息。

煤矿井下灾害的发生分为外因和内因，外因的情况较为复杂，一般包括设备短路、井下人员抽烟、煤块输送设备摩擦；内因主要是煤矿井下混有的气体出现自燃情况。煤矿井下灾害发生时，会产生有害气体，威胁工作人员安全。火灾发生时，产生的热量短时间难以扩散易行成爆炸，火灾产生的烟雾引发人员中毒或窒息。

1.2 巷道进水与顶板事故

煤矿井下开采过程中可能会导致水流渗透到巷道内，造成巷道积水。巷道进水后缩短煤矿山体的使用寿命，导致矿井淹没，威胁井下人员生命安全。当矿区地质较差，会导致矿井坍塌，积水还会导致用电设备短路，影响电力设备正常工作和使用。

顶板事故是对矿山安全影响最大的因素，矿山出现开采程度过大时，会导致顶板承受的压力过大，顶板支撑不能承受压力时，出现断裂或者坍塌。随着煤矿企业的开采，采空区的范围增大，顶板支撑非常容易出现事故，且出现顶板坍塌后的矿区，会导致其他连带灾害的出现，如煤矿区发生水流渗透的概率得到极大的增加。

1.3 冲击地压

在煤矿企业中，煤矿区的岩石中聚集着能量，当能量达到一定的承受极限时，会出现能量的释放，造成煤矿岩石崩落，这就是冲击地压。冲击地压具有多样性、突发性、破坏性和复杂性等特点。冲击地压按照破坏程度的不同，分为一般冲击地压与严重冲击地压。冲击地压在发生时具有较大的能量释放，会导致岩石破碎、碰撞，同时伴随着巨大的声响。冲击地压发生后会伴随一系列的次生灾害，如火灾、水灾等，加剧煤矿的危险性。

矿震是一种常见的自然灾害，在煤矿开采过程中，由于地表震动或者岩层脱落会导致矿震的发生。矿震是伴随冲击地压发生的，非常容易引发煤矿灾害。

2 自然灾害监测系统

2.1 SMP 瓦斯监测和控制系统

瓦斯是一种易燃的混合气体，一般情况下瓦斯在矿井中能够保持稳定，在未遇到明火时，不会发生爆炸或者燃烧。但在没有火源的情况下，不会导致火灾或爆炸。在进行瓦斯含量的检测时，需要特别注意，监测甲烷的SMP 系统如图1 所示。

图1 SMP 系统总站

该系统总站采用连续测量的方式监测煤矿井下瓦斯含量，一般监测时间为4min，监测范围广，可达到甲烷占比范围0～100%空气含量。当监测到空气中瓦斯达到一定浓度时，需要在瓦斯含量高的区域切断电源，开启通风条件，降低空气中瓦斯含量。SMP 系统检测总站不仅可以检测瓦斯，还可以对空气流速、地表温度、矿井压力、CO 含量、粉尘含量等进行监测。

在煤矿生产中，瓦斯爆炸事故的发生对煤矿危害极大。基于降低煤矿安全生产的风险考虑，需要安装合适的瓦斯监测系统。

2.2 SMP-NT 瓦斯和火灾监测系统

煤矿井下存在瓦斯就存在一定的安全隐患，需要特别注意。特别是对于开采较多的煤层，发生瓦斯火灾或者爆炸的危险性更大。为此，搭建煤矿井下瓦斯监测结构，SMP|NTII和火灾监测系统如图2 所示。

图2 SMP | N 瓦斯和灾害监测构成

由图2 可知，监测系统分为井上部分和井下部分，井上部分包括主计算机、数据传输系统、监控主机三个部分。井下部分包括不同的检测分站、CCD-1 井下工作站，井下设备需要在恶劣的环境下正常工作，保证检测系统正常运行。

CCD-1 井下工作站将传感器采集的数据进行集中和储存，传感器是井下环境监测的终端。CCD-1 井下工作站的电源部分位于地面，该工作站含有控制设备，能够监测二进制的数据，有利于采集井下气体数据。CCD-1 井下工作站输入、输出设备齐全，有8 个模拟输入、4 个控制输出和16 个二进制输入，能够有效完成数据传输和监测。

SMP-NT 瓦斯和灾害监测是一种先进的控制系统，能够实现对矿井突发灾害的检测。系统具有模块化结构，可以根据井下环境的变化进行调节，该系统装有多个传感器，能够监测一氧化碳、甲烷、空气温度、空气流速等多种环境指标。地下设备均能够适应在复杂环境下工作的特性，能够使得系统运行不受煤矿井下环境干扰。

2.3 冲击地压监测系统

对于冲击地压这类灾害的发生监测，采用专用的无线应力监测系统和有线应力监测系统不同的方式进行监测。两者区别在于信号传输的方式，冲击地压监测系统的原理是当量钻屑量原理，其对将要发生冲击地压的煤矿区域进行监测，以保证煤矿系统安全生产。

冲击地压监测系统主要包括：

1）井下监测主机，主机是完成冲击地压监测的主要部分，主机的电子配件都是选自工业生产中广泛使用的高性能产品。

2）压力传感器，实现环境监测的终端设备，该部分主要由高精度的压力传感器组成，可以连续对压力进行监测。

3）地面监测主机，实现对煤矿地面部分的数据存储和分析，能够显示井下数据监测状况。

4）数据处理分析系统，实现对监测的数据分析和处理功能，数据分析和传输的可靠性高。

2.4 地震灾害监测系统

地震是一种监测难度较大的自然灾害，地震的发生具有突然性、急速性的特点，造成的破坏大，对于煤矿企业的安全生产影响极大。对于地震这种自然灾害的检测，需要采用动态和静态结合的方式进行监测，以提高监测的准确性。顶板深处是地震静态和动态监测的监测点，被采集的数据记录在钻孔中，通过对钻孔的变形分析和动态信号获取判断地震灾害情况。

对于地震灾害的监测，波兰专家开始的较早，波兰EMAG 中心使用地震检波仪对地震的发生与否进行监测。在监测过程中使用两种系统，ARES 地音监测系统用于地震监测，记录岩石破裂的发生。ARAMIS 是一种微震监测系统，当地下出现地震时，即可对其进行监测，ARAMIS 微震监测系统如图3所示。

图3 微震监测系统

如图3 所示，微震监测系统包含地面和井下两个部分，其中地面部分包括监测主机和数据服务器，井下部分包括通讯主站、监测分站、地震检波器。地面部分与井下部分构成一个地震监测的整体，对于保证煤矿安全生产具有重要意义。目前，微震监测系统是煤矿井下突发状态监测的常用系统，用于煤矿环境监测。

3 人员安全系统

3.1 救援协同子系统

煤矿井下出现突发情况时，矿井人员的人身安全可能受到威胁，为此需要对井下人员的所在位置进行定位，以保证人员安全，减少人员受伤的发生。定位井下人员位置冰采取救援措施是紧急救援协同系统的重要部分。煤矿井下灾害突然发生，对井下人员的救助一定要抢在第一时间，以保证井下人员的安全。设置广播预警系统，当煤矿井下发生自然灾害时，启动报警系统，提醒井下人员迅速撤离至安全地带。报警系统采用KT190 广播形式，系统结构如图4 所示。

图4 灾害发生预警系统结构

如图4 所示，预警系统包括手机端和广播控制台，地面紧急救援指挥人员发送指令，井下工作人员在手机端进行确认，同时可以向地面救援人员汇报煤矿井下情况，井下人员在地面指令的指挥下，远离自然灾害发生的地点，保障自身生命财产安全。地面和井下部分都有音响设备，可以对预警信息进行扩大，以保证预警信息能够有效传递。

3.2 自然灾害监测一体化系统

随着煤矿开采程度的加深，自然灾害的样式也更加复杂，尤其是对于开采时间久的煤矿，可能会发生多种自然灾害。为此，在对其进行监测时，不能仅仅监测单一的数据，需要进行综合、整体监测，以保证煤矿企业的安全生产。自然灾害的发生对于煤矿企业具有重大的损失，严重时导致人员伤亡。开展多种形式的灾害监测，包括瓦斯、地震微波、巷道水灾等监测。将不同自然灾害监测汇总到一个整体系统进行监测，有利于监测管理，如图5 代表多种自然灾害监测的一体化系统结构图。

图5 多种自然灾害监测一体化系统

4 结束语

煤矿井下自然灾害频发，不同的自然灾害之间存在联系，有的灾害可以导致其他灾害的连带发生，所以煤矿井下灾害的发生往往是多种灾害并发，对煤矿安全生产和工作人员的人身安全造成了极大的影响。为此，在研究自然灾害特点的基础上，提出一种井下突发状态与人员紧急救援协同系统。对一种或者多种灾害的发生进行检测，并根据实际情况开展紧急救援。有利于提高煤矿安全生产，降低自然灾害发生对煤矿的影响。

为了更好地监测煤矿井下环境，可以开展监测预警、人员定位、紧急救援一体化的研究，还可以向着智能化、无线化的方向开展研究。