煤矿安全生产监控与通信技术

　　煤炭是我国的主要能源，约占一次能源的70%。中国是世界最大的产煤国，2008年中国煤炭产量约占世界的41%。近年来，我国煤矿安全生产形势逐年好转，事故起数、死亡人数、百万吨死亡率均大幅下降，百万吨死亡率平均每年下降约20%。但与世界其他主要产煤国相比仍有一定差距。

　　我国煤矿百万吨死亡率高于美国、南非、印度、波兰和俄罗斯等主要产煤国。除地下开采高达95%、赋存条件差、灾害严重、小煤矿多等原因外，机械化、自动化、信息化程度低也是主要原因之一。煤炭工业安全健康可持续发展，离不开煤矿监控与通信。

　　1煤矿监控与通信技术的现状

　　1.1煤矿安全监控技术、标准与系统

　　针对电气防爆、传输距离远、宜采用树形结构、电网电压波动范围大、工作环境恶劣、传感器宜采用远程供电、不宜采用中继器、抗故障能力强等特点，提出CA等现场总线本质安全防爆方法，煤矿监控信息传输方法，煤矿监控数据处理方法，断电控制方法，馈电状态监测方法，开关电源本质安全防爆方法，矿用本质安全防爆电源与备用电源连接方法，煤矿安全生产监控系统主要技术要求、试验方法、装备要求等11—3，制定了《AQ5201—2006煤矿安全监控系统通用技术要求》、《AQ1029—2007煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》、《MT/U004—2006煤矿安全生产监控系统通用技术条件》、《MT/T1005—2006矿用分站》、《MT/T006—2006矿用信号转换器》、《MT/U007—2006矿用信息传输接口》、《MT/T1008一2006煤矿安全生产监控系统软件通用技术要求》、《MT/T1078一2008矿用本质安全输出直流电源》、《MT/U079—2008矿用断电控制器》、《MT/T1081—2008矿用网络交换机》等煤炭行业和安全生产行业标准。煤矿安全监控系统是煤矿井下安全避险“六大系统”之一，在煤矿瓦斯防治、灾害预警和事故调查中发挥着重要作用。

　　1.2全矿井移动通信技术与系统

　　研究发现了一些矿井无线传输规律及特性,分析总结了矿井移动通信的特殊性和需求。针对矿井无线传输衰减大、发射功率受限、设备体积小、抗干扰能力强、抗故障能力强、防护性能好、电气防爆、电源电压波动适应能力强等特点，提出多基站矿井移动通信系统网络结构，提出矿井移动通信与应急通信系统性能要求和方法141,研制成功了基于WF的矿井移动通信系统等。矿井移动通信系统在煤矿安全生产调度、安全避险和应急救援中发挥着重要作用。

　　1. 3煤矿井下人员位置监测技术、标准与系统

　　针对GPS信号不能覆盖煤矿井下巷道、矿井无线传输衰减大、电气防爆等特点，提出了煤矿井下人员位置监测系统主要技术要求和测试方法：

　　(1) 识别卡与分站之间的无线传输距离不小于10m

　　(2) 只别卡位移速度不得小于5 m/S?1!(3)只别卡并发数量不得小于80个

　　(4) 系统漏读率不得大于10—4。

　　(5) 识别卡数量应不小于8000个等。

　　提出了煤矿井下人员位置监测系统装备要求:各个人员出入井口、采掘工作面等重点区域出/入口、盲巷等限制区域应设置分站。基于RF1D的煤矿井下人员位置监测系统，宜设置2台以上分站或天线，以便判别携卡人员的运动方向。巷道分支处应设置分站，巷道分支的各个巷道应设置分站或天线，以便判别携卡人员的运动方向。制定了《AQ3210—2007煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》、《AQ1048-2007煤矿井下作业人员管理系统使用与管理规范》安全生产行业标准，研制成功煤矿井下人员位置监测系统。

　　煤矿井下人员位置监测系统在遏制超定员生产，防止人员进入危险区域，事故应急救援，及时发现未按时升井人员，领导下井带班管理，特种作业人员管理，井下作业人员考勤，持证上岗管理等方面发挥着重要作用。

　　1.4煤炭产量远程监测技术、标准与系统

　　根据遏制煤矿超能力生产等需求，提出了煤炭产量监测信息远程传输通信协议、每小时产量文件数据格式、系统工作异常文件数据格式、初始化参数文件数据格式;提出了监测与显示要求、超产监测与显示、时产量监测与显示、系统工作状态监测与异常显示；提出了基于有功功率监测、基于图像监测和计量装置工作状态监测的防作弊方法;研制了具有防作弊功能的煤炭产量远程监测系统；制定了煤炭行业标准《MH082—2008煤炭产量远程监测系统通用技术要求》和《MH080—2008煤炭产量远程监测系统使用与管理规范》。

　　煤炭产量远程监测系统是加强了煤炭产量监测与管理、遏制煤矿超能力生产的重要工具之一。

　　1.5无人值守远程监控技术与系统

　　为减少煤矿井下作业人员，避免或减少重、特大事故发生，研制成功煤矿供电监控系统、排水监控系统、胶带运输监控系统、轨道运输监控系统、胶轮车运输监控系统等，实现了煤矿井下机电硐室、压风机房、水泵房、带式输送机等无人值守远程监控。工作面有人巡视条件下，回采巷道遥控和记忆割煤技术在神东矿区也取得了突破和应用。

　　2.煤矿监控与通信技术的未来研究方向

　　2.1矿用物联网技术

　　为避免假冒机电产品在煤矿使用造成事故，为煤矿安全生产和应急救援提供快速有效的物资保障，优化采购和库存，降低成本需要矿用物联网技术，对煤矿采掘、运输、提升、电气、通风安全、地测、应急救援等装备和维修用零部件，从生产、采购、运输、仓储、使用、维护等环节全过程监管。

　　煤矿井下无线传输衰减大、电气防爆等特殊性17制约着地面物联网技术直接在煤矿井下应用。因此，需要针对煤矿井下特殊性，研究矿用物联网技术：

　　(1)研究制定煤矿物联网信息编码、传输、处理等标准。

　　(2) 研制矿车、胶轮车、采煤机、掘进机、人员等动目标和静目标管控系统。

　　(3) 研制瓦斯检查员、安全检查员、电钳工、放炮工、绞车司机、采煤机司机、水泵操作工等及其操作设备、作业环境人机环闭锁系统。

　　(4) 研制矿用安全标志准用产品和重大关键设备生产、运输、仓储、使用、维护等全过程跟踪管理系统等。

　　实现全矿井动目标和静目标实时管控、人机环动态闭锁，实现矿用安全标志准用产品和重大关键设备生产、运输、仓储、使用、维护全过程跟踪管理和重大关键设备的在线健康诊断等。

　　2. 2煤矿一体化通信技术与系统

　　为满足煤矿生产调度与应急通信的需求，需要研究煤矿一体化通信技术与系统。研究有线无线一体化通信技术，生产调度与应急通信一体化技术，语音、视频及短信多媒体通信技术。研制具有如下功能的煤矿一体化通信系统：

　　(1) 具有生产调度、报警联动、应急扩音通信、紧急呼叫、避险与逃生声光提示、位置监测等功能。

　　(2) 具有语音、视频、短信等通信功能。

　　(3) 具有移动和固定通信功能。

　　2.3无人工作面遥控技术

　　采掘工作面是煤矿事故多发地点。因此，要通过煤矿监控、通信与机械化，减少煤矿采掘工作面作业人员。2009年在全国煤矿发生的68起一次死亡3人及以上瓦斯事故中，采掘工作面发生45起，占66.2%；20起一次死亡3人及以上水灾事故中，采掘工作面发生14起，占70%;16起一次死亡3人及以上顶板事故中，采掘进工作面发生11起，占68.8%。

　　目前采煤工作面能够做到工作面有人巡视条件下的回采巷道遥控和记忆割煤，但不能自动识别煤岩，不能实现工作面无人控制。因此，需要研究煤岩分界识别技术和仪器111]，研究液压支架、采煤机、刮实现无人工作面地面遥控。

　　2.4煤矿井下人员精确定位技术

　　煤矿事故应急救援急需煤矿井下人员定位系统，以便及时发现被困人员位置，争取救援时间。GPS信号不能覆盖煤矿井下巷道。目前，煤矿井下人员位置监测系统主要采用RFD漏泄电缆等技术，实现了煤矿井下人员位置监测，在遏制超定员生产工作中发挥着重要作用。但这些系统不能实现人员精确定位，难以满足灾后救援的需求|121。因此，需要针对煤矿井下巷道特点，研究煤矿井下人员定位网络结构和定位算法等，研制具有精确定位功能的煤矿井下人员定位技术与系统，实现煤矿井下人员精确定位。

　　2.5 煤矿重大灾害预警技术

　　煤矿重大灾害预警是保障煤矿安全生产的重要措施。现有煤矿安全监控系统具有瓦斯等实时监测、报警与断电功能，部分系统具有瓦斯、火灾、冲击地压等重大灾害预警功能，但预警准确率较低，难以满足煤矿安全生产需要|131。因此，迫切需要提高煤矿重大灾害预警准确率，研究基于煤矿安全监控系统的瓦斯、火灾、冲击地压等灾害预警技术。研究基于煤矿安全监控系统和3DGS、瓦斯地质、瓦斯压力、地音、瓦斯浓度变化等多元信息融合的瓦斯突出预警方法。研究基于煤矿安全监控系统和3DGIS煤炭自燃倾向性、温度、一氧化碳浓度、氧气浓度、二氧化碳浓度等多元信息融合的煤炭自燃预警方法。研究基于煤矿安全监控系统和3DGB煤岩特性、煤岩声发射等多元信息融合的冲击地压预警方法。

　　2.6基于3DGE的煤矿安全生产管理信息系统

　　煤矿在地质勘探、设计、建井施工、安全生产、经营管理中产生了大量的空间数据和对应的属性数据。煤矿安全生产与经营管理需要对煤层、顶底板、围岩、地质构造等基础信息、井巷测量信息、供电、通风、排水、运输、采掘、监控、通信等生产信息进行三维表达与分析，这就需要研究基于3DGI3的煤矿安全生产管理信息系统。研究矿用三维建模算法和三维可视化表达方法。

　　2.7煤矿井下生命探测技术

　　煤矿井下发生灾变后，生命探测技术和装置是加快搜救进度，减少人员死亡的有效手段之一。由于煤矿井下电气防爆无线传输衰减大等特殊性，地面一些成熟技术难以直接在煤矿井下应用。这需要根据煤矿井下灾后环境特殊性，研究用于煤矿井下的生命探测与定位技术。研究能够穿透煤岩冒落物的矿用防爆超宽带生命探测雷达、矿用防爆超低频生命探测板输纲确定位技术，进一面监控的可靠性’仪、矿用防爆便携式人员位置检测仪、矿用防爆光学生命探测仪、矿用防爆声学生命探测仪等。

　　2.8本质安全无线通信技术

　　漏泄通信、感应通信、透地通信、RFDWF、iPHS(小灵通）、ZGBEE等无线通信技术和设备在煤矿井下的应用，实现了煤矿井下移动通信、人员位置监测、便携式仪器无线接入、移动设备无线接入等，为煤矿安全生产提供了手段。但缺乏对这些无线通信设备本质安全防爆性能的研究。例如，这些无线通信设备的无线发射功率和能量能否引爆瓦斯和电雷管等。因此，需要研究无线电波引爆瓦斯的极限功率和能量，以及天线、工作频率、复用方式、调制方式等影响。

   2.9本质安全光纤通信技术

    以太网、光纤通信技术在煤矿井下应用，解决了监控数据、工业电视等宽带远距离传输问题。但激光引爆瓦斯的极限功率和能量的研究较少。需要研究光信号引爆瓦斯的极限功率和能量，以及复用方式等影响。

　　2.10传感器无盲区布置

　　为实时监测煤矿井下瓦斯浓度变化，避免瓦斯爆炸等重、特大事故发生，煤矿井下需布置大量的瓦斯等传感器。大量的瓦斯传感器不但会增加系统资金投入，还增加了系统维护工作量。因此，需要根据煤矿井下采掘布置、通风系统、风速、瓦斯分布和运移规律、瓦斯变化趋势、瓦斯爆炸界限、传感器响应时间、系统断电控制响应时间、供电系统、断电区域等，优化传感器设置地点、吊挂位置、最大间距、断电浓度、报警浓度、复电浓度等114—151，实现传感器无盲区优化布置和分级、分区断电控制。

　　2.11煤矿井下救灾机器人

　　煤矿井下发生瓦斯爆炸等事故后，因受有害气体、缺氧、高温、烟雾等影响，以及发生二次灾害的可能，有时救护人员难以在第一时间进入事故现场执行侦察和救援任务，甚至造成救护人员伤亡。因此，为使煤矿井下救灾工作顺利开展，减少人员伤亡，需要煤矿井下救灾机器人替代部分救护队员进入煤矿井下灾后现场进行环境探测和搜救任务。目前已有一些煤矿井下救灾机器人116的研究，但远程控制、本质安全防爆、越过顶板冒落障碍等关键性问题没有解决，难以满足实际煤矿井下灾后救援工作需要。因此，需解决远程控制、本质安全防爆、越过顶板冒落障碍等关键性问题。

　　煤矿井下无线传输衰减大，因此，无线遥控要解决遥控距离短、巷道弯曲和分支影响大等问题。如果采用拖缆有线遥控方式，需解决电缆或光缆在煤矿井条件下拖缆等问题。如果采用放缆有线遥控方式，需要解决本质安全防爆条件下，自背电缆或光缆，行走在高低不平、有积水巷道中等问题。如果采用自动导航方式，需解决无GPS!号条件下，煤矿井下路径识别与自动导航等问题。

　　当煤矿井下发生瓦斯爆炸等事故后，事故现场的瓦斯浓度有时会在爆炸界限内。因此进入煤矿井下灾后现场的机器人，应是本质安全防爆型。本质安全防爆是通过限制电路功率，进而限制火花能量和温度，以达到防爆目的。特别当负载中有较大电感和电容等储能元件时，所允许的功率更小。机器人采用电机驱动，因此既要满足电机驱动功率，又要满足本质安全防爆要求，是比较棘手的问题。煤矿井下发生瓦斯爆炸等事故后，通常会发生顶板冒落。因此通过煤岩冒落堆积障碍，也是煤矿井下救灾机器人需要解决的问题。

　　3结语

　　煤矿安全生产监控与通信是煤矿安全生产的重要保障，在煤矿安全生产，减少井下作业人员，重大灾害预警，隐患排查，安全避险，应急救援，事故调查，人员、设备和环境监管等方面发挥着重要作用，必将在今后建设安全高效、环境友好、资源节约的煤矿中，发挥更大和不可替代的作用。