煤礦井下應(yīng)急救援無線通信技術(shù)應(yīng)用

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［摘要］當(dāng)前煤礦井下發(fā)生災(zāi)變時(shí)，存在應(yīng)急救援難度大、救援周期長、無法實(shí)現(xiàn)井上下可視化指揮等技術(shù)難題，大大降低了煤礦救援工作效率，增加井下災(zāi)變區(qū)人員傷亡人數(shù)及經(jīng)濟(jì)損失。朔州市應(yīng)急救援大隊(duì)在井下應(yīng)急救援中，設(shè)計(jì)了Zigbee無線通信系統(tǒng)，從應(yīng)用效果來看，該系統(tǒng)具有自動(dòng)化水平高、人員定位精準(zhǔn)、數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了應(yīng)急救援效率，防止了事故范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。

［關(guān)鍵詞］煤礦；應(yīng)急救援；無線通信；結(jié)構(gòu)原理

引言

隨著煤礦不斷開拓延伸，礦井生產(chǎn)能力加大，煤礦事故率也隨之升高，如頂板垮落、瓦斯爆炸、透水等，不僅造成煤礦重大經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重威脅著煤礦職工人身安全。在煤礦發(fā)生事故后，可通過應(yīng)急救援降低人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失，防止事故范圍進(jìn)行一步擴(kuò)大［1］。但是在實(shí)際煤礦應(yīng)急救援工作中，由于應(yīng)急救援體系不完善，救援通信系統(tǒng)相對落后，救援時(shí)地面指揮中心無法獲取災(zāi)變現(xiàn)場資料，大大增加了應(yīng)急救援難度，降低了應(yīng)急救援效率。針對這種情況，本文根據(jù)當(dāng)前煤礦應(yīng)急救援現(xiàn)狀及存在的主要問題，提出了Zigbee無線通信系統(tǒng)，剖析了該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理，并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用分析。

1煤礦應(yīng)急救援現(xiàn)狀及問題分析

1.1煤礦應(yīng)急救援現(xiàn)狀

（1）根據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局統(tǒng)計(jì)分析，截至2017年底，我國已建成礦山等領(lǐng)域應(yīng)急救援隊(duì)伍981個(gè)，共計(jì)有應(yīng)急救援人員6.3萬余名。（2）根據(jù)煤礦災(zāi)變類型，救護(hù)隊(duì)配備了相應(yīng)的救援設(shè)備，如火災(zāi)事故的噴涂機(jī)，瓦斯爆炸事故的正壓送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)，頂板事故的救災(zāi)鉆機(jī)等。目前我國礦山應(yīng)急救援設(shè)備已達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)水平，通過先進(jìn)的救援設(shè)備可大大提高救援效率，降低救援勞動(dòng)強(qiáng)度［2］。（3）在煤礦應(yīng)急救援中，通信系統(tǒng)是一項(xiàng)重要設(shè)施，地面指揮中心通過通信系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地掌握井下事故位置、人員分布情況以及救援工作開展情況等。目前我國應(yīng)急救援通信系統(tǒng)主要包括有線應(yīng)急通信系統(tǒng)、無線應(yīng)急通信系統(tǒng)、透地應(yīng)急通信系統(tǒng)和混合應(yīng)急通信系統(tǒng)等。

1.2問題分析

（1）應(yīng)急救援預(yù)案不合理。煤礦在發(fā)生事故前未編制合理有效的應(yīng)急救援預(yù)案或應(yīng)急救援預(yù)案不完善，導(dǎo)致事故發(fā)生后應(yīng)急救援預(yù)案未能充分發(fā)揮作用，大大延長了煤礦應(yīng)急救援時(shí)間。（2）應(yīng)急指揮中心作用力不強(qiáng)。煤礦在發(fā)生事故后未及時(shí)建立應(yīng)急指揮中心，或指揮中心在指揮應(yīng)急救援工作時(shí)未能充分發(fā)揮指揮作用，導(dǎo)致井下救援工作盲目性大。（3）應(yīng)急救援工作效率低。由于應(yīng)急救援人員專業(yè)知識水平有限，應(yīng)急救援經(jīng)驗(yàn)不足等，導(dǎo)致在井下應(yīng)急救援時(shí)，救援人員救援方法不正確，救援工序不合理，降低了應(yīng)急救援工作效率。（4）應(yīng)急通信系統(tǒng)不完善。目前我國煤礦井下應(yīng)急救援通信系統(tǒng)主要采用有線應(yīng)急通信系統(tǒng)，但是該通信系統(tǒng)受環(huán)境影響大、數(shù)據(jù)傳輸速度慢且無法實(shí)現(xiàn)可視化信息傳輸，制約著應(yīng)急救援工作安全高效地開展。（5）自動(dòng)化水平低。傳統(tǒng)煤礦井下通信系統(tǒng)主要通過敷設(shè)線路并在救援現(xiàn)場安裝設(shè)備進(jìn)行應(yīng)急救援，該系統(tǒng)不僅前期準(zhǔn)備工作周期長，線路敷設(shè)受井下作業(yè)環(huán)境影響，線路敷設(shè)難度大，成本費(fèi)用高，而且采用有線進(jìn)行信號傳輸，線路損壞檢修維護(hù)難度大，不利于高效救援工作，系統(tǒng)自動(dòng)化水平相對較低。（6）系統(tǒng)故障率高。傳統(tǒng)救援通信系統(tǒng)不僅安裝設(shè)備數(shù)量多，而且受井下氣候、粉塵、污水等影響，設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障；同時(shí)，采用有線通信傳輸時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)斷路現(xiàn)象，不僅增加了檢修作業(yè)強(qiáng)度，而且增加系統(tǒng)檢修維護(hù)成本。通過對中煤華晉焦煤王家?guī)X煤礦透水事故、寧武縣莊旺煤礦頂板事故以及同煤集團(tuán)永定莊煤礦氣體涌出事故等幾起煤礦事故救援工作效果來看，應(yīng)急通信系統(tǒng)不完善是制約救援工作效率的主要原因。針對這一技術(shù)難題，設(shè)計(jì)了Zigbee無線通信系統(tǒng)。

2Zigbee無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Zigbee無線通信系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控系統(tǒng)、井下信息接收系統(tǒng)以及井下信息傳輸系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。（1）地面監(jiān)控系統(tǒng)安裝在礦調(diào)度室，主要由上位機(jī)、顯示器、擴(kuò)音器以及打印機(jī)等組成。其中，上位機(jī)內(nèi)安裝專用監(jiān)視軟件，可對井下收集的畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；擴(kuò)音器主要作用是與井下救援人員進(jìn)行實(shí)時(shí)通話。（2）井下信息接收系統(tǒng)主要由救援人員可視化定位儀、井下作業(yè)人員信號定位儀等組成。其中，救援人員可視化定位儀具有錄像功能，在救援時(shí)通過錄像功能將災(zāi)區(qū)畫面上傳至地面，同時(shí)具有對話功能。（3）井下信息傳輸系統(tǒng)主要由井下無線傳輸器、接收器、PLC控制器、工業(yè)千兆以太網(wǎng)等組成。PLC控制器主要用于信號接收、處理以及傳輸?shù)茸饔?。無線網(wǎng)路交換站安裝在井底、井筒以及井口。當(dāng)井下未發(fā)生事故時(shí)，接收器安裝在井下避難硐室、掘進(jìn)巷道巷口以及綜采工作面支架頂梁處，PLC控制器安裝在盤區(qū)大巷處；當(dāng)井下發(fā)生事故后，若通信系統(tǒng)已被破壞，救援人員攜帶設(shè)備，在進(jìn)入災(zāi)區(qū)過程中再次建立無線通信系統(tǒng)。

2.2工作原理

（1）當(dāng)井下發(fā)生火災(zāi)、水災(zāi)、頂板垮落等事故后，被困人員攜帶的定位儀發(fā)出求救信號，被救援現(xiàn)場安裝的接收器接收，接收器將信號傳遞至PLC控制器，并及時(shí)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號，然后通過工業(yè)千兆以太網(wǎng)、井上下網(wǎng)路交換站傳遞至地面指揮中心主機(jī)系統(tǒng)，且通過主機(jī)系統(tǒng)顯示器顯示人員具體參數(shù)，包括人員位置、人員數(shù)量、人員移動(dòng)情況等。（2）救援人員到達(dá)救援現(xiàn)場時(shí)，通過攜帶的可視化定位儀對事故現(xiàn)場情況進(jìn)行攝像，然后將攝像信息和人員定位信息傳送至接收器，接收器將數(shù)據(jù)、圖片信號傳送至PLC控制器，控制器接受信號后及時(shí)進(jìn)行處理，并將處理后的信息通過網(wǎng)絡(luò)交換站及工業(yè)以太網(wǎng)傳送至地面監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面可視化指揮救援。（3）地面指揮中心的主機(jī)系統(tǒng)不僅可對井下救援現(xiàn)場進(jìn)行可視，而且主機(jī)系統(tǒng)可通過擴(kuò)音系統(tǒng)對救援人員進(jìn)行呼叫，便于救援指揮工作的有效開展。

3Zigbee無線通信系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

（1）自動(dòng)化水平高。與傳統(tǒng)有線通信系統(tǒng)相比，Zigbee無線通信系統(tǒng)主要利用無線傳輸技術(shù)，該系統(tǒng)自動(dòng)化水平高，解決了傳統(tǒng)通信系統(tǒng)布線難度大、環(huán)境影響大等技術(shù)難題［3］。（2）數(shù)據(jù)傳輸快。Zigbee無線通信系統(tǒng)主要利用工業(yè)千兆以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)、信號傳輸，與有線傳輸相比，數(shù)據(jù)傳輸速度快，而且受環(huán)境影響小，可用于復(fù)雜救援環(huán)境中，避免了有線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)線路敷設(shè)難度大、線路長以及數(shù)據(jù)線斷路時(shí)檢修難度大等難題。（3）應(yīng)用效果好。Zigbee無線通信系統(tǒng)可直觀地將井下災(zāi)區(qū)現(xiàn)場畫面及救援情況傳送至地面，為地面指揮中心采取合理有效的救援方案提供依據(jù)［4］；同時(shí)該系統(tǒng)人員定位精準(zhǔn)，便于救援開展，降低人員傷亡，具有顯著的應(yīng)用效果。（4）實(shí)用性強(qiáng)。該無線通信系統(tǒng)不僅可用于煤礦救援中，而且還可應(yīng)用于隧道、橋梁、建筑等領(lǐng)域，應(yīng)用區(qū)域廣，應(yīng)用效果好。（5）信號覆蓋性強(qiáng)。Zigbee無線通信系統(tǒng)采用無線信號傳輸時(shí)，信號覆蓋面積大，受井下環(huán)境影響小，特別是在冒頂、透水事故救援中可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號傳輸，大大提高了救援效率。（6）Zigbee無線通信系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些不足，主要表現(xiàn)在：①該系統(tǒng)中網(wǎng)路交換站、PLC控制柜抗壓及防水能力差，在井下透水或頂板垮落事故中，系統(tǒng)中部分配件易損壞嚴(yán)重，從而影響正常通信；②在采區(qū)變電所、臨時(shí)變電站安裝系統(tǒng)時(shí)，需對系統(tǒng)安裝高次諧波過濾器，防止機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生的高次諧波對系統(tǒng)無線信號產(chǎn)生影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)失真現(xiàn)象。

4結(jié)語

朔州市應(yīng)急救援大隊(duì)于2019年4月分別在朔州蘆子溝、峙峰山、砂石煤礦井下安裝了Zigbee無線通信系統(tǒng)，通過應(yīng)急救援演練實(shí)際應(yīng)用效果來看，該系統(tǒng)大大提高了煤礦應(yīng)急救援效果，有效防止了事故范圍擴(kuò)大，減少了人員傷亡，降低了煤礦經(jīng)濟(jì)損失，為快速有效地開展煤礦應(yīng)急救援提供了有力的幫助，取得了顯著安全、經(jīng)濟(jì)效益。

［參考文獻(xiàn)］

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［3］魏翠英.基于WiFi技術(shù)的煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2019（8）：208-209.

［4］梁文凱.煤礦安全應(yīng)急救援體系的問題及完善措施［J］.內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2018（4）：36-38.

作者：李耀宗 單位：山西省朔州市應(yīng)急救援大隊(duì)