煤礦井下應急救援無線通信技術應用

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［摘要］當前煤礦井下發(fā)生災變時，存在應急救援難度大、救援周期長、無法實現(xiàn)井上下可視化指揮等技術難題，大大降低了煤礦救援工作效率，增加井下災變區(qū)人員傷亡人數(shù)及經(jīng)濟損失。朔州市應急救援大隊在井下應急救援中，設計了Zigbee無線通信系統(tǒng)，從應用效果來看，該系統(tǒng)具有自動化水平高、人員定位精準、數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點，大大提高了應急救援效率，防止了事故范圍的進一步擴大。

［關鍵詞］煤礦；應急救援；無線通信；結構原理

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)濟損失，而且嚴重威脅著煤礦職工人身安全。在煤礦發(fā)生事故后，可通過應急救援降低人員傷亡及經(jīng)濟損失，防止事故范圍進行一步擴大［1］。但是在實際煤礦應急救援工作中，由于應急救援體系不完善，救援通信系統(tǒng)相對落后，救援時地面指揮中心無法獲取災變現(xiàn)場資料，大大增加了應急救援難度，降低了應急救援效率。針對這種情況，本文根據(jù)當前煤礦應急救援現(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)結構及原理，并進行實際應用分析。

1煤礦應急救援現(xiàn)狀及問題分析

1.1煤礦應急救援現(xiàn)狀

（1）根據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局統(tǒng)計分析，截至2017年底，我國已建成礦山等領域應急救援隊伍981個，共計有應急救援人員6.3萬余名。（2）根據(jù)煤礦災變類型，救護隊配備了相應的救援設備，如火災事故的噴涂機，瓦斯爆炸事故的正壓送風機、排風機，頂板事故的救災鉆機等。目前我國礦山應急救援設備已達到國內(nèi)外先進技術水平，通過先進的救援設備可大大提高救援效率，降低救援勞動強度［2］。（3）在煤礦應急救援中，通信系統(tǒng)是一項重要設施，地面指揮中心通過通信系統(tǒng)能夠快速、準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。目前我國應急救援通信系統(tǒng)主要包括有線應急通信系統(tǒng)、無線應急通信系統(tǒng)、透地應急通信系統(tǒng)和混合應急通信系統(tǒng)等。

1.2問題分析

（1）應急救援預案不合理。煤礦在發(fā)生事故前未編制合理有效的應急救援預案或應急救援預案不完善，導致事故發(fā)生后應急救援預案未能充分發(fā)揮作用，大大延長了煤礦應急救援時間。（2）應急指揮中心作用力不強。煤礦在發(fā)生事故后未及時建立應急指揮中心，或指揮中心在指揮應急救援工作時未能充分發(fā)揮指揮作用，導致井下救援工作盲目性大。（3）應急救援工作效率低。由于應急救援人員專業(yè)知識水平有限，應急救援經(jīng)驗不足等，導致在井下應急救援時，救援人員救援方法不正確，救援工序不合理，降低了應急救援工作效率。（4）應急通信系統(tǒng)不完善。目前我國煤礦井下應急救援通信系統(tǒng)主要采用有線應急通信系統(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現(xiàn)可視化信息傳輸，制約著應急救援工作安全高效地開展。（5）自動化水平低。傳統(tǒng)煤礦井下通信系統(tǒng)主要通過敷設線路并在救援現(xiàn)場安裝設備進行應急救援，該系統(tǒng)不僅前期準備工作周期長，線路敷設受井下作業(yè)環(huán)境影響，線路敷設難度大，成本費用高，而且采用有線進行信號傳輸，線路損壞檢修維護難度大，不利于高效救援工作，系統(tǒng)自動化水平相對較低。（6）系統(tǒng)故障率高。傳統(tǒng)救援通信系統(tǒng)不僅安裝設備數(shù)量多，而且受井下氣候、粉塵、污水等影響，設備經(jīng)常出現(xiàn)故障；同時，采用有線通信傳輸時，經(jīng)常出現(xiàn)斷路現(xiàn)象，不僅增加了檢修作業(yè)強度，而且增加系統(tǒng)檢修維護成本。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。針對這一技術難題，設計了Zigbee無線通信系統(tǒng)。

2Zigbee無線通信系統(tǒng)設計

2.1無線通信系統(tǒng)結構

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，其結構如圖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、顯示器、擴音器以及打印機等組成。其中，上位機內(nèi)安裝專用監(jiān)視軟件，可對井下收集的畫面進行實時顯示；擴音器主要作用是與井下救援人員進行實時通話。（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，在救援時通過錄像功能將災區(qū)畫面上傳至地面，同時具有對話功能。（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。當井下未發(fā)生事故時，接收器安裝在井下避難硐室、掘進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，救援人員攜帶設備，在進入災區(qū)過程中再次建立無線通信系統(tǒng)。

2.2工作原理

（1）當井下發(fā)生火災、水災、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，并及時轉換為數(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系統(tǒng)，且通過主機系統(tǒng)顯示器顯示人員具體參數(shù)，包括人員位置、人員數(shù)量、人員移動情況等。（2）救援人員到達救援現(xiàn)場時，通過攜帶的可視化定位儀對事故現(xiàn)場情況進行攝像，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進行處理，并將處理后的信息通過網(wǎng)絡交換站及工業(yè)以太網(wǎng)傳送至地面監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)地面可視化指揮救援。（3）地面指揮中心的主機系統(tǒng)不僅可對井下救援現(xiàn)場進行可視，而且主機系統(tǒng)可通過擴音系統(tǒng)對救援人員進行呼叫，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

（1）自動化水平高。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，該系統(tǒng)自動化水平高，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，可用于復雜救援環(huán)境中，避免了有線數(shù)據(jù)傳輸時線路敷設難度大、線路長以及數(shù)據(jù)線斷路時檢修難度大等難題。（3）應用效果好。Zigbee無線通信系統(tǒng)可直觀地將井下災區(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］；同時該系統(tǒng)人員定位精準，便于救援開展，降低人員傷亡，具有顯著的應用效果。（4）實用性強。該無線通信系統(tǒng)不僅可用于煤礦救援中，而且還可應用于隧道、橋梁、建筑等領域，應用區(qū)域廣，應用效果好。（5）信號覆蓋性強。Zigbee無線通信系統(tǒng)采用無線信號傳輸時，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現(xiàn)遠距離信號傳輸，大大提高了救援效率。（6）Zigbee無線通信系統(tǒng)在實際應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重，從而影響正常通信；②在采區(qū)變電所、臨時變電站安裝系統(tǒng)時，需對系統(tǒng)安裝高次諧波過濾器，防止機電設備產(chǎn)生的高次諧波對系統(tǒng)無線信號產(chǎn)生影響，導致數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)失真現(xiàn)象。

4結語

朔州市應急救援大隊于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)，通過應急救援演練實際應用效果來看，該系統(tǒng)大大提高了煤礦應急救援效果，有效防止了事故范圍擴大，減少了人員傷亡，降低了煤礦經(jīng)濟損失，為快速有效地開展煤礦應急救援提供了有力的幫助，取得了顯著安全、經(jīng)濟效益。

［參考文獻］

［1］楊曉燕.ZigBee無線傳輸技術在煤礦應急救援應用［J］.能源與節(jié)能，2014（2）：6-7.

［2］姜文峰.WIFI技術下的煤礦井下應急救援無線通信系統(tǒng)設計分析［J］.電子世界，2014（8）：145-146.

［3］魏翠英.基于WiFi技術的煤礦井下應急救援無線通信系統(tǒng)設計［J］.機電工程技術，2019（8）：208-209.

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

作者：李耀宗 單位：山西省朔州市應急救援大隊