基于智能傳感技術(shù)的人員安全感知與定位技術(shù)研究

李月月 王春森

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化技術(shù)水平得到顯著提升，智能傳感技術(shù)在礦井的應(yīng)用日趨廣泛，基于此，筆者以巴彥高勒礦為背景，對(duì)低頻接近感知的智能工作面人員安全感知與定位系統(tǒng)以及電液控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：該技術(shù)在近距離范位內(nèi)精度較高，在支架金屬半包裹環(huán)境中可正常工作，系統(tǒng)達(dá)到人員安全感知與定位的目的。最后并從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等方面分析了該項(xiàng)技術(shù)對(duì)礦井的具體益處。

關(guān)鍵詞：智能傳感技術(shù)；綜采工作面；定位技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.104

當(dāng)前煤礦井下越來(lái)越多自動(dòng)化設(shè)備投入使用，如何為自動(dòng)化采煤工作面操作人員提供安全保障成為迫切需要研究的課題，眾多學(xué)者開(kāi)展了廣泛的研究，并取得了豐碩成果[1-3]。采煤工作面易發(fā)生采煤機(jī)、支架、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)設(shè)備的傷人事故，要想避免上述事故發(fā)生首先需要部署安全感知器件，對(duì)人員、設(shè)備的未知位置、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。本項(xiàng)目主要研究智能傳感技術(shù)的人員安全感知與定位相關(guān)方法、技術(shù)及其在煤礦采掘工作面的應(yīng)用，研制工作面安全感知與定位技術(shù)，保護(hù)人員的安全對(duì)于煤礦綜采工作面的安全運(yùn)行具有重要意義。通過(guò)人員感知裝置實(shí)現(xiàn)工作面人員定位，控制系統(tǒng)根據(jù)人員精確位置數(shù)據(jù)閉鎖人員所在支架，從而實(shí)現(xiàn)人員安全保護(hù)，避免傷人事故發(fā)生。

1 試驗(yàn)地點(diǎn)基本概況

巴彥高勒礦井是內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司下屬特大型煤礦，煤層甲烷含量在0.00～0.13ml/g之間，沖擊地壓嚴(yán)重。自2012年投產(chǎn)以來(lái)，開(kāi)采的綜采工作面有311101、311201和311306，三個(gè)工作面分別位于巴彥高勒煤礦11盤(pán)區(qū)、12盤(pán)區(qū)、13盤(pán)區(qū)，均為實(shí)炭區(qū)，屬于厚煤層開(kāi)采，煤厚在5.0～5.8米之間，煤層傾角在0～3°之間，工作面長(zhǎng)度260米左右，推采長(zhǎng)度約2550米。

2 試驗(yàn)主要內(nèi)容

2.1 主要研究?jī)?nèi)容

根據(jù)綜采工作面支架環(huán)境特征，選擇并設(shè)計(jì)適合金屬半包裹環(huán)境的人員接近感知方法及其實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在工作面支架上部署一定數(shù)量的定位傳感器，工作人員攜帶定位標(biāo)簽進(jìn)入工作面。定位傳感器定期通過(guò)其低頻天線發(fā)送定位幀，當(dāng)人員進(jìn)入特定傳感器作用范圍時(shí)，其攜帶標(biāo)簽收到該數(shù)據(jù)，然后該標(biāo)簽與基站通過(guò)射頻通信建立連接完成定位，系統(tǒng)將該定位數(shù)據(jù)通知電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)特定支架閉鎖。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

針對(duì)工作面的復(fù)雜條件，主要研究了綜采工作面人員安全感知與定位關(guān)鍵技術(shù)，取得了以下成果：

（1）將低頻通信技術(shù)引入綜采工作面人員定位系統(tǒng)，利用其極強(qiáng)的穿透性和優(yōu)良的RSSI與距離相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)工作面人員感知定位，并實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)定位精度；（2）基站采用同步技術(shù)，保證鄰近的幾個(gè)基站定位數(shù)據(jù)幀發(fā)送時(shí)間不會(huì)重合，從而實(shí)現(xiàn)基站的密集分布，保證定位精度；（3）用于距離計(jì)算的RSSI信息通過(guò)XYZ三個(gè)方向分量的電磁場(chǎng)計(jì)算所得，避免由于標(biāo)簽不同姿態(tài)產(chǎn)生的誤差；（4）定位感知系統(tǒng)與電液控制系統(tǒng)相兼容，基站可通過(guò)控制器連接到電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電控系統(tǒng)人員感知與自動(dòng)閉鎖。

整套系統(tǒng)在內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司巴彥高勒煤礦已完成井下工業(yè)性試驗(yàn)，現(xiàn)拓展應(yīng)用于巴彥高勒煤礦在采工作面。試驗(yàn)結(jié)果表明智能化的低頻定位技術(shù)在近距離范位內(nèi)精度較高，在支架金屬半包裹環(huán)境該技術(shù)可正常工作，定位精度滿足1個(gè)支架的要求，該技術(shù)適用于井下采煤工作面應(yīng)用。系統(tǒng)達(dá)到人員安全感知與定位的目的。

3 經(jīng)濟(jì)效益

3.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)過(guò)井下現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和運(yùn)行，礦用感知傳感器、人員定位標(biāo)識(shí)卡工作穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了人員感知定位的目標(biāo)。通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施，綜采工作面實(shí)現(xiàn)操作人員的自動(dòng)感知與定位，對(duì)于一般工作面來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)可以避免由于誤操作帶來(lái)的傷人事故；對(duì)于自動(dòng)化工作面來(lái)說(shuō)，操作工人逐步向巡檢、維修人員轉(zhuǎn)化，在采面設(shè)備遠(yuǎn)程遙控操作過(guò)程中，人員可以根據(jù)其權(quán)限進(jìn)入工作面，且保證安全。該技術(shù)的應(yīng)用為無(wú)人化采煤方式提供技術(shù)支撐，將工人從危險(xiǎn)的工作面采場(chǎng)解放到相對(duì)安全的順槽監(jiān)控中心，在提高生產(chǎn)作業(yè)安全性的同時(shí)，也節(jié)約了人工的投入，每個(gè)生產(chǎn)小班將節(jié)省2人，每個(gè)原班將節(jié)省人工1人，每年可節(jié)約人工總費(fèi)用45萬(wàn)元。

3.2 間接經(jīng)濟(jì)效益

該項(xiàng)目成果的應(yīng)用，可有效解決綜采工作面人員安全感知與精確定位問(wèn)題，有效的減少采煤過(guò)程中的傷人事故發(fā)生和維修時(shí)間，增加每個(gè)工作日的工作時(shí)間，同時(shí)可減小綜采工作面工人的作業(yè)強(qiáng)度，降低作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)，經(jīng)濟(jì)安全效益顯著。

3.3 社會(huì)效益分析

通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施，取得了以下社會(huì)效益：

（1）將綜采工作面人員位置由原來(lái)的視覺(jué)、對(duì)話確定改進(jìn)為自動(dòng)識(shí)別，大大提高識(shí)別的準(zhǔn)確性和自動(dòng)化程度，結(jié)合電液控制系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)所在支架閉鎖。提高了工人的安全系數(shù)，提升了礦井的安全級(jí)別。（2）該技術(shù)的應(yīng)用可以保證工作面人員安全的前提下，大幅提高工作面推進(jìn)速度，提高開(kāi)采效率，增加礦井單位時(shí)間的產(chǎn)量。（3）該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)為無(wú)人化開(kāi)采技術(shù)提供了重要的技術(shù)支撐。

綜采工作面人員安全感知與定位技術(shù)包括低頻信號(hào)識(shí)別感知，高頻信號(hào)通信等相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面操作人員的安全感知與自動(dòng)定位，在工作面推進(jìn)過(guò)程中一系列感知傳感器不停的監(jiān)控進(jìn)入工作面的人員識(shí)別標(biāo)簽，對(duì)于識(shí)別到的操作人員自動(dòng)閉鎖所在支架，保證該支架不會(huì)發(fā)生動(dòng)作，避免因?yàn)檎`操作或者誤動(dòng)作導(dǎo)致的傷人事故，在高效采煤的同時(shí)，也保證工作面操作人員的人身安全。因此綜采工作面人員安全感知于定位技術(shù)具有良好的推廣應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：李月月（1990-），男，山東聊城人，本科，助理工程師，綜采工區(qū)副區(qū)長(zhǎng)，從事采煤工作。