深部礦山一體化安全管控模式構建*

張天紅 姜 彭 張 超 李 馬 劉 晨 呂蘇環

(1.鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室；2.金川鎳鈷研究設計院；3.甘肅省安全生產科學研究院；4.金川集團公司二礦區；5.金川集團公司安全運行管控中心)

進入21世紀以來，我國礦山采掘技術盡管得到了快速發展，但與國際先進礦山相比，總體生產力水平仍然較低，安全裝備技術水平偏低，安全生產基礎相對簿弱，影響安全生產的一些深層次問題未能徹底解決，相當一部分礦山仍處于安全生產事故易發期。近年來，我國主要礦山已陸續轉入深部開采，如國內最大的鎳基地金川礦山在“十三五”期間陸續進入千米深井采礦。隨著礦山井下開采深度的增加，高地壓、高地溫[1]和高滲透壓力的“三高”采礦技術條件更加突出，采場地壓顯現更加劇烈、巷道變形速率加快，不僅增大了采場整體災變失穩風險，而且使得采場巷道變形失穩控制和安全生產面臨更大困難，深部開采的安全問題將會更加突出。為大幅提升我國礦產資源利用率，實現礦山可持續發展，構建深部開采條件下的一體化安全生產管理控制模式意義重大。

1 礦山安全標準化建設內容及原則

1.1 建設內容

根據《金屬非金屬礦山安全標準化規范地下礦山實施指南》(AQT 2050.2—2016)[2]，礦山安全標準化建設內容包括：

(1)日常安全管理系統。建立健全安全生產責任制保障體系，健全安全生產方針與目標；有完備的安全規章制度，相關記錄資料齊全；確保礦山內外部安全聯系渠道暢通。

(2)生產工藝系統安全管理。首先應嚴格執行設計的安全內容要求；其次應嚴格執行采礦工藝的安全技術要求。對于生產過程中的工藝變化應經過評審與批準；完善安全生產保障系統，包括提升、運輸、充填、供風、排水、電氣、防火等，對于運輸作業系統而言，應加強對超載超速違章情況下的監控管理，要對有交叉路口、彎道等特殊限定路段進行監控管理。

(3)設備設施安全管理。建立設備安全管理制度，做好生產過程的設備維護及檢查管理。

(4)采場安全管理。做好采場照明，建全安全標識。嚴格進行作業過程安全管理，包括穿孔作業、爆破作業、鏟裝作業、運輸作業等。強化溜礦槽附近區域人員的監控管理，建立建全溜井故障條件下的人員安全保護管理辦法。

(5)職業衛生管理。礦山企業應建立健康監護制度[2]，應對高溫、粉塵、噪聲、振動、輻射和有毒有害氣體進行實時監測預警，利用信息化技術手段在生產現場設立職業病害警示標識。

(6)安全檢查及隱患排查。進行巡回檢查、例行檢查、專業檢查及綜合檢查等專項檢查。

(7)應急管理系統。有針對性地提出糾正和預防措施[3]，包括應急預案、應急響應及應急保障。確保事故發生時能夠積極應對，報警迅速、避災撤退路線正確、避難設備有效利用。應有便捷的報警指示設施，最好有語音提示。組織培訓演練，應對礦山應急管理系統進行定期評審和改進。

1.2 建設原則

(1)標準設計。構建一個統一的安全標準化平臺系統，滿足規范化、系統化和程序化的要求，系統應具有一致性、完整性、可操作性和持續改進性等特性[4-5]。

(2)特色建設。充分結合礦山自身特點，遵守安全生產的法律法規及其他要求。礦山安全標準化建設工作立足于風險源的辨識和風險評價，體現風險管理和事故預防的思想，并與企業管理有機結合。

(3)先進實用。礦山企業應結合自身生產工藝及生產過程的風險特點，主動開展研究并創新應用安全生產實用技術，包括先進實用的安全管理方法，安全新產品、新技術、新工藝、新材料，特別是企業重大危險源監測、預警與控制技術以及政府安全監督管理部門推薦的安全技術裝備等。

2 深部礦山一體化安全管控系統構建

2.1 深部開采條件下的安全測控及管理需求

(1)數據檢測及控制需求。要真正實現礦山安全生產，首先要從采場感知層著手，實現人員安全、設備狀態、環境情況的實時感知監測，預測各種事故發生[6]。礦山井下采場的環境溫濕度、風速風量、有害氣體監測，一直是礦井環境監測的難題。傳統的有線監測技術故障率高、維護量大，實用性不強。為此，本研究設計了從底層的無線傳感網絡檢測到遠程管理與控制一體化的平臺軟件，充分利用無線傳感網絡技術，基于礦山物聯網體系構建一體化管控體系。礦山井下需要監測上傳的數據主要包括有害氣體及火災煙霧深度、溫度、濕度、風速、風量、粉塵濃度、關鍵設備(主風機、采掘設備等)運行狀況、沿川脈道或采場的人員活動狀況、運輸巷道的車輛移動狀況等。需要控制下達的指令為設備遠程操作控制、通風量調節控制、運輸巷道紅綠燈動態調節、異常情況下風險通知、危險警示及緊急告文等。針對井下分層采場、沿穿脈道等區域的環境溫濕度監測、風速風量監測及有害氣體監測，傳統有線監測方案，效果不佳，相對而言，無線監測技術適用性較強。

(2)一體化安全管控需求。未來的礦山生產中，安全管理與設備控制是高度一體化融合的。通過在礦井采場、沿穿脈道、運輸巷道以及采掘設備、運輸設備中設置無線傳感檢測裝置，能夠實時監測井下環境條件變化(包括濕度、溫度、粉塵、噪聲及振動等)，及早發現水患、無風、超溫、煙霧及危險氣體等各種災難，及時預警并指導井下人員疏散撤離，及時發現危險隱患，可將故障風險化解在事故初期，達到挽救生命、保障安全生產的目的，真正提高安全管理的時效性(圖1)[7-8]。

2.2 常見的無線傳感網絡技術

在礦山井下應用無線傳感檢測技術時，主要關注的功能特性包括安全性、雙向通訊、低功耗、可維護性、成本投入、標準化協議及抗干擾性等。目前，可布設于礦山井下的無線技術有Wifi、ZigBee、LTE-M、Sigfox、LoRa等。

圖1 礦山開采安全系統示意

2.3 一體化測控系統構建

2.3.1 無線傳感檢測異構裝置

針對礦山井下采場的惡劣環境，無線傳感技術由于具有安裝維護量小、運行管理成本低等優勢，適用性較強。但目前沒有一種技術能夠滿足礦井所有需求，多種無線技術將共存。為此，本研究通過構建1個基于物聯網的無線傳感檢測異構系統，采用2種技術協同完成數據的上傳下達。對于需要快速響應的控制數據，通過ZigBee網絡；對于視頻信息數據，因通訊量大，允許有適當的響應延遲，可通過藍牙或Wi-Fi網進行傳輸。通過藍牙穿戴型檢測裝置收集作業人員的位置及健康數據信息，數據會在人員返回數據采集點后自動匯入智能數據站上傳。數據的交流傳輸以協議棧原理實現，比如光照傳感器，通過光敏電阻采集光照信息，其數據交流的典型結構程序如下：

# include "icCC2530.h"

# include "GuangM.h"

unsigned char Guang_buf[2];

void initLED(void)

{

PIDIR | = 0x03;

LED1 = LED_OFF;

LED2 = LED_OFF;

}

unsigned char * getGuangM(void)

{

podir & = 0x7f;

ADCIF = 0;

/*清EOC標志*/

ADCH & = 0x00;

/*P0.7 做ad口*/

APCFG | = 0x80;

/*單次轉換,參考電壓為電源電壓,對P07采樣*/

ADCCON3 = 0xb7;

/*等待轉換完成*/

while(!(ADCCON1&0x80));

/*獲取光敏值*/

Guang_buf[0] = ADCH;

Guang_buf[1] = ADCL;

return(Guang_buf);

}

2.3.2 基于礦山物聯網的一體化平臺軟件

未來的礦山井下，肉眼可見的一切都將數字化、網絡化，包括移動采掘設備、運輸車輛、照明燈具、鏟運車等各種設備將會以數據信息的方式連接起來，構成礦山物聯網。通過電腦或手機終端等多種方式授權登錄后，一個數字化的地下礦山會隨時隨地進行展示。礦山數字化的展示都基于礦山物聯網平臺軟件系統實現，能夠滿足礦山安全生產管理的多種需求，實現自主決策，自動推送安全管理信息[9-11]。該平臺系統能夠以二維、三維動態地圖的形式直觀展示井下的人、機、物實時狀況及變化趨勢，系統通過各種事件發生趨勢的分析，可根據礦山管理的多種多需求實現對礦井生產的實時監管、遠程檢查及動態安全評價。網絡架構是礦山物聯網一體化平臺軟件的基礎，在滿足互聯互通要求的前提下，傳感器、接口標準、通信協議、管理協議等方面都應進行標準化設計和建設，使得軟件平臺具備開放性且兼容性好，便于進行擴充延伸。比如在井下巷道采用的智能燈，則是典型的無線傳感網中的一個檢測控制節點，其供電電壓可在24～220 VAC內進行自適應調節，能夠按照設定要求自動工作，也可進行遠程實時控制，在滿足井下采光照度要求的同時還可以監測周邊的環境溫濕度等，并可將監測數據并上傳至系統平臺，還可以與周邊的設備進行數據交換。深部礦山一體化安全管控網絡如圖2所示。

3 結 語

為有效開展深部礦山安全生產管理工作，將無限傳感技術應用于礦山井下采場、穿脈道等區域的安全監測，構建了深部礦山一體化安全管控模式，可對井下人員、機器設備及環境進行監測和故障、危險源提前識別，實現深部礦山安全高效開采。

圖2深部礦山一體化安全管控網絡連接示意