無感式井下禁區報警裝置探討及應用

李開達

(潞安化工集團 五陽煤礦，山西 長治 046205)

煤炭是我國主要的礦產資源，對國民經濟建設起著至關重要的作用。由于煤礦井下生產環境惡劣，工作風險性高，瓦斯爆炸、巖層坍塌、突水等事故時有發生，所以必須對礦井進行全方位監控，以保障井下工作人員的安全。

井下巷道縱深交錯，工作人員流動性較強，監控設備難以實現無死角全覆蓋。尤其是開采多年或巷道延伸長的礦井，巷道分支多，用于排水或其他單一功能的專用巷道也多，只在測試相關數據或安全專項檢查時才會有人員進入。這些危險區域如果警示力度不夠，可能會使進入的人員陷入危險境地。

現有的警示裝置有眾多不足之處：防護欄可攔截人員進入，但無法警示靠近人員；人員定位系統部署基站可實現誤闖者檢測及報警，但成本較高；現有的聲光報警防爆裝置在惡劣環境中使用易出現故障，運輸過程中還容易損壞；安排專人進行看守成本高，且實施和管理難度大。針對上述情況，研究了一種無感式井下禁區報警裝置。

1 裝置結構及運行模式

1) 無感式井下禁區報警裝置的內部模塊包括電源模塊、控制模塊、聲光報警模塊。電源模塊用于為各個裝置供電。控制模塊用于接收檢測裝置發送的信號并傳輸至遠程終端，同時接收主控裝置發送的控制指令以控制聲光報警模塊運行狀態。

聲光報警模塊采用蜂鳴器和發光二極管實現報警，利用NE555搭建脈沖輸出電路，給NE555脈沖不同頻率的控制信號，電路就能輸出不同頻率的電信號，從而實現不同聲調的聲光報警效果。

2) 運行系統裝置包括安裝于井下禁區處的檢測裝置、主控裝置、報警裝置、遠程終端和存儲裝置；檢測裝置、報警裝置、遠程終端和存儲裝置分別與主控裝置連接，見圖1。

圖1 無感式井下禁區報警裝置結構框圖

檢測裝置：檢測單元為微波雷達，通過微波雷達不斷發射和接收微波無線信號。無人員經過時，無信號反饋，不發送信號；當有人員經過時，接收反饋信號，并發送給主控裝置。主控裝置采用PLC控制，用于對檢測模塊采集的數據進行處理，發送給上位機，同時識別上位機發送的指令發送給聲光報警模塊。報警裝置由揚聲器、指示燈組成，由主控裝置通過聲光報警模塊進行控制，通過報警聲音和燈光閃爍警示經過人員。遠程終端主要為地面上位機，內有運行程序軟件，同時包含數據庫，能夠根據接收情況進行運算并發送相應指令至控制裝置，同時記錄數據以便管理人員查看。存儲裝置為硬盤錄像機，存儲周期為1 a，以便管理人員進行數據比對和分析。

無感式井下禁區報警裝置的主控裝置驅動檢測裝置實時監測覆蓋區域的無線感知信號，傳輸給主控裝置，將其代入數據庫中，分析信號的類別；當判定結果為靠近或進入警示區后，主控模塊發送開啟指令至報警裝置，報警裝置運行，警示誤闖人員；當判定結果為離開警示區或其他類別時，主控模塊發送關閉指令至報警裝置。主控裝置還將判定結果和采集的原始無線感知信號傳輸至遠程終端處，實現遠程管理[1]。

2 裝置功能及特點

1) 通過無感式井下禁區報警裝置能夠更好地實現對特定區域的人員檢測功能，通過無感知被動的方式對誤闖人員進行報警、檢測和記錄。

根據經過人員的運動速度，分為人員靜止站立、人員常規行走和人員慢跑經過三種情形；根據經過人員的數目，分為單人和多人兩種情形；根據經過人員同檢測單元的距離，由近及遠，從0 m開始，每隔0.5 m進行細分。綜合上述三種分類，實現單獨分類、兩兩組合以及三種情況組合模式運行。以多種情形，各類形式在上位機上進行調閱和查看。

檢測裝置檢測每種模式下的傳輸信號并通過主控裝置發送給遠程終端，遠程終端基于現有的射頻層析方法對采集的數據構建多信道信號層析成像模型，并將所有的信號分類成靠近警示區、進入警示區、離開警示區和其他類型，以確保每個進入人員的安全。

2) 由于所采用的硬件和軟件均基于現有設施，降低了裝置的復雜度和技術的實現成本。

利用現有的人員定位系統鋪設光纖網，通過遠端設備通過光纖轉換板，經過光纖傳輸至環網交換機，用以太環網將信息傳輸至地面，在防火墻上做地址映射，通過訪問映射地址，實現跨網絡的數據交互，實現地面遠程終端控制、查看相關數據。大大降低了設備投入費用，以較低的成本實現了警示功能。

3) 通過對裝置殼體的設置，更好地保護了放置在殼體內的聲光報警防爆裝置電路。

通過設置滑槽和滑軌，使安裝塊在安裝腔內能夠沿著滑槽升降，同時能對安裝塊進行限位，防止安裝塊晃動；通過設置安裝槽，方便揚聲器、指示燈和控制模塊的安裝[2]。

通過設置殼體，在運輸聲光報警防爆裝置時，能將安裝塊縮回殼體內，不但方便運輸，而且能保護內部電路；在實際使用時，還能通過調節安裝塊的高度，使其適用于多種工況。殼體機構見圖2。

圖2 殼體示意

3 應用情況分析

目前該裝置在五陽礦井下76.2號專回進行了試用。76.2號專回全長1 800 m，有5個通道與76號膠帶運輸巷相通，每個通道口布置了1套無感式報警裝置，在地面調度室建立了禁區管理上位機系統，所有靠近或進入禁區的人員均能在地面上位機上準確地顯示出來，同時通過語音報警對進入人員進行警示，提高了礦井安全性。

4 改進后的效益分析

1) 對闖入特殊區域的人員進行警示、檢測和記錄，確保了人員的安全，社會效益良好。

2) 該裝置的應用，減少了特定區域配置看護人員的數量，預計年節約人工費20萬元；基于現有的硬件和軟件進行設計，大大減少了資金的投入，每年節約資金投入28萬元；報警裝置的殼體保護裝置，減少了運營維護成本，每年可節約0.6萬元，合計可為五陽礦節約50萬元左右，創造了一定的經濟效益。

3) 該裝置運行穩定，模式多樣化，適用于用途少、人員進入少、分支多的特定巷道，推廣價值較大。

5 結 語

無感式井下禁區報警裝置實現了對特定區域的人員檢測功能，并且由于所采用的硬件和軟件均基于現有的設施，有效地降低了裝置的復雜度和技術的實現成本。能夠通過無感知被動的方式對誤闖人員進行報警，確保零散崗位人員工作安全、可靠，具有很好的安全、經濟、技術示范作用，值得大力推廣。