煤礦井下人員及設備智能監控系統設計應用*

冀建磊

(晉中市煤炭規劃設計研究院，山西 晉中 030600)

0 引 言

近年來，隨著煤礦開采深度和開采強度的增加，煤礦事故頻頻發生，據有關部門的統計顯示，2020年國內發生煤礦事故122起，死亡人數達到225人。常見的煤礦事故主要有瓦斯爆炸、透水以及井下火災等，這些事故大多是由于監控力度不夠引起的，很多事故的苗頭沒有得到重視，最終釀成大禍[1]。因此，保證煤礦安全生產和提高煤礦產量是丞待解決的關鍵難題。筆者從對煤礦井下人員及設備監控系統的要求出發，深入分析了視頻監控、信號傳輸、中心控制、遠程監管等應用現狀，提出新的設計方案，建立井下監控系統、井上監控系統和煤礦設備運行監控系統三位一體、智能化、全方位管理體系，形成了當前較為先進的監控中心和調度中心，促進煤礦安全管理工作更加科學化、數字化，有利于實現智慧礦山建設目標。

1 煤礦井下人員及設備智能監控要求

1.1 煤礦井下監控系統存在的問題

目前，國內煤礦基本上實現了機械化，采用大型的掘進機、錨桿轉載機、帶式輸送機等不同的機械設備輔助煤礦生產，減輕了工人的勞動強度。目前國內采用機械化的煤礦僅僅占到45%左右，礦工務工占比較大，所以對煤礦井下設備和人員進行智能監控對于保障礦工生命安全和提高煤礦產量具有重要的意義和作用。煤礦事故主要存在以下難題：①地面人員不能及時動態了解井下工作人員的分布情況和作業情況；②地面與井下人員和設備之間的溝通不及時；③煤礦事故發生后，由于內部環境復雜且未知，需要長時間制定救援方案，導致救援不及時，搜救效果比較差[2]。

1.2 設計原則

礦工在井下大約幾千米的深井處作業，遠離地面，環境比較惡劣，井下與地面之間人員溝通很不方便，采用傳統的定點監控存在監控不到位情況，同時由于某個攝像頭損壞會導致井下監控和數據傳輸困難，因此建立井下遠距離監控系統，不僅能遠距離監控設備和人員，隨時掌握人員的分布情況和井下作業所處的環境，還可以及時發現設備的事故苗頭，當設備出現發熱、聲音異常等現象時能及時判斷故障并且提醒維護檢修，有效避免事故發生[3-4]。為此，井下人員及設備智能監控系統需要滿足以下設計要求。

(1) 滿足煤礦井下相關的管理規定和設計技術規范。如《煤礦安全規程》《計算機軟件開發規范》《安全防范工程程序和要求》等。

(2) 需要保證煤礦井下視頻成像清晰度，能夠辨識井下工作人員和設備所處的狀態，同時準確識別設備異常故障并進行智能診斷[5]。

(3) 由于井下距離比較長，需要解決長距離數據傳輸問題，保證從地面上能夠隨時掌握井下的數據信息，保證從地面能夠實時接收到井下的視頻信息。

2 智能化監控系統總體設計方案

煤礦井下監控系統需要根據實際使用位置的不同進行調整，為此作出如下系統設計方案。

(1) 皮帶入倉口：監控范圍比較小，實際的光線相對比較差，所以需要采用長焦鏡頭低照度攝像機，對單一范圍進行精確監控。

(2) 變電所以及水泵房：由于硐室內光線比較好，所需要的監控的對象位置也比較固定，所以采用高清攝像機就可以獲取到比較清晰的圖像。

(3) 副井上下井口：由于在副井位置處的光線相對比較亮，所以監控范圍比較大，為此需要使用彩色廣角鏡頭高清攝像機，對進出口的罐籠運行狀態和物料進行精確監控。

(4) 采煤工作面及煤礦巷道：煤礦巷道光線比較暗，煤礦井下需要全天24 h工作，因此需要使用低照度高清攝像機；井下空氣中含有有毒有害氣體，易燃易爆氣體比較多，遇到明火非常容易引起爆炸，因此需要使用專用的礦用防爆攝像機。如圖1所示為礦用防爆攝像機。

圖1 礦用防爆網絡高清攝像儀

根據以上的監控系統方案，智能化監控系統主要包括手持終端、通信基站、基站總控制器、定位發送卡以及網絡交換機等，圖2所示為本次設計的井下人員及設備監控系統組成原理圖。

圖2中手持終端主要安裝在井下工作人員的安全帽上，每個設備都有專用的ID號，可以通過無線通信信號與基站之間進行語音對話和數據交換，最終通訊的頻率設置為800 Hz。基站安裝在井下采區、掘進巷道的開口處、綜采工作面的順槽等位置，實現對井下不同位置的全方位網絡通信，每個基站的布置覆蓋區域為0.5km2，基站之間采用控制器連接。基站的控制器作為發送信號的源，主要安裝在主運輸巷道以及主副斜井的井筒內部，在基站控制器內部嵌入定位發送卡，實現上下信號的連接。主服務器主要是安裝在地面遠程監控室，主機服務器和終端計算機連接，在服務器內部安裝有通信所需要的軟件程序、三維數據架構軟件等，服務器通過專用的軟件可以在顯示器上直觀地展示被困人員的具體位置分布，設備表面的故障現象通過遠紅外測溫儀進行檢測。

圖2 智能化監控系統結構組成

3 智能化監控系統運行原理

智能監控系統人員定位子系統主要由定位基站、現場總線、智能卡三部分組成，定位基站實現對井下工作人員身份定位和編碼的采集，并且傳輸到地面監控主機。作業人員的身份證號碼被保存在智能卡里，當出現煤礦事故時，可以發送出警報提示。如圖3所示為信息發送與接收模塊原理圖。

圖3 信息發送與接收模塊原理組成圖

在煤礦井下進行實時監控需要保證信息的傳輸，首先系統的主傳輸平臺使用的是CAN總線，并且利用智能卡對設備和工人進行定位，搭建井下智能巡檢二級安全監控和人員定位系統。圖4所示為智能化監控系統人員識別與定位算法流程圖。

圖4 智能化監控系統監控人員系統流程圖

礦井作業人員以及設備的身份識別碼被存儲在監控系統中，通過礦工頭盔和設備側方的識別貼條進行信號發送，信號通過中間基站進行處理和加強，最后發送到上位機并顯示人員的位置。現場應用效果如圖5所示。

圖5 應用現場效果

利用井下高清防爆攝像機和紅外線熱成像技術對井下設備表面的溫升進行監控，及時發現設備故障并提醒檢修。

4 結 論

對所設計的整個煤礦井下人員及設備智能監控系統進行現場應用和實驗，通過高清攝像儀可以準確獲取井下人員及設備所在的位置，并在上位機端進行顯示。

此監控系統可根據工作時間自動標識人員的任務，包括檢修、滯留、維護、巡檢等多方面，對設備進行智能監控，可以避免設備出現故障，有效保證煤礦井下的正常運行。主要優點如下。

(1) 應用效果明顯。本套系統設計完后首次應用于國內某家煤礦，對所有的礦工安全帽進行優化，在安全帽中添加了信號發送卡，從上位機中可以實時采集到礦工和設備的位置信息，利用高清攝像機采集井下工作環境工況和設備的運行狀況，尤其是當發生礦難時能夠準確定位各個礦工的位置，便于進行救援，具有顯著的應用效果。

(2) 受外部環境的影響比較小。相比于傳統的探測儀等設備，文中設計的系統采用的是無線通訊技術，可以實現信號的無線傳輸，能夠實時采集井下環境參數，有效避免事故發生。

(3) 自動化水平高、實用性強。當前煤礦事故頻頻發生，煤礦井下復雜的環境為救援工作增加了難度，同時井下人員的分布未知導致救援不及時，采用本套智能監控系統可以實現礦井工人的精確定位，實用性較強，不僅可以應用在煤礦領域，還可以應用在道路和隧道施工等工程中，系統自身的自動化水平較高，可實現全域安全運行和管理。