煤矿井下人员及设备智能监控系统设计

摘要:结合煤矿事故预警和煤矿事故现场搜救中遇到的问题，针对煤矿井下人员和设备在监控方面存在的不足，从视频监控、信号传输、中心控制和远程监控等多个方面提出全方位解决方法，通过井下与地面之间的智能中心联网，实现地面监控人员对井下运行情况的实时在线监控，及时发现事故苗头，防患于未然。此在线监控系统提高了煤矿救援效率，使煤矿安全管理走向科学化、规范化和数字化，极大地提高了煤矿的安全管理水平。

关键词:煤矿井下;智能监控;人员及设备;物联网;故障诊断

0引言

近年来，随着煤矿开采深度和开采强度的增加，煤矿事故频频发生，据有关部门的统计显示，2020年国内发生煤矿事故122起，死亡人数达到225人。常见的煤矿事故主要有瓦斯爆炸、透水以及井下火灾等，这些事故大多是由于监控力度不够引起的，很多事故的苗头没有得到重视，最终酿成大祸［1］。因此，保证煤矿安全生产和提高煤矿产量是丞待解决的关键难题。笔者从对煤矿井下人员及设备监控系统的要求出发，深入分析了视频监控、信号传输、中心控制、远程监管等应用现状，提出新的设计方案，建立井下监控系统、井上监控系统和煤矿设备运行监控系统三位一体、智能化、全方位管理体系，形成了当前较为先进的监控中心和调度中心，促进煤矿安全管理工作更加科学化、数字化，有利于实现智慧矿山建设目标。

1煤矿井下人员及设备智能监控要求

1．1煤矿井下监控系统存在的问题

目前，国内煤矿基本上实现了机械化，采用大型的掘进机、锚杆转载机、带式输送机等不同的机械设备辅助煤矿生产，减轻了工人的劳动强度。目前国内采用机械化的煤矿仅仅占到45%左右，矿工务工占比较大，所以对煤矿井下设备和人员进行智能监控对于保障矿工生命安全和提高煤矿产量具有重要的意义和作用。煤矿事故主要存在以下难题:①地面人员不能及时动态了解井下工作人员的分布情况和作业情况;②地面与井下人员和设备之间的沟通不及时;③煤矿事故发生后，由于内部环境复杂且未知，需要长时间制定救援方案，导致救援不及时，搜救效果比较差［2］。

1．2设计原则

矿工在井下大约几千米的深井处作业，远离地面，环境比较恶劣，井下与地面之间人员沟通很不方便，采用传统的定点监控存在监控不到位情况，同时由于某个摄像头损坏会导致井下监控和数据传输困难，因此建立井下远距离监控系统，不仅能远距离监控设备和人员，随时掌握人员的分布情况和井下作业所处的环境，还可以及时发现设备的事故苗头，当设备出现发热、声音异常等现象时能及时判断故障并且提醒维护检修，有效避免事故发生［3－4］。为此，井下人员及设备智能监控系统需要满足以下设计要求。(1)满足煤矿井下相关的管理规定和设计技术规范。如《煤矿安全规程》《计算机软件开发规范》《安全防范工程程序和要求》等。(2)需要保证煤矿井下视频成像清晰度，能够辨识井下工作人员和设备所处的状态，同时准确识别设备异常故障并进行智能诊断［5］。(3)由于井下距离比较长，需要解决长距离数据传输问题，保证从地面上能够随时掌握井下的数据信息，保证从地面能够实时接收到井下的视频信息。

2智能化监控系统总体设计方案

煤矿井下监控系统需要根据实际使用位置的不同进行调整，为此作出如下系统设计方案。(1)皮带入仓口:监控范围比较小，实际的光线相对比较差，所以需要采用长焦镜头低照度摄像机，对单一范围进行精确监控。(2)变电所以及水泵房:由于硐室内光线比较好，所需要的监控的对象位置也比较固定，所以采用高清摄像机就可以获取到比较清晰的图像。(3)副井上下井口:由于在副井位置处的光线相对比较亮，所以监控范围比较大，为此需要使用彩色广角镜头高清摄像机，对进出口的罐笼运行状态和物料进行精确监控。(4)采煤工作面及煤矿巷道:煤矿巷道光线比较暗，煤矿井下需要全天24h工作，因此需要使用低照度高清摄像机;井下空气中含有有毒有害气体，易燃易爆气体比较多，遇到明火非常容易引起爆炸，因此需要使用专用的矿用防爆摄像机。如图1所示为矿用防爆摄像机。图1矿用防爆网络高清摄像仪根据以上的监控系统方案，智能化监控系统主要包括手持终端、通信基站、基站总控制器、定位发送卡以及网络交换机等，图2所示为本次设计的井下人员及设备监控系统组成原理图。图2中手持终端主要安装在井下工作人员的安全帽上，每个设备都有专用的ID号，可以通过无线通信信号与基站之间进行语音对话和数据交换，最终通讯的频率设置为800Hz。基站安装在井下采区、掘进巷道的开口处、综采工作面的顺槽等位置，实现对井下不同位置的全方位网络通信，每个基站的布置覆盖区域为0．5km2，基站之间采用控制器连接。基站的控制器作为发送信号的源，主要安装在主运输巷道以及主副斜井的井筒内部，在基站控制器内部嵌入定位发送卡，实现上下信号的连接。主服务器主要是安装在地面远程监控室，主机服务器和终端计算机连接，在服务器内部安装有通信所需要的软件程序、三维数据架构软件等，服务器通过专用的软件可以在显示器上直观地展示被困人员的具体位置分布，设备表面的故障现象通过远红外测温仪进行检测。

3智能化监控系统运行原理

智能监控系统人员定位子系统主要由定位基站、现场总线、智能卡三部分组成，定位基站实现对井下工作人员身份定位和编码的采集，并且传输到地面监控主机。作业人员的身份证号码被保存在智能卡里，当出现煤矿事故时，可以发送出警报提示。如图3所示为信息发送与接收模块原理图。在煤矿井下进行实时监控需要保证信息的传输，首先系统的主传输平台使用的是CAN总线，并且利用智能卡对设备和工人进行定位，搭建井下智能巡检二级安全监控和人员定位系统。图4所示为智能化监控系统人员识别与定位算法流程图。矿井作业人员以及设备的身份识别码被存储在监控系统中，通过矿工头盔和设备侧方的识别贴条进行信号发送，信号通过中间基站进行处理和加强，最后发送到上位机并显示人员的位置。现场应用效果如图5所示。利用井下高清防爆摄像机和红外线热成像技术对井下设备表面的温升进行监控，及时发现设备故障并提醒检修。

4结论

对所设计的整个煤矿井下人员及设备智能监控系统进行现场应用和实验，通过高清摄像仪可以准确获取井下人员及设备所在的位置，并在上位机端进行显示。此监控系统可根据工作时间自动标识人员的任务，包括检修、滞留、维护、巡检等多方面，对设备进行智能监控，可以避免设备出现故障，有效保证煤矿井下的正常运行。主要优点如下。(1)应用效果明显。本套系统设计完后首次应用于国内某家煤矿，对所有的矿工安全帽进行优化，在安全帽中添加了信号发送卡，从上位机中可以实时采集到矿工和设备的位置信息，利用高清摄像机采集井下工作环境工况和设备的运行状况，尤其是当发生矿难时能够准确定位各个矿工的位置，便于进行救援，具有显著的应用效果。(2)受外部环境的影响比较小。相比于传统的探测仪等设备，文中设计的系统采用的是无线通讯技术，可以实现信号的无线传输，能够实时采集井下环境参数，有效避免事故发生。(3)自动化水平高、实用性强。当前煤矿事故频频发生，煤矿井下复杂的环境为救援工作增加了难度，同时井下人员的分布未知导致救援不及时，采用本套智能监控系统可以实现矿井工人的精确定位，实用性较强，不仅可以应用在煤矿领域，还可以应用在道路和隧道施工等工程中，系统自身的自动化水平较高，可实现全域安全运行和管理。

作者:冀建磊 单位:晋中市煤炭规划设计研究院