煤矿安全生产的监控与通信技术.pdf

22/矿业装备 MINING EQUIPMENT工 艺0 引言井下开采是一项高风险作业，井下会因照明条件差、空间狭窄、落石、通风不良、潮湿条件、通讯限制和结构复杂等因素，导致开采安全受到威胁，情况严重时，也可能会遇到隧道塌方等岩土工程问题，由此，需要采取一定措施提升开采的可靠性以及安全性的监控以及通信技术，即给采矿生产提供方便，又降低安全事故的发生率。1 无线传感器网络在煤矿监控与通信技术的应用1.1 无线传感器网络分类工业通信和监测领域有几种无线传感器网络可运用于煤矿矿井的监控与通信系统，根据是电力使用和距离参数，几种常见的无线传感器网络分类如下：蓝牙技术、Wi-Fi 技术、超宽带(UWB)技术、Wavenis 技术、Wibree 技术(Nokia)、ZigBee。1.2 无线传感器网络应用蓝牙无线通信技术是一种可以实现数据交换的个人区域网络。满足 2.4GHz 频段免费许可的低功耗节点。由于节点之间的通信距离很短，因此不适合在地下情况下使用。Wi-Fi 技术被用于连接个人电脑、笔记本电脑、手机和个人数字助理或互联网。它拥有 2.4GHz 和 5GHz 无线频段的免费许可证。Wi-Fi 网络需要使用接入点在长路由中创建节点间的通信。这些接入点的数量取决于天线的条件。地下矿山巷道中接入点及其供电线路的存在，给采矿作业带来了一定的问题，并有可能因事故而导致网络故障1。因此，在地下矿山中，它不是一个理想的选择。超宽带(UWB)技术可以在 3.110.6GHz 的带宽范围内传输数据。它受限于非常高的功耗和短距离通信。Wavenis 技术是一种超低功耗和长距离无线通信技术，可在 868MHz、915MHz 和 433MHz 频段免费使用。在地下矿井中使用这种技术的主要问题是数据速率低，通常为 10kbps，这对地下网络来说是不够的。Wibree 技术(诺基亚)与蓝牙技术有着几乎相同的特点。它工作在低功耗和 510m 距离之间的较短距离通信2。因此，由于隧道沿线需要大量的无线节点，不适合在地下应用。ZigBee 技术是一种低速率、低功耗的无线通信系统。ZigBee 特性与其他功能性无线通信的比较见表 1。根据该表中的信息，ZigBee 对于地下矿山来说已经足够了。在 250kbps 的情况下，ZigBee 节点有足够的能力在密集的网络中传输和接收数据和消息3。ZigBee 还被用于井下矿井的一系列应用，如自动抄表系统、安全系统和远程控制。2 光通讯技术在煤矿通信系统中的应用由于有毒物质、有毒气体、腐蚀性水和灰尘的存在，地下矿山环境与地表环境有很大不同。此外，矿井结构曲折，挖掘过程使矿山结构动态化。采矿作业过程中，经常发生爆炸和顶板（井下常见）、滑坡（露天常见）等事故，危及矿工生命。为了更快地响应任何不良事件，矿山内部、矿工之间以及与地面人员之间的适当通信连接非常重要。应当准备充足的安全措施，例如适当交换煤矿安全生产的监控与通信技术刘子元（晋华宫矿安全生产标准化办公室，山西大同 037000）摘要：无线传感器网络在地下矿山通信和监测系统中的应用，解决了诸如安全和收集岩土信息等操作带来的不便。光通信技术具有照明、通信的功能，而气体监控系统可以检测到危险气体的积聚，并警告矿工，使他们能在危险事故发生之前及时作出反应。研究无线传感器网络、光通信技术和气体监控系统等技术可以帮助煤矿产业在监控与通信技术领域更好的发展。关键词：煤矿安全生产；监控技术；通信技术表1 几种无线通信技术性能的比较特征无线传感器网络蓝牙ZigBee通信距离100m10m50500m通信速度11Mbps1Mbps0.25Mbps网络容量32节点7节点65536节点寿命几小时几天几个月或几年应用无线LAN无线耳机仪表控制2023.7 矿业装备/23有关环境条件的信息，以及在紧急情况下传输基于位置的矿工信息。这也将有助于改善矿工的身心健康。但是由于危险和不利的矿山环境，在矿山内实施此类安全措施也是一项具有挑战性的任务。多年来，各种矿井通信系统，即有线通信系统（同轴、光纤、双绞线）、无线电通信系统、载波电流通信系统以及混合系统（以上两者混合的系统）已经发展起来。其中，有线通信会因采矿作业过程中损坏底层电线，导致矿井内发生事故。无线电通信系统提供无线连接，但使用射频波段建立通信。RF 信号在矿井内传播时会经历多径衰落和路径损耗。此外，在地下矿井中使用地面技术是不可行的。地下矿井是全球定位系统无法运行的区域，原因在于全球定位系统在重型采矿机械存在的情况下信号很容易衰减。由于地下矿井中存在障碍物，全球定位系统终端也无法处理从卫星接收到的信标。其他无线技术，如射频识别、无线网络(Wi-Fi)和 Zigbee，在地表下方的室内定位中很受欢迎。由于信号衰减和路径损耗，导致这些无线技术在地下矿井中未能达到预期的效果。采矿作业会排放不同的有害和可燃气体，例如甲烷和一氧化碳，必须避免使用高能量传输，因为它可能导致致命的事故，所以在煤矿内部传输的能量不应超过 25MJ。综上所述，迫切需要找到一种低功率传输的技术。针对这些挑战，应当采用适合矿山环境的新兴且有前景的技术。光通信(VLC)技术被引入矿区以收集位置信息，因为它提供照明、高速数据通信和定位。它提供低成本、精确和准确的定位信息。与传统的基于 RF 的系统不同，光通信系统使用不受约束的可见光谱（波长为 380740nm，频率为 400790THz）。光通信系统能够提供高数据速率，信号不受电磁干扰。视距通信可确保可靠性和安全性。光通信系统由于使用高频而不易衰减的光谱，所以在该系统中，LED 充当发射器，接收器由光电二极管或图像传感器组成。LED 还有助于照亮阴暗的矿井环境，有助于改善矿工的精神状况。与此同时，低功率广域网技术也集成在矿井中用于数据传输。考虑到矿井的动态特性，所采用的技术应易于安装，并应为可靠的数据传输提供远距离服务，故推荐采用远程光通信技术，例如 LPWAN 技术，其最适合地下场景。它的特性如下：发射不受约束的光谱、其接收器能够适应矿井内的独特环境，所以 LPWAN 技术最适合在地下矿井中应用。3 保障安全生产的地下气体监控系统地下矿井中有害气体的存在会对人的精神和身体造成很大的伤害，所以矿工的工作压力很大。由于甲烷是一种高度易燃的气体，具有易燃易爆等特性。在通风系统正常运行时，会提供新鲜空气，稀释并抽走高温、粉尘、有害气体。因此，通风系统的故障可能会导致重大事故、设备损坏、财产损失、甚至死亡。在通风系统故障的情况下，气体监测系统可以检测到危险气体的积聚，并警告矿工，使他们能在危险事故发生之前及时作出反应。随着时代的发展，我国衍生出了多套危险气体监测系统。有一种基于安卓平台的便携式系统，该系统可以测量硫化氢和一氧化碳的浓度，并通过蓝牙运行，这些数据可以通过任何智能手机查看。还有一种基于安卓平台的便携式系统，该系统的多个传感器节点通过 ZigBee 传输数据到一个基站；他们的系统追踪了八个不同的参数，确定了甲烷、一氧化碳、二氧化硫和硫化氢的浓度变化情况。而其他的气体监控系统也类似于上述的两种监控系统，大多数都支持测量一氧化碳和甲烷等气体浓度。除了有害气体监控外，还可扩展上述系统，为将来传输额外的监控信息，并且可以将数据传送到地面总部中央数据库，以便进行进一步的处理。4 结束语安全生产是采矿业的基本要求。有效的安全测量和风险管理，可以减少矿山发现危险的频率。近十年以来，在安全、交通控制和调度等方面，地下通信与监控系统可以显著提高采矿作业效率，并确保安全的工作环境。这些技术提供了有效的风险评估，带来了许多经济效益，例如降低成本、提高生产，降低了劳动力暴露于危险环境的频率。无线传感器网络在矿井通信和监控系统中的应用、光通讯技术在煤矿通信系统中的应用和保障工人安全生产的地下气体监控系统，为矿井行业提供有价值的信息资源，为实现煤矿安全生产和监控/通信系统的进步奠定了基础。参考文献1 刘辛颖.煤矿安全生产监控与通信技术的发展J.电子测试,2018,56(3):150-151.2 蒋锐.试述煤矿安全生产监控与通信技术J.电子世界,2017,136(16):175-178.3 张慧文.煤矿安全生产监控与通信技术探究 J.中文信息,2016,22(1):292-293.