煤矿井下应急救援无线通信技术应用

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［摘要］当前煤矿井下发生灾变时，存在应急救援难度大、救援周期长、无法实现井上下可视化指挥等技术难题，大大降低了煤矿救援工作效率，增加井下灾变区人员伤亡人数及经济损失。朔州市应急救援大队在井下应急救援中，设计了Zigbee无线通信系统，从应用效果来看，该系统具有自动化水平高、人员定位精准、数据传输速度快等优点，大大提高了应急救援效率，防止了事故范围的进一步扩大。

［关键词］煤矿；应急救援；无线通信；结构原理

引言

随着煤矿不断开拓延伸，矿井生产能力加大，煤矿事故率也随之升高，如顶板垮落、瓦斯爆炸、透水等，不仅造成煤矿重大经济损失，而且严重威胁着煤矿职工人身安全。在煤矿发生事故后，可通过应急救援降低人员伤亡及经济损失，防止事故范围进行一步扩大［1］。但是在实际煤矿应急救援工作中，由于应急救援体系不完善，救援通信系统相对落后，救援时地面指挥中心无法获取灾变现场资料，大大增加了应急救援难度，降低了应急救援效率。针对这种情况，本文根据当前煤矿应急救援现状及存在的主要问题，提出了Zigbee无线通信系统，剖析了该系统结构及原理，并进行实际应用分析。

1煤矿应急救援现状及问题分析

1.1煤矿应急救援现状

（1）根据国家煤矿安全监察局统计分析，截至2017年底，我国已建成矿山等领域应急救援队伍981个，共计有应急救援人员6.3万余名。（2）根据煤矿灾变类型，救护队配备了相应的救援设备，如火灾事故的喷涂机，瓦斯爆炸事故的正压送风机、排风机，顶板事故的救灾钻机等。目前我国矿山应急救援设备已达到国内外先进技术水平，通过先进的救援设备可大大提高救援效率，降低救援劳动强度［2］。（3）在煤矿应急救援中，通信系统是一项重要设施，地面指挥中心通过通信系统能够快速、准确地掌握井下事故位置、人员分布情况以及救援工作开展情况等。目前我国应急救援通信系统主要包括有线应急通信系统、无线应急通信系统、透地应急通信系统和混合应急通信系统等。

1.2问题分析

（1）应急救援预案不合理。煤矿在发生事故前未编制合理有效的应急救援预案或应急救援预案不完善，导致事故发生后应急救援预案未能充分发挥作用，大大延长了煤矿应急救援时间。（2）应急指挥中心作用力不强。煤矿在发生事故后未及时建立应急指挥中心，或指挥中心在指挥应急救援工作时未能充分发挥指挥作用，导致井下救援工作盲目性大。（3）应急救援工作效率低。由于应急救援人员专业知识水平有限，应急救援经验不足等，导致在井下应急救援时，救援人员救援方法不正确，救援工序不合理，降低了应急救援工作效率。（4）应急通信系统不完善。目前我国煤矿井下应急救援通信系统主要采用有线应急通信系统，但是该通信系统受环境影响大、数据传输速度慢且无法实现可视化信息传输，制约着应急救援工作安全高效地开展。（5）自动化水平低。传统煤矿井下通信系统主要通过敷设线路并在救援现场安装设备进行应急救援，该系统不仅前期准备工作周期长，线路敷设受井下作业环境影响，线路敷设难度大，成本费用高，而且采用有线进行信号传输，线路损坏检修维护难度大，不利于高效救援工作，系统自动化水平相对较低。（6）系统故障率高。传统救援通信系统不仅安装设备数量多，而且受井下气候、粉尘、污水等影响，设备经常出现故障；同时，采用有线通信传输时，经常出现断路现象，不仅增加了检修作业强度，而且增加系统检修维护成本。通过对中煤华晋焦煤王家岭煤矿透水事故、宁武县庄旺煤矿顶板事故以及同煤集团永定庄煤矿气体涌出事故等几起煤矿事故救援工作效果来看，应急通信系统不完善是制约救援工作效率的主要原因。针对这一技术难题，设计了Zigbee无线通信系统。

2Zigbee无线通信系统设计

2.1无线通信系统结构

Zigbee无线通信系统主要由地面监控系统、井下信息接收系统以及井下信息传输系统等组成，其结构如图1所示。（1）地面监控系统安装在矿调度室，主要由上位机、显示器、扩音器以及打印机等组成。其中，上位机内安装专用监视软件，可对井下收集的画面进行实时显示；扩音器主要作用是与井下救援人员进行实时通话。（2）井下信息接收系统主要由救援人员可视化定位仪、井下作业人员信号定位仪等组成。其中，救援人员可视化定位仪具有录像功能，在救援时通过录像功能将灾区画面上传至地面，同时具有对话功能。（3）井下信息传输系统主要由井下无线传输器、接收器、PLC控制器、工业千兆以太网等组成。PLC控制器主要用于信号接收、处理以及传输等作用。无线网路交换站安装在井底、井筒以及井口。当井下未发生事故时，接收器安装在井下避难硐室、掘进巷道巷口以及综采工作面支架顶梁处，PLC控制器安装在盘区大巷处；当井下发生事故后，若通信系统已被破坏，救援人员携带设备，在进入灾区过程中再次建立无线通信系统。

2.2工作原理

（1）当井下发生火灾、水灾、顶板垮落等事故后，被困人员携带的定位仪发出求救信号，被救援现场安装的接收器接收，接收器将信号传递至PLC控制器，并及时转换为数据信号，然后通过工业千兆以太网、井上下网路交换站传递至地面指挥中心主机系统，且通过主机系统显示器显示人员具体参数，包括人员位置、人员数量、人员移动情况等。（2）救援人员到达救援现场时，通过携带的可视化定位仪对事故现场情况进行摄像，然后将摄像信息和人员定位信息传送至接收器，接收器将数据、图片信号传送至PLC控制器，控制器接受信号后及时进行处理，并将处理后的信息通过网络交换站及工业以太网传送至地面监控系统，实现地面可视化指挥救援。（3）地面指挥中心的主机系统不仅可对井下救援现场进行可视，而且主机系统可通过扩音系统对救援人员进行呼叫，便于救援指挥工作的有效开展。

3Zigbee无线通信系统优缺点

（1）自动化水平高。与传统有线通信系统相比，Zigbee无线通信系统主要利用无线传输技术，该系统自动化水平高，解决了传统通信系统布线难度大、环境影响大等技术难题［3］。（2）数据传输快。Zigbee无线通信系统主要利用工业千兆以太网进行数据、信号传输，与有线传输相比，数据传输速度快，而且受环境影响小，可用于复杂救援环境中，避免了有线数据传输时线路敷设难度大、线路长以及数据线断路时检修难度大等难题。（3）应用效果好。Zigbee无线通信系统可直观地将井下灾区现场画面及救援情况传送至地面，为地面指挥中心采取合理有效的救援方案提供依据［4］；同时该系统人员定位精准，便于救援开展，降低人员伤亡，具有显著的应用效果。（4）实用性强。该无线通信系统不仅可用于煤矿救援中，而且还可应用于隧道、桥梁、建筑等领域，应用区域广，应用效果好。（5）信号覆盖性强。Zigbee无线通信系统采用无线信号传输时，信号覆盖面积大，受井下环境影响小，特别是在冒顶、透水事故救援中可实现远距离信号传输，大大提高了救援效率。（6）Zigbee无线通信系统在实际应用中还存在一些不足，主要表现在：①该系统中网路交换站、PLC控制柜抗压及防水能力差，在井下透水或顶板垮落事故中，系统中部分配件易损坏严重，从而影响正常通信；②在采区变电所、临时变电站安装系统时，需对系统安装高次谐波过滤器，防止机电设备产生的高次谐波对系统无线信号产生影响，导致数据传输出现失真现象。

4结语

朔州市应急救援大队于2019年4月分别在朔州芦子沟、峙峰山、砂石煤矿井下安装了Zigbee无线通信系统，通过应急救援演练实际应用效果来看，该系统大大提高了煤矿应急救援效果，有效防止了事故范围扩大，减少了人员伤亡，降低了煤矿经济损失，为快速有效地开展煤矿应急救援提供了有力的帮助，取得了显著安全、经济效益。

［参考文献］

［1］杨晓燕.ZigBee无线传输技术在煤矿应急救援应用［J］.能源与节能，2014（2）：6-7.

［2］姜文峰.WIFI技术下的煤矿井下应急救援无线通信系统设计分析［J］.电子世界，2014（8）：145-146.

［3］魏翠英.基于WiFi技术的煤矿井下应急救援无线通信系统设计［J］.机电工程技术，2019（8）：208-209.

［4］梁文凯.煤矿安全应急救援体系的问题及完善措施［J］.内蒙古煤炭经济，2018（4）：36-38.

作者：李耀宗 单位：山西省朔州市应急救援大队