新型井下災(zāi)后人員通信及定位系統(tǒng)

朱思翥 王玉敏 程博

【摘要】 我國(guó)資源賦予的特點(diǎn)，決定了解決中國(guó)能源問題必須以煤為主。而在煤礦開采過(guò)程中國(guó)內(nèi)外煤炭企業(yè)頻繁發(fā)生重特大安全生產(chǎn)事故，無(wú)論是預(yù)警、指揮及救援，都需要有一條安全暢通的通訊鏈路作保證，因此建立一套具有抗破壞力的透地通信系統(tǒng)來(lái)保障煤礦的礦井通信就顯得至關(guān)重要。本文提供了一種新型井下災(zāi)后人員通信及定位系統(tǒng)，通過(guò)兩路并行的有線和無(wú)線傳輸方式確保礦難發(fā)生后的信息傳輸并計(jì)算被困人員所在位置，同時(shí)設(shè)計(jì)了殼式防護(hù)裝置防止發(fā)生爆炸后對(duì)設(shè)備的損壞。本設(shè)備既能滿足井下日常通信的要求，又能在礦難發(fā)生后保證被困人員與救援人員的信息傳輸，應(yīng)用前景廣闊。

【關(guān)鍵詞】 井下救援 信息傳輸 定位

一、研究背景

近幾年國(guó)內(nèi)外煤炭企業(yè)頻繁發(fā)生重特大安全生產(chǎn)事故，給國(guó)家和人民帶來(lái)巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。地下開采是工作環(huán)境非常極端的職業(yè)之一，而且當(dāng)嚴(yán)重災(zāi)害事故發(fā)生時(shí)，地下礦井的緊急響應(yīng)比起其他類型的工作環(huán)境要困難得多。

現(xiàn)有的應(yīng)用于地面和煤礦井下之間的通信主要采用有線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，其抗突發(fā)事故破壞力弱，當(dāng)災(zāi)害事故發(fā)生時(shí)，線路容易遭到破壞，致使井上與井下通信的中斷，通信系統(tǒng)癱瘓.

而在救援工作中，無(wú)論是預(yù)警、指揮及救援，都需要有一條安全暢通的通訊鏈路作保證，地面與井下的通信鏈路暢通與否將直接影響救災(zāi)搶險(xiǎn)的效率，因此建立一套具有抗破壞力的透地通信系統(tǒng)來(lái)保障煤礦的礦井通信就顯得至關(guān)重要。

二、設(shè)計(jì)思路及原理

本作品設(shè)計(jì)作為使用礦井人員定位和通信系統(tǒng)，發(fā)生礦難后，可利用彈性波、超低頻電磁波等無(wú)線傳輸方式確定被困人員位置，并與救援人員相互通信，幫助救援人員更快掌握被困人員所在地形條件和身體狀況，以實(shí)現(xiàn)井下救援目的。

第一部分：有線傳輸

沿主井、運(yùn)輸大巷、斜巷及煤巷中設(shè)立若干基站，日常工作時(shí)，與現(xiàn)有的人員安全定位系統(tǒng)結(jié)合，進(jìn)行實(shí)時(shí)的人員定位、人員的自動(dòng)考勤制度和身份唯一性核實(shí)，同時(shí)與每個(gè)礦工攜帶的無(wú)線通信裝備相結(jié)合，必要時(shí)可以進(jìn)行與每個(gè)礦工的語(yǔ)音交流。

第二部分：無(wú)線傳輸（礦難發(fā)生后）

由于礦難發(fā)生后礦內(nèi)情況復(fù)雜，有線傳輸很可能因供電系統(tǒng)受損、線纜中斷等情況無(wú)法正常工作。此時(shí)，基站內(nèi)備用電源啟動(dòng)，在線纜受損的位置采用超低頻電磁波（300Hz～3kHz）相互傳輸信息，線纜正常處繼續(xù)使用有線傳輸方式以減小能量損失，保證工作效率。為防止某一基站損壞導(dǎo)致的系統(tǒng)癱瘓，基站間采用兩路并行方式。

被困礦工發(fā)射低頻彈性波信號(hào)，相鄰兩基站接收彈性波后計(jì)算角度，通過(guò)兩角度和基站間距離計(jì)算被困人員所在位置距基站水平距離。

當(dāng)發(fā)生礦難事故時(shí)，被困工人與距離其最近的基站間使用彈性波（聲波）進(jìn)行無(wú)線傳輸，傳輸主要信息為：

1.被動(dòng)式發(fā)送：被困人員生命體征、被困位置信息。

2.主動(dòng)式發(fā)送：被困人員所處環(huán)境（傳輸方式：代碼通信）。

第三部分：可靠性保證

在礦難事故中瓦斯爆炸、透水事故、塌陷事故等會(huì)對(duì)煤巷內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大破壞，因此要想保證各類事故發(fā)生后基站正常使用，基站外部必須有良好的防爆、防水、隔熱和抗壓性能。

通過(guò)對(duì)飛機(jī)黑匣子外殼的研究，選擇使用“鋼筋混凝土——石棉隔熱層——鋼板”三層防護(hù)裝置解決材料問題。

利用殼式結(jié)構(gòu)均勻分布?jí)毫Φ脑砗腿切蔚姆€(wěn)定性設(shè)計(jì)一新型橢圓型支架，保證受爆炸沖擊波壓強(qiáng)使得外殼形變較小。

根據(jù)solidworks軟件模擬壓強(qiáng)測(cè)試，給與2Mpa壓強(qiáng)此結(jié)構(gòu)形變量為13%，而選擇相同材料，厚度增加一倍的平面結(jié)構(gòu)的形變量為35%，厚度增加一倍的橢圓形結(jié)構(gòu)的形變量為19%，因此所設(shè)計(jì)的抗壓結(jié)構(gòu)效果明顯。

選擇材料：混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，鋼筋為HRB335級(jí)，泡沫塑料為聚苯乙烯泡沫塑料[3]。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]摘自《穿巖應(yīng)急無(wú)線通信系統(tǒng)研究》.郭文彬 著

[2]摘自《煤塵一瓦斯混合物爆炸壓力研究》.侯萬(wàn)兵 著

[3]摘自《建筑物“黑匣子”系統(tǒng)保護(hù)殼性能研究》.張鵬梁 著