新型井下災后人員通信及定位系統

朱思翥 王玉敏 程博

【摘要】 我國資源賦予的特點，決定了解決中國能源問題必須以煤為主。而在煤礦開采過程中國內外煤炭企業頻繁發生重特大安全生產事故，無論是預警、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來保障煤礦的礦井通信就顯得至關重要。本文提供了一種新型井下災后人員通信及定位系統，通過兩路并行的有線和無線傳輸方式確保礦難發生后的信息傳輸并計算被困人員所在位置，同時設計了殼式防護裝置防止發生爆炸后對設備的損壞。本設備既能滿足井下日常通信的要求，又能在礦難發生后保證被困人員與救援人員的信息傳輸，應用前景廣闊。

【關鍵詞】 井下救援 信息傳輸 定位

一、研究背景

近幾年國內外煤炭企業頻繁發生重特大安全生產事故，給國家和人民帶來巨大的生命財產損失。地下開采是工作環境非常極端的職業之一，而且當嚴重災害事故發生時，地下礦井的緊急響應比起其他類型的工作環境要困難得多。

現有的應用于地面和煤礦井下之間的通信主要采用有線通信系統網絡進行傳輸，其抗突發事故破壞力弱，當災害事故發生時，線路容易遭到破壞，致使井上與井下通信的中斷，通信系統癱瘓.

而在救援工作中，無論是預警、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搶險的效率，因此建立一套具有抗破壞力的透地通信系統來保障煤礦的礦井通信就顯得至關重要。

二、設計思路及原理

本作品設計作為使用礦井人員定位和通信系統，發生礦難后，可利用彈性波、超低頻電磁波等無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，以實現井下救援目的。

第一部分：有線傳輸

沿主井、運輸大巷、斜巷及煤巷中設立若干基站，日常工作時，與現有的人員安全定位系統結合，進行實時的人員定位、人員的自動考勤制度和身份唯一性核實，同時與每個礦工攜帶的無線通信裝備相結合，必要時可以進行與每個礦工的語音交流。

第二部分：無線傳輸（礦難發生后）

由于礦難發生后礦內情況復雜，有線傳輸很可能因供電系統受損、線纜中斷等情況無法正常工作。此時，基站內備用電源啟動，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致的系統癱瘓，基站間采用兩路并行方式。

被困礦工發射低頻彈性波信號，相鄰兩基站接收彈性波后計算角度，通過兩角度和基站間距離計算被困人員所在位置距基站水平距離。

當發生礦難事故時，被困工人與距離其最近的基站間使用彈性波（聲波）進行無線傳輸，傳輸主要信息為：

1.被動式發送：被困人員生命體征、被困位置信息。

2.主動式發送：被困人員所處環境（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、塌陷事故等會對煤巷內部結構產生很大破壞，因此要想保證各類事故發生后基站正常使用，基站外部必須有良好的防爆、防水、隔熱和抗壓性能。

通過對飛機黑匣子外殼的研究，選擇使用“鋼筋混凝土——石棉隔熱層——鋼板”三層防護裝置解決材料問題。

利用殼式結構均勻分布壓力的原理和三角形的穩定性設計一新型橢圓型支架，保證受爆炸沖擊波壓強使得外殼形變較小。

根據solidworks軟件模擬壓強測試，給與2Mpa壓強此結構形變量為13%，而選擇相同材料，厚度增加一倍的平面結構的形變量為35%，厚度增加一倍的橢圓形結構的形變量為19%，因此所設計的抗壓結構效果明顯。

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

參 考 文 獻

[1]摘自《穿巖應急無線通信系統研究》.郭文彬 著

[2]摘自《煤塵一瓦斯混合物爆炸壓力研究》.侯萬兵 著

[3]摘自《建筑物“黑匣子”系統保護殼性能研究》.張鵬梁 著