礦山井巷安全監(jiān)督監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)

韓會(huì)峰,周玉娟，鄭 璐

(河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司， 河北 唐山市 063000)

0 引 言

礦山井巷安全避險(xiǎn)六大系統(tǒng)主要包括：監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、井下人員定位系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)、壓風(fēng)自救系統(tǒng)、供水施救系統(tǒng)和緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)。六大系統(tǒng)既可獨(dú)立運(yùn)行，又相互支持，各種數(shù)據(jù)由井巷所設(shè)監(jiān)控分站和地表中心站之間協(xié)同處理，地面中心站采用網(wǎng)絡(luò)分配架和傳輸接口通過通訊線纜與井下各巷道監(jiān)控分站聯(lián)結(jié)通訊，相關(guān)附件設(shè)備能夠按系統(tǒng)設(shè)定直接發(fā)出聲、光報(bào)警和斷電控制信號(hào)。通過運(yùn)行，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下工作面環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地壓變化的監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)對(duì)井下人員分布、作業(yè)流程進(jìn)行調(diào)度，能夠在發(fā)生災(zāi)害時(shí)及時(shí)展開自救和他救活動(dòng)，為井上營(yíng)救創(chuàng)造時(shí)機(jī)。礦山井巷安全監(jiān)督監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)是國(guó)家的大策方針，是企業(yè)實(shí)現(xiàn)人和、創(chuàng)效的途徑，也是成長(zhǎng)為具備持續(xù)盈利能力和長(zhǎng)遠(yuǎn)競(jìng)爭(zhēng)能力的現(xiàn)代新型礦山企業(yè)的必備條件。

1 建設(shè)礦山井巷安全監(jiān)督監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性

地下礦山開采有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：

(1) 地質(zhì)條件不易直接觀察和探測(cè)，地壓、水文等因素未知性大，安全隱患大，冒頂片幫、突水等事故時(shí)有發(fā)生;

(2) 地下開采井巷交錯(cuò)復(fù)雜，運(yùn)輸和作業(yè)通道狹窄，能見度低、安全事故發(fā)生率遠(yuǎn)大于露天采礦生產(chǎn)；

(3) 地下巷道空氣流動(dòng)性差，存在有害氣體累積的空間，易發(fā)生火災(zāi)事故等危害；

(4) 地下采空區(qū)(近北莊鐵礦普遍存在)易引起周邊和地表塌陷，嚴(yán)重威脅井下生產(chǎn)安全。

河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司始終堅(jiān)持嚴(yán)格抓好安全管理，從嚴(yán)要求，在近北莊鐵礦項(xiàng)目上，從初步規(guī)劃、設(shè)計(jì)、優(yōu)化、施工、驗(yàn)收等方面從嚴(yán)監(jiān)督，積極響應(yīng)國(guó)家安全監(jiān)督管理部門要求，落實(shí)井下安全監(jiān)督監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，側(cè)面保障井下作業(yè)安全生產(chǎn)。

2 礦山井巷安全監(jiān)督監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)

河鋼礦業(yè)近北莊鐵礦依照安監(jiān)局規(guī)定和行業(yè)規(guī)范，結(jié)合實(shí)際情況，建設(shè)完成環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，人員定位、視頻監(jiān)控、無(wú)線通訊“三網(wǎng)合一”系統(tǒng)，通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)，斜坡道交通信號(hào)系統(tǒng)，壓風(fēng)自救裝置和供水施救裝置。本礦山井下主要有1160，1148，1136，1124，1112，1100 m六個(gè)水平巷道段，線纜懸掛安裝在巷道壁側(cè)的預(yù)埋吊鉤上，懸掛高度和位置以使電纜在礦車脫軌時(shí)不致受到撞擊，在電纜墜落時(shí)不致落在軌道或運(yùn)輸機(jī)上為原則進(jìn)行布置。近北莊鐵礦礦山井巷安全監(jiān)督監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)共涉及各類傳感器51臺(tái)，光纖光柵表面安裝型應(yīng)力計(jì)13臺(tái)，電力電纜6562 m，控制電纜8155 m，單模鎧裝光纖12787 m，通信線纜18470 m，網(wǎng)線1000 m，交換機(jī)5臺(tái)，監(jiān)控分站13臺(tái)，通信基站67臺(tái)，高清槍機(jī)9臺(tái)，礦用調(diào)度電話27臺(tái)，礦用一般型讀卡器39臺(tái)，交通信號(hào)燈20組。

2.1 檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)

近北莊鐵礦環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要由井下環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)和地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩部分組成。

2.1.1 井下環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)

近北莊鐵礦井下環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)在地表監(jiān)控中心設(shè)井下環(huán)境監(jiān)控主機(jī)2臺(tái)，要求至少應(yīng)保存3個(gè)月的歷史數(shù)據(jù)，監(jiān)控人員每3個(gè)月應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行備份，備份的數(shù)據(jù)保存時(shí)間應(yīng)不少于2 a。中心站計(jì)算機(jī)和各分站呈集散型積木結(jié)構(gòu)，自監(jiān)控中心工業(yè)計(jì)算機(jī)向下，由接口裝置、信號(hào)傳輸線、井下監(jiān)控分站和各類傳感器等組成。各種末端傳感器(開停傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)壓傳感器)綜合基站接入系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)構(gòu)建完成后，地表調(diào)度可實(shí)時(shí)觀測(cè)風(fēng)機(jī)的參數(shù)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并對(duì)超過設(shè)置預(yù)警指標(biāo)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，以及對(duì)監(jiān)控圖像進(jìn)行查詢和回放及備份，對(duì)整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的監(jiān)控更加便利。

按照規(guī)劃設(shè)計(jì)，在1160 m中段回風(fēng)井及天井聯(lián)絡(luò)道，1148 m分段、1136 m分段、1124 m分段和1112 m分段的天井聯(lián)絡(luò)道設(shè)置風(fēng)速傳感器，風(fēng)速傳感器應(yīng)安裝在能準(zhǔn)確計(jì)量風(fēng)量的位置；在地表風(fēng)機(jī)房主風(fēng)機(jī)出口處安裝風(fēng)壓傳感器；在地表風(fēng)機(jī)房主機(jī)及各分段風(fēng)機(jī)配電箱側(cè)電源電纜上設(shè)開停傳感器，監(jiān)測(cè)井下通風(fēng)情況及風(fēng)機(jī)開停狀態(tài)，將監(jiān)測(cè)信號(hào)送至井下環(huán)境監(jiān)控分站。

監(jiān)控分站具有多通道、多制式的信號(hào)采集功能和通訊功能，同時(shí)可為傳感器提供電源。監(jiān)控分站還具有RS-485通訊接口，通過專用電纜將信號(hào)傳送至帶有協(xié)議轉(zhuǎn)換器的光端交換機(jī)，將RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換為TCP/IP光信號(hào)，再采用光纖及時(shí)將監(jiān)測(cè)到的各種環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)傳送到地面監(jiān)控主機(jī)，并執(zhí)行地面監(jiān)控中心站發(fā)出的各種命令，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

按照設(shè)計(jì)規(guī)劃，為每班下井帶班領(lǐng)導(dǎo)、班組長(zhǎng)、安全員等人員設(shè)置復(fù)合式三合一便攜(CO、NO2、O2)檢測(cè)報(bào)警儀 25臺(tái)，無(wú)線手持智能儀表須具備測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可存儲(chǔ)至少16個(gè)地點(diǎn)測(cè)量的全部數(shù)據(jù)，包括: 日期、時(shí)間、測(cè)試地點(diǎn)、測(cè)點(diǎn)時(shí)間間隔和每點(diǎn)的測(cè)量值，并且可對(duì)測(cè)量地點(diǎn)等參數(shù)進(jìn)行編輯設(shè)定，測(cè)量結(jié)果可實(shí)時(shí)通過井下基站無(wú)線傳送至地表顯示終端。便于及早發(fā)現(xiàn)問題，使崗位人員盡快遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域并采取相應(yīng)措施。

2.1.2 地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

近北莊鐵礦開采范圍大，服務(wù)年限較長(zhǎng)，應(yīng)力和變形隱患大，成套井下及井上地壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)優(yōu)化采礦方案，提高開采過程安全性具有重要意義。

在地表監(jiān)控中心設(shè)監(jiān)控主機(jī)為2臺(tái)，且應(yīng)保存 3個(gè)月的歷史數(shù)據(jù)，監(jiān)控人員每3個(gè)月應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行備份，備份的數(shù)據(jù)保存時(shí)間應(yīng)不少于2 a。在1100 m中段設(shè)置光纖光柵表面安裝應(yīng)力計(jì)及光纖光柵鉆孔安裝單點(diǎn)位移計(jì)，巖石應(yīng)力計(jì)及位移計(jì)的安裝位置應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。采用光纖將信號(hào)傳至地表監(jiān)控中心的光纖光柵調(diào)節(jié)儀及地壓微震監(jiān)控主機(jī)，對(duì)1100 m的巖石地壓情況實(shí)施遠(yuǎn)距離、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)與防治。

地表根據(jù)需要設(shè)置1個(gè)觀測(cè)墩、2個(gè)基準(zhǔn)墩和18個(gè)監(jiān)測(cè)墩作為本工程的觀測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)，利用全站儀、水準(zhǔn)儀、棱鏡、標(biāo)尺等對(duì)巖石錯(cuò)動(dòng)界線附近的22個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行水平位移和垂直位移監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入監(jiān)控中心地表沉降監(jiān)控主機(jī)，利用監(jiān)控軟件，對(duì)沉降趨勢(shì)做預(yù)測(cè)和報(bào)警，保證保安礦柱界限內(nèi)礦柱的穩(wěn)定性及巖石錯(cuò)動(dòng)界線附近廠房、道路以及主要建筑物的穩(wěn)定性。

觀測(cè)墩基座采用C20混凝土,最外層鋼筋保護(hù)層厚度：基礎(chǔ)底板40 mm,混凝土柱25 mm, 墊層采用C10素混凝土。鋼筋:ФHPB300,ФHRB335, 鋼筋的抗拉及抗壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)為270 N/mm2和300 N/mm2。混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別為二類b，結(jié)構(gòu)耐久性要求最大水膠比0.50， 最大氯離子含量0.15%，最大堿含量3.0 kg/m3。待基座混凝土凝固硬實(shí)(常溫下約12 h)后，在基座中心逐層垂直安置觀測(cè)墩柱石, 模型板，澆灌混凝土并充分搗固，當(dāng)澆灌混凝土至0.8 m高度時(shí)，在柱石中心預(yù)埋一根Ф20的螺紋鋼(鋼筋頂部磨平并刻出“十”字形槽，長(zhǎng)度高出柱石頂部30 mm)。

基準(zhǔn)墩及監(jiān)測(cè)墩基礎(chǔ)應(yīng)該開挖到地面下1 m，并應(yīng)坐落在原土層上。基準(zhǔn)墩及監(jiān)測(cè)墩采用MU10頁(yè)巖實(shí)心磚M5水泥砂漿砌筑，基礎(chǔ)表面抹1∶2.5防水砂漿20厚, 并在頂部中心預(yù)埋1根Ф20螺紋鋼筋(鋼筋長(zhǎng)度不小于500 mm，頂部磨平并刻出“十”字形槽)，鋼筋頂部高出墩體頂部30 mm。

2.2 人員定位、視頻監(jiān)控、無(wú)線通訊“三網(wǎng)合一”系統(tǒng)

近北莊鐵礦人員定位、視頻監(jiān)控、無(wú)線通訊“三網(wǎng)合一”系統(tǒng)硬件設(shè)備采用模塊化組網(wǎng)，能夠滿足大型地下礦山多業(yè)務(wù)融合需要。系統(tǒng)建設(shè)以井下無(wú)線基站為核心設(shè)備，通過“三網(wǎng)合一”的方式架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，將井下人員定位系統(tǒng)、井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)和井下無(wú)線通訊系統(tǒng)融合在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，統(tǒng)一進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸及管理。進(jìn)出井下人員除了自動(dòng)記錄以外，還必須在地表井口進(jìn)行手寫表格登記出入時(shí)間及相關(guān)信息。

系統(tǒng)分為地上部分和井下部分。地上部分為核心交換機(jī)、UPS電源、服務(wù)器、工作站、語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)、語(yǔ)音服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、視頻管理平臺(tái)等設(shè)備，配套人員定位、語(yǔ)音通信管理軟件及視頻管理軟件等。系統(tǒng)主機(jī)采用雙機(jī)熱備，配置不間斷電源，保證持續(xù)供電不小于4 h。井下部分為礦用通信基站、礦用本安型手機(jī)、礦用人員定位識(shí)別卡、井下本安型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、多功能電源箱等設(shè)備。

井下人員定位系統(tǒng)采用井下光纖冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，自監(jiān)控室經(jīng)兩條路徑敷設(shè)至井下。一條路徑經(jīng)副井敷設(shè)一條光纜至井下的人員定位分站，一條路徑經(jīng)斜坡道敷設(shè)一條光纜至井下的人員定位分站，連接井下各中段的光纖經(jīng)副井、斜坡道、通風(fēng)天井敷設(shè)，人員定位分站之間的連接用光纖采用手拉手方式連接，整個(gè)系統(tǒng)組成環(huán)網(wǎng)。人員定位施工過程可隨巷道開拓進(jìn)度和采礦回采進(jìn)度進(jìn)行施工。巷道內(nèi)人員定位分站的安裝位置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。光纖沿巷道壁電纜掛鉤明設(shè)，高度1.5～2 m(根據(jù)巷道實(shí)際情況決定具體高度)，電纜掛點(diǎn)間距小于1.5 m。線纜橫跨巷道必須過拱，緊貼巷道拱面打電纜掛鉤明設(shè)，電纜鉤間距小于60 cm。每個(gè)光纖接頭必須可靠熔接，需預(yù)留卷盤線3～5 m。

人員定位分站供電采用就近引自照明或動(dòng)力箱備用回路方式。所有下井人員必須佩帶電子識(shí)別卡，工作時(shí)人卡不得分離，故障識(shí)別卡嚴(yán)禁使用。

2.3 通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)

近北莊鐵礦通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)井下電話線纜分別沿副井和斜坡道兩條線路敷設(shè)至井下，井筒內(nèi)采用卡架法沿豎井井筒吊掛方式敷設(shè)，巷道、斜坡道內(nèi)采用巷道壁掛方式敷設(shè)，跨拱頂時(shí)采用吊掛方式，過防水門時(shí)穿鋼管，電纜敷設(shè)后密封。

井下通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)包括井下有線通信系統(tǒng)和井下無(wú)線通信系統(tǒng)，其中井下無(wú)線通信系統(tǒng)與井下人員定位系統(tǒng)共同建設(shè)。井下有線通信系統(tǒng)在井下1160 m中段和1100 m 中段分別設(shè)置一臺(tái)30回線的電話分線箱，各電話分線箱至地面井口監(jiān)控室電話機(jī)柜室分別由兩條電話電纜進(jìn)行聯(lián)接。其中一條由副井筒吊掛敷設(shè)至井下；另外一條前期由斜坡道敷設(shè)至井下，在井下各中段馬頭門、1160 m采區(qū)變電所、巷道口、信號(hào)硐室、等候室、避災(zāi)硐室等重要部位設(shè)置礦用調(diào)度電話。電話電纜在巷道內(nèi)、斜坡道內(nèi)采用壁掛方式敷設(shè)，天井內(nèi)采用吊掛敷設(shè)。井下通訊終端設(shè)備均采用防水、防腐、防塵功能設(shè)備。井下電話及分線箱設(shè)置在圍巖穩(wěn)固，支護(hù)良好、無(wú)淋水且便于接聽的明顯位置。

2.4 斜坡道交通信號(hào)系統(tǒng)

近北莊鐵礦斜坡道交通信號(hào)系統(tǒng)分為地上部分和井下部分。地上部分為核心交換機(jī)，車輛定位、信號(hào)燈控制服務(wù)器，交通信號(hào)燈控制器，視頻綜合管理平臺(tái)，三維礦山主斜坡道車輛定位及交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)綜合信息軟件，UPS電源等。系統(tǒng)主機(jī)采用雙機(jī)熱備，配置不間斷電源，保證持續(xù)供電不小于4 h。井下部分為礦用一般型通信基站，礦用一般型分站，網(wǎng)絡(luò)高清槍機(jī)，礦用一般型讀卡器，交通信號(hào)燈，礦用一般型電源。

井下交通匯讓信號(hào)系統(tǒng)采用工業(yè)Can總線及zigbee無(wú)線自組網(wǎng)互為備份的雙通道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)在工作時(shí)，Can總線系統(tǒng)與zigbee自組網(wǎng)通訊系統(tǒng)同時(shí)工作，雙通道互相冗余,確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

斜坡道光纜由綜合控制樓敷設(shè)至斜坡道口無(wú)線基站，斜坡道中各個(gè)無(wú)線基站之間采用光纖手拉手方式連接，整個(gè)系統(tǒng)組成環(huán)網(wǎng)。各讀卡器、交通信號(hào)燈由Can總線匯接至各礦用一般型分站。無(wú)線基站供電引自就近照明配電箱通信備用回路。

2.5 壓風(fēng)自救裝置和供水施救裝置

壓風(fēng)自救裝置按照已安裝的礦井壓風(fēng)管道安裝，安裝在壓風(fēng)管道同側(cè)。在滿足安全及生產(chǎn)前提下，壓風(fēng)自救裝置安裝位置可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，安裝高度符合井下人員方便使用。壓風(fēng)自救裝置在1160 m水平中段巷道壁安裝3臺(tái)，1148 m水平中段巷道壁安裝5臺(tái)，在1136 m水平中段巷道壁安裝6臺(tái)，在1100 m水平中段巷道壁安裝6臺(tái)。

供水施救裝置按照已安裝的礦井供水管道安裝，安裝在供水管道同側(cè)，在滿足安全及生產(chǎn)前提下，供水施救裝置可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，安裝高度符合井下人員方便使用。供水施救裝置在1160 m水平中段巷道壁安裝3臺(tái)，在1148 m水平中段巷道壁安裝4臺(tái)，在1136 m水平中段巷道壁安裝4臺(tái)，在1100 m水平中段巷道壁安裝4臺(tái)。

3 礦山井巷安全監(jiān)督監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的效用

河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司近北莊鐵礦井下安全避險(xiǎn)六

大系統(tǒng)已由有關(guān)部門驗(yàn)收合格。監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，人員定位、視頻監(jiān)控、無(wú)線通訊“三網(wǎng)合一”系統(tǒng)，通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)和斜坡道交通信號(hào)系統(tǒng)安裝后經(jīng)測(cè)試、調(diào)校正常，運(yùn)行良好；壓風(fēng)自救系統(tǒng)出口風(fēng)壓、風(fēng)量滿足要求，閥門開關(guān)靈活；供水施救系統(tǒng)出口水壓、水量滿足要求，閥門開關(guān)靈活。

本系統(tǒng)的實(shí)施強(qiáng)化了礦山的安全保障能力，提高了礦山安全水平，大幅提升了該礦井下安全保障能力，實(shí)現(xiàn)了礦山安全綜合監(jiān)管、礦山監(jiān)控多級(jí)聯(lián)網(wǎng)和礦山安全應(yīng)急指揮,促進(jìn)了企業(yè)安全形勢(shì)持續(xù)健康發(fā)展，為礦山的安全可持續(xù)生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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