井下突發狀態監測與人員緊急救援協同系統的研究

趙 章

（朔州市應急救援大隊，山西 朔州 036002）

0 引 言

煤礦工作區發生自然災害對于煤礦安全具有重要影響，隨著煤礦開采程度的增加，自然災害的發生概率更大，如何針對煤礦地區特點開展突發狀況的檢測是保證煤礦安全生產，保障工作人員安全的重要方法。對災害的預測目的是降低突發情況造成的影響，提高生產過程的連續性，保證煤礦安全生產的順利進行。

人員安全是煤礦生產的基本要求，而對自然災害的監測是保障煤礦安全生產的一道防線，對自然災害進行檢測，能夠降低煤礦安全事故的發生，保證煤礦井下人員的生命安全。本文災害監測和人員救援兩方面著手，對煤礦自然災害進行分析，分析當前災害監測和人員救援存在的問題，提出井下突發狀態監測與人員救急協同系統，為煤礦企業的自動化發展和安全生產提供建議。

1 煤礦井下自然災害分析

煤礦井下自然災害發生的情況較多，主要分為巷道進水、頂板坍塌、礦井火災、瓦斯爆炸、沖擊地壓等。不同的自然災害可能一種或者多種同時發生，相互之間影響可能導致更大的破壞，造成人員傷亡和礦井企業經濟損失，影響正常生產工作的開展。

1.1 瓦斯危害與礦井火災

瓦斯是一種混合氣體，主要成分是甲烷，當礦井中瓦斯含量到達一定程度時，遇到明火就會引起爆炸，且濃度高的瓦斯會導致煤礦井下工作人員窒息。

煤礦井下災害的發生分為外因和內因，外因的情況較為復雜，一般包括設備短路、井下人員抽煙、煤塊輸送設備摩擦；內因主要是煤礦井下混有的氣體出現自燃情況。煤礦井下災害發生時，會產生有害氣體，威脅工作人員安全。火災發生時，產生的熱量短時間難以擴散易行成爆炸，火災產生的煙霧引發人員中毒或窒息。

1.2 巷道進水與頂板事故

煤礦井下開采過程中可能會導致水流滲透到巷道內，造成巷道積水。巷道進水后縮短煤礦山體的使用壽命，導致礦井淹沒，威脅井下人員生命安全。當礦區地質較差，會導致礦井坍塌，積水還會導致用電設備短路，影響電力設備正常工作和使用。

頂板事故是對礦山安全影響最大的因素，礦山出現開采程度過大時，會導致頂板承受的壓力過大，頂板支撐不能承受壓力時，出現斷裂或者坍塌。隨著煤礦企業的開采，采空區的范圍增大，頂板支撐非常容易出現事故，且出現頂板坍塌后的礦區，會導致其他連帶災害的出現，如煤礦區發生水流滲透的概率得到極大的增加。

1.3 沖擊地壓

在煤礦企業中，煤礦區的巖石中聚集著能量，當能量達到一定的承受極限時，會出現能量的釋放，造成煤礦巖石崩落，這就是沖擊地壓。沖擊地壓具有多樣性、突發性、破壞性和復雜性等特點。沖擊地壓按照破壞程度的不同，分為一般沖擊地壓與嚴重沖擊地壓。沖擊地壓在發生時具有較大的能量釋放，會導致巖石破碎、碰撞，同時伴隨著巨大的聲響。沖擊地壓發生后會伴隨一系列的次生災害，如火災、水災等，加劇煤礦的危險性。

礦震是一種常見的自然災害，在煤礦開采過程中，由于地表震動或者巖層脫落會導致礦震的發生。礦震是伴隨沖擊地壓發生的，非常容易引發煤礦災害。

2 自然災害監測系統

2.1 SMP 瓦斯監測和控制系統

瓦斯是一種易燃的混合氣體，一般情況下瓦斯在礦井中能夠保持穩定，在未遇到明火時，不會發生爆炸或者燃燒。但在沒有火源的情況下，不會導致火災或爆炸。在進行瓦斯含量的檢測時，需要特別注意，監測甲烷的SMP 系統如圖1 所示。

圖1 SMP 系統總站

該系統總站采用連續測量的方式監測煤礦井下瓦斯含量，一般監測時間為4min，監測范圍廣，可達到甲烷占比范圍0～100%空氣含量。當監測到空氣中瓦斯達到一定濃度時，需要在瓦斯含量高的區域切斷電源，開啟通風條件，降低空氣中瓦斯含量。SMP 系統檢測總站不僅可以檢測瓦斯，還可以對空氣流速、地表溫度、礦井壓力、CO 含量、粉塵含量等進行監測。

在煤礦生產中，瓦斯爆炸事故的發生對煤礦危害極大。基于降低煤礦安全生產的風險考慮，需要安裝合適的瓦斯監測系統。

2.2 SMP-NT 瓦斯和火災監測系統

煤礦井下存在瓦斯就存在一定的安全隱患，需要特別注意。特別是對于開采較多的煤層，發生瓦斯火災或者爆炸的危險性更大。為此，搭建煤礦井下瓦斯監測結構，SMP|NTII和火災監測系統如圖2 所示。

圖2 SMP | N 瓦斯和災害監測構成

由圖2 可知，監測系統分為井上部分和井下部分，井上部分包括主計算機、數據傳輸系統、監控主機三個部分。井下部分包括不同的檢測分站、CCD-1 井下工作站，井下設備需要在惡劣的環境下正常工作，保證檢測系統正常運行。

CCD-1 井下工作站將傳感器采集的數據進行集中和儲存，傳感器是井下環境監測的終端。CCD-1 井下工作站的電源部分位于地面，該工作站含有控制設備，能夠監測二進制的數據，有利于采集井下氣體數據。CCD-1 井下工作站輸入、輸出設備齊全，有8 個模擬輸入、4 個控制輸出和16 個二進制輸入，能夠有效完成數據傳輸和監測。

SMP-NT 瓦斯和災害監測是一種先進的控制系統，能夠實現對礦井突發災害的檢測。系統具有模塊化結構，可以根據井下環境的變化進行調節，該系統裝有多個傳感器，能夠監測一氧化碳、甲烷、空氣溫度、空氣流速等多種環境指標。地下設備均能夠適應在復雜環境下工作的特性，能夠使得系統運行不受煤礦井下環境干擾。

2.3 沖擊地壓監測系統

對于沖擊地壓這類災害的發生監測，采用專用的無線應力監測系統和有線應力監測系統不同的方式進行監測。兩者區別在于信號傳輸的方式，沖擊地壓監測系統的原理是當量鉆屑量原理，其對將要發生沖擊地壓的煤礦區域進行監測，以保證煤礦系統安全生產。

沖擊地壓監測系統主要包括：

1）井下監測主機，主機是完成沖擊地壓監測的主要部分，主機的電子配件都是選自工業生產中廣泛使用的高性能產品。

2）壓力傳感器，實現環境監測的終端設備，該部分主要由高精度的壓力傳感器組成，可以連續對壓力進行監測。

3）地面監測主機，實現對煤礦地面部分的數據存儲和分析，能夠顯示井下數據監測狀況。

4）數據處理分析系統，實現對監測的數據分析和處理功能，數據分析和傳輸的可靠性高。

2.4 地震災害監測系統

地震是一種監測難度較大的自然災害，地震的發生具有突然性、急速性的特點，造成的破壞大，對于煤礦企業的安全生產影響極大。對于地震這種自然災害的檢測，需要采用動態和靜態結合的方式進行監測，以提高監測的準確性。頂板深處是地震靜態和動態監測的監測點，被采集的數據記錄在鉆孔中，通過對鉆孔的變形分析和動態信號獲取判斷地震災害情況。

對于地震災害的監測，波蘭專家開始的較早，波蘭EMAG 中心使用地震檢波儀對地震的發生與否進行監測。在監測過程中使用兩種系統，ARES 地音監測系統用于地震監測，記錄巖石破裂的發生。ARAMIS 是一種微震監測系統，當地下出現地震時，即可對其進行監測，ARAMIS 微震監測系統如圖3所示。

圖3 微震監測系統

如圖3 所示，微震監測系統包含地面和井下兩個部分，其中地面部分包括監測主機和數據服務器，井下部分包括通訊主站、監測分站、地震檢波器。地面部分與井下部分構成一個地震監測的整體，對于保證煤礦安全生產具有重要意義。目前，微震監測系統是煤礦井下突發狀態監測的常用系統，用于煤礦環境監測。

3 人員安全系統

3.1 救援協同子系統

煤礦井下出現突發情況時，礦井人員的人身安全可能受到威脅，為此需要對井下人員的所在位置進行定位，以保證人員安全，減少人員受傷的發生。定位井下人員位置冰采取救援措施是緊急救援協同系統的重要部分。煤礦井下災害突然發生，對井下人員的救助一定要搶在第一時間，以保證井下人員的安全。設置廣播預警系統，當煤礦井下發生自然災害時，啟動報警系統，提醒井下人員迅速撤離至安全地帶。報警系統采用KT190 廣播形式，系統結構如圖4 所示。

圖4 災害發生預警系統結構

如圖4 所示，預警系統包括手機端和廣播控制臺，地面緊急救援指揮人員發送指令，井下工作人員在手機端進行確認，同時可以向地面救援人員匯報煤礦井下情況，井下人員在地面指令的指揮下，遠離自然災害發生的地點，保障自身生命財產安全。地面和井下部分都有音響設備，可以對預警信息進行擴大，以保證預警信息能夠有效傳遞。

3.2 自然災害監測一體化系統

隨著煤礦開采程度的加深，自然災害的樣式也更加復雜，尤其是對于開采時間久的煤礦，可能會發生多種自然災害。為此，在對其進行監測時，不能僅僅監測單一的數據，需要進行綜合、整體監測，以保證煤礦企業的安全生產。自然災害的發生對于煤礦企業具有重大的損失，嚴重時導致人員傷亡。開展多種形式的災害監測，包括瓦斯、地震微波、巷道水災等監測。將不同自然災害監測匯總到一個整體系統進行監測，有利于監測管理，如圖5 代表多種自然災害監測的一體化系統結構圖。

圖5 多種自然災害監測一體化系統

4 結束語

煤礦井下自然災害頻發，不同的自然災害之間存在聯系，有的災害可以導致其他災害的連帶發生，所以煤礦井下災害的發生往往是多種災害并發，對煤礦安全生產和工作人員的人身安全造成了極大的影響。為此，在研究自然災害特點的基礎上，提出一種井下突發狀態與人員緊急救援協同系統。對一種或者多種災害的發生進行檢測，并根據實際情況開展緊急救援。有利于提高煤礦安全生產，降低自然災害發生對煤礦的影響。

為了更好地監測煤礦井下環境，可以開展監測預警、人員定位、緊急救援一體化的研究，還可以向著智能化、無線化的方向開展研究。