深部礦山一體化安全管控模式構(gòu)建*

張?zhí)旒t 姜 彭 張 超 李 馬 劉 晨 呂蘇環(huán)

(1.鎳鈷資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院；3.甘肅省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院；4.金川集團(tuán)公司二礦區(qū)；5.金川集團(tuán)公司安全運(yùn)行管控中心)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)礦山采掘技術(shù)盡管得到了快速發(fā)展，但與國(guó)際先進(jìn)礦山相比，總體生產(chǎn)力水平仍然較低，安全裝備技術(shù)水平偏低，安全生產(chǎn)基礎(chǔ)相對(duì)簿弱，影響安全生產(chǎn)的一些深層次問題未能徹底解決，相當(dāng)一部分礦山仍處于安全生產(chǎn)事故易發(fā)期。近年來，我國(guó)主要礦山已陸續(xù)轉(zhuǎn)入深部開采，如國(guó)內(nèi)最大的鎳基地金川礦山在“十三五”期間陸續(xù)進(jìn)入千米深井采礦。隨著礦山井下開采深度的增加，高地壓、高地溫[1]和高滲透壓力的“三高”采礦技術(shù)條件更加突出，采場(chǎng)地壓顯現(xiàn)更加劇烈、巷道變形速率加快，不僅增大了采場(chǎng)整體災(zāi)變失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，而且使得采場(chǎng)巷道變形失穩(wěn)控制和安全生產(chǎn)面臨更大困難，深部開采的安全問題將會(huì)更加突出。為大幅提升我國(guó)礦產(chǎn)資源利用率，實(shí)現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展，構(gòu)建深部開采條件下的一體化安全生產(chǎn)管理控制模式意義重大。

1 礦山安全標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)內(nèi)容及原則

1.1 建設(shè)內(nèi)容

根據(jù)《金屬非金屬礦山安全標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范地下礦山實(shí)施指南》(AQT 2050.2—2016)[2]，礦山安全標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)內(nèi)容包括：

(1)日常安全管理系統(tǒng)。建立健全安全生產(chǎn)責(zé)任制保障體系，健全安全生產(chǎn)方針與目標(biāo)；有完備的安全規(guī)章制度，相關(guān)記錄資料齊全；確保礦山內(nèi)外部安全聯(lián)系渠道暢通。

(2)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)安全管理。首先應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)的安全內(nèi)容要求；其次應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行采礦工藝的安全技術(shù)要求。對(duì)于生產(chǎn)過程中的工藝變化應(yīng)經(jīng)過評(píng)審與批準(zhǔn)；完善安全生產(chǎn)保障系統(tǒng)，包括提升、運(yùn)輸、充填、供風(fēng)、排水、電氣、防火等，對(duì)于運(yùn)輸作業(yè)系統(tǒng)而言，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)超載超速違章情況下的監(jiān)控管理，要對(duì)有交叉路口、彎道等特殊限定路段進(jìn)行監(jiān)控管理。

(3)設(shè)備設(shè)施安全管理。建立設(shè)備安全管理制度，做好生產(chǎn)過程的設(shè)備維護(hù)及檢查管理。

(4)采場(chǎng)安全管理。做好采場(chǎng)照明，建全安全標(biāo)識(shí)。嚴(yán)格進(jìn)行作業(yè)過程安全管理，包括穿孔作業(yè)、爆破作業(yè)、鏟裝作業(yè)、運(yùn)輸作業(yè)等。強(qiáng)化溜礦槽附近區(qū)域人員的監(jiān)控管理，建立建全溜井故障條件下的人員安全保護(hù)管理辦法。

(5)職業(yè)衛(wèi)生管理。礦山企業(yè)應(yīng)建立健康監(jiān)護(hù)制度[2]，應(yīng)對(duì)高溫、粉塵、噪聲、振動(dòng)、輻射和有毒有害氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，利用信息化技術(shù)手段在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)立職業(yè)病害警示標(biāo)識(shí)。

(6)安全檢查及隱患排查。進(jìn)行巡回檢查、例行檢查、專業(yè)檢查及綜合檢查等專項(xiàng)檢查。

(7)應(yīng)急管理系統(tǒng)。有針對(duì)性地提出糾正和預(yù)防措施[3]，包括應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急響應(yīng)及應(yīng)急保障。確保事故發(fā)生時(shí)能夠積極應(yīng)對(duì)，報(bào)警迅速、避災(zāi)撤退路線正確、避難設(shè)備有效利用。應(yīng)有便捷的報(bào)警指示設(shè)施，最好有語音提示。組織培訓(xùn)演練，應(yīng)對(duì)礦山應(yīng)急管理系統(tǒng)進(jìn)行定期評(píng)審和改進(jìn)。

1.2 建設(shè)原則

(1)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的安全標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)系統(tǒng)，滿足規(guī)范化、系統(tǒng)化和程序化的要求，系統(tǒng)應(yīng)具有一致性、完整性、可操作性和持續(xù)改進(jìn)性等特性[4-5]。

(2)特色建設(shè)。充分結(jié)合礦山自身特點(diǎn)，遵守安全生產(chǎn)的法律法規(guī)及其他要求。礦山安全標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作立足于風(fēng)險(xiǎn)源的辨識(shí)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)管理和事故預(yù)防的思想，并與企業(yè)管理有機(jī)結(jié)合。

(3)先進(jìn)實(shí)用。礦山企業(yè)應(yīng)結(jié)合自身生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)過程的風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)，主動(dòng)開展研究并創(chuàng)新應(yīng)用安全生產(chǎn)實(shí)用技術(shù)，包括先進(jìn)實(shí)用的安全管理方法，安全新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝、新材料，特別是企業(yè)重大危險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)、預(yù)警與控制技術(shù)以及政府安全監(jiān)督管理部門推薦的安全技術(shù)裝備等。

2 深部礦山一體化安全管控系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 深部開采條件下的安全測(cè)控及管理需求

(1)數(shù)據(jù)檢測(cè)及控制需求。要真正實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)，首先要從采場(chǎng)感知層著手，實(shí)現(xiàn)人員安全、設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境情況的實(shí)時(shí)感知監(jiān)測(cè)，預(yù)測(cè)各種事故發(fā)生[6]。礦山井下采場(chǎng)的環(huán)境溫濕度、風(fēng)速風(fēng)量、有害氣體監(jiān)測(cè)，一直是礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)的難題。傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)技術(shù)故障率高、維護(hù)量大，實(shí)用性不強(qiáng)。為此，本研究設(shè)計(jì)了從底層的無線傳感網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)到遠(yuǎn)程管理與控制一體化的平臺(tái)軟件，充分利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于礦山物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)建一體化管控體系。礦山井下需要監(jiān)測(cè)上傳的數(shù)據(jù)主要包括有害氣體及火災(zāi)煙霧深度、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)量、粉塵濃度、關(guān)鍵設(shè)備(主風(fēng)機(jī)、采掘設(shè)備等)運(yùn)行狀況、沿川脈道或采場(chǎng)的人員活動(dòng)狀況、運(yùn)輸巷道的車輛移動(dòng)狀況等。需要控制下達(dá)的指令為設(shè)備遠(yuǎn)程操作控制、通風(fēng)量調(diào)節(jié)控制、運(yùn)輸巷道紅綠燈動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、異常情況下風(fēng)險(xiǎn)通知、危險(xiǎn)警示及緊急告文等。針對(duì)井下分層采場(chǎng)、沿穿脈道等區(qū)域的環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)、風(fēng)速風(fēng)量監(jiān)測(cè)及有害氣體監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)有線監(jiān)測(cè)方案，效果不佳，相對(duì)而言，無線監(jiān)測(cè)技術(shù)適用性較強(qiáng)。

(2)一體化安全管控需求。未來的礦山生產(chǎn)中，安全管理與設(shè)備控制是高度一體化融合的。通過在礦井采場(chǎng)、沿穿脈道、運(yùn)輸巷道以及采掘設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備中設(shè)置無線傳感檢測(cè)裝置，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)井下環(huán)境條件變化(包括濕度、溫度、粉塵、噪聲及振動(dòng)等)，及早發(fā)現(xiàn)水患、無風(fēng)、超溫、煙霧及危險(xiǎn)氣體等各種災(zāi)難，及時(shí)預(yù)警并指導(dǎo)井下人員疏散撤離，及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)隱患，可將故障風(fēng)險(xiǎn)化解在事故初期，達(dá)到挽救生命、保障安全生產(chǎn)的目的，真正提高安全管理的時(shí)效性(圖1)[7-8]。

2.2 常見的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在礦山井下應(yīng)用無線傳感檢測(cè)技術(shù)時(shí)，主要關(guān)注的功能特性包括安全性、雙向通訊、低功耗、可維護(hù)性、成本投入、標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議及抗干擾性等。目前，可布設(shè)于礦山井下的無線技術(shù)有Wifi、ZigBee、LTE-M、Sigfox、LoRa等。

圖1 礦山開采安全系統(tǒng)示意

2.3 一體化測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)建

2.3.1 無線傳感檢測(cè)異構(gòu)裝置

針對(duì)礦山井下采場(chǎng)的惡劣環(huán)境，無線傳感技術(shù)由于具有安裝維護(hù)量小、運(yùn)行管理成本低等優(yōu)勢(shì)，適用性較強(qiáng)。但目前沒有一種技術(shù)能夠滿足礦井所有需求，多種無線技術(shù)將共存。為此，本研究通過構(gòu)建1個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感檢測(cè)異構(gòu)系統(tǒng)，采用2種技術(shù)協(xié)同完成數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)。對(duì)于需要快速響應(yīng)的控制數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)；對(duì)于視頻信息數(shù)據(jù)，因通訊量大，允許有適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)延遲，可通過藍(lán)牙或Wi-Fi網(wǎng)進(jìn)行傳輸。通過藍(lán)牙穿戴型檢測(cè)裝置收集作業(yè)人員的位置及健康數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)會(huì)在人員返回?cái)?shù)據(jù)采集點(diǎn)后自動(dòng)匯入智能數(shù)據(jù)站上傳。數(shù)據(jù)的交流傳輸以協(xié)議棧原理實(shí)現(xiàn)，比如光照傳感器，通過光敏電阻采集光照信息，其數(shù)據(jù)交流的典型結(jié)構(gòu)程序如下：

# include "icCC2530.h"

# include "GuangM.h"

unsigned char Guang_buf[2];

void initLED(void)

{

PIDIR | = 0x03;

LED1 = LED_OFF;

LED2 = LED_OFF;

}

unsigned char * getGuangM(void)

{

podir & = 0x7f;

ADCIF = 0;

/*清EOC標(biāo)志*/

ADCH & = 0x00;

/*P0.7 做ad口*/

APCFG | = 0x80;

/*單次轉(zhuǎn)換,參考電壓為電源電壓,對(duì)P07采樣*/

ADCCON3 = 0xb7;

/*等待轉(zhuǎn)換完成*/

while(!(ADCCON1&0x80));

/*獲取光敏值*/

Guang_buf[0] = ADCH;

Guang_buf[1] = ADCL;

return(Guang_buf);

}

2.3.2 基于礦山物聯(lián)網(wǎng)的一體化平臺(tái)軟件

未來的礦山井下，肉眼可見的一切都將數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，包括移動(dòng)采掘設(shè)備、運(yùn)輸車輛、照明燈具、鏟運(yùn)車等各種設(shè)備將會(huì)以數(shù)據(jù)信息的方式連接起來，構(gòu)成礦山物聯(lián)網(wǎng)。通過電腦或手機(jī)終端等多種方式授權(quán)登錄后，一個(gè)數(shù)字化的地下礦山會(huì)隨時(shí)隨地進(jìn)行展示。礦山數(shù)字化的展示都基于礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，能夠滿足礦山安全生產(chǎn)管理的多種需求，實(shí)現(xiàn)自主決策，自動(dòng)推送安全管理信息[9-11]。該平臺(tái)系統(tǒng)能夠以二維、三維動(dòng)態(tài)地圖的形式直觀展示井下的人、機(jī)、物實(shí)時(shí)狀況及變化趨勢(shì)，系統(tǒng)通過各種事件發(fā)生趨勢(shì)的分析，可根據(jù)礦山管理的多種多需求實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井生產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)管、遠(yuǎn)程檢查及動(dòng)態(tài)安全評(píng)價(jià)。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是礦山物聯(lián)網(wǎng)一體化平臺(tái)軟件的基礎(chǔ)，在滿足互聯(lián)互通要求的前提下，傳感器、接口標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議、管理協(xié)議等方面都應(yīng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和建設(shè)，使得軟件平臺(tái)具備開放性且兼容性好，便于進(jìn)行擴(kuò)充延伸。比如在井下巷道采用的智能燈，則是典型的無線傳感網(wǎng)中的一個(gè)檢測(cè)控制節(jié)點(diǎn)，其供電電壓可在24～220 VAC內(nèi)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，能夠按照設(shè)定要求自動(dòng)工作，也可進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，在滿足井下采光照度要求的同時(shí)還可以監(jiān)測(cè)周邊的環(huán)境溫濕度等，并可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并上傳至系統(tǒng)平臺(tái)，還可以與周邊的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。深部礦山一體化安全管控網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

3 結(jié) 語

為有效開展深部礦山安全生產(chǎn)管理工作，將無限傳感技術(shù)應(yīng)用于礦山井下采場(chǎng)、穿脈道等區(qū)域的安全監(jiān)測(cè)，構(gòu)建了深部礦山一體化安全管控模式，可對(duì)井下人員、機(jī)器設(shè)備及環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和故障、危險(xiǎn)源提前識(shí)別，實(shí)現(xiàn)深部礦山安全高效開采。

圖2深部礦山一體化安全管控網(wǎng)絡(luò)連接示意