一场事关矿山安全的深刻变革_中国煤炭技术服务网

煤矿物联网研究
孙继平

中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，100083
    摘要：对比分析了世界主要产煤国百万吨死亡率，我国井工煤矿百万吨死亡率约是美国的13.5倍、南非的7.9倍、俄罗斯的2.1倍、印度的0.97倍。分析了我国煤炭百万吨死亡率高于美国等其他主要产煤国的原因：井工开采高达95%、赋存条件差、灾害严重、小煤矿多、机械化、信息化程度低等。提出了煤矿物联网特点：电气防爆、无线传输衰减大、GPS信号不能覆盖煤矿井下、无线发射功率小、抗干扰能力强、抗故障能力强、宜采用树形结构、传输距离远、不宜采用中继器、设备体积小、电网电压波动适应能力强、防护性能好等。提出了煤矿物联网需解决的关键技术问题：煤矿物联网信息编码、传输、处理等标准；矿用安全标志准用产品生产、运输、仓储、使用、维护等全过程管控；矿用安全炸药生产、运输、储存、领退、使用等全过程管控；矿用重大关键设备生产、运输、仓储、使用、维护等全过程管控；煤矿井下人员精确定位、自动识别与培训监管；瓦斯检查员、安全检查员、电钳工、放炮工、绞车司机、采煤机司机、水泵操作工等及其操作设备、作业环境人机环闭锁控制；无人工作面地面遥控；煤炭产、运、销、用全程管控；应急救援装备与救护队等管理；煤炭地质勘探、设计、建井施工、安全生产、经营管理等。
关键词：煤矿；物联网；人员定位；灾害预警；设备监控；无人工作面；救援装备
    煤炭是我国的主要能源，1995年以来煤炭在我国能源生产结构中占74.7%，在我国能源消费结构中占69.5%。近年来，我国煤矿安全生产形势逐年好转，事故起数、死亡人数、百万吨死亡率均大幅下降，但与世界其他主要产煤国相比，仍有一定差距。
    为满足煤矿安全生产的需要，目前已有煤矿井下人员位置监测系统、轨道运输监控系统、胶轮车运输监控系统、放炮作业监控系统、安全监控系统、瓦斯抽采（放）监控系统、火灾监控系统、供电监控系统、带式运输监控系统、提升运输监控系统、排水监控系统、工作面监控系统、大型机电设备健康状况监控系统、视频监视系统、仓库管理系统、生产调度通信系统、应急广播通信系统、移动通信系统等，在煤矿安全生产、应急救援、事故调查工作中发挥着重要作用。但现有系统仍不能满足煤矿安全生产、灾害预警、应急救援等需求，需要研究煤矿物联网技术，解决煤矿安全标志准用产品和矿用关键设备全程跟踪监管等问题[1-7]。
1 世界主要产煤国家百万吨死亡率
    近年来，我国煤矿安全生产形势逐年好转，事故起数、死亡人数、百万吨死亡率均大幅下降，但与世界其他主要产煤国相比，仍有一定差距。我国煤矿百万吨死亡率高于美国、南非、印度、波兰和俄罗斯等主要产煤国。2008年我国煤矿百万吨死亡率是美国的42.2倍、南非的14.8倍、印度的7.7倍、波兰的7.0倍、俄罗斯的6.2倍、好于乌克兰。1990年~2008年世界主要产煤国家煤矿事故死亡人数和百万吨死亡率如表1所示[8]。
    煤炭井工开采我国占95%，印度占12%，美国占30.5%，俄罗斯占32%，南非占51%。煤炭井工开采受瓦斯、煤尘、顶板、水、火等多种灾害影响，安全程度远远低于露天开采。因此，埋藏深度较浅等适宜露天开采的煤田应优选露天开采。露天矿的百万吨死亡率很低，为便于分析按0计算（实际不为0），2008年我国井工煤矿百万吨死亡率是美国的13.5倍、南非的7.9倍、俄罗斯的2.1倍、印度的0.97倍。
    除井工开采高达95%、赋存条件差、灾害严重、小煤矿多等原因外，机械化、信息化程度低也是主要原因之一。因此，研究煤矿物联网技术，对提高煤矿信息化水平，促进煤矿安全生产具有十分重要的意义。
表1  1990年~2008年世界主要产煤国家百万吨死亡率

年份	美国		印度		南非		俄罗斯		波兰		乌克兰		中国
年份	死亡人数	死亡率	死亡人数	死亡率	死亡人数	死亡率	死亡人数	死亡率	死亡人数	死亡率	死亡人数	死亡率	死亡人数	死亡率
1990	66	0.07	166	0.78	51	0.29	279	0.72	75	0.51	306	1.86	6515	6.16
1991	61	0.07	143	0.60	43	0.24	252	0.73	68	0.32	301	2.21	5446	5.21
1992	55	0.06	183	0.73	46	0.26	318	0.97	52	0.26	445	3.33	4942	4.65
1993	47	0.06	176	0.67	90	0.49	325	1.09	68	0.38	376	3.25	5283	4.78
1994	45	0.05	241	0.89	54	0.28	282	1.08	33	0.25	417	4.41	7016	5.15
1995	47	0.05	219	0.77	31	0.15	281	1.03	34	0.23	341	4.06	6387	5.03
1996	38	0.04	146	0.44	45	0.22	183	0.74	45	0.25	342	4.85	6404	4.67
1997	30	0.03	165	0.43	40	0.19	288	1.37			283	3.68	6753	5.10
1998	29	0.03	146	0.45	42	0.19	183	0.78	33	0.18	360	4.66	6134	5.02
1999	35	0.03	138	0.44	28	0.13	141	0.57	20	0.12	294	3.60	5518	5.30
2000	38	0.039	144	0.43	31	0.14	170	0.67	28	0.17	316	3.90	5798	5.86
2001	42	0.04	141	0.41	19	0.08	132	0.5	24	0.14	294	3.50	5670	5.28
2002	27	0.027	97	0.27	20	0.09	85	0.35	33	0.21	267	3.24	6995	5.02
2003	30	0.03	113	0.30	22	0.09	100	0.37	28	0.17	217	2.71	6434	3.71
2004	28	0.028	99	0.24	20	0.08	153	0.54	10	0.06	200	2.46	6027	3.08
2005	23	0.02	116	0.25	16	0.07	125	0.42	15	0.09		2.0	5938	2.811
2006	47	0.044	137	0.28	19	0.07	85	0.27	45	0.29		2.9	4746	2.041
2007	34	0.033	75	0.156	13	0.05	243	0.77	16	0.11	318	4.14	3786	1.485
2008	30	0.028	80	0.154	20	0.08	62	0.19	24	0.17			3215	1.182

    注：表中死亡率为煤炭百万吨死亡率。
2 煤矿物联网特点
    煤矿井下有瓦斯等爆炸性气体、矿尘大、潮湿、有淋水、巷道空间狭小、巷道弯曲和分支，瓦斯、水、火、顶板、煤尘、放炮、运输、机电等事故威胁着煤矿安全生产。因此，用于地面的物联网技术和设备，难以直接用于煤矿井下。
    （1）电气防爆。煤矿井下有甲烷等可燃性气体和煤尘。因此，物联网系统和设备必须是防爆型电气设备，并宜采用安全性能好的本质安全型防爆措施，输入输出信号必须是本质安全信号。
    （2）电磁波传输衰耗大。煤矿井下空间狭小，有风门、机车等阻挡体，巷道介质、弯曲、分支、倾斜、表面粗糙度、巷道支护等会影响电磁波的传输，传输衰耗大。
    （3）GPS信号不能覆盖煤矿井下。煤矿井下巷道一般布置在离地表数百米以下，最深已达1365米。因此，GPS信号不能覆盖煤矿井下巷道。
    （4）无线发射功率小。本质安全型防爆电气设备的最大输出功率为25W左右。当电路中有电感和电容等储能元件时，将进一步降低电路中允许的最大电流和电压，功率也大大降低。
    （5）抗干扰能力强。煤矿井下空间狭小、机电设备相对集中、功率大，电磁干扰严重。特别是大功率变频器、大型机电设备启停、架线电机车电火花等对物联网设备干扰大。
    （6）网络结构宜采用树形结构。煤矿井下巷道为分支结构、呈树形布置、分支长度数千米，达万米以上；煤矿井下电缆和光缆必须沿巷道敷设，挂在巷道壁上。因此，为便于系统安装维护、节约传输电缆和光缆、降低系统成本，宜采用树形结构。
    （7）传输距离相对较远。煤矿（仅单一矿井）相对于一般工业企业覆盖区域较广，采掘工作面距地面调度室距离可达十多千米。
    （8）不宜采用中继器。煤矿井下工作环境恶劣，设备故障率较高，巷道长度长，维护困难。若采用中继器延长传输距离，由于中继器是有源设备，故障率较无中继器系统高。并且在煤矿井下电源的供给受电气防爆的限制，在中继器处不一定好取电源，若采用远距离供电还需要增加供电芯线。因此，不宜采用中继器。
    （9）电源电压波动适应能力强。煤矿井下电网电源电压波动范围在75%～110%之间，甚至达75%～120%。因此，煤矿物联网设备应具有较强的电源电压波动适应能力，特别当电网停电时，应由备用电源维持不小于2小时的正常工作。
    （10）抗故障能力强。煤矿井下环境恶劣，设备故障率高，顶板冒落等会造成电缆和光缆断缆、设备损坏。因此，煤矿物联网设备应具有较强的抗故障能力，当系统中某些设备发生故障时，不会造成整个系统瘫痪，其余非故障设备仍能继续工作。
    （11）防护性能好。煤矿井下除有瓦斯等爆炸性气体外，还有硫化氢等腐蚀性气体、矿尘大、潮湿、有淋水。因此，煤矿物联网设备应具有防尘、防水、防潮、防腐、耐机械冲击等性能。
    （12）设备体积小。煤矿井下空间狭小，因此，煤矿物联网设备的体积、特别是天线体积不能很大，便携式设备更要注意设备的体积和重量。
3煤矿物联网关键技术
    煤矿井下无线传输衰减大、电气防爆等特殊性，制约着地面物联网技术直接在煤矿井下应用。因此，需要针对煤矿井下特殊性和煤矿安全生产需求，研究煤矿物联网技术[9-11]。
    （1）煤矿物联网信息编码、传输、处理等标准。煤矿物联网涉及掘进机、采煤机、刮板输送机、液压支架、液压泵站、转载机、破碎机、带式输送机、提升机、电机车、胶轮车、通风机、水泵、压风机、移动变电站、电气开关、变压器、监控、通信等大量的机电设备生产、运输、仓储、使用、维护等全过程监管，因此，需要研究制定煤矿物联网信息编码、传输、处理等标准。
    （2）矿用安全标志准用产品生产、运输、仓储、使用、维护等全过程管控。2006年11月5日11时38分，山西省大同煤矿集团轩岗煤电公司焦家寨煤矿发生特别重大瓦斯爆炸事故，造成47人死亡。经分析认定，引爆瓦斯的火源是假冒伪劣电气产品失爆产生电火花，引起瓦斯爆炸。因此，需要研制煤矿物联网，加强防爆电气设备等矿用安全标志准用产品监管，避免假冒机电产品在煤矿使用造成事故。
    （3）矿用安全炸药生产、运输、储存、领退、使用等全过程管控。2010年6月21日1时22分，河南省平顶山市卫东区兴东二矿主井区井下发生特别重大炸药燃烧事故，造成49人死亡。经分析认定，事故矿井下长时间大量存放非法购买的私制炸药自燃引发事故。因此，需要研制煤矿物联网，实现矿用安全炸药生产、运输、储存、领退、使用等全过程跟踪管理，避免私制炸药引起炸药燃烧和爆炸事故，避免火工品运输、储存、使用不当造成伤亡事故。
    （4）矿用重大关键设备生产、运输、仓储、使用、维护等全过程管控。掘进机、采煤机、刮板输送机、带式输送机、提升机、电机车、胶轮车、通风机、水泵、压风机、移动变电站等大型机电设备正常运行是煤矿安全生产的重要保障。因此，需要研制煤矿物联网，实现矿用重大关键设备生产、运输、仓储、使用、维护等全过程跟踪管理和健康诊断，为煤矿安全生产提供快速有效的物资保障、优化采购和库存、降低成本。
    （5）煤矿井下人员精确定位、自动识别与培训监管。现有煤矿井下人员位置监测系统在遏制超定员生产、防止人员进入危险区、及时发现未按时升井人员、特种作业人员管理、干部下井带班管理、考勤管理、应急救援、事故调查等方面发挥着重要作用。但现有系统仍不能满足事故应急救援和煤矿井下作业人员管理的需求，需研究煤矿井下人员精确定位、虹膜和人脸自动识别、安全培训和上岗证管理信息化等，通过设置在人员出入井口的虹膜和人脸等检测装置，检测入井人员特征，与上岗培训时的虹膜和人脸数据库资料对比，没有取得上岗证的人员不允许下井，特殊情况（如上级检查等）需经有关领导批准，并存储纪录。
    （6）瓦斯检查员、安全检查员、电钳工、放炮工、绞车司机、采煤机司机、水泵操作工等及其操作设备、作业环境人机环闭锁控制。持证上岗、专人操作、防止瓦斯爆炸事故的瓦斯风电闭锁、防止带电作业的机电闭锁、防止放炮事故的一炮三检和三人联锁、及时发现事故隐患的定时巡检等是煤矿安全生产的重要保障。因此，需要研究煤矿物联网，实现瓦斯检查员、安全检查员、电钳工、放炮工、绞车司机、采煤机司机、水泵操作工等及其操作设备、作业环境人机环闭锁控制。
    （7）无人工作面地面遥控。目前采煤工作面能够做到工作面有人巡视条件下的回采巷道遥控和记忆割煤，但不能自动识别煤岩，不能实现工作面无人控制。因此，需要研究煤岩分界识别技术和仪器，研究液压支架、采煤机、刮板输送机精确定位技术，进一步提高监控的可靠性，实现无人工作面地面遥控。
    （8）重大灾害预警。煤矿重大灾害预警是保障煤矿安全生产的重要措施。现有煤矿安全监控系统具有瓦斯等实时监测、报警与断电功能，部分系统具有瓦斯、火灾、冲击地压等重大灾害预警功能，但预警准确率较低，难以满足煤矿安全生产需要。因此，迫切需要提高煤矿重大灾害预警准确率，研究基于物联网和煤矿安全监控系统的瓦斯、火灾、冲击地压等灾害预警技术。
    （9）煤炭产、运、销、用全程管控。煤炭长期储存会自燃，煤炭短缺会影响发电、钢铁、建材和煤化工等产业，煤炭供求关系直接影响着市场价格等。因此，需要通过煤矿物联网，监控煤矿的煤炭产量、煤种、煤质和库存等，铁路、船舶、公路等运输和库存等，发电厂等煤炭用户煤炭库存和用量等，实现经济调度，供需平衡。
    （10）应急救援装备与救护队等管理。应急预案、救援装备、救援队伍等是及时有效救援的保障。因此，需要研究煤矿物联网技术，为煤矿事故应急救援提供及时有效的支持。
    （11）煤炭地质勘探、设计、建井施工、安全生产、经营管理。煤矿在地质勘探、设计、建井施工、安全生产、经营管理中产生了大量的空间数据和对应的属性数据。煤矿安全生产与经营管理需要对煤层、顶底板、围岩、地质构造等基础信息、井巷测量信息、供电、通风、排水、运输、采掘、监控、通信等生产信息进行三维表达与分析，这就需要研究矿用三维建模算法和三维可视化表达方法。
4 结论
    煤矿井下无线传输衰减大、电气防爆等特殊性，制约着地面物联网技术直接在煤矿井下应用。因此，需要针对煤矿井下特殊性和煤矿安全生产需求，研究矿用物联网技术，解决煤矿物联网关键技术问题：煤矿物联网信息编码、传输、处理等标准；矿用安全标志准用产品生产、运输、仓储、使用、维护等全过程管控；矿用安全炸药生产、运输、储存、领退、使用等全过程管控；矿用重大关键设备生产、运输、仓储、使用、维护等全过程管控；煤矿井下人员精确定位、自动识别与培训监管；瓦斯检查员、安全检查员、电钳工、放炮工、绞车司机、采煤机司机、水泵操作工等及其操作设备、作业环境人机环闭锁控制；无人工作面地面遥控；煤炭产、运、销、用全程管控；应急救援装备与救护队等管理；煤炭地质勘探、设计、建井施工、安全生产、经营管理等。
    本文全文发表在《煤炭学报》2011年第1期：孙继平。煤矿物联网特点与关键技术研究[J].煤炭学报，2011,36（1）:167-171
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