煤矿井下安全避险之人员定位

煤矿井下安全避险之人员定位

文｜刘雷

矿难，自十八世纪以来，煤炭这种“黑色的金子、工业的食粮”成为人类世界使用的主要能源之后，就从未中断。人们也一直在为防范矿难作着种种努力。

2014年4、5月间，云南省煤矿井下事故频发，数十人遇难。4月7日，曲靖麒麟区黎明实业有限公司下海子煤矿发生重大透水事故，造成21人遇难，1人失踪。4月21日，曲靖市富源县后所镇红土田煤矿一个工作面发生瓦斯爆炸事故。事发时当班下井56人，安全升井42人，14人被困井下，经确认已经遇难。5月8日宁蒗县宁利乡石笋沟煤矿探矿井发生一起煤矿事故，3死1伤。遇难、死伤，这简单的几个名词代表着的是一条条本该鲜活生命的逝去。云南矿难，触目惊心，是一地之失，还是普遍现象？不禁让人们对煤矿井下安全现状心存疑虑，倍加关注。

矿难，自十八世纪以来，煤炭这种“黑色的金子、工业的食粮”成为人类世界使用的主要能源之后，就从未中断。人们也一直在为防范矿难做着种种努力。

在国外，2006年1月，美国西弗吉尼亚查尔斯顿城西北塞格煤矿（Sago Mine）爆炸，14名矿工的死亡促使美国国会立法，要求美国所有煤矿在2009年前必须安装无线跟踪定位系统，希望以此拯救更多的生命。

在中国，为提高安全生产保障能力，2010年7月，《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》提出要强制推行先进适用的技术装备。要求煤矿、非煤矿山要制定和实施生产技术装备标准，安装监测监控、人员定位、紧急避险、压风自救、供水施救和通信联络系统等技术装备。同年8月，国家安全监管总局国家煤矿安监局提出2010年底前，中央企业和国有重点煤矿企业的所有煤矿要完成井下人员定位系统的建设完善工作；2011年底前，其他所有煤矿要完成井下人员定位系统的建设完善工作。由此可见我国政府对井下安全的重视程度及井下人员定位系统在煤矿安全方面的重要性。

煤矿井下人员定位系统是指应用现代无线通信技术，集成数据通信、数据处理及图形展示等相关技术的监控管理系统。该系统可实现基于电子地图的煤矿井下人员实时定位和监管。并应具有煤矿巷道电子地图浏览、区域人数分析、人员监测管理、人员定位、人员实时轨迹监控、人员历史轨迹回放等功能。从而为实现煤矿的安全生产提供及时有效的井下人员定位和监控功能，并提供事故发生时人员逃生的最佳路径分析，以信息化手段提高了煤矿的安全生产能力。

一、无线通信技术

人员定位系统所应用的无线通信技术以RFID、WiFi、 ZigBee、Mesh、GIS等为主。国外发达国家的井下跟踪设备成本高，且因采煤机械化程度较高，安全性强，对于井下人员跟踪系统的研发也比较少。

目前中国广泛使用的矿井人员定位系统大多数是应用RFID、ZigBee、WiFi及GIS 技术实现的，因其不同的技术特点，存在其相应的优点及完善和提高的空间。

1.基于RFID的定位系统

射频识别即RFID（Radio Frequency Identification）技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

RFID井下人员定位系统是由井下人员携带RFID电子标签，当标签进入磁场后，可接收设置在矿井进出口、巷道分支处、重点区域等关键点的解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的信息（无源被动式）；或者由标签主动发送信号（有源主动式），解读器读取信息并解码后，对下井人员进行登记记录。

RFID技术有读取数据方便快捷、实时性好、使用寿命长、安全性好、信号的穿透能力强等特点，是目前大部分井下人员定位系统所采用的技术。包括KJ251、KJ69J、KJ237、KJ128A、KJ133、KJ139、KJ280等。

然而RFID技术在精准定位方面略有不足，在远距离传输时速率较低，而且其超高频技术的不完善和成本瓶颈也在一定程度上制约了该技术的发展。

2.基于WiFi技术的定位系统

WiFi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，是一个高频无线电信号。是IEEE802.11b标准，具备带宽广，信号强，功耗小，安全易用等特性，其主要优势在于短距离无线数据传输能力，非常适合移动办公的需要，具有广阔市场前景。井下采用WIFI技术的系统相对较少，如KJ361 等。

定位系统在井下通道设WiFi基站，井下人员携带WiFi身份码或WiFi手机，通过存有人员信息的WiFi终端与基站交换信息 从而对煤矿井下人员实现精确的定位。WiFi技术也可与RFID、ZigBee、GIS等技术结合应 用。

3.基于ZigBee技术的定位系统

ZigBee技术是由Invensys 公司、三菱电气公司、摩托罗拉公司以及飞利浦等公司共同研究开发的，是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信技 术。

基于ZigBee的人员定位系统是在井下合理布置基站，由井下人员随身携带ZigBee无线终端，在接收到基站信号时或定时向基站发送信号，基站接收信号并根据信号强度计算出人员位置，实现精确定位、实时更新。具有低成本、安全可靠、低功耗、低数据速率、精准定位等多种优势，他解决了RFID面临的环境干扰问题，并通过直序扩频的信噪比增益，大大地降低了系统的功耗，达到提高电池使用寿命的目的。正逐渐为我国更多的井下人员定位系统所采用。采用ZigBee技术的系统包括KJ236、KJ571、KJ399等。

此外ZigBee自组织网通信特性在应对井下复杂地形时具有一定的优势，如能充分运用，有着广阔的应用前景。

4.基于GIS 结合的定位系统

地理信息系统（GIS，Geographic Information System）是一门结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学的综合学科，用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据。可集成地图、地理分析功能与数据库操作。可根据井下人员在巷道中的实时动态分布及井下的实际地理情况制作出相应的动态图，使井下情况一目了然，能够帮助应急计划制定者在事故发生时快速作出路线规划并计算出应急反应时间。该技术应用较广泛，可单独应用或与其他技术结合应用（GIS＋RFID；GIS＋WiFi；GIS＋ZigBee等）。

5.基于Mesh技术通信定位

无线Mesh网络，由路由器和客户端组成，其中路由器构成骨干网络，并和有线的internet网相连接，负责为客户端提供多跳的无线internet连接。无线Mesh网络也称为“多跳（multi-hop）”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。是基于网状分布的众多无线接入点间的相互合作和协同，具有宽带高速与高频谱效率的优势和动态自组织、自配置与自维护等突出特点。在该网络中，任何设备节点都可以同时作为AP和路由器，都可以发送和接收信号，都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。基于无线Mesh能够自动调整拓扑并维持连接，可采用灵活的多跳传输，随需扩展，因此该网络结构更适合应用于煤矿井下环境恶劣、组网复杂等特殊条件，为井下定位提供更可靠的技术支持。Mesh组网能力的用户站成本较较低，可以节省网络建设成本。较其他技术而言，更适合在我国煤矿环境中使用。

二、定位系统选择

井下人员定位系统作为煤矿井下安全避险“六大系统”之一，选择定位精度高、安全、稳定、续航时间长、性能齐备的定位系统至关重要，目前取得MA标志认证和防爆合格证的主要厂家、系统如表1所示。

表1

1.KJ280高精度井下人员定位系统

基于PHS无线小灵通技术和GIS地理信息系统技术的中矿华沃KJ280煤矿井下人员定位管理系统。集成了实时精确定位及紧急通话功能，可实现双向通信及报警功能。具有识别距离远、识别区域无方向性、无盲区、信号穿透力强、抗干扰能力强、无微波辐射等优点。已获国家专利，为2006年全国瓦斯工作会议唯一推荐产品。

2.KJ272人员定位系统

深圳市翌日科技有限公司的矿用人员定位系统基于GIS技术的地理信息显示、查询系统，结合无线网络传输技术ZigBee，定位专利技术及煤矿井下通信基站专利技术，真正实现了井下人员的精确定位和其他各业务的需要（手机通信、瓦斯等实际数据传输、无线视频监控）。可提供直观的巷道图，矿井移动目标实时监视和屏幕显示，实现各部门工作人员考勤、井下定点考勤、信息存储和历史数据回放、突发情况报警、发出报警信息、异常数据自动报警功能。

3.矿井定位通信一体化解决方案

泰普通信系统有限公司提供的KJ742W矿山人员管理系统基于RFID＋WiFi技术，由矿用分站、标识卡、矿用语音终端、调度平台、定位引擎、人员管理系统软件等组成。该系统产品紧贴矿井安全生产的实际需求，根据矿井安全生产的技术要求和国家安全标准进行独立设计，实现了井下人员、车辆、设备的定位，并集成了井下人员语音对讲、通信联络和无线数据传输等功能，具有安装方便，覆盖距离远，安全性高、环境适应性强的特点。具有对讲定位一体化，兼容环境监测、视频传输的优点。

三、人员定位系统的应用

企业必须切实做好人员定位系统的维护和升级改造工作，必须保障系统安全可靠运行。

应按规定设置井下分站和基站，确保准确掌握井下人员动态分布情况和采掘工作面人员数量。所有入井人员必须携带定位终端。应在矿井各出入井口、巷道分支处、重点区域、限制区域及煤矿紧急避险设施出入口设置分站，确保及时、准确的将井下各个区域人员和移动设备情况动态反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员和移动设备的总数及分布状况以及井下人员入井、出井时间及运动轨迹，实现对井下人员的实时监测。以便于企业对井下人员进行更加合理的调度和管理，并在事故突发时能够及时高效的做出正确应对。矿井调度室应设系统地面中心站，配备显示设备，执行24h值班制度。主管安监局应有同步显示终端。

此外，井下定位系统可以进一步集成环境监测系统及通信联络系统。通过监测系统分布于井下的多种传感器及视频头等完成监控终端对井下环境的动态监控，实时掌控井下瓦斯、粉尘、风速、温湿度等重要数据，以便及时发现井下异常。如果条件成熟，可将手持PDA与井下终端集成，做到监控中心与井下人员可实现双向可视通信，实现井下导航功能，为安全生产及通报险情、指挥井下避险提供保障。