当前位置： >>
非煤矿山智能远程爆破监控系统应用报告
非煤矿山智能远程爆破监控系统应用报告北京科技大学 北京龙德时代技术服务有限公司 山东黄金归来庄矿业有限公司 2014 年 11 月目 录1 项目来源及意义.......................................................................
................................. 1 2 研究内容及目的........................................................................................................ 1 3 前期准备工作............................................................................................................ 2 3.1 现场调研........................................................................................................... 2 3.2 采场炮烟扩散理论研究.................................................................................. 3 3.2.1 炮烟一维扩散数学推导........................................................................ 3 3.2.2 炮烟一维扩散的数值模拟.................................................................... 4 3.2.3 采场炮烟一维扩散数值模拟结果........................................................ 8 3.3 采场炮烟监测实验........................................................................................ 14 3.3.1 采场炮烟成分分析.............................................................................. 14 3.3.2 炮烟监测平台...................................................................................... 14 4 采场智能远程爆破监控系统.................................................................................. 15 4.1 智能远程爆破监控简介................................................................................. 15 4.1.1 地面系统............................................................................................... 15 4.1.2 井下系统............................................................................................... 16 4.1.3 环网系统............................................................................................... 16 4.2 智能远程爆破监控系统设计依据及技术要求............................................. 17 4.2.1、系统设计依据.................................................................................... 17 4.2.2、系统技术要求.................................................................................... 18 4.3 智能远程爆破监控系统功能实现................................................................. 19 4.3.1 爆破危险区域内有人,不能爆破......................................................... 19 4.3.2 爆破作业人员不到位,就不能爆破..................................................... 19 4.3.3 人员不连锁,就不能爆破..................................................................... 19 4.3.4 安全起爆位置不对，就不能爆破...................................................... 20 4.3.5 起爆时间不对，就不能爆破.............................................................. 20 4.3.6 有害气体没有排出，就不能进人....................................................... 20 4.4 系统软硬件参数............................................................................................. 20 4.4.1.系统主要技术参数............................................................................... 204.4.2 主要设备技术参数............................................................................... 22 5 采场智能远程爆破监控系统安装.......................................................................... 32 5.1 智能远程爆破监控系统试验点.................................................................... 32 5.2 智能远程爆破监控系统安装........................................................................ 33 5.2.1 东挂帮系统部分安装.......................................................................... 34 5.2.2 -30m 水泵房系统安装 ......................................................................... 35 5.2.3 调度室系统安装.................................................................................. 36 6 采场智能远程爆破监控系统调试及试运行.......................................................... 36 6.1 发爆器采场巷道爆破试验............................................................................ 36 6.2 监控平台的调试及试运行 ........................................................................ 371 项目来源及意义山东黄金归来庄矿业采场智能远程爆破监控系统建设及应用研究是金属矿 山矿井智能安全监测技术研究的重要组成部分，同时也是国家“十二五”科技支 撑计划―矿山安全监测与紧急避险一体化信息平台研发―的研究内容之一。 依托于“十二五”科技支撑计划项目，针对地下金属矿山中爆破作业会导致 许多局部环节的突发性变化，从而诱发有害气体、粉尘等不安全因素这一问题， 分析在放炮过程中可能造成事故的环境因素， 识别导致爆破作业中炮烟事故的多 维环境极其影响， 研究实在多环境条件的适时监测与智能分析技术以及炮烟事故 多因素的适时监控、智能分析、动态识别与预警。通过构建基于爆破过程监测与 控制的金属矿山本质安全型智能远程爆破监控技术， 实现多环境因素监测与分析、 放炮作业环境条件智能分析与识别、 金属矿山爆破作业事故预测技术等功能的同 一与集成。选取在山东黄金归来庄矿业有限公司采场作为项目试点示范。2 研究内容及目的针对地下金属矿山中爆破作业过程中会诱发有害气体、粉尘等不安全因素， 分析在放炮过程中可能造成事故的风险， 识别导致爆破作业中炮烟事故的多维环 境极其影响， 研究实在多环境条件的适时监测与智能分析技术以及炮烟事故多因 素的适时监控、智能分析、动态识别与预警。山东黄金归来庄矿业采场智能远程 爆破监控系统建设及应用研究具体研究内容如下： （1）现场爆破条件、爆破环境、不安全因素的现场调查和实验测试； （2）适合于现场生产实际的控制、预警参数及参数体系； （3）井下采场爆破安全监控系统功能定义与系统设计； （4）适于现场开采作业条件和爆破环境的爆破监控系统建设与调试； （5）爆破监测系统不同模块之间的功能协调与整体优化。 山东黄金归来庄矿业采场智能远程爆破监控系统建设及应用研究项目的目的1在于实现： （1）按照智能远程爆破监控设计方案，建成适合于现场开采作业条件和爆 破环境的爆破监控系统。 （2）协调并完善爆破监测系统不同模块之间的协调性和统一性。 （3）检验系统的实用性、灵敏性、可靠性、环境适应性等性能，并对不合 要求的功能进行补偿和完善。 （4）完善数据采集及数据分析功能。 （5）建立适合于现场实际的控制、预警参数体系。 （6）为现场爆破作业的安全保障提供技术支撑。3 前期准备工作山东黄金归来庄矿业采场智能远程爆破监控系统建设及应用研究是国家 “十 二五” 科技重点支撑计划―矿山安全监测与紧急避险一体化信息平台研发―的重 要组成部分。自 2013 年初开始至今，北京科技大学会同山东黄金集团等有关单 位进行了相关的基础研究、理论分析，并对金属矿山爆破条件、爆破环境、不安 全因素等进行了现场调查和实验测试。 初步完成了山东黄金归来庄矿业采场智能 远程爆破监控系统的设计和研发。 按照国家 “十二五” 科技支撑计划的相关要求， 需要结合现场的开采布局和工程条件，进行工业性应用和示范。 金属矿山爆破监控系统科研课题是国家“十二五”科技重点支撑计划―金属 矿山安全监控系统的重要组成部分。根据国家科技“十二五”支撑计划的安排。 该系统由北京科技大学研发， 山东黄金集团归来庄矿业采场进行实施示范工程试 验等相关内容。3.1 现场调研从 2013 年起，北京科技大学纪洪广教授等人多次来到山东黄金归来庄矿业 采场进行现场调查， 并进行场爆破环境测试与分析，同时还多次和有关领导就爆2破监控系统设计等展开研讨与论证。3.2 采场炮烟扩散理论研究3.2.1 炮烟一维扩散数学推导 独头巷道炮烟排出过程可以近似看作是炮烟在巷道中做一维运动[8]。设巷道 的断面面积为 S，1-1 面到掘进面的距离为 LP（也可以看作炸药爆炸后炮烟抛掷 长度） ，选取 0-0 面到 1-1 面为研究 CO 扩散的控制体。控制体的体积 V=LP?S。 大巷中 CO 的值为 Cout。图 3-1 独头巷道通风示意单位时间内，有控制体中散出的CO的质量和控制体外增加的CO的质量相等。 由质量守恒定律可得CO的浓度和通风量的关系如下：VkdC ? Q (C ? Cout ) ? 0 dt（1）解微分方程得：C ?e?kQ t?A V? Cout（2）其中，A为常数；由于t=0时，C=C0。可得：C ? (C0 ? Cout )e?kQ t V? Cout（3）3式中，V 为控制体的体积，m3；k 为扩散系数，m2/s；为 CO 浓度随时间变化 为通值，mg/m3；Q 为通风量，m3/s；C 为 1-1 面瞬时时刻 CO 的浓度,mg/m3;风风量中 CO 的浓度，mg/m3;C0 为控制体中 CO 的初始浓度，mg/m3;由以上的推导 可以得到掘进面炮烟中 CO 扩散的一般规律。 一般大巷中的 CO 的浓度可以近似为 0，即 Cout=0，故（3）式可以简化为：?k Q t V.C ? C0e（4）可见炮烟扩散过程中浓度变化与通风时间、炮烟初始浓度、炮烟扩散系数、 风量、控制体的体积有关。 3.2.2 炮烟一维扩散的数值模拟 3.2.2.1 几何建模 以归来庄金矿的实际情况为背景， 巷道尺寸和基本参数均经过实际测量或者 查询矿山的资料获得。选取的掘进工作面巷道在-150m 的水平，30 线（将矿区 50 米为一个线划分为若干个线）附近，距离斜坡道的距离大概 75 米，用于矿石 开采（采场） ，巷道全场长约 63 米，断面尺寸为宽 4m、高 3.5m 的拱形结构（如 图 3-3 所示） 。爆破后的通风方式采用的是压入式通风，通风管道通风口距离掌 子面的距离为 5 米，风筒直径为 70cm，通风风速为 13.3m/s。 根据物理模型参数用 COMSOL 软件的 CAD 功能直接建立几何模型。图 3-2 是 巷道的整体模型，整个巷道长 63 米，以炮烟抛掷面作为 z 轴的坐标零点，z 轴 正方向是无炮烟抛掷地带共 23 米，z 轴负方向为炮烟抛掷地带共 40 米，图中左 下角部分是模拟的成尺寸为长和高 2.5m?2.5m 的爆堆，计算得到爆堆在空气中 的暴露面的面积是 14.14 O。图 3-3 是模型巷道出口断面图，巷道断面是宽 4 米，高 3.5 米的拱形结构。4图 3-2 模型整体图图 3-3 模型巷道出口断面图3.2.2.2 定材料属性 将整个几何模型（管道内除外）的材料均设置成为 Air，材料属性使用软件 默认的 Air 属性值，不做特殊修改。 3.1.2.3 设定流体模型 风速的物理模型主要根据雷诺数的大小确定是层流模型还是紊流模型。 雷诺 数（Reynolds number）一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，以 Re 表示， Re=ρ vd/η ，其中 v、ρ 、η 分别为流体的流速、密度与黏性系数，d 为一特征5长度。例如流体流过圆形管道，则 d 为管道直径。利用雷诺数可区分流体的流动 是层流或湍流，一般管道雷诺数 Re&2300 为层流状态，Re&4000 为紊流状态， Re= 为过渡状态。 由公式得到此巷道的雷诺数为 Re=1.33*105， 属于湍流， 因此利用湍流 （ k -? ） 模型求解稳态风速。模型设置温度为 294.55[K]，压强为 1[atm]。湍流控制方程 如下式? ? ? ? u ?? u=? ? ? ? ? I ? ? ? ? ?u ? ?u T ? 2 ? kI ? ? F ? ? ? ? T? ? ? ? ? 3 ? ? ? ? ?? ? u ? 0 ? ?? ?T ? ? ? ? ? ? u ?? ? k =? ? ?? ? ? ? ?k ? ? Pk ? ?? ? k ? ?? ? ? ? 2 ? ? ? u ?? ? ? =? ? ?? ? ? ?T ? ?? ? ? c ? p ? c ? ? , ? ? ep ?? ? ? ? ? ? ? ? ?1 k k ? 2 k ? ? ? ? k2 ? ? ? c , pk ? ?T ? ?u ? ?u ? (?u)T ? ? ? T ? ? ? ? ???(1 ? 1)式中 ? ――材料密度；kg/m3；u ――流速向量， m / s ；I ――受限混合长度 m ；? ――材料粘度， Pa * s ；P ――绝对压力， Pa ；k ――湍流动能 m2 / s 2 ；F ――体积力向量 N / m3? ――湍流耗散速率， 1/ s ；c? ――剪切速率， m2 / s3 。设置整个巷道的开始风速为 0 m / s ， 通风开始时在通风管口设置通风风速为 13.3 m / s ， 将整个巷道的内壁、 掌子面和通风管道面的边界条件设置为壁函数， 将巷道的出口设置为模型出口。63.2.2.4 划分网格 为了在确保精度的情况下节约计算时间， 划分网格时主要将模型划分成为了 两个部分，如图 3-2 中，在巷道长度方向的坐标轴 0 点的左侧为一部分，这里是 计算的关键部分， 用自由剖分四面体网格的方法，这样可以使此处的网格划分较 密，确保精度。在 0 点的右侧采用的是扫略的方法划分网格，这样能使得网格划 分较少的情况下还能保证计算的准确性。整个模型共划分 17274 个单元。 3.2.2.5 求解空气湍流模型稳态速度 设置求解 1，将求解 1 设置为稳态编译方程，求解的变量初始值设为 0，将 稳态求解器的求解方法设置为直接求解法，求解器选择共轭梯度求解器。然后开 始计算得到整个模型的稳态速度。求解的稳态风速场，如下图 3-4 所示。图 3-4 求解的巷道稳态风速场3.2.2.6 设定稀物质传递模型 增加新的物理场， 根据本次模拟对象的特性选择化学物质传递模块里面的稀 物质传递物理场。将前面求出的稳态速度场加到本物理模型作为已知速度。 将除爆堆、通风管口、巷道出口的三个面外的其他面设置成无通量面，将巷 道出口设置成模型的流出口。 对于爆堆中截留的炮烟的缓慢扩散主要利用通量模7型进行处理，按照初始浓度和总的有毒有害气体量，采用指数函数的形式表示， 根据前文算出的数据得到被截留炮烟散发出来的通量为（单位 mol / ? m2 ? s ? ）N0,c1 ? 0.20061? exp ? ?0.4278t ?通风管道有毒有害气体通量 N0,c 2 计算公式为N 0,c 2 ?式中 v0 ――管道进口风速， m / s ；s ――管道进口面积 m 2 ；v0 sc1 ? v0c1 s(1 ? 2)c1 ――大巷中的有毒有害气体浓度，由上文知 c1 ? 3.1e ? 4(mol / m3 ) 。计算得到 N 0,c 2 ? 0.004123mol / ? m 2 ? s ? 。 3.2.2.7 求解瞬态浓度 在求解 2 中设置用迭代法，利用 GMRES 求解器求解巷道瞬态炮烟浓度。 3.2.3 采场炮烟一维扩散数值模拟结果 3.2.3.1 巷道浓度整体趋势图 从模型计算结果可以看出， 处于巷道同一断面上的各点浓度虽然不同，但是 整体趋势相差不大。因此，在巷道的内部从掌子面到掘进巷道出口，延巷道水平 方向（在每个断面的同一位置）取一条直线（如图 3-5 所示的那个红线）作为监 测线。 查看这条线上在不同通风时间的情况下，沿着巷道从掌子面到掘进巷道出 口的浓度分布曲线， 如图 4-8 是通风时间为 0s、 30s、 40s、 50s、 70s、 90s、 110s、 120s、130s、140s、190s、230s、250s、340s、400s、500s、700s、900s、1100s、 1544s 时的整体巷道浓度曲线。8图 3-5 模型监测线选取位置(a) 0s 时刻(b) 30s 时刻9(c) 40s 时刻(d) 50s 时刻(e) 70s 时刻(f) 90s 时刻(g) 110s 时刻(h) 120s 时刻(i) 130s 时刻10(j) 140s 时刻(k) 190s 时刻(l) 230s 时刻(m) 250s 时刻(n) 340s 时刻(o) 400s 时刻11(p) 500s 时刻(q) 700s 时刻(r) 900s 时刻(s) 1100s 时刻(t) 1544s 时刻图 3-6 不同的通风时间监测线上的浓度-距采面距离（m）变化曲线图 3-6 中， 从(a)到(j)可以看出开始阶段有毒有害气体扩散的过程，通风刚 开始，炮烟开始向无炮烟抛掷的部分扩散，扩散出来的炮烟逐步积累、扩散。从 图 3-6(c)~图 3-6(j)可以发现，扩散到无炮烟抛掷巷道来的炮烟浓度分布曲线， 始终存在一个浓度最大值点（到 70s 时这个点积累到了最大值 0.123 mol / m3 ） ， 这个最大值点逐步向巷道出口移动，直到 140s 时最大值的峰值点移出巷道。自 此以后从图(k)-(t)中可以看出，当峰值点移出巷道后，整个监测线上的浓度曲 线的形状变化很小， 只是整体的浓度在下降，并到 1544s 时到达了整条监测线都 处于标准合格浓度以下的情况。123.2.3.2 分析单点的变化趋势 由于监测系统是通过对单个点对整体巷道进行测量，因此模拟监测过程，得 到数据变化规律是本次模拟的主要目的。在上一节的监测线上选取 5 个点，五个 点的位置均在无炮烟抛掷一侧选取， 分别是距离抛掷临界面 0 米、 10 米、 20 米、 30 米、 39 米， 这五个点在模型中的坐标分别为 A （1,2,0） 、 （1,2,10） B 、 （1,2,20） C 、 D （1,2,30） 、 E （1,2,39） 。 得到的五个点随时间变化的浓度变化曲线如下图 3-7。 图 3-7 中，从(a)是炮烟抛掷临街面的某一点的浓度变化曲线图，从图中可 以看出，从扩散一开始这一点的浓度就开始从零（图中 0s 时的那个极大值是由 于这一点所处的位置是炮烟抛掷临界面）急剧的增长，到 114s 的时候达到了它 的最大浓度值， 然后浓度逐渐减小，并在 1426s 的时候达到的安全允许的最大浓 度值。(b)-(e)也都经历了一个类似的过程，只是开始有一个不同时间的无炮烟 扩散到的阶段，然后都经过一段时间达到了一个最大浓度值，在逐渐的减小，达 到允许安全浓度以下。(a) 0m 点（A 点）(b) 0m 点（B 点）(c) 0m 点（C 点）13(d) 0m 点（D 点）(e) 0m 点（E 点） 图 3-7 不同监测点浓度-时间(s)变化曲线3.3 采场炮烟监测实验基于以上炮烟扩散理论的分析与研究，按照智能远程爆破监控设计方案，建 成适合于现场开采作业条件和爆破环境的爆破监控系统。因此，必须在归来庄金 矿进行采场巷道炮烟监测实验， 掌握爆破作业后巷道中有害气体成分、粉尘等不 安全因素以及环境因素变化对导致爆破作业中炮烟事故的多维环境影响。同时， 对采场智能远程爆破监控系统设计及传感器选型提供参考和依据。 3.3.1 采场炮烟成分分析 通过查阅归来庄金矿的爆破资料以及现场实地查看得知， 归来庄金矿采场开 采方式爆破开采，使用的炸药为 2 号乳化炸药，引爆方式为火雷管。 通过查阅相关文献资料可知，2 号乳化炸药在火雷管的引爆下生成的炮烟中 成分有为 CO2、CO、NO2、NO、粉尘、NH3、SO2 等。采场巷道中环境因素的主控指 标，可选取 CO、NO2、O2、CO2 作为环境因素评价的指标。通过监测采场爆破作业 全过程中采场的环境指标气体， 就可以来确定巷道环境的安全性，为采场智能远 程爆破监控系统的功能设计提供依据。 3.3.2 炮烟监测平台 炮烟监测系统主要由无线传感器、无线数据采集接收器、层间管理主机、信14号转换模块、网络通信系统、监控主机（电脑） 、监控软件等组成，监测系统及 无线传感器布置方式如下图 3-9 所示。采场爆破作业前将监测系统安装好，保证 监测系统正常运行。 爆破作业后，通过无线传感器就可以记录采场中炮烟成分气 体及其浓度变化， 数据可以通过采集接收器上传到监控主机中存储，便于对数据 的分析和处理，掌握巷道环境因素的变化。通过炮烟监测实验，可以确定采场巷 道环境中安全性的指标气体， 以及采场中有毒有害气体的浓度变化范围，确定气 体传感器的类型和量程选定，完善智能远程爆破监控系统功能设计和实现。图 3-9 掘进面炮烟监测布置图4 采场智能远程爆破监控系统4.1 智能远程爆破监控简介山东黄金归来庄矿业采场智能远程爆破监控系统由北京科技大学研发，山东 黄金集团归来庄矿业有限公司采场进行示范工程试点运行。 山东黄金归来庄矿业采场智能远程爆破监控系统主要有三大部分组成，分别 为地面系统，井下系统，环网系统。 4.1.1 地面系统 地面系统主要包括监控主机 1 套，终端管理机 1 台，系统软件 1 套（含 网络管理软件） ，终端管理软件 1 套,参数测定仪 1 台，传输线路与供电线路 等。地面系统一般安装在矿井的地面调度室或者监测监控中心。地面系统可 以并入矿上原有的监测监控网络中，也可以独立安装运行。154.1.2 井下系统 井下系统主要包括光纤通讯模块、传输分站系统模块、安全起爆位置标 识器、三人连锁仪通信系统模块（虹膜识别器） 、智能发爆器、人员识别卡、 声光报警器、无线接收器系统模块（掘进面 1 台，放炮点一台） 、传感器、 通信电缆等组件。 4.1.3 环网系统 环网系统的主要功能是实现地面系统与井下系统的通信和数据交换，在采 场智能远程爆破监控系统中起着桥梁的作用。通过环网系统两端的交换机接口， 就可以实现于地面、 井下系统的无缝对接， 完成井下系统和地面系统的通信顺畅。 山东黄金归来庄矿业采场智能远程爆破监控系统简图如下图所示。16监控主机信息传输接口交换机地 面 系 统矿井环网系统交换机光纤通讯模块发爆器传输分站 安全起爆 位置标示器井 下 系 统虹 膜喇 叭无线接收器 （安全区域）无线接收器 （危险区域）四合传感器图 4-1山东黄金归来庄矿业采场智能远程爆破监控系统4.2 智能远程爆破监控系统设计依据及技术要求4.2.1、系统设计依据 山东黄金归来庄矿业采场智能远程爆破监控系统是为了避免或减少金属矿 山爆破事故。当前金属矿山爆破事故伤害出现主要有以下几种情况： 1.人员没有撤离，爆破时，爆炸伤害； 2.人员警戒不到位，爆炸伤害； 3.安全起爆位置不对，爆破时引起的突水、塌陷、冲击地压等造成伤害； 4.操作人员，误入，造成爆炸伤害；175.起爆时间控制不严格，造成伤害； 6.炮烟没有排出，人员过早误入，造成伤害等。 针对上述爆破作业过程中存在的安全隐患，按照“本质安全，不安全就不能 爆破”的基本理念，山东黄金归来庄矿业采场智能远程爆破监控系统要实现“六 个不能，一个监控”功能，具体如下： 1．爆破危险区域内有人，就不能爆破； 2．警戒人员不到位，就不能爆破； 3．人员不连锁，就不能爆破； 4．安全起爆位置不对，就不能爆破； 5．起爆时间不对，就不能爆破； 6．有害气体没有排出，不能进人。 一个监控： 矿进地面调度室或监测监控中心能够通过智能远程爆破监控终端的对 爆破全过程进行实时监控管理。 4.2.2、系统技术要求 1.爆安全位置（距离） ，自动控制起爆安全位置，不安全就自动闭锁； 2.同时可控制的地点，32 个以上； 3．系统监控隐患数量，同时 6 个以上； 4．起爆前控制指标，安全位置、警戒位置、是否有人、起爆时间、警戒人员是 否到位； 5．起爆时控制，自动闭锁，不安全就不能起爆； 6．起爆后监控指标，一氧化碳，氧化氮，氧气； 7．起爆后警示，语音光； 8．系统巡检周期，30 秒； 9．通讯距离，10 千米； 10．外接数据读取速度，10 秒。184.3 智能远程爆破监控系统功能实现4.3.1 爆破危险区域内有人，不能爆破 当装药工序完成后将要放炮时，无线接收器（爆破监视器）通过与人员识别 卡无线通信的方式监测爆破危险区域是否有人。如果危险区域仍然有人，上位机 会发送指令给智能发爆器“危险区域有人不能进行放炮”的提示，爆破系统就自 动闭锁，不能进行爆破。 爆破危险区域是否有人的信息的判断方法是通过安装 2 台无线接收器 （爆破 监视器）来完成控制。1 台无线接收器安装在爆破危险区域，1 台无线接收器安 装在爆破警戒区域。 无线接收器与爆破作业人员随身携带的人员识别卡之间无线 通信的。 如果危险区域的无线接收器接收到人员识别卡的信号就会提示有人员在 危险区域，系统会自动闭锁，终止爆破作业。 4.3.2 爆破作业人员不到位，就不能爆破 当装药工序完成后将要放炮时，安装在放炮地点无线接收器（爆破监视器） 会监测警戒人员是否到达爆破警戒区域， 如果警戒人员没有到达爆破警戒区域系 统就自动闭锁，不能爆破。 爆破危险区域是否有人的信息的判断方法是通过安装在爆破警戒区域内的 无线接收器（爆破监视器）来完成控制。当无线接收器未能接收到警戒人员身上 的人员识别卡的信号时， 便表明警戒人员不在爆破警戒区域， 系统就会终止作业， 不能完成爆破。 4.3.3 人员不连锁，就不能爆破 确认爆破时，相关责任人必须到现场完成自己的职责，班组长、放炮员、警 戒员之间实现人员连锁作业。 爆破作业前将相关责任人的身份信息录入爆破连锁 系统， 通过虹膜识别技术和人员连锁卡射频技术实现，如果联锁中其中一人离开 爆破监控周边一定距离，系统将自动闭锁，不能爆破。 此虹膜技术能够准备无误的采集传输人员信息。通过靠近设备，并按照设备19的语音提示观看一下镜头，就完成身份信息的录入过程。待需要爆破时，重新按 照录入过程操作， 便可以完成人员识别过程，人员信息的识别信号会下传给智能 发爆器，实现连锁爆破。 4.3.4 安全起爆位置不对，就不能爆破 通过智能发爆器和安全位置标识器综合作用实现的， 在起爆安全位置处设定 一台安全位置标识器， 智能发爆器只有收到设定的安全位置标识器发出的信号时， 才能启动进入工作状态，否则，智能发爆器不工作。通过控制无线通讯的距离就 能够有效的控制位置。 4.3.5 起爆时间不对，就不能爆破 爆破监控软件中对放炮时间有严格的设定， 不能提前放炮， 不能延迟放炮， 必须在规定的时间段内放炮， 否则上位机就不再向智能发爆器发送“允许放炮” 指令。 地面监控软件通过传输分站将起爆信号在规定的时间段内发送给智能发爆 器，一旦超过规定的时间段，地面监控软件不再向井下发送放炮信息，智能发爆 器不能充电放炮，作业终止。 4.3.6 有害气体没有排出，就不能进人 四合一体传感器对爆破作业面的环境气体（氧气、二氧化碳、一氧化碳、二 氧化氮等） 、粉尘等进行实时检测，并且进行语音提示。当环境气体出现超限的 情况时，声光报警器会发出“有害气体超限，不能进入”的报警指示，同时监控 软件平台上也会弹出报警窗口，提醒安全管理人员爆破作业面仍然很危险。4.4 系统软硬件参数4.4.1.系统主要技术参数 1.系统容量：单套系统接口最大可接入放炮区域控制器 128 台。 2.系统可以监控的安全因素为 10 种以上，可根据需要增加或者减少监控因素。203.系统连接方式：系统连接方式为 can, TCP/IP,采用信号线缆或者光纤通讯系 统误码率：≤10～8。 4.智能发爆器与系统之间的最大无线通讯距离 3-10 m。 5.供电：井下设备采用现场的 127v 电源供电，远程供电距离不小于 2 km。 6.系统存储性能：有关记录在地面中心站保存半年以上。 7.软件画面响应时间：调出整幅画面 85%的响应时间≤2 s，其余画面≤5 s。 8.地面系统与井下控制器离线控制功能： 即当地面主机与井下控制器中断通讯时， 井下控制器具有离线管理功能，以确保井下放炮的正常运行。 9.设备故障应急处理功能： 当放炮安全环境参数传感器出现设备故障时（数据超 限、信号不通） ，这时，地面主机自动弹出对话窗，并报警，经过井下确认，地 面领导批准后，可由操作员设置为故障命令，系统自动进行故障处理。 （就是将 故障作为合理数据来实施控制） 。或者由放炮员采用应急起爆按钮，实现起爆。 10.语音报警功能：进入放炮程序时，每个环节都由语音警示仪发出命令，以警 示周边人此区域正在进行放炮。 11.数据传输装置与区域控制器间的数据传输： a）通信路数：1 路； b）传输方式：即收即发； c）传输速率：3k，5k，10k； d）最大传输距离：10Km； e) 传输信号电压幅值：1 V～5 V；f）传输信号电流幅值：≤ 30 mA； 12.区域控制器与人员监视器间的数据传输： a）通信路数：1 路； b）传输方式：即收即发；21c）传输速率：3k,5k,10k； d）最大传输距离：10Km； e）传输信号电压幅值：1 V～5 V； f）传输信号电流幅值：≤ 30 mA； 4.4.2 主要设备技术参数 1.智能发爆器（1）可设置 2-多人连锁； （2）自动存储放炮数据； （3）计算机对其进行参数设置，同时实现爆破俺去参数的标准； （4）具有自动控制功能；22（5）外接无线和有线信息通讯功能； （6）三人连锁功能； （7）网路电阻测量功能； （8）引爆能力（发） ：200 ； （9）脉冲电压峰值(V):3000； （10）允许最大负载电阻：1220Ω （镍铬桥丝 2 米铁脚线工业瞬发电雷管） ； （11）电源: 3 节 3.7V 聚合物锂离子电池（型号：873445M，容量：1300mAh） ； （12）安参数：语音口开路电压：DC≤4.2 V；短路电流≤10mA； （13）通讯口 开路电压：DC≤10 V；短路电流≤20mA； （14）外接电缆长度: ≤300m;分布电感: ≤1mH/分布电容: ≤0.1μ F/km； （15）引燃冲量（A?.ms）:≥8.7 且 ≤12.0，并具有冲能自动调节功能； （16）供电时间(ms):≤4； （17）充电时间(S):≤20； （18）外形尺寸:214*158*53mm （19）重量:1.6kg （20）使用环境条件：环境温度为-20～+40℃，相对湿度≤95%（25℃）,大气 压力 80～110 kPa,瓦斯浓度&1%。 2.无线接收器（爆破监视器） 安装在放炮警戒区域内， 监控警戒区域是否有人存在。监控的原理是通过与 人员识别卡的无线通信， 实现对放炮警戒区域内的人员的监控，因为井下人员必 须人员识别卡，有人活动就一定有人员识别卡。（1）供电电压：9VDC-24VDC；23（2）功耗：2W； （3）有线通讯方式：CAN,1 路； （4）传输速率：3Kbps，5Kbps，10Kbps，20Kbps； （5）最大传输距离：10Km（电缆型号：MHYVR1?2?7/0.52） ； （6）通讯信号工作电压幅值：1 V～5 V； （7）监视范围：0 到 100 米； （8）安装示意图： 3.人员连锁监测仪（虹膜） 采用虹膜识别技术， 能够准备无误的采集传输人员信息，通信无线传输下传 给放炮终端机，实现三人连锁放炮。 使用时，首先将全部参加二（三、四）人连锁的人员信息在地面录入，到井 下工作时，只要靠近设备，并按照设备的语音提示观看一下镜头，就完成识别过 程，速度快，准确率高。（1） 接口：2.4G 无线通信； （2） 工作温度：-20℃--60℃； （3） 使用方式：壁挂式； （4） 眼睛角度：俯仰旋转≤45； （5） 注册时间：双目≤3s； （6） 操作提示：语音向导光学引导； （7） 识别时间：双目＜1s(戴眼镜&3s)； （8） 工作距离：250---350mm； （9） 工作电压：DC+12V---DC+24V；24（10） 峰值电流：≤400mA； （11） 环境光强：0---5000Lux； （12） 采集图像：； （13） 认证方式：双目单眼； （14） 精 确 度：FAR＜0.0000001%，FRR＜0.1%，戴眼镜 FRR＜1%； （15） 照明方式:红外照明符合 ANSI/IEC60825-1 安全标准； （16） 虹膜特征数据存储容量: 1,2000 个虹膜特征数据； （17） 符合标准:国际标准 ISO/IEC5； 4.语音光警示仪 语音警示仪用于对放炮过程的报警和提示。放炮过程中，放炮终端机与系统 无线连接成功后，系统进入放炮作业过程，这时语音警示仪进入工作状态，播报 智能发爆器发送的放炮信息， 即时根据放炮过程的进展，一步一步提示警示放炮 过程的进展，引导操作人员进行下一步的操作，同时警示报警放炮作业，直到放 炮过程完成为止。声音清晰响亮，标准普通话。同时还有双色 LED 点阵汉字显示 功能，当放炮时显示屏红色显示“放炮”两字，平时显示绿色指示灯―表示平安 不放炮。设备主要由信息采集处理模块、传输模块、嵌入式软件等组成。与智能 发爆器之间采用无线通讯连接。① 本安型设备； ② 供电电压：9VDC-24VDC； ③ 功耗：10W； ④ 有线通讯方式：CAN,1 路； ⑤ 传输速率：3Kbps，5Kbps，10Kbps，20Kbps； ⑥ 最大传输距离：10Km（电缆型号：MHYVR1?2?7/0.52） ；25⑦ 通讯信号工作电压幅值：1 V～5 V； ⑧ 无线通讯方式：2.4G； ⑨ 传输速率：1M； ⑩ 无线最大发送功率：0dBm; ?无线传输最大距离：20 米； ?语音清晰响亮，声级强度大于 90 分贝，信号灯可视距离大于 100 米； 5.传输分站（放炮区域控制器） 放炮区域控制器主要由信息采集处理模块、传输模块、后备电源、嵌入式软 件组成。主要功能就是双向通讯---一方面将接收到的人员信息、智能发爆器信 息、放炮操作信息传到地面；另一方面将地面的指令传到智能发爆器，再一个功 能就是给安全距离定位器供电。 一个放炮区域控制器最多可以连接 8 个放炮监控 器。 放炮区域控制器与放炮监控器之间采用 CAN 总线通讯，距离最大可以达到 10 千米。放炮区域控制器与放炮监控数据传输装置的信号传输可以采用 CAN 总 线方式，也可以直接接光端机，采用光缆通讯的方式，也可以直接接因特网交换 机。 放炮区域控制器内存容量为 5000 条记录。放炮区域控制器需要布置在安全 环境好的巷道或者硐室为宜。每个放炮区域控制器需要一个矿用本安电源供电 （不间断的供电不小于 2 小时） ，由此保证放炮区域控制器在断电等特殊情况下 的连续工作。（1）技术参数： a）具有数据接口的双向通讯功能； b）具有与放炮监控器的通讯功能，并进行数据处理； c）具有数据校验功能； d）支持模拟 CAN 总线与 CAN 总线功能；26e）供电电源：DC 18V； f）安全型式：矿用本质安全型 ExibI。（2）放炮区域控制器与传输装置的数据传输: a） 传输路数：1 路； b）传输方式：主从式、半双工、CAN、单极性； c）传输速率：4800bps； d）最大传输距离：10Km（电缆型号：MHYVR1?2?7/0.52） ； e）通讯信号工作电压幅值：1 V～5 V； f）通讯信号工作电流幅值：≤ 80 mA； （3）放炮区域控制器与无线收发模块间的数据传输 a）通信路数：可编程多路； b）传输方式：即收即发、单向、CAN、单极性； c）传输速率：2.4GHz； d）最大传输距离：20m（电缆型号：MHYVR e）传输信号电压幅值：1 V～5 V； f）传输信号电流幅值：≤ 20 mA； 6.安全起爆位置标识器 1?4?7/0.52） ；a）额定工作电压：DC18V； b）工作电流：≤ 100 mA； c）传输路数：1 路； d）传输方式：主从式、半双工、CAN；27e）传输速率：5000bps； f）最大传输距离：10Km（电缆型号：MHYVR1?4?7/0.52） ； g）通讯信号工作电压幅值：1V～5V； h）通讯信号工作电流幅值：≤ 30 mA。 7.人员识别卡（1）供电电源 a）额定工作电压：3V（由锂电池供电） ； b）工作电流：≤ 2mA。 （2）电池参数 a ）型号：一次性锂离子纽扣电池（生产厂家：常州市锂霸电池有限公 司)(CR2477)； b）开路电压：≤ 3.5 V； c）短路电流：≤ 1.2 A。 （3）无线信号传输 a）传输方式：GFSK； b）传输频率：2.4±0.08GHz； c）发射场强： 0dBm； d）最大传输距离:30m。 （4）最大编码容量： 个。 （5）外形尺寸：73mm?44mm?27mm。 8.信息传输接口28信息传输接口的功能就是传输监控主机到放炮区域控制器和放炮区域控制 器到主机的信号传输，并实现地面线路和井下线路的隔离，保证矿井的安全。放 炮数据传输装置主要由信号转换模块组成，完成通讯信号的转换。采用光栅隔离 技术实现本安与非本安运行环境的隔离，实现店面线路和井下线路的隔离。采用 220V 电源供电。a）电源电压：AC 220V（±10%） ； b）工作电压：18V； c）工作电流：≤100mA； d）通讯速率：1200bps～9600bps 间自动调整； e）外型尺寸： （430?300?80）mm； f）重量：3500 克； 9.合体传感器（1）一氧化碳 a)测量范围：0～1000 ppm； b)基本误差： 0～100?10 CO 时， 不大于±(1.5+2.0％真值);＞100～500?10 CO 时,不大于±4.0％真值； c)工作电压：10.5-14.5V。 （2）氧气 a)测量范围：0～25％O2； b)基本误差：±3％FS； c)工作电压 10.5-14.5V。29（3）二氧化碳 a)测量范围：0～5 %CO2； b)测量误差：± 0.3 %CO2 ； c)工作电压 10.5-14.5V。 （4）二氧化氮 a)测量范围：0~20ppm； b)分辨率：1ppm； c)工作电压 10.5-14.5V。 10.地面主机与放炮数据传输装置间的数据传输 ①放炮数据传输装置：RS232； ②传输信号方式：半双工、串行异步传输； ③传输电缆：标准计算机通讯电缆； ④传输速率：4800 bps ； ⑤最大数据传输距离：15 m； 11.放炮数据传输装置与放炮区域控制器间的数据传输 ①传输信号方式：半双工、串行异步传输； ②传输电缆：通讯电缆（MHYVR 1?2?7/0.52） ； ③巡检周期：＜ 30 S。 12.传输电缆（MHYVR 1?2?7/0.52） ①+20℃导体直流电阻：≤18.1Ω /km； ②线对工作电容：≤0.06 ③电感：≤800 uH/km；30uF/km；13.地面中心站: （1）设备配备 中心站的标准配置为： 工控主机 2 台 2 小时不间断电源 1 套， 打印机一台。 采用 CAN 总线传输时，需要信号避雷器 2 个。地面中心站主机采用工控机，配备 两台，双机热备。 （2）最低配置 ①操作系统：Windows2000 以上操作系统； ②内存：1G 以上； ③硬盘：160G 以上； ④17 寸液晶显示。 14.信号避雷器（LAXCH303-24CH） ①工作电压：24 V； ②额定放电电流：5 A； ③最大放电电流：10 A； ④防护电平（线-线） ：50 V； ⑤防护电平（线-地） ：30 V； ⑥响应时间： 1 ns； ⑦传输速率： ；1 Mbps； ⑧产品外形尺寸： （42?25?25）mm。 15.地面中心站（机房） 地面中心站（机房）是整个系统的控制中枢，通过串行接口与及井下所有通 讯放炮监控传输装置与放炮区域控制器连接， 通过网卡和网络交换机与地面局域 网各终端连接。 工控机 （上位机） 对井下所有放炮区域控制器巡回采集记录数据，31刷新数据。安装于机房、调度室的设备，应在下列条件下正常工作： ①环境温度:15℃～35℃； ②相对湿度:40%～70%； ③温度变化率：小于 10℃/h，且不结露； ④大气压力:80 kPa～106 kPa。 除有关标准另有规定外， 系统中用于煤矿井下的设备应在下列条件下正常工 作： ① ② ③ ④ 环境温度：0℃～30℃； 平均相对湿度：不大于 95%(+25℃)； 大气压力：80kPa～106kPa； 有爆炸性气体温和物，但无显著振动和冲击、无破坏绝缘的腐蚀气 体； ⑤ ⑥ 无显著摇动和剧烈冲击振动的环境； 无淋水、无强腐蚀性气体、无显著摇动和剧烈冲击振动的环境； 无强电磁干扰的场所。⑦5 采场智能远程爆破监控系统安装5.1 智能远程爆破监控系统试验点山东黄金归来庄矿业采场智能远程爆破监控系统建设是非煤矿山矿井智能安 全监测技术研究的重要组成部分，同时也是国家“十二五”科技重点支撑计划― 矿山安全监测与紧急避险一体化信息平台研发―的研究内容之一。 为了满足十二 五科技支撑项目的要求， 符合智能远程爆破监控系统技术标准，并能起到良好的 试点示范作用，对试点采场的选择很关键。32山东黄金归来庄矿业采场智能远程爆破监控系统主要有两大部分组成，分别 为地面系统， 井下系统。 地面系统与井下系统的通信必须依靠矿井原有的环网系 统。首先，试点采场的选择必须在环网系统覆盖内，至少应该有交换机接口，以 便井下系统能够方便的接入环网系统；其次，试点采场的开采过程要能维持一段 时间， 即是必须在采场智能远程爆破监控系统试运行后仍然能够继续开采； 最后， 试点采场必须具体金属矿山采场的代表性、典型性，体现出国家十二五科技支撑 项目的示范意义。 综合以上的几点要求以及实地调研考察，决定选择归来庄矿业 东挂帮采场作为采场智能远程爆破监控系统的试点采场。 归来庄矿业东挂帮采场位于归来庄金矿矿坑东边，水平高度为-30m，26 线以 东矿石以泥化玢质角砾岩为主， 矿石泥化较强， 稳定性较差， 易发生坍塌、 片帮、 冒落等现象。 矿体下盘倾向 170°至 220°， 倾角 55°-62°。 矿体上盘倾向 165° -215°，倾角 50°。上下盘围岩为碎裂状白云岩，岩石破碎强烈、裂隙发育， 溶隙、溶洞较多，洞内被饱和的泥浆及碎石块充填，赋水量较大。围岩岩层倾向 62°，倾角 35°。24 线以东进入奥陶系富水区域，溶洞、溶沟发育，水文地质 条件复杂，有大的涌水现象。图 5-1东挂帮采场平面图5.2 智能远程爆破监控系统安装山东黄金归来庄矿业采场智能远程爆破监控系统主要有三大部分组成，分别33为地面系统，井下系统，环网系统。除了归来庄金矿自身具备的环网系统外，需 要安装的部分主要有地面系统和井下系统。结合试点采场的位置、设备供电及安 装条件，可将采场智能远程爆破监控系统的安装按照地点分为调度室、-30 米水 泵房、东挂帮放炮点、东挂帮采场四个部分，如下图所示：监控主机信息传输接口交换机调 度 室矿井环网系统交换机光纤通讯模块水 泵 房 米-30发爆器传输分站 安全起爆 位置标示器虹 膜喇 叭无线接收器 （安全区域）东 挂 帮 放 炮 点无线接收器 （危险区域）四合传感器采 东 场 挂 帮图 5-4 采场智能远程爆破监控系统安装分布图5.2.1 东挂帮系统部分安装 采场智能远程爆破监控系统的核心部分就是在东挂帮采场。系统安装主要 包括传输分站系统模块、安全起爆位置标识器、三人连锁仪通信系统模块（虹膜 识别器） 、智能发爆器、人员识别卡、声光报警器、无线接收器系统模块无线接 收器的安装、 四合一体传感器等的安装及通信供电线缆的布置。东挂帮系统设备 安装布置图如下图所示。34图 5-5 东挂帮系统设备安装布置图① 安全区域无线接收器（人员监视器） ； ② 信息传输分站（放炮区域控制器） ； ③ 虹膜（人员连锁检测仪） ； ④ 语音光警示仪； ⑤ 安全起爆位置标识器（放炮点） ； ⑥ 四合传感器（一氧化碳、二氧化氮、二氧化碳、氧气） ； ⑦ 危险区域无线接收器（人员监视器） 。 5.2.2 -30m 水泵房系统安装 -30m 水泵房所在位置是归来庄矿的环网覆盖地，在此处安装光纤通讯分站 可以将爆破监控系统通过交换机连入矿井的环网系统， 实现爆破监控井下系统对 上的通信。此处主要是安全一个光纤通讯分站，以及外部供电电源。35光纤分站东挂帮交换机-30m 水泵房通信电缆 图 5-7 光纤通讯分站布置图5.2.3 调度室系统安装 智能远程爆破监控系统在调度室的安装工作主要是监控主机与地面环网交 换机的无缝对接， 最后完成地面系统与井下系统的通信贯通。系统安装包括监控 主机、信息传输接口以及监控软件的安装与调试。6 采场智能远程爆破监控系统调试及试运行6.1 发爆器采场巷道爆破试验发爆器爆破试验主要是检验开发的新型智能发爆器能否“点燃”采场爆破落 矿使用的导爆管（火雷管） ，进而引爆乳化炸药，完成爆破工序。图 6-1 发爆器模拟试验连接图36爆破试验过程是从爆破人员获取一段导爆管， 通过起爆导线将其接到发爆器 的接头上， 如上图 6-1 所示。 通过模拟虹膜连锁识别及人员撤离等一系列放炮前 的动作，达到放炮要求的情况下，对智能发爆器进行充电、放炮。如下图 6-2 所示，红色圆圈处为智能发爆器所在位置，即是放炮地点。在多次在东挂帮采场 模拟爆破试验中，智能连锁发爆器可以“点燃”导爆管，说明开发的智能发爆器 能够适应归来庄矿业采场采掘的爆破条件， 实现采场智能远程爆破监控系统的智 能连锁爆破功能。图 6-2 模拟爆破试验的采场平面图6.2 监控平台的调试及试运行采场智能远程爆破监控系统的地面部分主要有监控主机、监控软件等组成， 安装在归来庄矿业有限公司地面应急指挥中心的调度室。 地面系统的主要作用是系统参数设置以及在线实时监测。 系统管理软件主要 是负责对系统参数进行设定，人员信息更改，传感器参数设定，发爆器参数调整 以及系统故障维修等； 监测软件实现对采场作业面环境的实时监测，并实现了可 视化的管理。同时对爆破过程的实时监控，以及爆破全过程的记录。如下图 6-7,6-8,6-9 所示。37图 6-7 采场智能远程爆破监控系统在线监测软件平台图 6-8 采场爆破过程数据记录图 6-9 系统人员身份信息管理38根据国家“十二五”科技支撑计划项目中“金属矿山矿井智能安全监测技术 研究” 课题， 山东黄金归来庄矿业采场智能远程爆破监控系统建设完成对现场爆 破条件、爆破环境、不安全因素的现场调查和实验测试，建立适合于现场生产实 际的控制、 预警参数及参数体系，并对井下采场爆破安全监控系统功能定义与系 统设计， 开发出适于现场开采作业条件和爆破环境的爆破监控系统，完善了爆破 监测系统不同模块之间的功能协调与整体优化，完成了“十二五”科技支撑计划 项目中“金属矿山矿井智能安全监测技术研究”课题的工作和任务。39}