1 概述
煤礦井下瓦斯爆炸、頂板冒落、透水等事故時有發(fā)生。如何在事前做好防護、事后將損失降到最低，如何實現(xiàn)更好地搶救工作，使地面及時了解井下事故現(xiàn)場，實施對井下?lián)岆U工作的指揮，礦井安全防護監(jiān)控應急通信系統(tǒng)可以起著至關重要的作用。傳統(tǒng)煤礦井下通信系統(tǒng)裝備一直采用固定防爆電話方式，它覆蓋面小，只能在定點之間通話，且不具備移動性，這使得緊急情況下調度指揮無法在第一時間完成，主要負責人不能在第一時間趕到現(xiàn)場了解和處理緊急事務。然而，礦井巷道為非自由空間，無線電波在井下巷道的傳輸受到根本性制約，多年來國內外諸多專家學者在這一領域進行了積極的探索和研究。本文采用長波通信原理在井下移動通信系統(tǒng)正得到推廣應用。
2 系統(tǒng)總體方案
根據(jù)煤礦安全生產管理中的通信要求，系統(tǒng)要實現(xiàn)生產調度通信、計算機安全監(jiān)測、現(xiàn)場圖像抓拍、井下有線/無線通信四大功能。生產調度通信功能在煤礦安全生產管理中起著重要的作用，井下各生產環(huán)節(jié)的信息主要通過調度中心來傳遞，同時保證井下的信息及時反饋給地面調度中心，對調度中心的統(tǒng)一指揮提供保障。計算機安全監(jiān)測主要實現(xiàn)井下環(huán)境參數(shù)（瓦斯?jié)舛?、溫度等）的實時監(jiān)控?，F(xiàn)場圖像抓拍主要是通過井下作業(yè)人員安全帽上配備的攝像頭，把現(xiàn)場的圖片傳給調度指揮中心。井下有線無線通信主要實現(xiàn)井下作業(yè)人員之間的通信，以及在發(fā)生緊急情況下，與地面調度指揮中心聯(lián)系。
井下工作人員通信采用感應通信方式，在每個支巷道口都設一臺400K數(shù)字感應電臺，井下工作人員攜帶移動感應便攜臺，利用400K數(shù)字感應電臺與巷道中的鋼絞線或連接存在的金屬導體，實現(xiàn)支巷道（延伸到工作面）與主巷道間的話音數(shù)據(jù)傳輸。如果在事故狀態(tài)下，為了搶險救災，需要和深入井下的搶險人員及時地通信，搶險人員也需要和被困井下的人員通信，此時有線通信可能是癱瘓的，在這種情況下采用感應式移動通信能建立與搶險人員及被困人員的通信，由于感應線線路易于架設，搶險人員可一邊深入井下，一邊很容易地敷設帶絕緣鋼絞線(感應線)，由于井下導線電纜很多，可借任何可能存在于礦井中的導體作為感應線向(從)深入井下的方向發(fā)送(接收)信號。同樣被困人員也可用自己的感應便攜臺，借助于上述的線路作為感應傳輸線路發(fā)送和接收信號。被困人員在進行感應線布線時可將便攜臺信號輸出(輸入)電路端子直接與感應線相聯(lián)接(也可以不直接聯(lián)接)以提高通信效果。搶險救災人員通信設備可采用和井下被困人員相同的方式。這樣雙方的信號經感應線的傳輸與輻射，再經地層或巷道空間，耦合到其它的巷道中的鋼絞線或某些導線，借助于這些導線作為中間感應傳輸線路，再耦合到對方感應系統(tǒng)中，完成雙向感應通信。
3 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)主要包括地面調度子系統(tǒng)和井下子系統(tǒng)兩大部分。
地面調度子系統(tǒng)主要有調度臺、調度總機、調度分機、電源自動切換裝置、錄音設備、監(jiān)控計算機、打印機和電源等。
井下子系統(tǒng)主要有感應電臺、煤礦本質安全型自動電話機（簡稱電話機）、溫度傳感器、瓦斯傳感器、攝像頭、感應便攜臺和電源等。
4 系統(tǒng)功能和實現(xiàn)方案
系統(tǒng)能夠實現(xiàn)調度功能、井下與地面/井下用戶間通話、錄音功能、井下環(huán)境參數(shù)采集記錄和打印等。
4.1 調度功能
調度功能主要由調度總機、調度臺、調度分機等組成。
調度總機是系統(tǒng)的核心，主要實現(xiàn)調度功能和交換功能。調度總機采用雙機備份方式，當主調度總機故障時，備用調度總機自動啟用，并報警通知調度臺，調度臺顯示“調度總機故障”，當主調度總機恢復正常后，備用調度總機退出并返回備份工作狀態(tài)。調度總機采用交直流供電方式，正常工作時，交流220V/50Hz供電，當交流電源出現(xiàn)故障時，備用電源（直流48V）自動投入，調度臺有相應顯示，交流電源恢復正常時，備用電源自動切斷，處于待用狀態(tài)。
調度臺、調度分機是管理人員進行操作的終端平臺，調度員通過調度臺、調度分機完成調度相關操作，如：群呼、直呼、監(jiān)聽、插入、顯示和錄音等。調度臺、調度分機通過電纜與調度總機連接，完成生產調度指揮和調度總機工作狀態(tài)的監(jiān)控。
主要功能：
（1）直呼：調度臺可以直接呼叫調度分機或井下電話機。呼叫信令采用雙音多頻信令，通過電纜線傳送給調度總機，由調度總機實現(xiàn)程控交換。
（2）強插、強拆：調度臺可強行插入或拆除本系統(tǒng)內所有用戶間的通話。
（3）調度組呼/群呼：調度預先將常用用戶編組，并賦予代碼，需要時按組呼鍵、代碼鍵將所要呼叫的用戶一次性呼出，也可以按群呼鍵呼叫本系統(tǒng)內所有用戶。
（4）監(jiān)聽：對于本系統(tǒng)內任意用戶間的通話，調度臺摘機按監(jiān)聽鍵，再按通話用戶中任一用戶鍵即可監(jiān)聽通話，調度臺掛機退出監(jiān)聽狀態(tài)。
（5）轉接：調度臺可按轉接鍵將井下用戶呼入轉接到電話用戶上。
（6）通話狀態(tài)顯示：調度臺可以顯示當前通話的用戶和用戶狀態(tài)。
（7）催掛：用戶話柄未掛時，調度可對其發(fā)催掛音，提示用戶掛機。
（8）電源自動切換功能：當交流斷電時，自動切換到備用電源，同時調度臺上顯示“電源故障”。交流恢復正常后，備用電源自動切斷，調度臺液晶屏回到待機狀態(tài)。
4.2 調度錄音功能
錄音功能由安裝在調度總機的錄音設備完成。錄音設備完成對調度臺呼入、呼出話音進行自動錄音，可以支持調度員手動錄音。
4.3 井下與地面通話、井下用戶間通話
井下與地面通話主要靠調度總機與井下每個支巷道的400KHz感應電臺或主巷道的電話機，它們之間通過電纜或光纖連接，保證系統(tǒng)的用戶量和數(shù)據(jù)流。井下每個支巷道用戶間的通話采用感應通信，通過敷設在各分支巷道頂部或墻側壁邊的鋼絞線和感應電臺，利用波導感應耦合原理，將感應電臺與感應便攜臺的400KHz信號感應到鋼絞線導線上，400K信號在鋼絞線電纜上有良好的傳送特性，約為每公里衰減了3-5dBu，不受隨道的地形、環(huán)境等因素的影響，這樣有利于井下的通信問題。同時感應電臺可以實現(xiàn)話音對講、數(shù)據(jù)傳輸和圖片傳輸?shù)裙δ埽?/div>
4.3.1 感應電臺
感應電臺主要完成地面人員與支巷道間的通信轉接，井下主巷道鋪設電纜或光纖，支巷道側壁掛有（延伸到工作面）鋪設鋼絞線，鋼絞線具有一定的拉伸強度，防止塌方對鋼絞線的拉斷。井下工作人員的所配帶的便攜臺，能接入傳感器和攝像頭。可以把話音和環(huán)境參數(shù)圖片傳輸?shù)降孛嬖O備。
在礦井的每個支巷道口都設一臺400K數(shù)字感應電臺，井下工作人員攜帶移動數(shù)字感應便攜臺，利用感應電臺與巷道中的鋼絞線，實現(xiàn)支巷道（延伸到工作面）移動話音通信和數(shù)據(jù)傳輸。
4.1.1 電話機
電話機采用雙音多頻撥號方式，根據(jù)使用地點的不同，井下電話機分為兩種。一種用于支巷道內的話音通信的感應電話機，另一種用于主巷道內的話音通信的普通電話機。主支巷道的感應電話機在普通電話機的基礎上增加400K感應通信模塊。主巷道的電話機則為普通電話機。
支巷道感應電話機呼叫地面調度時，感應電話機將話音和撥號音變成數(shù)字信號調制到400K載波頻點上傳給支巷道與主巷道口安裝的感應電臺上，由感應電臺將接收到的信號解調通過有線傳給調度總機，建立通信。調度呼叫支巷道感應電話時，先通過支巷道與主巷道口安裝的感應電臺，再傳輸給感應電話機，電話機接收到話音建立通信。
支巷道間的感應電話機互呼時，感應電話機將話音和撥號音變成數(shù)字信號調制到400K頻點 上發(fā)給感應電臺，先通過調度總機交換呼通另一個支巷道的感應電臺，然后通過感應電臺呼通感應電話機，建立通信。
主巷道電話機呼叫調度員時，撥號呼通調度總機，收到回鈴，調度員摘機后建立通信。主巷道電話機間互呼，首先撥號呼通調度總機，通過調度總機交換呼通另一電話機，電話機回鈴摘機建立通信。
4.1 井下參數(shù)采集與記錄
井下參數(shù)采集與記錄功能主要由監(jiān)控計算機、瓦斯傳感器、溫度傳感器和攝像頭等實現(xiàn)。
4.1.1 瓦斯傳感器
瓦斯傳感器采用高低濃度甲烷傳感器，采用礦用本安兼隔爆型，可用于連續(xù)檢測煤礦井下空氣中的甲烷含量。具有半自動調零、調精度和高補償、報警點等功能。
瓦斯傳感器通過RS485接口將采集到的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)通過有線傳送給前端（工作面）的感應電臺，把數(shù)字信號調制到400K載波頻點上傳給支巷道與主巷道口安裝的感應電臺上，由感應電臺將接收到的信號解調通過有線傳給調度總機，調度總機通過RS232接口把數(shù)據(jù)送給監(jiān)控計算機。同時，瓦斯傳感器面板上有瓦斯?jié)舛蕊@示，當濃度達到不同等級報警點時（高、低濃度），有相應不同的聲音提示，提示井下現(xiàn)場人員及時采取行動。
4.1.2 溫度傳感器
溫度傳感器采用本質安全型，主要用于礦井下測量環(huán)境溫度，用于監(jiān)視火災的發(fā)生。且傳感器采用數(shù)字化溫度探頭，具有性能好、可靠性高。
溫度傳感器通過RS485接口將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過有線傳送給前端（工作面）的感應電臺，把數(shù)字信號調制到400K載波頻點上傳給支巷道與主巷道口安裝的感應電臺上，由感應電臺將接收到的信號解調通過有線傳給調度總機，調度總機通過RS232接口把數(shù)據(jù)送給監(jiān)控計算機。
4.1.3 攝像頭
攝像頭采用本質安全型，主要用于采集礦井下的環(huán)境圖像，具有紅外夜視功能。安裝在工人的頭盔上，可以抓拍現(xiàn)場的圖片通過RS485接口傳送給感應便攜臺，把數(shù)字信號調制到400K載波頻點上傳給支巷道的感應線上，由主巷道口安裝的感應電臺接收到的信號解調通過有線傳給調度總機，調度總機通過RS232接口把數(shù)據(jù)送給監(jiān)控計算機。系統(tǒng)拍攝圖片分辨率大小為640*480，存儲格式為jpg。傳輸一幅現(xiàn)場圖片時間大約在30秒左右。監(jiān)控計算機接收到圖像數(shù)據(jù)會自動按編號、日期分類存儲，并顯示當前圖片。
井下攝像機功能，可以使領導可以及時了解事故現(xiàn)場情況，為領導決策提供第一手的資料。
4.1.4 監(jiān)控計算機
監(jiān)控計算機采目前主流配置的工控機，與調度總機通過RS232連接，可以實時監(jiān)看井下傳輸?shù)膱D像、環(huán)境參數(shù)（瓦斯?jié)舛?、溫度等）；同時還能將這些信號保存在硬盤上，在需要的時候可以將這些資料回放和打印輸出，為今后進行事故原因分析、總結搶險過程的經驗和教訓提供基礎資料。
5 系統(tǒng)在礦井發(fā)揮的作用
本系統(tǒng)大大提高礦井安全事故應急能力，縮短事故處理時間，保證了工作人員能夠與生產調度室及時取得聯(lián)系；與現(xiàn)在要求的礦井高管人員井下盯崗相配套，確保主要領導在井下也能與地面保持密切聯(lián)系；特別是如果遇礦井塌方或鋼絞線電纜斷線，仍然保證通信信號暢通，為救援提供有力的幫助；建立數(shù)傳平臺，實現(xiàn)功能拓展，為井下實現(xiàn)數(shù)字化提供了可靠的手段；本系統(tǒng)如能在煤礦生產中大量使用，將極大地改變煤礦井上下通信落后的面貌，對煤炭生產效率的提高，減少人員傷亡和財產損失將具有重要的意義。
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