摘要:针对煤矿井下发生灾害时具有灾变快、破坏力大、易引起继发事故的特点，指出矿井现有避难设施存在自救器有效救援时间较短、逃生人员在进入避难硐室前缺少及时有效的避灾指引等缺陷，并利用物联网技术从感知层、信息集成与控制层以及应用层三个方面提出了新型避难设施设计构思，与传统避难设施设计构思相比，新的避难设施具有实时避灾指导的功能，避免了井下工作人员由于缺少逃生指引而导致的事故，弥补了传统避难设施的不足。
关键词:物联网;煤矿灾害;避难设施;感知层;控制层;应用层
中图分类号:TD264+.3 文献标识码:A 文章编号:1671－0959(2016)04-0016-03
我国95%的矿井为井工开采［1］，多数矿井同时具有瓦斯、火、顶板、煤尘、水等灾害。根据2001—2010年我国煤矿事故统计数据可知，顶板和瓦斯事故数最多，分别占47%和20%。在一次死亡30人以上的重特大事故中，瓦斯、透水、火灾事故占到总数的97.8%［2］。井下多种灾害共存，地质条件和生产环境的不同使得事故的发生呈现出不同的状态，特别是现代化高产高效煤矿生产规模大、采煤工作面较长、井下易发生事故地点距离井口较远，这些因素都给灾变时井下人员的逃生带来一定的困难。矿井避难设施可以为灾变时来不及撤离的工作人员提供保护。因此，针对煤矿灾害特点合理规划设计避难设施对保证矿井安全生产具有重大意义。
1煤矿灾害事故特点及共同特征
1.1煤矿灾害事故特点
煤矿常见灾害事故种类有4种，即顶板、火灾、透水、瓦斯爆炸事故，其事故特点如下:1)煤矿顶板事故特点。顶板事故主要发生在采煤工作面，常见的顶板事故可分为以下两大类:①局部冒顶事故，其特点是范围较小，一般1～3m，发生地点大多发生在有人工作的部位，每次伤亡人数不多(1～2人);②大面积切顶垮面事故，这类事故的特点是面积大，来势凶猛，后果严重，不仅严重影响生产，而且会导致重大人员伤亡。2)煤矿火灾事故特点。煤矿火灾事故按其发生原因可分为外因火灾和内因火灾，事故特点如下:①井下火灾发生在有限的空间内，火灾发生时，产生大量的有害气体弥漫井下;②在有瓦斯煤炭爆炸危险的矿井中，矿井火灾可能引起瓦斯煤尘爆炸事故，从而会扩大灾情;③产生火风压，引起井下风流逆转;④产生再生火源及炽热含挥发性气体的烟流与相近巷道新鲜风流交汇后燃烧，使火源下风侧可能出现若干再生火源;⑤煤炭自燃致使井下CO浓度超标，易引起CO中毒。3)煤矿瓦斯事故特点。瓦斯灾害是煤矿最严重的灾害之一，主要表现在瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出［3］，它的特点如下:①事故地点多发生在采煤与掘进工作面，瓦斯爆炸的同时易引起煤尘爆炸;②瓦斯爆炸多为大事故，伤亡人数较多;③瓦斯爆炸造成的破坏波及范围大，爆炸冲击波强，毁坏性大。4)煤矿水灾事故特点。煤矿水灾事故根据其来源可分为两类:①地表水水灾，来势凶猛，而且伴随许多泥沙、砾石，如防备不当，常造成淹井事故;②地下水水灾，水压大，一旦掘透，来势凶猛，具有很大破坏性，但人员生还可能性大。
1.2煤矿灾害共同特征
通过分析发现煤矿灾害具有以下共同特征:①突发性，灾变快，灾害在短时间内发生，使人措不及防;②破坏性，破坏力大，救灾不及时、逃生方式选择错误易引起重大人员伤亡;③继发性，各种灾害相互关联，一种灾害的发生往往会引起其他事故。实际上，很多煤矿发生瓦斯爆炸、冒顶、透水、火灾等事故时并未直接威胁到矿工的人身安全，通常是有毒烟气逐渐充满巷道，或是明火、垮顶、突水等堵塞了逃生通道，造成工作人员无法及时逃生而遇害。此时，受灾人员若能迅速与灾变区域隔离，则事故造成的直接或间接伤害可降至最低。因此，煤矿井下紧急避险设施的建设，对提高井下紧急避险能力，保障矿工人身安全具有重要的意义［4］。
2现有矿井避难设施存在的问题
矿井避难设施是指在发生紧急情况下，为遇险人员安全避险提供生命保障的设施、设备［5］。主要包括为入井人员提供的自救器、永久(临时)避难硐室、可移动式救生舱等。避难硐室和救生舱可以为灾变时无法及时逃生的矿工提供一个安全的密闭空间，其整体构筑严密，能够抵御外界高温烟气，隔绝有毒有害气体，且配有制氧和过滤有害气体的装置以及食物、水和必要的救护器材，创造适于人类生存的基本条件，为应急救援赢得时间。但煤矿事故发生的因素不是单一的，而是由多个因素耦合导致的［6］。当井下发生事故时，避难设施如何最大限度的保护逃生人员的安全是急需解决的问题。因此，对现有矿井避难设施不足之处进行分析对完善井下避难系统具有重要意义。现有煤矿避难设施的不足之处主要表现在:1)自救器有效时间较短，逃生人员若不能在自救器有效作用时间内到达安全地点或避难硐室内，则极有可能在事故中遇难，加之井下作业环境复杂、照明条件差，事故发生后各种通讯、照明设施被损坏，会使非受灾区域的逃生人员在高度紧张的精神状态下误入灾区，引起不必要的人员伤亡。2)灾变时各区域人员对灾害发生位置、距离灾害距离、灾变情况、通风状态、逃生路线等信息不能及时了解，而这恰是逃生人员能否安全顺利逃生的关键，是避难硐室发挥作用的前提。而避难硐室仅能在事故发生后为进入硐室内的矿工提供保护，功能较单一。现有避难设施缺少在事故发生时工作人员从受灾变影响区域到安全地点或避难硐室间的逃生指引，指示功能。对逃生人员是否需要穿越火源、有害气体区域，能否快速到达新鲜风流巷道等没有指示。3)煤炭生产系统呈管网式布置，半封闭式结构，瓦斯、煤尘等多种有毒有害，易燃易爆致灾因子共存于同一环境，使得煤矿事故具有继发性的特点，往往会引起二次事故的发生。例如，瓦斯爆炸通常会引起煤尘爆炸，使灾变的影响范围扩大，使得暂时安全的避灾地点或逃生路线伴随着二次事故的发生变得不再安全。当矿井发生外因火灾时，在火风压作用下易引起井下风流逆转，造成巷道风流紊乱，逃生人员在无法正确判断风流方向和避灾路线安全性的情况下盲目逃生，极易在事故中遇难。通过对现有矿井避难设施进行分析，总结其不足之处主要有以下几点:①缺少及时有效的避难指引设备，不能为逃生人员提供实时避灾指导;②避难设施没有定位灾变位置，接收灾变实时情况的功能;③灾变后避难设施运转情况是否正常无法及时回馈至地面;④各避难设施呈独立运行状态，逃生人员、地面指挥系统与避难设施间没有实现信息共享。
3基于物联网技术的矿井避难设施设计
物联网是指通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别(ＲFID)技术、全球定位系统、红外感应器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。物联网可以实现物到物、人到物和人到人的互联［7］。物联网技术用于矿山可以将矿井监测监控系统、矿山设备和环境、井下人员定位以及管理平台全面整合，通过网络实现对矿山生产、安全等系统的智能化管理。煤矿安全事故的复杂性和特殊性需要形成新的应急管理方法和模式［8］。物联网技术在矿井避难设施中的应用能够弥补现有避难设施的不足。
3.1避难设施设计框架构思
由于煤矿事故具有突发性、继发性和破坏性的特点，使灾害发生后的避难救援显得尤为重要，救援最为关键的是在事故发生后有效的自救和救护队的救援，有效的自救是救护队开展救援的前提，需要借助井下避难设施的帮助。目前的井下避难设施难以全面满足井下逃生、避难的要求，而物联网技术的应用可以弥补其不足。基于物联网技术的避难设施以传统物联网技术架构为基础，结合矿山生产与灾害特点，将物联网技术与避难设施构建融为一体。新的避难设施包含三个部分，即感知层、信息集成与控制层、应用层。基于物联网的避难设施设计如图1所示。3.1.1感知层感知层通过对矿山的环境、人、设备的感知，达到感知矿山灾害风险，感知矿工周围安全环境，感知避难设施运行状况的目的，通过准确探知灾害发生位置、避灾路线安全状况、避难设施情况，实现主动式安全保障。1)感知内容。感知内容包括各种指标气体浓度、采煤与掘进工作面状况、顶底板活动情况、巷道围岩变化状况、电磁幅射和声发射量、井下自然环境状况、人员位置、矿山设备及矿井现有监测监控系统运行状况等。2)功能与要求。通过在矿山生产、安全、运输、逃生等系统部署各种类型的传感器，实时采集矿山生产与安全、地理、地质、人员位置等综合信息。由于煤矿生产具有移动作业的特点，感知层要具有移动感知监控的能力。3)关键技术。包括智能芯片嵌入技术、井下人员精确定位技术、双向高速信息传输技术、ＲFID电子标签技术等。3.1.2信息集成与控制层信息集成与控制层依托遍布井下的光纤网络、电力线网络及无线网络、路由器，将感知层收集的信息集成到控制中心。1)信息集成与控制内容。包括信息集成网络系统、信息集成基础上的MES等。2)功能与要求。通过1000M工业以太网骨干传输，采集全矿生产、安全等信息，将信息集成到控制中心，进行各种智能信息处理，如信息融合、信息挖掘等。考虑到灾变时冲击波等对井下通信系统的破坏，需构建多种传输网络以保证在灾变时及时准确的数据传输。3)关键技术。矿山复杂环境下数据传输技术、WiFi技术、工业以太网技术、异构网融合技术、M2M技术等。3.1.3应用层应用层是物联网技术用于避难设施的目的，由各种软件应用模块与个人信息终端构成，是矿区综合信息化系统与个人信息终端的结合。1)应用层内容。矿山安全生产评价与监管、煤矿灾害预警与防治、避难设施故障诊断、实时避灾指导等。2)功能与要求。应用层通过传输层将采集的数据反馈到应用终端，通过各种软件处理数据，用收集到的信息动态描述矿山环境状态，将采集的实时数据经应用模块处理来判断灾变位置、灾害类型、井下风流状态、巷道受损情况、避灾路线安全状况等信息。3)关键技术。各种软件应用模块、个人信息终端。4)个人信息终端。在应用层中最关键的技术是个人信息终端，包括:微控制器部分、温度传感器部分、加速度传感器部分、瓦斯传感器部分、液晶显示及通信电路等，采用IEEE802.11b通信协议实现与地面的通信。工作人员通过配备个人信息终端可以在灾变发生后实时接收避灾指导，选取合理的避灾路线和避灾方式，避免井下逃生人员由于信息缺乏而导致的盲目避灾。个人信息终端是新的避难设施的主要组成部分，通过接收实时避灾指导，可以减少逃生人员进入避难硐室前的伤亡，提高逃生率。
3.2避难设施特点
与现有避难设施相比，基于物联网技术的避难设施具有以下特点:1)避难设施的运转状况可以随时获知。2)个人信息终端可以及时接收实时避灾指导。3)软件应用模块通过对感知的数据处理可以动态反映井下环境状态，为避灾提供指示。
4结语
基于物联网技术的避难设施设计构思打破了以往的将物理基础设施与信息基础设施分开的局面，将传感器与需要监测的设备、环境及人员相整合，通过对采集的数据进行分析处理，实现井下实时避灾指导，为以后的避难设施设计提供了新思路。
参考文献:
［1］孙继平．煤矿井下紧急避险系统研究［J］．煤炭科学技术，2011，39(1):69－70．
［2］陈娟，赵耀江．近十年来我国煤矿事故统计分析及启示［J］．煤炭工程，2012，44(3):137－138．
［3］方树林．中国煤矿灾害防治技术的研究现状与发展趋势［J］．洁净煤技术，2012，18(1):90－91．
［4］国家煤矿安监局．煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定［Z］．2010－11－16．
［5］范维唐，卢鉴章，申宝宏，等．煤矿灾害防治的技术与对策［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2007．
［6］乔万冠，李新春．多因素耦合作用下煤矿企业风险评价［J］．煤炭工程，2014，46(4):145－146．
［7］朱洪波，杨龙翔，朱琦．物联网技术进展与应用［J］．南京邮电大学学报(自然科学版)，2011，31(1):1－3．
［8］马莉，李树刚，唐善成．煤矿事故救援应急资源云构建研究［J］．煤炭工程，2013，45(6):122－123．
作者：梁敏 邵晨霞 单位：天地科技股份有限公司建井研究院