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山东黄金集团归来庄矿 井下智能爆破监控系统工业性试验
技术方案
山东黄金集团归来庄矿
北京科技大学
北京龙德时代技术服务有限公司
2014年4月
一、实验的目的和意义...........................................................................................................2
二、非煤智能爆破监控系统简介...........................................................................................3
三、研发设备完成情况与基本参数.......................................................................................5
四、工业性试验方案.............................................................................................................15
一、实验的目的和意义
非煤矿井智能爆破监控系统科研课题是国家“十二五”科技重点支撑计划--
非煤矿安全监控系统的重要组成部分。自2012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和理论分析。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。初步完成了金属矿山井下爆破安全监控系统的设计和研发。按照十二五计划的相关要求，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。
进行工业性实验的目的是：
（1）按照初步设计方案，建成适合于现场开采作业条件和爆破环境的智能爆破监控系统。
（2）协调并完善智能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。
根据国家科技十二五支撑计划的安排。该系统有北京科技大学研发，山东黄金集团归来庄煤矿实施工业试验等相关内容。
根据科研计划进度安排，现在需要在归来庄矿实施工业性试验。
非煤矿井智能爆破监控系统科研课题是国家“十二五”科技重点支撑计划--非煤矿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。该系统有北京科技大学研发，山东黄金集团归来庄煤矿实施工业试验等相关内容。自2012年初开始至今，北京科技大学有关研发人员，按照十二五计划的相关要求，已经完成了相关系统的研发等工作。
根据科研计划进度安排，现在需要在归来庄矿实施工业性试验。
二、非煤智能爆破监控系统简介
一）基本功能介绍
金属矿、非金属非煤矿，爆破事故的种类主要是： 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； 5.起爆时间控制不严格，造成伤害；
6.炮眼没有排出，人员过早误入，造成伤害。等等。
针对上述安全隐患，按照“本质安全，不安全就不能爆破”的基本理念，非煤矿智能爆破监控系统设计为“六个不能，一个监控”功能，具体如下：
1、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：矿山各级领导能够通过网络对爆破全过程进行实时监控。二）具体实现的方法
1、危险区域内有人,就不能爆破。
就是爆破时，首先监测爆破区域（警戒区域）是否有人，有人系统就自动闭锁，不能爆破。
是否有人的信息的判断方法：通过安装在爆破警戒区域内的爆破监视器来完成控制，有人员在危险区域，就终止作业，不能爆破。
2、警戒人员不到位,就不能爆破；
就是爆破时，首先监测警戒人员是否到达警戒区域，如果警戒人员没有到达警戒区域系统就自动闭锁，不能爆破。
是否有人的信息的判断方法：通过安装在爆破警戒区域内的爆破监视器来完成控制，警戒人员不在警戒区域，就终止作业，不能爆破。
3、人员不连锁,就不能爆破；
确保爆破时，责任人必须到现场完成自己的职责。
通过虹膜识技术和连锁卡射频技术实现，如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，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，下传给智能智能发爆器机，实现连锁爆破。
4、安全起爆位置不对，就不能爆破；
通过智能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，不工作。通过控制无线通讯的距离就能够有效的控制位置。
5、有害气体没有排出，就不能进人。
在线气体检测仪对有害气体（一氧化碳、二氧化氮等）、烟雾等进行实时检测；并且进行语音提示； 三)系统基本组成非煤矿智能爆破监控系统的组成为：
1、主系统
安放到调度室：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。
2、子系统：
在井下爆破地点，主要由安全距离标识器、人员连锁仪、爆破人员监视器、语音光报警器、智能智能发爆器、区域控制器等组成。
三、研发设备完成情况与基本参数
一）十二五支撑计划的技术要求
十二五科技支撑计划对非煤矿智能爆破监控系统的基本要求如下：
起爆安全位置（距离），自动控制起爆安全位置，不安全就自动闭锁； 3）同时可控制的地点，32个以上； 4）系统监控隐患数量，同时6个以上；
5）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；
6）起爆时控制，自动闭锁。不安全就不能起爆； 7）起爆后监控指标，一氧化碳，氧化氮，氧气； 8）起爆后警示，语音光；
9）系统巡检周期，30秒； 10）通讯距离，10千米； 11）外接数据读取速度，10秒。
二）已经完成系统与单个硬件研发的技术参数：
经过一年多的研发工作，已经完成了系统的各项设计制造，技术参数如下：
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。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； 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
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，同时实现智能爆破参数的标准；（4）具有自动控制功能；
（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： 1220 Ω（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/km;分布电容: ≤0.1μF/km（15）引燃冲量（A².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
安装在放炮警戒区域内，监控警戒区域是否有人存在。监控的原理是通过精密监控放炮警戒区域内的灯光来实现对人员的监控，因为井下人员必须携带矿灯，有人活动就一定有灯光存在。放炮时必须关闭放炮区域的一切照明设施和主动发光设施。
a）供电电压：9VDC-24VDC；
b）功耗：2W；
c）有线通讯方式：CAN,1路；
d）传输速率：3Kbps，5Kbps，10Kbps，20Kbps；
e）最大传输距离：10Km（电缆型号：MHYVR1×2×7/0.52）； f）通讯信号工作电压幅值：1 V～5 V； g）监视范围：0到100米； h）安装示意图：
3）人员连锁监测仪
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。
⑪ 接 口：2.4G无线通信； ⑫ 工作温度：-20℃--60℃ ⑬ 使用方式：壁挂式 ⑭ 眼睛角度：俯仰旋转≤45 ⑮ 注册时间：双目≤3s ⑯ 操作提示：语音向导光学引导 ⑰ 识别时间：双目＜1s(戴眼镜
⑸ 照明方式:红外照明符合ANSI/IEC60825-1安全标准
⑹ 虹膜特征数据存储容量: 1,2000个虹膜特征数据 ⑺ 符合标准:国际标准ISO/IEC19794-6:2005 安装示意图： 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）； 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;⑪ 无线传输最大距离：20米；
⑫ 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）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。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。主要参数
a）供电电源： DC 18V b）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 1×4×7/0.52）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
功耗
a）额定工作电压：DC18V b）工作电流：≤ 100 mA 与控制器的通讯 a）传输路数：1路
b）传输方式：主从式、半双工、CAN； c）传输速率：5000bps d）最大传输距离：10Km（电缆型号：MHYVR1×4×7/0.52）
e）通讯信号工作电压幅值：1V～5V f）通讯信号工作电流幅值：≤ 30 mA 7）人员连锁卡 主要技术参数 供电电源
a）额定工作电压：3V（由锂电池供电）b）工作电流：≤ 2mA 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
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 最大编码容量：16777216个。外形尺寸：73mm×44mm×27mm 8）放炮数据传输装置
放炮数据传输装置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。
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。
电源电压： AC 220V（±10%）工作电压 18V 工作电流： ≤100mA 通讯速率： 1200bps～9600bps间自动调整
外型尺寸：（430×300×80）mm 重 量： 3500 克
9）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；
10）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；
11）传输电缆（MHYVR 1×2×7/0.52）
① +20℃导体直流电阻： ≤18.1 Ω/km ② 线对工作电容： ≤0.06 uF/km ③ 电感： ≤800 uH/km 12）地面中心站: 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。最低配置为：
① 操作系统：Windows2000以上操作系统；
② 内存：1G以上； ③ 硬盘：160G以上； ④ 17寸液晶显示。13）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 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，刷新数据。
① 防护电平（线-地）：30 V ② 响应时间： 1 ns
③ 传输速率： 1 Mbps ④ 产品外形尺寸：（42×25×25）mm 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，刷新数据。使用环境条件：
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 环境温度：0℃～30℃；
② 平均相对湿度：不大于95%(+25℃)； ③ 大气压力：80kPa～106kPa；
④ 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 无显著摇动和剧烈冲击振动的环境。
⑥ 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。⑦ 无强电磁干扰的场所。
四、工业性试验方案
根据科技计划安排，工业性试验在归来庄矿，示范地点在-110段。一）设备布置如下图所示：
1.安全起爆位置，集中布置在-110段联络巷的躲避硐或者巷道宽阔的位置。布置设备为区域控制器、三人连锁仪、安全起爆位置标识器、人员监视器。2.川中的设备布置为人员监视器、一氧化碳传感器、氧气传感器、氧化氮传感器。3.智能智能发爆器随身携带。
4.供电，采用现场127V电源给区域控制器三人连锁仪等供电，给传感器采用区
域控制器供电。
5.通讯，区域控制器与地面通讯，经过已经安装使用的环网交换机。区域控制器与传感器通讯通过信号线缆。
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