新型井下灾后人员通信及定位系统

朱思翥 王玉敏 程博

【摘要】 我国资源赋予的特点，决定了解决中国能源问题必须以煤为主。而在煤矿开采过程中国内外煤炭企业频繁发生重特大安全生产事故，无论是预警、指挥及救援，都需要有一条安全畅通的通讯链路作保证，因此建立一套具有抗破坏力的透地通信系统来保障煤矿的矿井通信就显得至关重要。本文提供了一种新型井下灾后人员通信及定位系统，通过两路并行的有线和无线传输方式确保矿难发生后的信息传输并计算被困人员所在位置，同时设计了壳式防护装置防止发生爆炸后对设备的损坏。本设备既能满足井下日常通信的要求，又能在矿难发生后保证被困人员与救援人员的信息传输，应用前景广阔。

【关键词】 井下救援 信息传输 定位

一、研究背景

近几年国内外煤炭企业频繁发生重特大安全生产事故，给国家和人民带来巨大的生命财产损失。地下开采是工作环境非常极端的职业之一，而且当严重灾害事故发生时，地下矿井的紧急响应比起其他类型的工作环境要困难得多。

现有的应用于地面和煤矿井下之间的通信主要采用有线通信系统网络进行传输，其抗突发事故破坏力弱，当灾害事故发生时，线路容易遭到破坏，致使井上与井下通信的中断，通信系统瘫痪.

而在救援工作中，无论是预警、指挥及救援，都需要有一条安全畅通的通讯链路作保证，地面与井下的通信链路畅通与否将直接影响救灾抢险的效率，因此建立一套具有抗破坏力的透地通信系统来保障煤矿的矿井通信就显得至关重要。

二、设计思路及原理

本作品设计作为使用矿井人员定位和通信系统，发生矿难后，可利用弹性波、超低频电磁波等无线传输方式确定被困人员位置，并与救援人员相互通信，帮助救援人员更快掌握被困人员所在地形条件和身体状况，以实现井下救援目的。

第一部分：有线传输

沿主井、运输大巷、斜巷及煤巷中设立若干基站，日常工作时，与现有的人员安全定位系统结合，进行实时的人员定位、人员的自动考勤制度和身份唯一性核实，同时与每个矿工携带的无线通信装备相结合，必要时可以进行与每个矿工的语音交流。

第二部分：无线传输（矿难发生后）

由于矿难发生后矿内情况复杂，有线传输很可能因供电系统受损、线缆中断等情况无法正常工作。此时，基站内备用电源启动，在线缆受损的位置采用超低频电磁波（300Hz～3kHz）相互传输信息，线缆正常处继续使用有线传输方式以减小能量损失，保证工作效率。为防止某一基站损坏导致的系统瘫痪，基站间采用两路并行方式。

被困矿工发射低频弹性波信号，相邻两基站接收弹性波后计算角度，通过两角度和基站间距离计算被困人员所在位置距基站水平距离。

当发生矿难事故时，被困工人与距离其最近的基站间使用弹性波（声波）进行无线传输，传输主要信息为：

1.被动式发送：被困人员生命体征、被困位置信息。

2.主动式发送：被困人员所处环境（传输方式：代码通信）。

第三部分：可靠性保证

在矿难事故中瓦斯爆炸、透水事故、塌陷事故等会对煤巷内部结构产生很大破坏，因此要想保证各类事故发生后基站正常使用，基站外部必须有良好的防爆、防水、隔热和抗压性能。

通过对飞机黑匣子外壳的研究，选择使用“钢筋混凝土——石棉隔热层——钢板”三层防护装置解决材料问题。

利用壳式结构均匀分布压力的原理和三角形的稳定性设计一新型椭圆型支架，保证受爆炸冲击波压强使得外壳形变较小。

根据solidworks软件模拟压强测试，给与2Mpa压强此结构形变量为13%，而选择相同材料，厚度增加一倍的平面结构的形变量为35%，厚度增加一倍的椭圆形结构的形变量为19%，因此所设计的抗压结构效果明显。

选择材料：混凝土强度等级为C40，钢筋为HRB335级，泡沫塑料为聚苯乙烯泡沫塑料[3]。

参 考 文 献

[1]摘自《穿岩应急无线通信系统研究》.郭文彬 著

[2]摘自《煤尘一瓦斯混合物爆炸压力研究》.侯万兵 著

[3]摘自《建筑物“黑匣子”系统保护壳性能研究》.张鹏梁 著