非煤矿山爆破智能监控系统建设及应用研究.docx

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非煤矿山爆破智能监控系统建设及应用研究

山东黄金归来庄矿业有限公司

采场爆破智能监控系统建设及应用

研究报告

北京科技大学

山东黄金归来庄矿业有限公司

2014年11月5日

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15

4采场爆破智能监控系统15

4.1爆破智能监控简介15

4.1.1地面系统16

4.1.2井下系统16

4.1.3环网系统16

4.2爆破智能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爆破智能监控系统功能实现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采场爆破智能监控系统安装35

5.1爆破智能监控系统试验点35

5.2爆破智能监控系统安装38

5.2.1东挂帮系统部分安装38

5.2.2-30m水泵房系统安装40

5.2.3调度室系统安装41

6采场爆破智能监控系统调试及试运行42

6.1发爆器采场巷道爆破试验42

6.2监控平台的调试及试运行44

1项目来源及意义

山东黄金归来庄矿业采场爆破智能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爆破智能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爆破智能监控系统建设及应用研究项目的目的在于实现：

（1）按照爆破智能监控设计方案，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爆破智能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爆破智能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：

（1）

解微分方程得：

（2）

其中，A为常数；由于t=0时，C=C0。

可得：

（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;

为通风风量中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：

.

（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㎡。

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。

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（Reynoldsnumber）一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，以Re表示，Re=ρvd/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=2300～4000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（

）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

式中

——材料密度；kg/m3；

——流速向量，

；

——受限混合长度

；

——材料粘度，

；

——绝对压力，

；

——湍流动能

；

——体积力向量

——湍流耗散速率，

；

——剪切速率，

。

设置整个巷道的开始风速为0

，通风开始时在通风管口设置通风风速为13.3

，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。

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

）

通风管道有毒有害气体通量

计算公式为

式中

——管道进口风速，

；

——管道进口面积

；

——大巷中的有毒有害气体浓度，由上文知

。

计算得到

。

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。

图3-5模型监测线选取位置

（a）0s时刻（b）30s时刻

（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（j）140s时刻

（k）190s时刻（l）230s时刻

（m）250s时刻（n）340s时刻

（o）400s时刻（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

），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。

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）、B（1,2,10）、C（1,2,20）、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）（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，按照爆破智能监控设计方案，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，对采场爆破智能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。

图3-8采场爆破使用的火雷管和2#乳化炸药

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，为采场爆破智能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，完善爆破智能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采场爆破智能监控系统

4.1爆破智能监控简介

山东黄金归来庄矿业采场爆破智能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爆破智能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。

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，在采场爆破智能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爆破智能监控系统简图如下图所示。

图4-1山东黄金归来庄矿业采场爆破智能监控系统

4.2爆破智能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爆破智能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；

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爆破智能监控系统要实现“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爆破智能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。

4.3爆破智能监控系统功能实现

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。

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3-10m。

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2km。

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≤2s，其余画面≤5s。

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：

1V～5V；

f）传输信号电流幅值：

≤30mA；