煤矿信息化与自动化发展趋势.pdf

第 4 l卷 第 4期 2 0 1 5年 4月 工矿 自 动 化 I ndus t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 1 NO ． 4 Ap r ． 2 O 1 5 ’ ’ i 科研成果 _． ． ◆ ⋯ ．． ◆ 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 4 0 0 0 1 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 0 1 孙 继平 ． 煤 矿信 息化 与 自动 化发 展趋 势 I- J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 4 1 - 5 ． 煤矿信息化与自动化发展趋势 孙 继 平 中国矿业 大 学 北 京 ， 北 京1 0 0 0 8 3 摘要 分析 了2 0 0 4 --2 0 1 3年全国煤矿百万吨事故率、 百万吨死亡率、 亿吨重特大事故率和亿吨重特大事 故死亡率。提 出融合机器视觉、 激光测距 、 雷达测距和测速 、 人工智能等的胶轮 车和 电机车智能无人驾驶方 法及 矿 用机 器人 与救 灾机 器人 自动 导航 控 制 方 法。探 讨 了矿 用机 器视 觉的特 点及 其在 煤矿 井下 的应 用。提 出煤 矿 井 下移 动通信 主要 是 4 G 和 Wi F i 技 术 ； 5 G 移 动通 信 传 输 速度 更 快 、 工作 频 率 更 高 ， 更适 用于 煤矿 井 下 。指 出较 大辐 射 功率 的无 线 电波 不但会 引爆 瓦斯和 电雷管 ， 还会 造成 人 身伤 害 ； 较 大发射 功 率和 增益 的 天 线 ， 应尽 量 布置 在巷 道顶 部 ， 远 离固定 岗位 作 业人 员 ， 避 免 长时 间 辐射 。提 出矿 用机 器人 与救 灾机 器 人 宜 选 用锂 电池 大马 力微 电机 旋翼 无人 机 ， 需研 究 煤矿 井 下机 器人 远 程 无 线控 制和 自动 导航 控 制 技 术 。提 出基 于 气体 和 温度 遥 测传 感 器的 采空 区火灾监 测预 警 方法 。提 出了防煤 炭盗 采监 测技 术 需求 。分析 了可见 光通信 用 于煤 矿 井下 的优 点和 不足 。 关键 词 煤 矿 ；信 息化 ；自动 化 ；机 器视 觉 ； 智 能导航 ；可 见光 通信 中图分类号 TD 6 7 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 5 0 3 3 1 0 8 2 2 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 0 3 3 1 ． 0 8 2 2 ． 0 0 1 ． h t ml De v e l o p me nt t r e n d o f c o a l mi ne i nf o r ma t i z a t i o n a n d a u t o ma t i on S UN J i p i n g Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a Abs t r a c t The p a pe r a n a l yz e d a c c i de nt r a t e p e r mi l l i o n t o ns ， d e a t h r a t e p e r m i l l i o n t o ns ， s e r i o us a c c i d e nt r a t e pe r on e h und r e d mi l l i on t o ns a nd s e r i ou s a c c i d e n t d e a t h r a t e p e r o ne hu nd r e d m i l l i on t o ns du r i ng 2 0 04 2 01 3． I t pr o p os e d i n t e l l i g e nt un m a nne d s t e e r m e t ho ds of r u bbe r t y r e d v e h i c l e a n d e l e c t r i c 1 oc o m o t i v e．a nd na vi ga t i on c o nt r o 1 me t h od o f m i n e u s e d r o b ot s a n d d i s a s t e r r e s c u e r o bo t s whi c h m i x e d wi t h m a c hi n e vi s i o n，l a s e r r a ng i ng， r a d a r r a ng i ng a nd v e l oc i t y me a s u r e me nt a nd a r t i f i c i a l i nt e l l i ge n c e ． I t s t u d i e d c h a r a c t e r i s t i c s o f mi n e u s e d ma c h i n e v i s i o n a n d i t s a p p l i c a t i o n i n c o a l mi n e ．I t p u t f o r wa r d t h a t und e r gr o un d m o bi l e c o mm u ni c a t i o n m a i nl y us e s 4 G a nd W i Fi t e c h no l og i e s ．a nd 5 G m o bi l e c o mm u ni c a t i on wi t h f a s t e r t r a ns m i s s i o n s p e e d a nd hi gh e r wor ki ng f r e qu e nc y whi c h i s mor e s ui t a bl e f or un de r g r ou nd． I t po i nt e d o ut t h a t r a di o wa ve wi t h l a r g e r r a di a t i o n p owe r n o t on l y i g ni t e s g a s a nd e l e c t r i c d e t on a t o r ，b ut a l s o c a u s e s p e r s o n a l i n j u r y ．I t a l s o p o i n t e d o u t a n t e n n a wi t h l a r g e r t r a n s mi s s i o n p o we r a n d g a i n s h o u l d b e 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 3 0 6 ； 修 回日期 2 0 1 5 0 3 1 7 ； 责任 编辑 盛 男。 基金项 目 国家 自然 科学 基金重 点项 目 5 3 4 0 2 4 。 作者简介 孙继平 1 9 5 8 一 ， 男 ， 山西翼 城人， 教授 ， 博 士 ， 博士研 究生导师 ， 中国矿业大学 北京 副校长 ； 获国家科技进步二等奖 3项 其中作 为 第 1完成人 2项 、 第 2完成人 1项 ； 作为第 1 完成 人获 省部级科 技进 步一等奖 7项 ； 作为第 1完成人主持制定中华人 民共和国煤炭行业 和安全 生产行业标准 2 6项 ； 主持制定 煤 矿安 全规程 第 三章“ 通风安全监控” ； 作 为第 1作者或 独立完成著 作 1 1部 ， 发 表论文 i 0 0余 篇 其 中被 S C I 和 EI 检索 的第 l 作者论 文 7 o余篇 ； 作 为第 1 发 明人获 国家专利权 4 o余项 ； 作 为国务 院煤矿事故调查专家组组长参加 了 1 o起煤 矿特别重 大 事故调查 作 ； E ma i l s j lc lc u mt b ． e d u ． c n 。 2 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 i ns t a l l e d o n t o p of r o a d wa y a nd f a r a wa y f r om f i xe d po s t o pe r a t i n g p e r s on ne l ，S O a s t o a v o i d r a di a t i o n f or l o ng t i m e ． I t p r o p os e d m i n e us e d r o bo t s a n d di s a s t e r r e s c u e r o bo t s s hou l d e mpl o y un ma nn e d r o t o r c r a f t wi t h l i t h i u m ba t t e r y a nd h i g h p owe r m i c r o m o t o r ， a nd t e c hn ol o g i e s o f r e mo t e wi r e l e s s c on t r ol a nd a u t o ma t i c n a vi ga t i o n c o n t r ol o f u nd e r g r oun d r o bo t s s h ou l d be s t u d i e d．I t pu t f o r wa r d m o n i t o r i ng a nd e a r l y wa r n i ng me t ho ds f o r f i r e d i s a s t e r i n go a f ba s e d o n g a s a nd t e m p e r a t ur e r e m o t e m e a s u r i ng s e ns o r s ．I t put f o r wa r d t e c h no l o gy r e qu i r e me nt s o f mo ni t or i n g f or pr e v e n t i n g c o a l mi ni ng i l l e ga l l y．I t a n a l y z e d a dv a n t a g e s a n d s h or t c o m i ngs o f u nd e r g r ou nd v i s i bl e l i g ht c ommuni c a t i on． Ke y wo r d s c o a l mi ne； i nf o r ma t i z a t i o n； a ut oma t i on； ma c hi n e vi s i on； i n t e l l i g e n t na v i g a t i on； v i s i bl e l i g ht c o mm u ni c a t i on 0 引 言 随着 煤矿 机械化 、 信 息化 和 自动 化程 度 的提高 ， 中国煤矿安 全 生产形 势逐 年好转 Ⅲ ， 百 万 吨事 故 率 、 百万吨死亡率、 亿吨重特大事故率和亿吨重特大事 故死 亡 率 均 大 幅 下 降 ， 分 别 由 2 0 0 4年 的 1 ． 8 5 8 ， 3 ． 0 7 5 ， 2 ． 1 4和 5 1 ． 4 3 ， 下 降 为 2 0 1 3年 的 0 ． 1 6 3 ， 0 ． 2 8 8 ， 0 ． 3 8和 6 ． 6 O ， 见表 1 。为 进一 步 促 进煤 矿 信 息化 与 自动化 技 术 发 展 ， 有 必 要 根 据 煤 矿 安 全 、 绿 色 、 高效 、 智 能生 产 的需 求 ， 分 析 研 究 煤 矿信 息 化 与 自动化 未来 发展 趋 势 ， 提 出 急需 解 决 的关 键 科 学 技 术 问题 。 表 1 2 0 0 4 --2 0 1 3年全 国煤矿百万吨事故率和死亡率 、 亿 吨重特大事故率 和死亡率 1智 能采煤 与运 输 1 ． 1 智 能采煤 煤 矿事故 主要 发生 在采 掘工作 面 ] ， 因此 ， 减 少 采 掘工 作面作 业 人 员 ， 是 实 现安 全 、 高 效 、 现 代 化 矿 井 急需解 决 的 问题 。 目前 ， 已研 制 成 功液 压 支 架 电 液 控制 系统 、 输送 机 监 控 系 统 、 采煤 机 监 控 系 统等 ， 实 现 了记忆 割煤 、 工作 面巷道 远程 控制 、 工作 面少 人 作业 ] 。还需 进一 步研究 采煤 工作 面地 面远程 控 制 和煤 岩界 面智 能识 别等 技术 ， 实现 智能 和无人 采煤 。 1 ． 2 智能运 输 为 减少 煤 矿 井 下作 业 人员 ， 避 免 或 减少 重 特 大 事故 发 生 ， 提 高生 产率 和设备 利用 率 ， 已研制 成功 煤 矿供 电监 控 系统 、 排水 监 控 系 统 、 压 风 监控 系统 、 带 式 输送机 监控 系统 、 胶 轮车运 输监控 系统 、 轨道 运输 监 控系统 等 ， 实现 了煤 矿井 下 变 电所 、 水泵 房 、 压风 机 等无人 值守 、 地 面远程 控制 ] 。 现有 带 式 输 送 机 监 控 系 统 具 有 跑 偏 、 打 滑 、 温 度 、 烟雾保 护 ， 逆煤 流启 动 、 顺 煤流停 止 ， 地 面远 程控 制 等功能 。但 由于没 有 可 靠 的纵 撕 监 控技 术 ， 难 以 实 现无人值 守 、 地面 远程 控制 ， 所 以急需研 究性 能可 靠的胶带纵撕监控技术。需研究性能可靠 的煤量监 控技 术 ， 根 据运 煤 量 自动调 节 胶带 速度 ， 即有 煤 开 、 无煤停、 煤 多快运 不大 于最 大允许 速度 、 煤少慢 运， 以提高设备运行效率、 减少设备磨损、 节约能源。 现有 胶 轮 车运 输 监 控 系统具 有 胶 轮 车位 置 、 速 2 0 1 5年 第 4期 孙继 平 煤矿信 息化 与 自动 化发展 趋 势 3 度 、 方 向 、 编 号 、 车辆 工况 等 监测 ， 信 号机 闭锁 控制 等 功能 ， 但 没有 实 现 无 人 驾 驶 和 地 面 远 程控 制 。需 研 究融 合 机器 视觉 、 激 光 测距 、 雷 达 测 距 和 测 速 、 人 工 智 能等 的智 能 驾驶 系统 ， 实 现无 人 驾 驶 和 地 面 远 程 控 制 。 现 有轨 道 运输 监控 系 统具有 机 车位 置 、 速度 、 方 向 、 编 号 、 车辆 工况 等 监 测 ， 电 动转 载机 和信 号 机 闭 锁 控制 等 功能 ， 但 没 有 实 现 无 人 驾驶 和地 面远 程 控 制 。需 研究 融 合机 器视 觉 、 激光 测 距 、 雷 达测 距 和测 速 、 人 工智 能等 的智能 驾驶 系统 ， 实 现无 人驾 驶 和地 面 远 程控 制 。 2矿 用机 器视 觉与煤 矿 大数 据和 物联 网 2 ． 1矿 用机 器视 觉 随着 机 器 视 觉 技术 的发 展 、 矿 用 高 清 摄像 机 和 万 兆 以太 网等 在 煤 矿井 下 的应 用 ， 矿用 机 器视 觉 将 成 为 煤矿 信息 化 和 自动化 研究 热点 。矿井 图像 监视 具 有 照度 低 、 矿尘 大 、 喷雾 影 响大 、 机械 振 动大 、 电磁 干扰 严重 、 固定 与移 动并 存 、 T C P ／ I P光 纤 远 距 离传 输 、 电气 防爆 、 电源 电压 波 动 适 应 能 力 强 等 特 点 ] 。 应 根 据矿 井 图像 监视 特点 ， 进 行矿 用机 器视 觉 研究 。 机器 视觉 即用机 器代 替人 眼 和大 脑进 行测 量 和 判断 。矿 用机 器 视 觉 将 用 于 矿 用机 器 人 、 救 灾 机器 人 、 胶 轮 车 、 电 机 车 、 采 煤 机 、 掘 进 机 等 自动 导 航 控 制 、 煤 岩 界 面识别 、 煤 仓 煤 位 和水 仓 水 位 监 视 、 煤 炭 产量 监 测与 防作 弊 、 带式 输送 机监 视 、 无人 值 守 岗位 监视 、 大型机 电设备 监视 、 煤 与瓦 斯 突 出和冲 击地 压 报警 、 下 井人 员 唯一 性检 测 等方 面 。 2 ． 2煤 矿 大 数 据 和 物 联 网 煤 矿 大数 据 和 物 联 网研 究 与应 用 ， 既 是 煤 矿 安 全 、 高效生产 的需要 ， 也是煤矿信息化研究重点。需 研究 基 于大 数据 和 物 联 网的 煤 与 瓦斯 突 出 、 冲 击 地 压 、 水 害 、 火 灾 等煤 矿 重 大 灾 害 预警 ， 采 、 掘 、 机 、 运 、 通 等重 大关 键设 备 故 障 诊 断 与 远 程 维 修 ， 矿 用 安 全 标 志准 用产 品 和设 备 材 料 管 控 ， 持 证 上 岗与 专 人 操 作 管控 等l 5 ] 。 3矿 井移 动通 信 网络 与无 线 电安全 3 ． 1矿 井 移 动 通 信 网 络 为 满 足 煤 矿 安 全生 产 对 矿 井 移 动通 信 的 需 求 ， 研制并推广应用 了 Wi F i ， 3 G等矿井移动通信系统， 研制成功 了 4 G矿井 移动通信 系统 。wi F i 是无 线 接 入 网络 ， 具有 传 输 速 度 快 、 成 本 低 等 优 点 ， 可 用 于 图像 、 语音 和数 据 传 输 ， 但 越 区切 换 性 能 差 ， 语 音 移 动通信 不 如 3 G和 4 G。3 G 和 4 G是 移动 通 信 网 ， 越 区切换 性 能好 ， 特 别 适 合 语 音 通 信 。但 3 G 传 输 速 度 慢 ， 难 以 满 足 煤 矿 井 下 图 像 传 输 的 需 求 。今 后 一 段时期 内， 煤矿井下移动通信主要是 4 G和 wi F i 技术 2 ] 。随 着 5 G 等 移 动 通 信 技 术 的 发 展 ， 还 需 研 究 5 G矿 井 移 动 通 信 系 统 。5 G 移 动 通 信 系统 传 输 速度 快 ， 是 4 G 的 百倍 以 上 ； 工 作 频 率 更 高 ， 更 适 用 于煤 矿井 下 。 3 ． 2 井 下 无 线 电 安 全 为 满 足煤 矿 井 下移 动 作 业 需求 ， 研 制 并 推 广应 用 了矿井 移 动 通 信 系 统 、 人 员 定 位 系统 、 无 线 摄 像 机 、 无 线 传感 器 、 无 线便 携 式仪 器设 备等 。较 大辐 射 功率 的无 线 电波 ， 不但 会 引爆 瓦斯 和 电雷 管 ， 还会 造 成人 身 伤害 _ 7 ] 。因此 ， 急需 研 究 井 下 无 线 电 防 爆 与 无线 电人 身安 全 问 题 ； 研 究 发 射 功 率 、 天 线 增 益 、 天 线设 置 、 工 作 频 率 、 复 用 方 式 、 调 制 方 式 ， 纵 向 导 体 电缆 、 水 管 、 架空 线 、 铁 轨等 、 金 属 与 非 金 属 支 护 、 设备 ， 巷 道截 面尺 寸 、 形状 、 弯 曲 、 分 支 、 倾 斜 、 围岩 介 质 等对 无线 电 防爆 和无线 电人 身安 全 的影 响 。 在 地面 ， 因天 线 架 设 较 高 、 远 离 人 员 ， 一 般 不 会 对人 身 造成 伤害 。在 井下 ， 因巷道 高度 有 限 ， 天线 无 法 高架 ， 天线 离井 下作 业人 员 较近 ， 同样 发射 功率 和 增 益 的天线 就会 造 成 人 身 伤 害 。 因此 ， 要 降低 煤 矿 井 下无 线 电设备 的发 射功 率 和天线 增益 。较 大发 射 功 率和 增益 的天 线 ， 要远 离 固定 岗位作 业人 员 ， 避 免 人 员受 到长 时 间辐射 ， 并尽 量 布置 在巷 道顶 部 。 4矿 用机 器人 与救 灾机 器 人导航 控 制 及 时掌 握煤 矿井 下事 故 现场情 况 ， 是正 确 、 有 效 救 援 ， 减 少人 员 伤 亡 的 关键 。煤 矿 井 下 瓦斯 爆 炸 和 火 灾 等事 故 ， 会 产 生 大 量 C O， C O ， C H 等 有 毒 有 害气体 ， 消 耗大 量 O 。当事故 现场 有 毒有 害 气体 浓 度 较高 、 O 含量 较 低 时 ， 救 护 队员 难 以到 达 有 关 区 域 进 行 侦 察 、 搜 寻 和救 援 。 因此 ， 研 究 煤 矿 事 故 侦 察 、 搜 寻和 救援 机 器 人 十 分 必要 。为 减少 煤 矿 井 下 作 业人 员 ， 避免 或减 少伤 亡事 故发 生 ， 研究 用于 带式 输 送机 、 采 掘工 作 面 等生 产 环 节 巡 视 的 矿用 机 器 人 也 十分 必要 。研 制 矿 用 机 器 人 和救 灾 机 器 人 ， 需 解 决 防爆 、 过 障碍 和 导航控 制 等难题 l 8 J 。 煤矿井下巷道底板高低不平 ， 有积水 、 遗煤和矸 石 。因此 ， 轮式 、 履带式 、 蛇形等在地 面行走的机器 人难以用于煤矿井下。当瓦斯爆炸等造成顶板 冒落 时 ， 地 面行 走机 器人 更难 以通 过 。 无 人 机具有 不 受巷 道底 板高低 不 平 、 积 水 、 遗煤 4 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 和矸 石影 响 ， 功 率 小 ， 便 于本 质 安 全 防爆 等 优 点 ， 可 用于 煤矿 事故 侦察 、 搜 寻和 救 援 。锂 电池 大 马力 微 电机 旋翼无 人 机有望 成为 煤矿井 下事 故侦 察和搜 寻 机器 人 。煤 矿 事 故 侦 察 和 搜 寻 机 器 人 携 带 C O， C O 。 ， C H ， O 和 温 度 等 传 感 器 ， 摄 像 机 和读 卡 器 ， 进行 现场 侦察 和搜 寻 。 煤矿 井下 机器人 导航 控制 主要包 括远 程有 线控 制 、 远 程无 线控 制 和 自动 导 航 控 制 等 。煤 矿井 下 巷 道底板高低不平 ， 有积水 、 遗煤和矸石 ， 事故后还会 有顶 板 冒落物 。 因此 ， 煤 矿 井下 机 器 人 远 程有 线 控 制 十分 困难 。若 采 用机 器 人 拖 缆 电缆 或 光缆 ， 长 距离 电缆 或光 缆与地 面摩 擦阻力 大 ， 机器 人拖不 动 ； 若采 用机 器人 放缆 ， 长距离 电缆 或光 缆质 量大 ， 机器 人背 不动 。 煤矿 井下无 线传 输衰 减严重 ， 特 别是 巷道弯 曲、 倾斜 和分 支进 一步 加 大 了煤 矿 井 下无 线传 输 衰 减 。 因此 ， 需针 对煤 矿井 下无线 传输 特点 ， 研究 煤矿井 下 机器 人远 程无 线导航 控制 技术 。 随着 机器视 觉 、 激 光 测 距 、 雷达 测 距 和 测 速 、 人 工智能等技术的发展 ， 相关产品体积 、 质量 、 功耗和 成本的降低 ， 矿用机器人 自动导航控制已成为可能。 因此 ， 需研 制融 合 机器 视 觉 、 激 光 测距 、 雷 达测 距 和 测速 、 人工 智能 等 的矿 用 机 器人 与 救 灾 机器 人 自动 导航 控制技 术 。 5采空 区煤炭 自燃 监测预 警 煤炭 自燃不 但 会 引 起 矿 井 火灾 ， 产 生 C O 等 有 毒气体， 造成人员伤亡 ， 还会引爆瓦斯 。为监测采空 区火灾， 通常使用束管监测系统 ， 但束管监测系统存 在漏 气 、 堵 塞 、 地 面 分 析取 样 时 间 长 、 维 护 困难 等 问 题 。因此 ， 急需研 究 C O， C O ， C 。 H ， C H。 ， O 。 等 气 体遥测传感器和温度遥测传感器 。通过布置在采空 区密 闭外 的气体 遥 测传 感 器 和 温度 遥 测 传 感器 ， 实 时监测 采空 区气 体 和温 度 变 化 情况 ， 并 根据 预 警 模 型预警 。基 于气 体遥测 传感 器和 温度遥 测传 感器 的 火灾监测预警系统 ， 具有实时性强、 便于使用及维护 等优 点 。需 进一 步研究 用 于采空 区温度 监测 的一 次 性 无 线温度 传感 器 ； 还 需 进一 步 研 究 矿用 分 布 式 光 纤 测 温系统 采空 区光纤 布 置方法 等Ⅲ 3 ] 。 6 防煤炭 盗采 监测技 术 事故 调查 表 明 ， 超 层越 界 盗 采煤 炭 引 发 的死 亡 事故 ， 在 煤矿 事 故 中 占有 较 大 比例 。煤 炭盗 采 具 有 隐蔽性 强 、 发 现难 、 监管 难 等特点 。为及 时发 现和 监 管 煤炭 盗采 ， 一些 地 方 管 理部 门 向私 营小 煤 矿 派 驻 矿 人员 进行 监督 检 查 。但 由于 矿 主 收买 、 驻 矿 监 督 检 查人 员业 务能 力 和责 任 心 差 等原 因 ， 没 能 及 时 发 现 和遏 制盗 采 ， 进 而酿 成 死 亡事 故 。笔者 作 为 国 务 院煤矿 事故 调查 专家组 组长 参加 的煤矿 特别 重大 事 故 调查 中， 有 4起 是 超 层越 界 盗 采 煤 炭 引发 的特 别 重 大事 故 ① 2 0 0 7年 山 西 省 洪 洞 县 瑞 之 源 煤 业 有 限公 司 “ 1 2 5 ” 特 别 重 大 瓦 斯 爆 炸 事 故 ， 死 亡 1 0 5人； ② 2 0 0 8年山西省孝义市安信煤业有 限公司 “ 61 3 ” 特 别 重 大 炸 药 爆 炸 事 故 ， 死 亡 3 6人 ； ③ 2 0 0 8年河 北 省 张 家 口市 蔚 县 李 家 洼 煤 矿 新 井 “ 71 4 ” 特 别 重 大 炸 药 燃 烧 事 故 ， 死 亡 3 5人 ； ④ 2 0 0 9年河 南省 平顶 山市 新 华 区 四矿 “ 9 8 ” 特 别 重 大 瓦斯 爆 炸 事故 ， 死 亡 7 6人 。因 此 ， 急需 研 究 防 煤 炭盗 采监 测技术 ， 加 强监管 ， 遏 制盗采 事件 发生 。 7矿 用可见 光通 信 可 见光 通 信 是 以可 见 光作 为 信 息载 体 ， 不 使用 光纤等有线传输介质 ， 直接在空气中传输光信号的 通 信方 式 ， 其 数 据 传 输 速 率 高 达 1 Gb i t ／ s 。可 见 光 发 光二极 管 L E D具有 比荧 光 灯 和 白炽 灯 切 换 速度 快 的特 点 ， 是 可见光 通 信 的主要 光 源 。L E D可 见光 通信可利用 L E D显示屏 、 L E D照明设备、 L E D信号 灯 、 L E D 汽车前 尾 灯 等 ， 发 出 肉 眼观 察 不 到 的 高速 调制光波信号， 对信息进行调制和传输 ； 再使用光电 二 极管 等光 电转换 器 件 接 收光 载 波 信 号 ， 解 调后 获 取 信 息 。可 见 光 通 信 将 照 明 与 通 信 有 机 整 合 在 一 起 ， 已取得 了一些 研究 成果 。 煤矿 井 下无 阳光 ， 利 于可 见光通 信 。因此 ， 有必 要 跟踪 可见光 通 信 技术 ， 探讨 矿 用 可 见光 通 信 。矿 用 可见光 通信 具 有 如 下 特 点 ① 煤 矿井 下 无 阳光 ， 光 干扰小 ； ② 下井 人 员必 须 携 带 矿灯 ， L E D本 质 安 全 防爆矿 灯是 发展 方 向 ， 利 于 下井 人 员 可 见光 移 动 通信； ③ 胶轮车和 电机车等照明和信号灯、 信号机 将 向 L E D方 向发展 ， 利 于胶轮 车和 电机 车等可 见光 移 动通信 ； ④ 煤矿 井下 主要 巷道 和作 业 地点 必 须有 足 够 的照 明 煤 矿 安 全 规 程 第 4 7 3条 l g 】 。I E D 具 有安全 性好 、 效 率 高 、 节 能 、 抗 机 械 振 动性 能好 等 优 点 ， 是井 下 照 明 的发 展方 向 。这 便 于 建 立 可 见光 通 信基站 。 可见 光通 信是视 距通 信 ， 巷 道弯 曲 、 变 坡 、 分 支 ， 机 车 、 设备 、 通 风 设 施 和 人 员 遮 挡 等影 响 可 见 光 通 信 。可见 光通 信调 制 和 解调 电路 体 积 、 功耗 和成 本 等 ， 直 接影 响着 矿 用 可 见 光 通 信 的发 展 和 应 用 。 因 第 4 1卷 第 4 期 2 0 1 5 年 4月 工矿 自 动 化 I nd us t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n Vo 【 _ 4 1 NO ． 4 Ap r ． 2 O 1 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 4 0 0 0 5 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 0 2 闫广 ， 王 听 ， 纵 鑫 ， 等． 煤矿 分 布式 突水 监测 系统 设计 E J ] ． 工 矿 A动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 4 5 - 8 ． 煤矿分布式突水监测系统设计 闫广 。 ， 王 昕 ， 纵 鑫 ， 赵 端 1 ． 中国矿业 大 学 物联 网 感 知 矿 山 研 究 中心 ， 江 苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 中国矿 业大 学 信 息与 电气 工程 学 院 ，江苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 摘 要 针 对现 有 集 中式 煤矿 突水 监 测 系统人 员劳动 强度 大 、 数 据采 集效 率低 等 问题 ， 基 于 Z i g B e e 无 线 传 感 器 网络 架构 ， 开发 了分 布 式水 文与 围岩 应 力采 集 节点 、 路 由节点 和 汇 聚节 点 的硬 件 及软 件 ， 设计 了一 套 煤 矿 分布 式 突水监 测 系统 。该 系统 将矿 井水文 、 应 力监 测 集成在 统 一的 网络 中， 通过 上位机 对 采集 数据进 行 集 中处理 ， 可 实时在 线获取 矿 井水 文与 围岩 应 力的 动 态 变化 。测试 结果表 明 ， 该 系统监 测精 度较 高 。 关 键词 突水监 测 ；水文监 测 ； 应 力 监测 ；无线 传感 器 网络 ；采 集 节点 ； 路 由节点 ；汇 聚节 点 中图分类号 T D7 6 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 5 0 3 3 1 0 8 2 4 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 O 1 5 0 3 3 1 ． 0 8 2 4 ． 0 0 2 ． h t ml De s i gn o f di s t r i bu t e d wa t e r i nr u s h mo ni t o r i n g s y s t e m o f c o a l mi ne YAN Gu a ng 一， W ANG Xi n 一， ZONG Xi n 一， ZH AO Du a n ， 。 1． I nt e r ne t o f Thi n gs Pe r c e pt i on M i n e Re s e a r c h Ce nt e r，Chi n a Uni v e r s i t y o f M i n i ng a n d Te c hn ol o g y， Xuz hou 2 2 1 00 8，Chi n a；2． Sc h oo 1 o f I nf or ma t i o n a nd El e c t r i c a l En gi n e e r i n g，Chi n a Uni v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r pr o bl e ms o f h i gh l a b or i n t e ns i t y a nd l o w da t a c ol l e c t i o n e f f i c i e n c y e x i s t e d i n i n t e g r a t e d 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 0 3 ； 修 回 日期 2 o 1 5 0 1 3 0 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 “ 十二五” 国家科技支撑计划 资助项 目 2 0 1 2 B AH1 2 B 0 1 。 作者简介 同广 1 9 6 8 一 ， 男 ， 山东鱼 台人 ， 高级工程师 ， 博 士研究 生 ， 研究 方向为煤矿监 测监控技术 ， E ma i l y 6 8 g 1 6 3 ． c o rn。通信作 者 赵端 1 9 8 3 一 ， 男 ， 满族 ， 河北承德人 ， 助理研究员 ， 博士 ， 研究 方向为矿山物联网 、 无线电能传输技术 ， E - ma i l z h a o d u a n 1 0 2 7 1 6 3 ． c o rn。 此 ， 矿用 可 见光 通信 还 有许 多 问题需 要 研究 和解 决 。 8 结语 建设安全 、 绿色、 高效、 智能矿井 ， 需要研究智能 采 煤 、 智 能 运输 、 矿 用机 器视 觉 、 煤矿 大 数据 、 煤 矿物 联 网 、 矿 井 移动 通 信 网 络 、 矿 井 无 线 电安 全 、 矿 用 机 器 人与 救灾 机器 人 导 航 控 制 、 煤 矿 重 大 灾 害 监 测 报 警与预警 、 防煤 炭盗采监 测、 矿 用可见光 通信等技 术 。通过 煤矿 信 息化 、 自动化 和智 能化 ， 减 少煤 矿 井 下 作业 人 员 ， 减 少 事 故 发 生 ， 提 高 生 产 率 、 设 备 利 用 率和 资源 采 出率 ， 节 能减排 ， 既是 现代 化煤 矿 的发展 方 向 ， 也 是 煤 炭 安 全 、 绿 色 、 高 效 、 智