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矿山通信的安全及管理
2013-05-21
可靠的通信是提高矿山安全和生产效率极为重要的因素。虽然通信技术有了飞速的发展与完善,但目前为止还没有达到安全保险的程度。
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    可靠的通信是提高矿山安全和生产效率极为重要的因素。虽然通信技术有了飞速的发展与完善,但目前为止还没有达到安全保险的程度。

    有人曾经在加拿大北部的一个地下矿山无意中听到班长和井底司罐工之间的对话,通信方式是竖井电话系统,这是一种在班长办公室和每个竖井站上安装的广播。

    班长:“我在1 600水平,我要下到2 000……”

    司罐工:“好的,我来……”

    我们抛开对话中谨慎的托词后发现,班长的话落空了,他遇到一个不听话的司罐工,这个司罐工拒绝了班长的要求。司罐工控制罐笼可在任何时间到特定水平上去,这在他的职权范围之内。班长需要司罐工的帮助,司罐工大概相信广播对话可能会改变他自己偶尔无意听到情况在头脑里的反应,他选择了行使权力,拒绝了班长的请求。

    这种情况也说明矿山需要设计更有效的通信系统,不受任何的人为干扰。班长和司罐工都有他们自己要办的事,我们不怀疑他们的敬业精神,但是出现这种僵局会对矿山生产造成严重影响。假如是两个关系相处不好的人之间的简单对话,会利用通信漏洞采取相反观点,矿山在这个特定班里会处于比较危险的运行模式中。

    当然这已经是过去的事了。从那时起,每当涉及到通信时,通信双方都有许多需要和期待。现今的管理结构要依靠来自所有作业区的正常数据输入和可能输入到控制各种活动的系统中的信息,包括从风扇速度到絮凝剂添加以及人员与设备跟踪等。

    毋庸置疑,人员跟踪的推动力主要来自煤炭行业,就现在煤矿出现的事故来说,需要实时地掌握地下矿人员和设备的准确位置。另外,现有通信系统无论如何有效,如果在正常作业期间事故本身已造成了通信系统基础无法弥补的损坏,这种现有系统只能提供很小的帮助。因此,关键问题是通信系统在任何情况下都应当是有效的,特别是在紧急需要时,通信系统必须是坚不可摧的,确保通信电缆无刮伤损坏、中继器有电供应、各种硬件完好无损,从而保证通信畅通无阻。


提高对通信的了解

    “通信”包括的问题和要求范围很宽,从基本声音通话到传输满足实时控制机械移动、设备维护计划以及财会等各种不同要求的大量操作数据。如下图所示:

    通信网络有时包括少数几个办公室,有时会达到全世界。来自一个国家的机械数据能在另外一个国家的原设备制造厂进行分析,勘探队能根据来自遥远试验室的分析结果改编勘探计划。

    就一个单独矿山来说,必须提出的问题:此矿山需要通信网络做什么?一个小型矿山对通信的要求完全不同于像Kidd creak或Olympic Dam那样的大矿山。同样,作为房柱法开采的矿山和另一个深度从地表延深达1 000 m以上的矿山,按照基础设施的要求对通信有完全不同的挑战,露天矿和地下矿对通信也有完全不同的要求。

    再回到班长与司罐工的例子,早在20世纪90年代,通信技术已从“4+2个铃声下放,1个铃声往上提”逐步发展到在竖井井口附近和竖井站安装有永久性电话系统。能覆盖整个地下矿的通信系统一直以某种方式存在着,但是推广和应用进展缓慢。当技术成熟时,通信系统的采用就会加速。但这并不能说明得到了矿山的普遍接受。此后不到10年,美国前矿山局的James camley在报告中评论说,以泄漏馈线为基础的无线电系统推出不是没有问题。矿工把无线电看成管理他们的一种手段,对他们的控制更加严格了,他们自然有抵触情绪。然而,通信系统在矿山应用中仍有潜力可挖,例如对矿工使用无线电设备方面的培训不到位,矿工不了解轻便无线电话的成本,出现了错误使用的情况,导致通信系统的作用无法有效发挥,也加大了维护成本。而有些矿山在通信系统开始调整期间,则是将轻便无线电话只分派给部分矿工,使无线电成为矿山作业结构中的多用途信息处理机,矿工们把这看作是一种地位的象征,这样就大大地减少了无线电设备乱用的现象。由此可见,通信系统在全矿范围应用的早期,投资后的基本概念对大多数矿工来说,并不清楚通信系统的好处所在。


系统综合

    用于地下矿的无线电系统概念不像有些人想象的那样简单。20世纪80年代初,Harry Dobroski、Carry S和Larczyk在关于为地下矿开发研究中频无线电系统而准备的报告中就已经指出,这种系统概念早在20世纪40年代末南非就已经开发、研究,并在1973年研发成功了。这是先进且轻便的无线电系统,工作效果很好。然而,当美国矿山局评估在煤矿的应用时,却有很多理由说明这种通信系统不能用。其中之一是在煤矿使用这套系统,带电水平较高,易引发事故。几年前,M.D,Aldridge博士在分析煤矿通信系统时确认,有两种通用系统:不同形式的电话和载波无线电系统。载波无线电系统是利用地下矿电机车的架线作为互连电路。调度员利用载波无线电有效地控制轨道交通运输,而用电话系统作为声音通话的主要方法。

    普通电话系统的主要问题是由本质决定的,不灵活机动、系统需要电线、有固定的通信地点,这在地下矿设备高度的动态作业环境中限制了其实际价值。在通话之前,通话者必须走到电话机处。因此,长期以来人们希望为地下矿开发某种形式的无线网络,矿工能在移动中进行通话。

    这种愿望很快就实现了,最有意义的挑战就是创建地下矿可靠的无线电网络。1981年,美国矿山局的报告中得出的结论是,中频(MF)传输对所有金属/非金属地下矿的巷道中应用都是可行的,而且是最佳的,与现有巷道中的接线无关。这与仅限于较大横断面巷道矿山所应用的特高频(UHF)不同,UHF在小巷道里由于过大的折射和粗糙度(散射)造成的损失较大,而MF适合各种巷道中应用。

    MF通信能够有效地在流水线式的运输作业中应用,并能找到地下矿关键的监督人员和维护人员的位置。MF系统也能在采场作业区将要发生的安全事故提前报警。因此,在采场作业区安装永久电话线和固定通信,在经济上是不可行的。

    20世纪80年代初,人们的认识都集中在硬线电话系统上,对采用无线电话取代硬线电话的方案总是以各种理由拒绝。关于人员安全问题一直是人们注意的焦点,在当时发表的许多研究报告中对此也作了回应。

目前,人们关注的是地下矿通信系统的优点和缺点。就优点而言,现在的通信系统有能力警告有潜在危险的所有人员,并且通过个人位置器装置能快速安全地把每个人运送到地面。不足之处就是大多数的通信系统还不能战胜矿难事故扩展的速度,留下了易受攻击的人。虽然通信系统已有了较大改进,其优点也已获得普遍接受,但是仍然没有达到事故保险程度。


系统选择

    2009年,Can met发布了一份关于目前能够应用在地下矿的各种不同通信系统的研究报告,对通信系统研发浪潮的促进作用很显著。报告指出,根据2006年通过的矿工条例,美国要求各个煤矿都要安装通信和人员定位两种系统。该报告是在美国西弗吉尼亚州的健康安全和培训局帮助下起草的。事故通信和跟踪在西弗吉尼亚州的矿山上对不同系统进行了试验,并且开发出与地下矿通信技术有关的完整的报告和数据文库。

    在为加拿大魁北克省的Can met试验矿山准备的报告中,Pierre Laliberte以各自优、缺点列出了各种不同的通信系统。报告中也列出了13个矿业公司的调查结果,发现其对新通信技术的了解程度有相当大的差距。有些矿业公司明明知道这些新技术是可靠的,但也只是勉强接受采用。另一方面,大多数矿业公司对这个调查结果进行了民意测验,他们说对现有的通信技术要求已通过制造商满足了。

    Can met报告列出的通信技术包括:通过大地的甚低频(VLF/ULF);中频(MF);甚高频泄漏馈线;超高频泄漏馈线;分布式天线;接入无线互联网;网状网络;超宽带(UWB)。还有一些不包括本文讨论之列的其他方面,如人员和设备跟踪、防碰撞系统、遥控和远程操作等。

    由此可见,当矿业公司选择通信系统时,可供选择的系统很多。Can met报告也指出,用于某个矿山的专用系统是否合适取决于该矿山的总体布局和要求。例如,对声音通话、人员跟踪和数据传输等需求具体有哪些?何种水平的系统富余度比较合适?对于矿山的具体环境,采用哪种系统能够提供最好的服务?

    由于泄漏馈线技术的发展历史已有20多年,因此这项技术在地下矿山应用比较多。相反,跟踪和无线互联网接入(VOIP——互联网协议的声音通话)系统还没有对地下矿产生有意义的影响,只有少数矿山企业对这两项技术投资应用。

    但是,地下矿山对高科技通信系统越来越感兴趣了,数据光纤链路应用范围在不断扩大,例如在可编程序逻辑控制器(PLC)上已经应用了很长时间。当然存在得到的成效与成本之间的平衡问题。对现有矿山来说,要有理有据地说服决策者,用先进的新通信系统取代或改造现有系统。然而对新建地下矿山,在设计中采用新的通信系统就相对比较容易。

    在通信系统维护方面,泄漏馈线系统的修理相对比较容易。但是,高科技信息技术就比较复杂,需要技术水平较高的专业人员进行维护。尽管有如此问题,但仍可断言,这些新的通信技术将慢慢地深入到地下矿山并成为地下矿山的标准技术。


工业更新

    通信技术以正常的发展速度前进,令人稍感惊奇的是,用于矿山的通信系统发展速度比较迅速。按照Laliberte的说法,从他发表报告起,有好几家制造商与他接触,并且向他说明这些公司的产品和服务在过去几年里都已做了更新。

    Cap Rock通信公司是基于卫星的通信系统供应商之一,现在已由Harris公司以52 500万美元收购。Cap Rock能向全球矿山提供通信技术,全公司的网络、无线互联网接入、广播和实时数据与视频传输,可把矿山的勘探、生产和行政管理都链接在一起。Cap Rock以印度尼西亚的PT Arutmin和PT Kaltim煤矿为例,Cap Rock利用卫星技术把矿山的办公室、矿山生产和港口链接起来。

    就卫星通信所需要的硬件而言,2010年4月Inmarsat公司推出了最新手持式卫星电话(Satphone Pro),能提供较理想的全球覆盖、坚固耐用和可靠的网络链接,具有较高的声音质量、应用方便以及最长的蓄电池寿命——最高可达8 h谈话时间和100 h备用时间。以重工业应用理念进行设计,新电话有防尘暴和振动能力,可在-20℃〜55℃的温度范围内使用,键盘较大,用户戴着手套使用也很方便。

    矿山无线电系统(MRS)公司在过去25年间已在地下矿和隧道掘进中安装了400多套Flex com系统。Flex com利用泄漏馈线技术提供声音、视频和数据的同步传输。与此同时,Multicom产品也是以泄漏馈线网络为基础提供32个声音/数据通道和16个视频通道,进行实时信息存取,且能够与光纤结合提供更宽的带宽。

    光纤的数据传输能力和完整性比泄漏馈线有优势,但是对光缆强度和维护要采取相应措施。正如美国Amphemol光纤系统国际公司(AFSI)所指出的,光缆不受声音、光线以及矿山所用电气传动引起的各种形式电磁影响。光缆以太网可使操作人员采用Voip系统将地面和地下矿通信连接成一个系统,可设计增加备用光缆(黑色光纤),在发生事故时用于通信。

    AFSI矿山专用产品包括多通道光纤连接器和各种专用定制器件以及Kevlar强化的光缆成套件。这种成套件可以进行简单改动,或者需要时也可使之延长。连接器容易清洗,甚至在恶劣的地下矿山环境下也容易清洗干净。

    2009年,澳大利亚2个长壁采矿企业Metro-Politan矿和kestrel矿(由Rio Tinto所有),对Becker采矿系统公司提供的泄漏馈线/超高频无线电系统进行了试验,并对Becker无线电系统进行了正规鉴定。无线电能够直接进行人与人的对话,也能进行信息收发以及对事故进行报警。Becker采矿系统公司还提供面向安全的系统,例如防碰撞系统,这种系统由人和车辆所带的标识警告设备操作手,附近有人或车辆。标识可安装在人员的帽子灯或机械上,由机动设备上的天线检测标识信号,警告操作手。

    L-3通信公司以某种不同方式注视人员的位置,现已开发出Tru-Tracker系统取代移动目标上的标识,用一种固定的接收器确认并找到目标。该公司利用在整个矿山固定部位上长久安装的无线电频率识别标识网络,由矿工或设备上的接收/读出器装置接收并存贮标识信号数据,以正常间隔传送到地面控制终端,控制终端实时显示每个目标的位置。Tru-Tracker用超宽带系统克服阻碍现有窄带通信的表面反射和其他噪声的干扰。

    Tru-Tracker补全了L-3 Accolade无线网络矿山通信系统,并结合了个人无线电,通过固定网节和入口网节把个人无线电链接到地面控制中心上。Accolade起初目标对准煤矿,已和两个煤矿鉴定了安装这种系统的合同。但是,这种技术很可能向条件不同于煤矿的硬岩矿山转移,这是因为矿山对有效通信的需求是相同的。

    可靠的通信系统为矿山提供了便利,无论是相距遥远的勘探现场与总部之间,还是地下矿山的人与人之间,相互联系非常方便。这不仅使生产活动及时有效地进行信息传递,且提高了生产效率、保证了生产安全。矿山经营者必须做出明确矿山所需要的通信系统,和供应商提供满足要求的系统的实际成本,个别环境可能需要定制或对所提出的标准做适当的调整。

    良好的通信已成为21世纪的标志,它能够帮助改善矿工健康和安全、作业控制,并且为矿山企业获取更多效益。


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