0 引言

目前，爆破采掘方式广泛存在矿山开采、隧道开掘、地下暗挖中，爆破事故却也随之频繁发生。爆破事故的发生不仅影响矿企单位的正常生产，而且严重威胁作业人员的安全与健康。对爆破事故的预防与控制，现有的研究及对策重点加强在爆破作业中的管理工作却忽视爆破作业技术应用与实践^[1,2]。没有爆破监控技术的广泛的应用与实践上的提高，爆破管理水平的提升也就无从谈起。由于爆破事故多在爆破作业时发生，因而在爆破采掘作业中引入爆破监控系统，利用工程技术手段配合爆破作业安全管理对预防爆破事故的发生、减少人员伤亡有重要的意义^[3]。
爆破作业中监控系统在煤矿生产、在金属矿山及隧道开挖等领域都有应用。如李伟忠^[4]研究了爆破监控系统的实现目标及整体构架及在煤矿安全管理中的应用；尹卫兵^[5]从减少爆破伤亡事故的角度，提出通过在煤矿引入爆破智能监测监控系统；刘一山^[6]等研究了爆破智能管理系统工作原理及特点，阐述了其在煤矿爆破中的应用情况及效果。陶刘群^[7]提出“智能爆破”，将物联网技术引入爆破器材智能管理、爆破现场智能监测管理和爆破振动智能监测与分析应用系统，并取得了一定的效果。韩新平^[8]等从物联网的角度研究露天矿智能爆破系统设计进行了研究，重点介绍了露天矿智能爆破的总体架构、核心内容、关键技术。高文学^[9]等将地质超前预报、爆破振动监测以及可视化监控融合的隧道掘进综合信息智能监控系统，确保复杂围岩地质条件下隧道施工安全。
以上关于爆破作业监控系统的研究多针对煤矿爆破作业生产而设计，对金属矿山等非煤矿生产实际不能完全适用；对爆破监控系统的设计依据缺乏理论上的分析与说明；爆破监控系统往往是从整个矿山的爆破监控角度去研究，虽然研究内容相对较全面，但对爆破现场作业尤其爆破监控的方面不够详细。本文从事故致因理论及安全人机工程学的角度分析爆破监控系统组建的理论依据，进行爆破系统功能设计，构建了爆破监控系统。通过提高爆破作业中监控技术手段，配合现场爆破作业安全管理工作，在山东黄金归来庄金矿东挂邦采场进行了试验，获得了良好的应用效果。

1 系统设计原理

爆破监控系统的功能设计需要以爆破事故致因理论为依据。事故致因理论阐明事故为什么会发生，事故是怎么发生的，以及如何防止事故发生，从本质上解释了事故发生的机理^[10]。它为爆破监控系统设计提供理论指导，同时也能为系统设计提供充分的信息和依据，提高针对性，减少盲目性。通过对大量金属矿山爆破事故的分析与统计，根据爆破事故采场环境因素、爆破作业性质及班组组织管理等因素的影响作用，提出了爆破事故连锁理论模型。

图1爆破事故致因连锁模型
Fig. 1  Model of blasting accident cause-chase
爆破事故连锁理论模型可见：阻止爆破事故的发生，就是要切断其事故链。在现场爆破作业过程中，消除不安全行为的发展和防止“接触”是预防爆破伤亡事故发生的关键。爆破监控系统的设计可从这两个方面入手：一方面利用爆破设备纠正、识别不安全的爆破行为，消除人为失误；另一方面通过引入“爆破闭锁”防止人员与危险区域的“接触”，而阻止爆破伤亡事故的发生。
爆破监控系统设计尤其是爆破监控设备的设计还需要考虑人机工程学的知识。人机环工程学是研究如何使机械设备、工作环境适应人的心理、生理特征，使人员操作简便、准确、失误少、效率高，达到人-机-环境的最佳匹配的学科^[11]。从事故致因的角度，机械设备、工作环境不符合人工工程学的要求可能是引起人失误、导致事故的原因。因此，利用人机工程学的基本原理，可以提高工效、减少工作疲劳和误操作，增加工作的舒适感和安全性等，对预防和避免职业病和伤亡事故的发生有重要的意义^[12]。
爆破监控系统中的人机界面交互设计主要有设备的显示设计和设备的操作设计。爆破监控系统设备必须具有显示功能，设备的显示器是向作业人员传达其运行状况信息或者信号的，主要通过传达视觉和听觉信息。视觉信息的传递如发爆器的显示屏，声光警示器LED点阵显示设计。显示器的设计要符合人的视觉特性，遵循准确、简单、一致及排列合理的原则。听觉信息的传达装置包括音响及报警装置和语音传达装置，音响和报警的设计要做到：（1）人员在其音响信号的接受范围内并且按照其规定的方式作出反应；（2）音响信号必须易于识别，如报警信号频率在500-600Hz之间；（3）能够引起人的注意，对于重要的信号报警，最好可以与光信号同时作用，组成视听双重报警信号。而语言传示设计要注意以下几个方面：（1）语言的清晰度，研究发现语言的清晰度达到75%以上时才能正确得传示信息；（2）语言的强度，研究表明语言强度在60-80dB之间时，人的主观感受最满意；（3）考虑噪声对语言的传示影响，噪声的存在会影响语言的传示效果，研究发现当噪声声压级大于40dB时，噪声对语言有掩蔽作用，从而影响语言的传达效果。
爆破监控系统设备的操作设计应该具有操作方便、省力、安全的特点，同时符合作业人员的操作习惯。如发爆器的充电与点炮开关的操作与显示要恰当合理；操作方向选择逆时针方向；开关操作的驱动力要结合操作的准确度和速度、操作的感觉及操作的平滑度等因素；此外，还要考虑设备误操作的设计。
爆破监控系统设备的设计还需要考虑机-环境适应性问题。爆破监控设备应具备稳定性、环境适应性及本质安全性等。采场爆破环境具有热湿大、通风差、照明不良、噪声大、振动多等特点，爆破设备必须具有一定的稳定性才能保证在恶劣的采场环境中正常运行；设备的设计应该与采场的环境特点相适应。设备设计本身要考虑本质安全的问题，防止设备故障、失灵状态下设备导致危险情况的出现。

2 爆破监控系统的组建

2.1 系统组建

在实现系统功能和满足安全的基础上，对设备的选购、组装、改进及调试形成了如下的爆破监控系统。爆破监控系统主要有软件系统和硬件系统两大部分构成。软件系统主要有爆破监控系统平台，包括爆破在线监测系统、炮烟监测与分析系统、爆破数据管理系统及SQL数据库等；硬件系统主要包括监控主机（与终端管理机合并）、参数测定仪、气体传感器、安全距离标识器、人员连锁仪、爆破人员监视器、声光警示仪、智能发爆器、传输分站等组成。

图2 爆破监控系统的组建图
Fig.2  Structure picture of blasting monitoring system

2.2 相关硬件设备介绍

1. 智能发爆器
智能发爆器主要用于井下爆破中引发雷管，是爆破监控系统的核心设备。智能发爆器按照国家标准生产，适用于温度范围为-10～＋40℃、相对湿度为≤95%（＋25℃时）、爆炸性气体或粉尘混合物且振动作业环境中，同时加入无线射频模块，实现身份定位与数据无线通信功能。智能发爆器具有发爆限制功能，“爆破控制”由上位机控制爆破，通过爆破安全状态识别后，上位机才能发出爆破指令；智能发爆器具有信息管理功能，发爆器记录并保存所在井下巷道、爆破地点、爆破时间、爆破人员等信息；智能发爆器内置大容量可充电电池，可以连续使用15小时；智能发爆器内置无线发射器，可以其他设备之间进行无线通信和上传数据；智能发爆器的操作符合工人的操作习惯，表面设置了液晶显示屏幕能显示设备运行状态并提示用户操作信息，能更好的完成爆破作业。除此之外，智能发爆器还可以通过串口来进行内部参数设置：1）设置控制字选项是对发爆器爆破流程进行设置的选项，如“背光”选项决定发爆器背光是否点亮；“爆破区”选项决定爆破时是否检测爆破地点；“语音确认”选项决定爆破时是否进行语音识别；“母线确认”选项决定是否进行母线测量；“人员确认”选项决定是否进行人员确认；“爆破控制”选项决定是否由上位机控制爆破；2）发爆器时间读取设置选项对发爆器内部时钟进行设置；3）对爆破参数进行设置，如语音识别阈值，AD采样频率，电阻误差值，允许最大电阻网络电阻值，允许爆破职位索引，发爆器通信地址等。
2.人员连锁仪
人员连锁仪内置无线射频收发模块，把串口数据格式化后，以无线形式即时转发给智能发爆器。人员连锁仪的核心技术是虹膜识别的生物技术，是通过利用虹膜终身不变性和差异性的特点完成识别身份。虹膜识别技术具有唯一性高、稳定性高、抗欺骗性强、可采集性强等特点，通过结合一定的算法，将其应用到爆破监控系统中，可以实现爆破员、警戒员、班组长与爆破监控系统的“绑定”，杜绝了爆破作业中的串岗、换岗、替岗的混乱现象。人员连锁仪进行身份识别时，辨识速度快，还有灯光和语音提示，可以配合人员进行有效地通过识别。
3.无线接收器
无线接收器的作用是检测爆破危险区域是否有人员存在，实现爆破危险区的警戒。无线接收器具有自检、工作状态显示功能等。其内置无线射频收发模块，检测人员识别卡发射的射频信号并发送给智能发爆器。
4.安全距离标示器
安全距离表示器有的作用体现在确定安全区域，同时承接智能发爆器与上位机的通讯
内置的LED显示设备收发通信状态；内置的无线通讯模块实现与发爆器之间的数据交换：①读取发爆器数据：重复上传+直接上传；②读取发爆器状态（是否需要上位机给指令爆破）；③允许发爆器爆破/不允许发爆器爆破。
5.声光警示仪
声光警示仪可在复杂矿井环境中使用，其作用是在爆破过程中提供在线语音播报功能，更好地保证爆破作业中信息的传递表达。声光警示仪内置外围语音数字合成模块，配合LED点阵显示屏。无线通讯芯片可以实现与智能发爆器的无线通讯，显示爆破进程并进行语音播报。语言信号提示报警响度不小于85dB，光信号采用LED汉字在黑暗中可见距离不小于20m。
6.传输分站
传输分站是在微处理器控制下，向无线接收器接发送射频信号，送到主电路板经微处理器处理后通过井下信号传输电缆及双向数据接口传到地面主机，由地面主机进行数据处理，完成井下人员定位、爆破监控等工作。传输分站采用箱体结构，安装方便，可以适应井下的严酷环境。传输分站具有数据双向通讯、断电数据保护、数据存储等功能，能与无线接收器通讯并进行数据处理。
7.气体传感器
气体传感器包括CO传感器、CO₂传感器、NO₂传感器等，主要作用是监测爆破采场环境中的有毒有害气体的浓度，保证采场环境的安全。气体传感器具有防爆功能，采用内置电池或者外部供电方式。内置无线模块，监测数据与传输分站实现无线交换，并上传至地面管理系统数据库。爆破监控系统中的气体传感器的类型及技术指标如下表1所示。
表1气体传感器及技术参数介绍
Table 1  Introduction of gas sensors and technical parameters

3 系统功能设计与实现

爆破监控系统的基本功能设计是炸药起爆，即能够与相应的导爆管、雷管及炸药进行匹配，实现炸药的“点燃”。在爆破监控设备考虑人机安全工程设计消除不安全因素前提下，更重要的功能设计目的是考虑预防和避免爆破伤亡事故的发生。由爆破事故链模型分析可知，爆破过程中的人的不安全行是导致爆破伤亡事故发生的重要原因。因此，控制爆破人员的不安全行为是预防爆破事故发生的主要途径。矿山爆破事故伤亡产生的方式包括：爆破飞石、振动、冲击波等与作业人员物理性伤亡、炮烟中毒窒息导致的化学性伤亡、爆破引起的冒顶片帮、透水等灾害造成的伤亡。爆破伤亡的本质都是由于人接触到了超过人体阈值的“能量”，因而切断人员与危险“能量”的接触是避免伤亡发生的关键。基于对作业人员人不安全行为的控制和避免“接触”，使得爆破监控系统的功能设计更有针对性和理论依据。

3.1 爆破闭锁功能设计与应用

爆破闭锁功能主要是针对爆破作业中人员出现的不符合安全要求的“三违”行为及不安全爆破条件，爆破监控系统可以自动识别纠正，并通过智能发爆器功能“闭锁”，停止进一步的爆破动作。爆破监控系统通过设计爆破的安全距离保护，切断爆破中的人员与危险因素的“接触”而实现爆破作业的安全进行。爆破闭锁功能包括：（1）爆破危险区域内有人，爆破闭锁；（2）警戒人员不到位，爆破闭锁；（3）人员不连锁，爆破闭锁；（4）安全起爆位置不对，爆破闭锁；（5）起爆时间不对，爆破闭锁；（6）实现爆破作业全过程的监控。
以爆破闭锁功能中的（1）为例，具体说明爆破监控系统的工作原理。当装药工序完成后将要爆破时，爆破监控系统会自动巡检爆破危险区域是否有人。采场巷道中安装有两个无线接收器，分别安装在掘进采面（①号无线接收器）和爆破警戒线（②号无线接收器）。当人员越过警戒线进入爆破危险区域时或者爆破采面有人时，②号无线接收器会接收到人员携带的人员识别卡发出的无线信号，无线接收器会将人员的地点信息发送到传输分站，传输分站将信息上传至地面的上位机，上位机进行逻辑判断之后，发出指令至传输分站，传输分站再将指令发送给智能发爆器，发爆器的显示屏上会同步显示“危险区域有人不能进行爆破”的提示字样。同时，声光警示仪发出语音提示和闪光字样。智能发爆器闭锁，爆破作业中止。
如果爆破危险区域没有人员，则上位机会发送“爆破”指令，发爆器可以进行充电爆破。爆破监控系统中其他的功能，都是通过类似的信息传递及反馈的方式，在识别判断的基础上实现爆破闭锁功能的。如下图3所示。

图3 爆破闭锁功能的工作原理流程图
Fig.3  Flow picture of working principle of blasting locking function

3.2 炮烟监测与分析功能

炮烟中毒事故占爆破事故比例的28.3%，为了预防炮烟中毒事故的发生，必须重视对爆破后炮烟的监测与预警。炮烟监测与分析系统包括炮烟在线监测平台、通风时间预测、爆炸化学效果分析等方面。
炮烟在线监测平台主要是通过气体传感器对爆破作业环境中的有毒气体进行采集处理，到地面中心软件平台实时显示其浓度值，同时通过对监测数据的进行绘图，形象描绘CO浓度-时间变化趋势，更好监测爆破后CO的情况以地指导后续出渣工作。
通风时间预测是在对炮烟采集与监测的基础上，为了对爆破作业合理安排提供更好的指导而提出的。由于通风时间是受多种因素复合作用的，在对炮烟监测与数据收集的基础上，运用MATLAB中的BP网络工具箱对通风时间进行训练学习，以获得较好的预测模型，为以后的通风时间预测预报提供依据。
爆破化学效果分析是通过对爆破后炸药的化学产物生成量与理论生成量进行对比分析，判断爆破后炸药的反应程度，为识别是否出现残炮、哑炮等异常危险情况提供参考资料。

4 系统功能应用及效果

4.1系统爆破及闭锁功能

爆破监控系统应用是将爆破监控系统的设计功能通过调试、改进等方式能在现场作业中得到很好的使用。在山东黄金归来庄金矿东挂邦采场对爆破监控系统的起爆功能、爆破闭锁功能、炮烟监测与分析功能进行现场试验与应用并获得了成功。针对归来金矿使用的导爆管引爆，对爆破监控系统的起爆功能进行了微调，通过多次现场试验，能够进行爆破。对爆破闭锁功能的现场测试，分别针对爆破闭锁功能几种情况进行了模拟试验，当出现不符合情况的出现时，爆破功能自动闭锁，并通过实际的爆破作业获得验证成功。

图(a) 发爆器起爆功能调试试验 Fig.(a)  Blasting function adjustment test of exploder

图（b）人员撤离警戒区域的闭锁功能试验 Fig.(b)  Locking function test of worker’s evacuation

图4 爆破监控系统功能现场试验
Fig. 4  Field tests of blasting monitoring system

4.2炮烟监测与分析功能

1.     炮烟监测功能
CO在线监测功能通过CO传感器对CO浓度进行监测，并将数据传送至SQL数据库，进行处理与分析。地面监控软件平台对巷道中CO浓度的进行同步显示与监测，如图所示。同时，CO在线监测功能显示爆破后CO时间-浓度趋势线，由CO监测曲线确定采场环境中CO达到安全浓度后再发出复产通知，如图5所示。

图(a) 爆破作业面气体在线显示 Fig.(a)  On-line display of gases on working place

图(b) 炮烟中CO浓度-时间趋势图 Fig.(b)  Concentration-time trend picture of CO in blasting-fume

图5爆破监控系统炮烟监测功能应用图
Fig. 5  Application pictures of blasting-fume monitoring of blasting monitoring system
2.     通风时间预测功能
确定采场通风时间可以为掘进循环作业进度安排提供参考价值。由于采场掘进通风时间是受多种因素影响且各个因素之间有很强的非线性关系，通过BP神经网络可以获得较好的预测效果。选择炸药量M、炮眼数目N、风筒到掘进面的距离L₀、监测点到掘进面的距离L_P、风筒风量Q、风流温度T₀、巷道温度T、巷道相对湿度φ 8个输入因素量，通过现场炮烟试验，获取相关的参数数据，运用MATLAB中BP工具箱对通风时间进行学习计算，获得预测精度较好的模型。
表2 通风时间的相关实验参数
Table 2  Relevant experimental parameters of fume-drain time

图6 BP网络模型训练结果
Fig.6  Training result of BP network model
另取5组样本数据带入训练后的网络模型进行验证，得到网络训练后的通风时间预测值，与通风时间实际值之间相对误差小于7%，取得较好的预测精度。如下表3所示。
表3 BP网络训练后的通风时间及误差
Table 3  Fume-drain time trained by BP network and errors

3.     爆破化学效果分析功能
爆炸化学效果分析主要是通过爆炸产生的CO质量来分析炸药爆炸的完全程度，为判断爆破后是否存在残炮、哑炮的存在提供一定的依据，为爆破安全作业提供理论上的指导。
对爆破后CO监测，并计算8组采场巷道中CO通量的质量与炸药产生的CO理论质量，相关数据汇总至下表所示。
表4 理论生成CO质量与实际产生CO质量
Table 4  Theoretical mass values of CO and actual mass value of CO

对CO理论、实际值进行对比分析可得出：（1）第3、5、8组中，实际产生的CO量和理论产生的CO量相差不大，考虑计算误差，由此推出炸药基本完全爆破，产物中生产的有毒有害气体少且与理论值相差不大；（2）第4、6组中，实际产生的CO量明显大于理论产生的CO的量，炸药完全爆炸，但产生的CO较多说明爆炸反应不充分；（3）第1、2、7组中，实际产生的CO量明显小于理论产生的CO量，推出炸药未完全爆破，可能存在残存未爆的炸药，这种情况下产生的有毒有害气体比于理论值要明显小。
   爆破化学效果分析及分类识别引入炮烟监测与分析系统中，在对数据收集与分析的基础上，可对爆破作业后炸药爆破化学效果进行分类识别，以指导爆破后续工序的安全进行。

图(a) CO参数计算结果 Fig.(a)  Calculation results of parameters of CO

图(b) 爆破化学效果分析结果 Fig.(b)  Analytical result of the chemical effect

图7 爆破监控系统爆破化学效果功能应用图
Fig. 7  Application picture of blasting chemical effect function of blasting monitoring system.

5 结论

（1）从事故致因的角度，提出的爆破事故的事故因果链模型，依据爆破事故模型的分析，提出通过控制爆破作业人员的不安全行为，切断人员与危险因素的“接触”提供预防爆破事故和避免伤亡发生的对策，为爆破监控系统的组建与功能设计提供了理论指导；运用安全人机工程学的知识，对爆破作业条件不安全因素进行了分析并为爆破监控设备的设计提供了理论指导与参考依据。
（2）组建了爆破监控系统，对爆破监控系统设备进行了功能介绍；从事故预防及避免伤亡的角度，避免爆破作业不规范引起爆破伤亡事故，设计了爆破闭锁功能；为了避免炮烟中毒事故，设计爆破监测与分析功能，对炮烟中有毒气体进行实时监测与预警，对排演时间进行预测，爆破化学反应效果进行分析与评价。
（3）在山东黄金归来庄金矿东挂邦采场进行爆破监控系统起爆功能、爆破闭锁功能、炮烟监测与分析功能进行现场调试与运行并获得了成功。爆破监控系统的现场应用效果良好，极大方便爆破安全监管工作的开展，有效地避免爆破伤亡事故的发生。

参考文献

[1] 武强, 王珊珊. 矿山爆炸灾害及其安全措施[J]. 采矿技术. 2009, 9(3): 108-110.
[1] Wu qiang, Wang Shanshan. Blasting disasters in mine and its safe measurement [J]. Mining Technology. 2009, 9(3): 108-110.
[2]王文才, 张世明, 周连春. 大型露天金属矿爆破的事故树分析[J]. 金属矿山. 2010, 406(4): 163-166.
[2]Wang Wencai, Zhang Shiming, Zhou Lianchun. Fault tree analysis on blasting operations at large-scale open metal mines[J]. Metal Mine. 2010, 406(4): 163-166.
[3]尚立汉. 爆破事故的预防技术措施综述[J]. 太原城市职业技术学院学报. 2009,95(6): 121-122.
[3] Shang Lihan. Comprehensive statement of prevention technology on blasting accident [J]. Journal of Taiyuan Occupational Technology College. 2009, 95(6): 121-122.
[4]李伟忠. 智能爆破监控系统方案的设计与实践[C]. 煤矿综合自动化与机电技术. 2012: 84-87.
[4]Li Weizhong. Practice and design of plan of intelligent blasting monitoring system[C]. Comprehensive automation and electromechanical technology. 2012: 84-87.
[5] 尹卫兵. 监测监控系统在煤矿爆破中的应用[C].第23届煤矿自动化与信息化学术会议. 2011: 35-48.
[5]Yin Jubing. Application of monitoring and controlling system in coal mine blasting [C]. 23^th Seminar Conference on Automation and Information in Coal Mine. 201: 35-48.
[6] 刘一山, 罗勇, 高继贤. 煤矿安全智能监控系统的设计和实现[J]. 煤炭工程. 2009, 8: 17-19.
[6]Liu Yishan, Luo Yong, Gao Jixian. Design and realization of safety intelligent monitoring system in coal mine [J]. Coal Engineering. 2009, 8: 17-19.
[7] 陶刘群, 汪旭光. 基于物联网技术的智能爆破初步研究[J]. 有色金属(矿山部分), 2012, 64(6): 59-63.
[7]Tao Liuqun, Wang Xuguang. WANG XUGUANG. Preliminary study of intelligent blasting based on the things of Internet [J]. Nonferrous Metals(mining section),2012, 64(6): 59-63.
[8] 韩新平, 吴崇, 王明君. 基于物联网的露天矿智能爆破系统设计研究[J]. 金属矿山, 2015, 466(6): 250-254.
[8] Han Xinping, Wu Chong, Wang Mingjun. Design of Intelligent Blasting System in Open Pit Mine Based on Internet of Things [J]. Metal mine, 2015, 466(6): 250-254.
[9]高文学, 侯炳晖, 孙西蒙. 隧道掘进综合信息智能监控系统研究[J]. 岩土力学, 2012, 33(S2): 408-412.
[9] GAO Wenxue, HOU Binghui, SUN Ximeng. Research on comprehensive information intelligent monitoring system for tunnel excavation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33(S2): 408-412.
[10] 陈宝智. 安全原理[M]. 冶金工业出版社. 2002.
[10] Chen Baozhi. Safety Principal[M]. Metallurgical Industry Press. 2002.
[11] 王保国, 王新泉, 刘淑艳. 安全人机工程学[M]. 机械工业出版社. 2007.
[11]Wang Baoguo, Wang Xinquan, Liu Shuyan [M]. Safety Ergonomics. China Machine Press. 2007.
[12] 杨宏刚, 赵江平, 郭进平. 人-机系统事故预防理论研究[J]. 中国安全科学学报, 2009, 19(2): 21-27.
[12]Yang Hongguang, Zhao Jiangping, Guo Jinping. Research on accident prevention theory in man-machine system[J]. China Safety Society Journal. 2009, 19(2): 21-27.
 
注：该论文发表于2018年11月26至27日，由中国工程院化工、冶金与材料工程学部和中国爆破行业协会共同组织的“中国爆破智能化发展论坛”。