云煤矿井爆破系统技术方案

一、指导思想

一）“本质安全，不安全就不能爆破”原则，深入结合煤矿爆破数量不断减少，专业人员不断流失，管理难度越来越大，要求越来越高等现状，采用云技术大数据物联网和人工智能技术，按照“本质安全，不安去就不能爆破”的原理，采用自动检测自动控制的方法，自动执行《煤矿安全规程》、《民爆物品管理条例》、《爆破安全规程》等的法律法规，杜绝爆破过程中违法违规操作、操作失误等现象，杜绝爆破事故，杜绝民爆物品的流失盗窃。
二）采用最新的信息技术成果，实现数据自动采集，自动控制，尽量避免人为干预。
二）充分利用已有系统，实现数据共享的原则
充分利用现有的“煤矿安全监控系统”、“人员定位系统”、“工业环网”等硬件软件设备，实现数据共享。
二、系统基本结构
云煤矿爆破系统由云主机+雾主机+现场采集与控制设备组成，系统并与现有的安全监控系统、人员定位系统、工业环网进行连接和数据交换。
云主机，采用阿里云系统。
雾主机，为工控机，放到地面调度或者管理部门。
现场采集与控制设备为云起爆器、云虹膜仪、收云手持终端、定位器、传输分站、四位一体传感器、风速传感器等。

三、基本功能

对爆破过程中的“不安全因素”进行自动实时监控，监控对象包括人员误入警戒区域、起爆安全距离、瞎炮/哑炮预防、警戒人员不到位、瓦斯超限、煤尘超限、三人连锁、雷管丢失盗失、私藏等不安全环境因素，达到有违法违规的就自动闭锁，不能起爆，实现“本质安全”。
具体功能可以概括为“全程监控，十二不爆，五个不准”具体如下：
“全程监控”，就是从发放雷管炸药开始监控，装药过程、起爆过程、最终到清退完成的全程监控。全程监控数据采集采用自动采集技术，最大限度避免人为因素影响，发现违章，自动闭锁，想违章都不行。
一)爆破作业管控，“十二不爆”
1.   起爆位置不对，就自动闭锁，不能放炮；
2.   不进行三(五)人连锁，就自动闭锁，不能放炮；
3.   有人在危险区域，就不能放炮；
4.   警戒人员不到位，就不能放炮；
5.   瓦斯超限，就不能放炮； 
6.   煤尘浓度超限，就不能放炮；
7.   网络电阻超限可能有瞎炮，就不能放炮；
8.   风量不足，就不能放炮；
9.   喷雾设施没有打开，就不能放炮；
10. 没有停电，就不能放炮；
11. 爆破数量、型号、号码与领用不一致，就自动闭锁，不能爆破。
12. 清退数量与领用数量和爆破使用数量不一致，就自动报警，自动闭锁，不准再领药。
二）库管发放管控，五个不准
1.   不准空班空岗，出现空班空岗自动报警。
2.   不准丢失盗失，库存数与领用退数不符，自动报警。
3.   不准非批准人员进入炸药库，否则自动报警。炸药库虹膜闭锁门，非库管人员不能开门。视频监控人员，外人进入自动报警。
4.   不准环境（温度湿度瓦斯二氧化碳风速）超限，出现异常自动报警。
5.   不准出现温度超标，烟雾超标，超限自动启动降温防火系统，自动喷洒液态二氧化碳降温或者灭火。

四、基本功能实现的原理与途径

一）“十二不爆”实现的技术路线：
1.      起爆位置不对，就不能放炮。
通过云起爆器和起爆位置定位器（FFB5）综合作用实现的（它们之间的无线通讯设定为5米之内），使用时按照煤矿安全规程设定好安全起爆位置，在放炮安全起爆位置处设定一台安全距离定位器，云起爆器只有收到设定的定位器发出的信号时，才能启动进入工作状态，否则，自动闭锁。

2.不进行三人（多人）连锁，就不能放炮。

确保放炮时，责任人必须到现场完成自己的职责。
通过虹膜识技术和三人连锁卡射频技术实现，如三人联锁中其中一人离开放炮监控周边一定距离，系统将自动闭锁，不能放炮。
此虹膜技术能够准备无误的采集传输人员信息，靠近设备，并按照设备的语音提示观看一下镜头，就完成识别过程，下传给云起爆器机，实现三人联锁放炮。该虹膜仪与原来比实现了微型化，手持式，低功耗，重量轻，无线通讯。

 
3.有人在放炮危险区域，就不能放炮。
 
 就是放炮时，首先监测放炮区域（警戒区域）是否有人，有人系统就自动闭锁，不能放炮。
是否有人的信息的判断方法：通过安装在放炮警戒区域外口的人员定位器来完成控制，有人员在危险区域，就终止作业，不能放炮。
4．警戒人员没有到位，就不能放炮；
 警戒人员是否到位的检测是通过安装在放炮警戒点的人员定位器、或者虹膜识别仪检测警戒人员携带的人员定位卡或者虹膜实现的。

6.       瓦斯超限，就不能放炮。

瓦斯检测值从两个方面获得：
一个是现场悬挂的无线瓦斯传感器获得，无线瓦斯传感器由放炮员随身携带，也可以悬挂在现场可能有瓦斯超限的地方，该传感器采用无线传输的方式将瓦斯数据传输到系统中； 另一个就是从矿现有安全监控系统获取瓦斯数据。
7.       网络电阻不合格（可能有瞎炮），就不能放炮。

瞎炮处理是放炮过程的一个很大安全隐患，瞎炮处理非常容易造成人员伤亡事故。智能放炮监控系统，可以提前预测是否可能产生瞎炮，以便于提前采取措施，预防瞎炮的产生，实现本质安全。 坚决杜绝因双绞线接线不牢、不标准而引起的落炮，从而有效的杜绝瞎炮、哑炮。这种不合格状态有三种情况：
  一是，数值超标，就不能放炮；
  二是，数值虽然不超标，但是一直在波动，就不能放炮；
  三是，数值虽然不超标，但是一直在升高，就不能放炮。
7.煤尘浓度超限，就不能放炮。
当煤尘浓度超限时，系统自动闭锁不能放炮。煤尘浓度数据来源与安全监控系统的粉尘传感器。
8.喷雾设施没有打开，就不能放炮。
放炮之前必须喷雾降尘。系统起爆前，检测爆破区域的喷雾装置的开关喷雾情况，不喷雾就自动闭锁，不能进行下一步操作。
9.工作地点没有切断动力电，就不能放炮。
    通过接收工作地点的供电继电器的是否供电的信号，系统可以实现供电时，发爆器闭锁，不能放炮。
10.工作地点风量不足，就不能放炮。
风速风量数据来源于安全监控系统中，爆破地点的风速风量数据。
11.爆破数量、型号、号码与领用不一致，就自动闭锁，不能爆破。
装药时，录入雷管数据，自动与发放的比对，有异常自动报警，自动闭锁。
12.清退数量与领用数量和爆破使用数量不一致，就自动报警，自动闭锁，不准再领药。
清退时，系统自动将领用数量、型号、编号与起爆用的数据和清退数据进行分析，发现不一致，就报警，闭锁领用人。
二）库管发放管控，五不准
1.   不准空班空岗，出现空班空岗自动报警。
  通过视频检测人员数量和脸谱识别实现对炸药库管人员人数和人员监控。
2.   不准丢失盗失，库存数与领用退数不符，自动报警。
系统每班都自动汇总分析入库+出库+清退数量，不闭合就自动报警。
3.   不准非批准人员进入炸药库，否则自动报警。炸药库们采用虹膜闭锁门，非库管人员不能开门。库内管理，视频监控人员，外人进入自动报警。
4.   不准瓦斯二氧化碳风速等超限，出现异常自动报警。
5.   不准出现温度超标，烟雾超标，超限自动启动降温防火系统，自动喷洒液态二氧化碳降温或者灭火。
 

四）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100SAVAS台以上。
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/IP,采用信号线缆或者光纤通讯系统误码率：≤10^-8。
4.   云起爆器与安全位置标识器之间的最大无线通讯距离3-5 m。
5.   供电：井下设备采用本安电源供电，远程供电距离不小于1 km。
6.   系统存储性能：有关记录在地面云中心站保存半一年。
7.   软件画面响应时间：调出整幅画面85%的响应时间≤2 s，其余画面≤5 s。
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）
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。

五）主要设备技术参数

1.云起爆器

 
  实现爆破的“云管控，十不爆”

每一步操作，都要与云进行通讯、上报数据，等待批准，不合格时，报警，终止作业。
起爆能力强、智能化。可以用于地面、金属矿山井下、煤矿井下等有爆炸性气体环境。
 
①      防爆型式:矿用隔爆兼本质安全型
②     防爆标志：Exd[ib]I
③     引爆能力（发）： 200
④     脉冲电压峰值(V): 3000
⑤     允许最大负载电阻： 1220 Ω（镍铬桥丝2米铁脚线工业瞬发电雷管）
⑥     电源: 3节3.7V聚合物锂离子电池（型号：873445M，容量：1300mAh）
⑦     控制模块额定工作电压：DC 3.7V
⑧     一节电池的最高开路电压：≤ DC 4.2V
⑨     一节电池的最大短路电流：≤ 3A
⑩     放炮部分额定工作电压：DC 7.4V（两节873445M型，1300mAh电池串联）
⑪   两节电池的最高开路电压：≤ DC 8.0V
⑫   两节电池的最大短路电流：≤ 6A
⑬   本安参数： 语音口 开路电压：DC≤4.2 V；短路电流≤10mA
⑭   通讯口 开路电压：DC≤10 V；短路电流≤20mA
⑮   外接电缆长度: ≤300m;分布电感: ≤1mH/km;分布电容: ≤0.1μF/km
⑯   引燃冲量（A².ms）:≥8.7且 ≤12.0
⑰   供电时间(ms):≤4
⑱   充电时间(S):≤20
⑲   外形尺寸:214*158*53mm
⑳   重量:2.6kg
21     可设置多人连锁；
22     自动存储放炮数据；
23     计算机对其进行参数设置；
24     执行企业标准编号：GB7958-2000、Q/LDSD01-2018
25     使用环境条件：环境温度为-20～+40OC，相对湿度≤95%（25°C）,大气压力80～110 kPa,瓦斯浓度<1%.
2、云虹膜仪（云虹膜三人连锁仪）
用于：
签到
接收“三（类）人连锁”
爆破“五（类）人连锁”
清退“四（类）人连锁”
可靠性最高（99.999999%），不能作弊（指纹、脸谱都不能替代）。
 
采用虹膜识别技术，能够准备无误的采集传输人员信息，通信无线传输下传给放炮终端机，实现三人连锁放炮。
            
使用时，首先将全部参加三（四）人连锁的人员信息在地面录入，到井下工作时，只要靠近设备，并按照设备的语音提示观看一下镜头，就完成识别过程，速度快，准确率高。
⑴   接    口：WiFi无线通信；
⑵ 工作温度：-20℃--60℃
⑶ 使用方式：便携式
⑷ 眼睛角度：俯仰旋转≤45
⑸ 注册时间：双目≤3s
⑹ 操作提示：语音向导光学引导
⑺ 识别时间：双目＜1s(戴眼镜<3s)
⑻ 工作距离：250---350mm
⑼ 工作电压：DC+5V---DC+12V
⑽ 峰值电流：≤400mA
⑾ 环境光强：0---5000Lux
⑿ 采集图像：1536×2048
⒀ 认证方式：双目单眼
⒁ 精 确 度：FAR＜0.0000001%
FRR＜0.1%   
戴眼镜FRR＜1%
    ⒂ 照明方式:红外照明符合ANSI/IEC60825-1安全标准
⒃ 虹膜特征数据存储容量: 1,2000个虹膜特征数据
⒄ 符合标准:国际标准ISO/IEC19794-6:2005

 3.无线瓦斯传感器 

无线瓦斯传感器是专门为放炮监控系统设计，目的就是解决放炮地点瓦斯数据的检测，以及与放炮监控系统的自动闭锁难题。现有的安全监控系统的瓦斯传感器，由于不能靠近放炮迎头安装，以避免炮蹦威胁，这样就造成放炮时，放炮地点的瓦斯浓度可能超限，系统监测不到。无线瓦斯传感器由放炮员携带并挂到放炮地点，放炮员放炮时将其带到放炮终端附近，这是无线瓦斯传感器的监测数据自动传输给放炮终端，实现对放炮系统的自动闭锁，从而有效的避免瓦斯超限的放炮事故。
该设备除可以甲烷超限报警，时间显示等功能外，还可以把采集的甲烷数据实时无线上传给地面—实现移动瓦斯监控系统功能，可存储采集记录500条。
a）供电电源：可充电锂电池；
b）开路电压：4.2V；
c）无线传输方式：2.4G；
d）通讯波特率：1Mbps;
e）无线最大发送功率：0dBm;
a）无线传输最大距离：20米；

4.放炮区域控制器  

主要
放炮区域控制器主要由信息采集处理模块、传输模块、后备电源、嵌入式软件组成。
功能就是双向通讯---一方面将接收到的人员信息、云起爆器信息、放炮操作信息传到地面；另一方面将地面的指令传到云起爆器，再一个功能就是给安全距离定位器供电。一个放炮区域控制器最多可以连接8个放炮监控器。
放炮区域控制器与放炮监控器之间采用CAN总线通讯，距离最大可以达到10千米。放炮区域控制器与放炮监控数据传输装置的信号传输可以采用CAN总线方式，也可以直接接光端机，采用光缆通讯的方式，也可以直接接因特网交换机。
放炮区域控制器内存容量为5000条记录。
放炮区域控制器需要布置在安全环境好的巷道或者硐室为宜。每个放炮区域控制器需要一个矿用本安电源供电（不间断的供电不小于2小时），由此保证放炮区域控制器在断电等特殊情况下的连续工作。
技术参数
a）具有数据接口的双向通讯功能；
b）具有与放炮监控器的通讯功能，并进行数据处理。
 c）具有数据校验功能。
d）支持模拟CAN总线与CAN总线功能。支持WiFi无线通讯。
主要参数
a） 供电电源：    DC 18V
b） 安全型式：    矿用本质安全型    ExibI
2.放炮区域控制器与传输装置的数据传输
a）传输方式：WiFi、CAN、单极性；
b）最大传输距离：CAN 10Km（电缆型号：MHYVR1×2×7/0.52）.WIFI100m
3.放炮区域控制器与无线收发模块间的数据传输
a）通信路数：可编程多路；
b）传输方式：即收即发、单向、CAN、单极性；
c）传输速率：2.4GHz；
d）最大传输距离：20m（电缆型号：MHYVR  1×4×7/0.52）
e）传输信号电压幅值：1 V～5 V
f）传输信号电流幅值：≤ 20 mA

5.安全距离定位器                                                  
 

     功耗
      a）额定工作电压：DC18V                                                                     
      b）工作电流：≤ 100 mA
与控制器的通讯
      a）传输路数：1路
      b）传输方式：主从式、半双工、CAN；
      c）传输速率：5000bps
      d）最大传输距离：10Km（电缆型号：MHYVR1×4×7/0.52）    
      e）通讯信号工作电压幅值：1V～5V
      f）通讯信号工作电流幅值：≤ 30 mA

6.三人连锁卡  KJ225-K

主要技术参数
1. 供电电源
a）额定工作电压：3V（由锂电池供电）
b）工作电流：≤ 2mA
2. 电池参数
a）型号：CR2450，一次性锂离子纽扣电池（生产厂家：常州市锂霸电池有限公司）
b）开路电压：≤ 3.5 V
c）短路电流：≤ 1.2 A
3. 无线信号传输
a）传输方式：GFSK
b）传输频率：2.4±0.08GHz
c）发射场强： 0dBm
d）最大传输距离:30m
4. 最大编码容量：16777216个。
5.外形尺寸：73mm×44mm×27mm
7、云测震仪
测震数据实时无线上传，实时报警，控制下一次违规爆破。
 

 
 
8、云数据采集终端（可以采用、手机、平板电脑APD、专业手机等）
用于安全评估、现场录像、其他数据采集。实现数据实时传输到云、并实时接收指令。
       
井下采井用本质安全型，地面工作的三防手机，其他普通手机