摘要：矿产资源在国民经济发展中占据着非常重要的地位，但是矿山采矿工程中也存在较多安全隐患，比如可能发生高空坠落、坍塌、爆炸、有害气体泄漏等等，一旦安全防范措施安排不当就会引发安全事故。近些年随着网络化、数字化、信息化技术的发展与应用，智慧矿山建设受到国家与社会的关注，通过智慧化安全监测系统可以对矿山采矿工程的各项数据进行实时监测并对数据特征进行统计分析，从而保障矿山开采的安全。

　　关键词：矿山；采矿；安全监测

　　近年来，我国矿山采矿行业正逐步向着智慧化升级，国家在智慧矿山系统建设方面加强政策引导，鼓励矿山企业建立智慧化安防监测系统，对矿山采矿工程的现场工况进行实时监测，并在出现问题时能够追溯查询。随着5G网络建设与普及，矿山企业的智慧化安防监测系统得到快速发展，大数据技术、物联网技术、高清监控、传感器等均运用到安防系统中，采矿现场在管理者眼中一览无余，工作人员不需要到采矿现场就可以实时掌握最新动态。

　　1矿山智慧安防监测系统的主要构成

　　1.1网络系统

　　矿山采矿环境复杂，视频监测点比较多，因此对于网络系统的要求比较高，矿山企业应保证网络系统更加地可靠、稳定、快捷。在建设矿山网络时一般会将办公网络、工控网络和监控网络分开，近些年网络技术不断升级，矿山企业逐步完成了5G网络和万兆光纤网络的改造，数据信息通过网络传输至监控中心。为保证监测网络的安全可靠运行，在建设中采用物理方式与办公网络、工控网络进行隔绝。在视频监控系统中视频解码器对于网络的要求比较高，需要采用大带宽的链路聚合技术，这样可以保证视频影像传输的可靠性，同时也能增强矿山网络线路的冗余功能，避免数据传输过程中出现图像延迟、卡顿问题。

　　1.2监控系统

　　国家强制要求矿山企业必须建立和完善安全避险六大系统，监测监控正是六大系统中的关键部分。监测监控系统的作用主要表现在两个方面，即“测”与“控”。“测”是指对矿山采矿工程中各种环境安全、设备工况、过程控制等参数进行实时监测；“控”则是指根据实时监测获取的各项参数对采矿工程中安全装置、报警装置、生产系统等进行控制。当监测到的数据超出了设定的范围时就会发送报警信号，控制系统就会发送断电、闭锁等相应的指令。智慧化安全监测系统监控的对象主要是采矿工程中的关键地点、有害区域、提升系统等事故发生率较高的区域，一般会安装在调度室、矿用提升绞车房、井下、采矿现场入口、采矿区车场等位置。为确保智能监控系统安全稳定运行，前端用于采集信号的枪机或球机应具备耐高温、耐高温、耐腐蚀等性能，因此外壳的防护级别一般会按照IP67设计，并且还需要加装防尘刷和雨刷，以免烟尘、雾气影响到监控效果。

　　1.3存储系统

　　智能化监控系统随时都会产生大量数据信息，必须保证存储系统的可靠性。在矿山监测系统中采用分布式的存储集中管理系统，在矿山开采区域内建立多个独立的存储系统，在中心区域建立集中存储系统，同时利用云技术启用云数据库，支持监测数据上传到云端。存储系统用来存储矿山安全监控系统监测到的各项数据、影像资料等，可用于矿山安全事件的查看与回溯。由于矿山地形复杂，在实际应用中一般会按照安全管理的要求对不同的监控区域设定不同的安全等级，选用的监控摄像机和存储设备也不相同，常见摄像与存储设备质量要求见表1。

　　根据安全管理的要求，矿山企业安全监控数据应保存30天以上，通常使用8TB监控SATA3硬盘，存储容量按照单通道24h/d进行计算。

　　2智慧化安全监测的具体应用

　　2.1采矿工程现场通风监测

　　在矿山采矿工程中有毒有害气体较多，常见的主要有CO、CO2、NO、SO、H2、S、CH4等，目前常采用固定式监测的方法，要求在监控区域内布设多个监测监控点，对有毒有害气体的浓度进行24h不间断监测。在矿山井下采矿现场的进、回风巷附近以及独头掘进巷道安装具有自动报警功能的传感装置，对有毒有害气体进行监测。通常会安装风速传感器、风压传感器及风机开停传感器等，安装的位置一般距离回风出口5m~10m范围内，主要监测风速、风压、风机的启停及运转状态等。

　　2.2矿山关键设备的安全监测

　　矿山开采的方式主要分为露天采矿、地下采矿和露天联合采矿，采矿设备种类较多，主要有采掘、钻孔、掘进、风机、水泵、提升系统等，在安装布设安全监测设备时应保证能够实时监控到机械设备的运行状态，当出现紧急情况时及时触发自动报警装置发出声光报警信号，自动化控制系统会对报警信号进行分析处理。

　　例如矿山排水自动化监控系统的应用，极大提高了井下水泵房运行的稳定性与可靠性。该自动化监控系统中运用了自动化控制技术、计算机技术、网络技术与信息技术等，对泵房中各设备进行实时监测，自动化控制水泵机组的启停，当机组发生故障时不需要人工进行处理，依靠自动化管控方案进行控制。煤矿排水自动化监控系统的作用主要表现在三个方面：

　　一是控制。自动化控制系统实时监测水仓水位的高低，结合用电峰谷的时间段分配对水泵的运行进行控制，发送启停指令。

　　二是监视。工作人员可以通过控制箱上指示灯了解设备的实时运行状态，也可以通过监控系统及时获取设备的工作状态和运行数据，保证排水系统的安全、可靠、稳定运行。

　　三是保护。在井下排水自动化控制系统中设定了一系列的保护措施，当系统监测到流量值低于设定的范围，就会启动流量保护装置，控制水泵及关闭相应的闸阀，同时启动备用水泵；当系统监测到水泵出现过载、低电压等故障时启动保护程序；当系统监测到水仓水位过低时启动保护程序。

　　自动化监控系统的运用可以对水泵、风机等机械设备进行实时监测，合理控制设备的运行状态，随着自动化水平的提高系统中数据的传输与处理更加智慧化，工作人员可以直观、形象的实时掌握机械设备的运行状态，逐步实现自动化、无人化操作，提高了矿山开采的安全性，降低了企业运营成本。

　　2.3岩移沉降的监测

　　地表变形沉降在矿山采矿工程中比较常见，大都是受到地质构造应力、矿体埋藏、岩石的力学性能以及采矿技术等因素的影响。针对地表变形沉降的监测主要采用大地测量法、物理传感器法、GPS监测技术等。大地测量是比较传统的方法，测量过程会受到各种外界因素的影响，测量周期也不确定，与现代测量方法相比存在较多不足。物理传感器法是在需要监测的位置安装位移传感器、应变计和倾斜仪等仪器，可以实现长期自动化监测，能够及时了解岩移沉降情况，但也存在一定缺陷，无法对岩体的整体情况进行监测，在局部区域监测中效果较好。GPS监测技术更加先进，可以精准地对监测区域进行三维定位，精准度较高，在需要监测的区域内设置多个监测点，监测点获取的数据会通过无线网络传输发送至控制中心的数据库中进行分析储存。GPS监测技术的优点是分辨率非常高，监测过程不会受到天气因素的影响，可连续不间断工作，实现三维数字化测量。

　　针对井下岩移沉降的测量一般使用液压式钻孔应力计和位移计，配合数据记录仪，对矿井中矿柱、巷道的应力变化与位移变化进行实时监测，井下监测系统长期运行，按照设定好的程序对各监测点的应力变化、位移等做好监测，监测数据经网络传输到监控主机的数据库，供工作人员分析处理，工作人员通过数据的变化情况可以确定井下岩体的位移、沉降变化情况，对异常情况提前制定预案，确保采矿安全。

　　2.4采矿人员的疲劳监测

　　矿山采矿安全事故中有很大部分是因为采矿人员个人行为引起的，其中疲劳是一个极为重要的原因。目前疲劳监测技术主要应用于机动车驾驶与航空运输领域中，在智慧矿山建设中也可以引入疲劳监测技术，将心率监测器、脉搏传感器等电子设备安装在采矿工人的手套、工作服等防护装备上，用来监测采矿工人的健康状态，在进入采矿区域的位置以及工作区域内安装人眼监测设备，或者使用具有人眼监测功能的专用眼镜，通过对采矿工人眼球运动的检测确定其疲劳状态，避免工人因疲劳而引发安全事故。疲劳监测主要由感知层、计算层和判断层三部分组成，见图1。

　　3 5G通信技术在安全监测中的应用

　　智慧化监测系统的应用与发展离不开网络技术的支持，井下作业人员、环境与设备实现万物互联的应用场景，就必须完善井下高速通信网络建设。随着矿山关键设备的升级改造，对矿山数据需求的增加，大数据技术、云计算技术、物联网技术、虚拟现实技术等逐步在智慧矿山中得到应用，5G通信网络成为紧密连接相关技术与应用场景的关键技术。总得来说，5G通信网络在矿产行业智慧化发展中主要包括三大应用场景：全矿井安全监测、增强现实和虚拟现实、混合现实，这三大应用场景基本将井下通信网络需求全部涵盖其中。

　　3.1全矿井安全监测

　　在矿山采矿工程中井下安全监测是难点，以前的网络技术与感知设备无法保证全矿井安全监测信息感知的泛在性，尤其是一些危险区域成为安全监测的盲区，比如，对采空区的环境监测一直无法得到有效解决。在矿井硐室中安装有各种设备、机器，存放着各种材料和工具，还有矿井巷道，这些区域都需要做好安全监测，按照要求应布置大量监测设备，受到环境因素影响对传输网络的要求比较高，既要保证传输的速率，还要保证数据传输的实时性。5G网络技术在这方面优势显著，具有低功耗、高速率传输的特点，网络时延可以控制在10ms以内，连接数密度达到了106/km2，解决了以前全矿井安全监测信息采集的难题。在5G网络下可以实现对井下环境监测、采矿设备监测、仪表仪器监测、工作人员体征监测、通风系统监测、排水系统监测，矿井下大规模的感知节点均实现互联互通，结合云计算技术、大数据技术和人工智能技术完成对监控系统采集数据的分析与处理。

　　3.2增强现实与虚拟现实

　　增强现实(VR)与虚拟现实(AR)技术已经在矿山采矿工程中得到推广与应用，除了用来模拟井下环境、开采环境、展示教学外，在综采监测监控、远程设备维修工作面设备作业规划与控制等方面都有着不俗的表现。利用VR与AR技术可以建立矿山模型，利用激光测距仪等专业设备与仪器采集井下各监测区域的点云数据建立3D数字模型，通过在监测区域布设的传感器实时采集环境参数和机械运转情况，将数据引入数字模型，这样可以实现24h不间断实时监测矿山井下各项数据的动态变化情况。5G通信技术具有低时延、高带宽的优势，完全可以满足矿山井下海量数据快速传输的需求，有利于及时采矿工程数据的更新与调整。3.3混合现实

　　混合现实(MR)技术是增强现实(VR)技术在矿山采矿工程应用中的深度延伸，将矿山采矿工程现实场景中的信息引入到虚拟环境中，建立虚拟矿山场景，利用5G网络技术、物联网技术与现实矿山场景、采矿现场工作人员建立互通的信息通道，准确模拟采矿现场的场景信息，实时更新数据，对矿山采矿现场的安全生产进行实时监测。

　　4矿山安全监测系统常见问题

　　4.1监测系统问题

　　在矿山采矿工程中监测监控系统有时会出现误报的问题，而引起误报的原因有很多：一是系统程序问题，在数据传输过程中产生了错误代码；二是受到外界磁场的干扰，比如附近有大功率的电子设备，产生的强磁场影响到了数据传输质量；三是供电系统故障，导致监测用传感器断电；四是线缆故障，数据传输线路发生短路引起监测监控系统误报；五是传感器存在缺陷，比如正常使用的传感器进水、损坏等，都会影响数据采集与传输质量；六是监控系统中的通讯模块、接线盒等发生故障，都会引起监测监控误报。

　　4.2雷击引发故障

　　在进入夏季后雷雨天气也会给矿山智慧监测系统带来威胁，遭遇雷击后易引发故障。夏季一般高温高湿天气居多，监测设备的绝缘能力、线缆的屏蔽能力都会出现不同程度地下降，数据传输可能会受到影响，导致信号不稳定。如果系统遭受雷击也有可能造成通讯中断，导致数据在传输过程中出现丢失、损坏的情况，监测监控系统难以发挥作用。通过对以往雷电灾害案例的分析不难发现，导致监测监控系统遭遇雷击的主要原因是系统中部分元器件防雷能力差，虽然整个系统采取了接地处理，并且使用了屏蔽线缆，但由于雷电能量巨大，依然会对监测监控系统中的设备造成严重破坏，引发系统故障，最终导致整个系统处理瘫痪状态，如果遇到井下有可燃气体时还会引发爆炸，危害巨大。

　　5矿山安全监测系统优化策略

　　5.1优化监测系统

　　结合矿山采矿工程生产工作的实际情况合理选择确定监测监控设备的规格、型号，将设备使用过程中出现的误码故障与研发机构、生产企业共享，以促进监测监控设备完善漏洞、技术升级，提高设备的工作传输能力；针对电磁干扰问题，可以在相应的区域加装屏蔽装置，对监测监控设备起到保护作用，保证监测电缆屏蔽层接地良好；监测监控系统应采用独立电源，可以提高系统的稳定性；做好监测监控系统的维护管理，定期更新系统，做好传感器的养护管理；加强对工作人员的技能培养，工作中严格遵照相关规定，避免人为因素影响监测监控系统的稳定运行。5.2避免系统雷击

　　在矿山地面监测监控中心站外安装雷电防护装置，以防止雷电直接对中心站造成破坏，可以有效预防直击雷、雷电感应、雷电波侵入、雷电磁脉冲等雷电灾害，目前雷电防护装置的应用非常普遍，大大降低夏季雷击造成系统损坏的概率。但是在安装雷电防护装置时需要考虑到不能影响到监测监控系统数据信息的正常传输。由于雷电防护装置具备较强的雷电防护能力，因此只要电路参数设计合理，矿山地下监测监控中心站的安全就会得到较大保障，雷电防护装置是一种简单、高效、安全地应对夏季雷电灾害的方法。

　　6结语

　　在矿山采矿工程中如果发生安全事故将会造成无法挽回的损失，严重时造成人员伤亡，因此矿山企业应采取有效措施避免矿山采矿工程安全事故的发生，而智慧化安全监测系统正是保障矿山安全生产的关键。智慧化安全监测系统的具体应用表现在很多方面，本文主要介绍了采矿工程现场通风监测、矿山关键设备的安全监测、岩移沉降的监测以及采矿人员的疲劳监测，5G通信网络在矿山智慧化安全监测系统中的应用。结合监测系统中经常出现的问题提出了优化策略，提高了矿山采矿工程的安全性。