金属非金属地下矿山监测监控系统的应用

金属非金属地下矿山开采面临着诸多复杂的安全风险，如瓦斯爆炸、顶板坍塌、透水事故以及粉尘危害等，这些隐患严重威胁着矿工的生命安全和矿山的正常生产运营。随着科技的不断进步，监测监控系统在地下矿山中的应用逐渐成为保障安全生产、实现高效管理的关键手段。

一、监测监控系统的技术特点

1.1 抗恶劣环境设计

感知设备需具备极强的环境适应性，以应对井下高粉尘、高湿度与振动等复杂工况。所有设备均达到 IP65 以上防护等级，可有效隔绝粉尘侵入；针对湿度控制，内部集成智能除湿模块，能在 ⩽95%RH 的高湿环境中稳定运行；在机械振动方面，采用高强度抗震支架与缓冲结构设计，确保设备在 ⩽10g 加速度冲击下正常工作。以气体传感器为例，其表面覆盖特制防尘透气膜，既保证气体分子有效渗透检测，又能防止粉尘颗粒堵塞检测元件，配合自清洁功能，可显著延长设备使用寿命。

1.2 多源数据融合

系统通过物联网协议实时采集环境参数（温湿度、气体浓度、风速）、设备运行状态（电机电流、设备温度、运行时长）及人员定位信息，利用边缘计算与云计算协同处理技术，实现数据的深度融合分析。以采场安全管理为例，系统可将实时监测的一氧化碳、硫化氢等气体浓度数据，与人员定位信息进行空间关联分析，当有害气体浓度超标时，自动生成风险热力图，精准锁定受影响区域，并推送撤离路线建议。通过该技术，系统风险研判的准确性大幅提升，误报率降低 25% 以上，同时支持多维度历史数据回溯，为安全决策提供数据支撑。

1.3 分布式与冗余设计

采用分布式架构设计，将数据采集、传输、处理分散至各节点，有效降低单节点负荷压力。关键传输节点（如主交换机、核心网关）部署双机热备机制，通过心跳检测与自动切换技术，确保故障时业务无缝迁移；传感器层面采用“一主一备”冗余部署策略，例如在重要采场同步安装两台顶板位移传感器，主传感器实时监测顶板变形数据，备用传感器处于热待机状态，一旦主传感器故障或数据异常，备用传感器立即接管监测任务。

二、监测监控系统的系统架构

2.1 感知层

部署各类传感器（如顶板位移传感器、水位传感器、气体传感器）和终端设备（人员定位卡、设备状态监测仪），实现对矿山环境、设备、人员的全方位感知。例如，在采场顶板安装激光位移计（测量精度±0.1mm ），在井下巷道布设一氧化碳传感器（检测范围 0-1000ppm ）。

2.2 传输层

通过井下工业以太网（光纤为主）、无线基站（适用于移动区域）构建通信网络，确保数据稳定传输。针对深部采场信号弱的问题，增设中继器或边缘计算节点，保障传输速率 ⩾100Mbps ，时延 ⩽50ms 。

2.3 应用层

由地面监控平台、人机交互终端组成，实现数据汇聚、分析、预警及可视化展示。平台具备数据存储（存储周期 ⩾1 年）、曲线分析（如顶板位移趋势图）、报警联动（如超标时自动触发声光报警）等功能。

三、系统核心监测功能与应用场景

3.1 环境安全监测

顶板与围岩监测：在采场、巷道顶板关键节点，通过锚杆应力传感器（监测范围 0-20MPa ，精度 ±0.1MPa ）和激光位移传感器（精度±0.1mm ）构建立体监测网络。系统每 5 分钟采集一次顶板下沉量（动态预警值 ≥5mm/d ）和围岩收敛值（预警值 ⩾3mm/d ），利用 AI 算法对历史数据进行趋势分析，预测变形发展趋势。数据传输至三维可视化平台后，生成包含应力云图、位移矢量图的动态模型，当监测值达到预警阈值的 80% 时，系统自动推送包含风险等级、处置建议的预警信息至管理人员手机端。例如，某铁矿在 2023 年通过该系统提前 3 天发现采场顶板累计位移达 12mm ，触发橙色预警，矿山立即启动应急响应，疏散作业人员并采用锚索加固技术，成功避免一起可能造成人员伤亡的垮落事故。

水情监测：井下积水区、排水沟、泵房入口等关键位置部署超声波水位传感器（测量范围 0-5m ，精度 ±1cm ）、电磁流量计（测量范围 0-100m ³/h，精度 ±0.5% ），地表汇水区安装翻斗式雨量计（分辨率 0.1mm ）。系统实时监测水位变化速率（预警阈值 ⩾0.5m/h ）、降雨量（24 小时 ⩾50mm ）及排水流量，当达到预警条件时，自动启动三级响应机制：一级响应联动水泵提升排水功率，二级响应关闭下游区域通道闸门，三级响应触发全矿紧急撤离信号。某石灰石矿在 2022 年雨季监测到地下水位2 小时内上涨 1.2m ，系统迅速启动排水设备并疏散人员，成功化解突水危机，避免了约80 万元的设备损毁损失。

气体与通风监测：在掘进面、采场、盲巷等易积聚有害气体区域，按 50 米间距布设多参数气体传感器（一氧化碳量程 0-1000ppm ，精度±1ppm ；硫化氢量程 0-100ppm ，精度 ±0.1ppm ；氧气量程 0-25% ，精度 ±0.1% ），通风机出风口安装超声波风速传感器（测量范围 0-20m/ s，精度 ±0.1m/s ）。当有害气体浓度超标或风速低于设计值的 80% 时，系统立即触发声光报警，自动将通风机功率提升至 1.5 倍，并通过定位系统锁定受影响区域人员位置，向其定位卡推送撤离路线指引。

3.2 设备与生产监测

关键设备状态监控：针对提升机、空压机、破碎机等核心设备，采用振动频谱分析仪（测量范围 0-1000Hz ，分辨率 0.1Hz ）和红外热成像仪（测温范围 ，精度 ±2% ）进行多维度监测。系统实时分析设备振动特征频率、温度场分布，结合故障诊断模型预测轴承磨损、齿轮啮合异常等潜在问题。例如，某矿山提升机主轴轴承温度持续上升至 85°C 时，平台自动生成故障诊断报告，建议立即停机检修，经检查发现轴承润滑失效，避免了因轴系损坏导致的重大停产事故。

生产流程监测：在采场出矿口、运输皮带沿线部署低照度红外摄像头（最低照度 0.001Lux）和高精度电子皮带秤（计量精度 ±0.5% ），结合 AI 图像识别技术自动统计矿车装载量、皮带跑偏情况。平台实时生成生产进度看板，动态展示日产量、设备利用率、运输效率等核心指标，并通过数据挖掘算法分析各工序瓶颈，为生产调度提供优化建议。

3.3 人员定位与应急监测

精准定位与轨迹追踪：井下人员统一佩戴UWB 定位卡（定位精度⩽3m ，更新频率 1 次 / 秒），系统支持三维地图实时显示人员位置、行动轨迹及班组信息。通过自定义电子围栏功能，可对采空区、未支护巷道等危险区域设置禁入边界，当人员越界时，定位卡立即震动报警，同时系统向安全管理人员推送越界人员信息及位置坐标。此外，系统自动生成人员考勤报表、井下滞留时长统计等数据，为安全管理提供数据支撑。

应急通讯与搜救：集成 IP 广播系统和 VoIP 语音通话功能，支持全矿广播、分区呼叫、点对点通话等多种模式。事故发生时，管理人员可通过平台一键发送撤离指令，语音信息同步推送至定位卡语音模块。系统结合定位数据生成人员分布热力图，利用路径规划算法计算最佳救援路线，并通过AR 技术将被困人员位置叠加显示在巷道实景图上。

结语：

金属非金属地下矿山监测监控系统通过全方位感知、智能化分析、快速化响应，构建了矿山安全的“智慧防线”。尽管存在传感器适应性、数据应用等问题，但通过运维优化、网络升级、智能赋能，可显著提升系统效能。

参考文献：

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