基于風險預控的礦山安全監控系統研究

陳 寧,陸愈實

(中國地質大學(武漢) 工程學院，湖北 武漢 430074)

隨著礦山開采強度的增加和開采環境的漸趨惡劣，各種安全事故和隱患也呈現出多樣性和不確定性，加大了安全管理的難度，對傳統的“亡羊補牢”式的安全管理模式提出了新的挑戰。為了提高礦山安全管理手段，提升安全管理的技術水平，必須建立一套礦山安全管理的自動化信息系統，它集安全監測、監控和生產信息管理、安全監督管理于一體，對礦山采掘、提升、地壓、通風、排水、采空區、尾礦庫等重點區域可能存在的風險進行實時的動態監控，形成數字礦山的管理模式。數字礦山的建立融合了安全仿真、三維建模、電子通訊、自動化、計算機等技術，地表信息管理系統、各生產環節子系統、井下環境監控子系統及監測預警與調度指揮等系統通過工業以太網和自動化平臺軟件整合、實現風險管控的一體化。

本文以風險預控為系統建立的出發點，力爭從源頭遏制事故的發生，變“事后管理”為“事前預控”，對礦山生產或生活中存在的危險源進行辨識、風險評價、危險源監測、風險預警，建立全面系統的自動化監控系統，從而防止事故的發生，不斷更新管理經驗、修正管理漏洞、優化管理質量，實現礦山企業的長效安全。

1 風險預控管理

1.1 風險預控管理的內涵

基于風險預控的煤礦安全管理是一種過程管理，其理論基礎是海因里希的“冰山理論”[1]。海因利希統計研究了事故發生頻率與事故后果嚴重度之間的關系，提出了1∶29∶300法則，又稱海因利希法則，也是大家日常所講的冰山原理。這一法則分析了事故所造成的人身傷害程度與事故發生次數之間的關系，揭示了事故發生的規律性，其中1代表傷亡事故，29代表輕傷障礙，300代表未遂和異常，即嚴重人身傷害的事故次數總是遠少于輕微傷害事故次數，輕微傷害事故次數又遠少于無傷害事故(即未遂事故或稱事件)次數。“冰山理論”顯示，事故就像浮在水面上的冰山，一個嚴重事故暴露出來，必定有大量的不安全隱患掩蓋其下。抓安全生產猶如破解“冰山理論”，控制事故首先應控制安全風險、未遂事故。如果把水面下的不安全風險排除掉，事故自然就少了。

對危險源的識別、日常監測監控、預控中心對信息的處理、風險控制的措施制定以及對風險控制措施的評審和實施這五個部分，構成了礦山風險預控管理的全過程。在事故發生前，對可能導致危險的危險源進行識別，判斷危險源產生危險的概率和風險大小，對危險源進行實時監測、預控和預警的同時，積極削弱和消除危險源，避免礦山事故的發生。同時礦山風險預控管理也是一種閉環管理模式，通過對煤礦安全管理的漏洞進行全程跟蹤和及時修補，以及根據生產子系統采取不同的管控措施，對危險源進行實時預警，若發現問題，在最短時間內有效切斷事故因果鏈，降低煤炭生產安全的風險，從源頭上根除重大安全事故發生。

1.2 風險預控的過程

礦山風險預控管理是要在礦山動態儲量管理、資源評價、采礦生產設計、采掘生產計劃、礦山建設與改擴建等安全生命周期中，對存在的危險源和安全風險進行預先的甄別、評價分析，繼而采取有效措施，消除、減少、控制風險。對危險源進行監測、監控和預警，最后減弱或消除危險源，杜絕事故發生。礦山安全風險預控的過程是一種閉環的管理[2](圖1)，是通過循環往復的不斷修補安全管理的漏洞以及人的不安全行為、物的不安全狀態，從而實現礦山生產的長效安全。不同的礦山風險預控過程可以根據其特點靈活變動，但通常可以包括以下五個部分：

1.2.1 危險源識別

危險源覆蓋礦山生產的全過程，是能量、危險物質集中的核心，也是導致事故發生的起因。危險源識別是礦山安全風險預控的前提和基礎，危險源是否得到全面、準確、有效的識別直接關系到風險管控的成效。因此，必須在礦山生產過程的各個環節、所有生產活動區域和設施的各個方面進行危險源的識別和全面控制，并要求全員參與，綜合運用檢查(SCL)、危險可操作性研究(HAZOP)、事件樹(ETA)、事故樹(FTA)等技術方法準確、全面的掌握生產系統中存在的各種危險源。

圖1 礦山安全風險預控管理過程圖

1.2.2 生產過程監控

生產過程監控主要包括日常檢查和自動化網絡監測兩部分。日常檢查是由礦山生產的各個環節部門配合安全檢查部門完成，主要是不定期的對日常生產活動進行全面檢查，判別危險源是否出現及是否產生新的危險源，根據企業相關規定和對策庫資料，采取相應措施遏制事故產生，并將采取的措施和過程上報風險總控中心，形成對策庫和管理文件，為安全管理工作提供支持。

網絡監測主要是指通過在井下安裝監測系統，對井下瓦斯，CO等有害氣體的變化；對機電設備狀態、井下人員跟蹤定位與機車位置；對人的不安全行為，如對“三違”等問題；對重點工作區域、地壓、通風、排水、溫度、尾礦庫等重大危險源進行實時監測、分析與預警， 達到事前預防，提前控制。

1.2.3 總控中心信息處理

總控中心是礦山風險預控的核心部門，它負責風險預控工作的中長期規劃和日常管理工作及控制措施的執行，是受企業最高管理層的直接領導。總控中心的人員配備主要包括：企業主要領導，負責風險預控日常管理的技術骨干；負責執行風險控制措施的基層領導及技術人員；負責安全技術保障的總工程師；負責安全監督監察的安全管理人員。

總控中心工作人員通過對收集的檢查、監測信息，采取相應的措施消除或者降低危害，對沒有解決的危害和新出現的危險源進行安全分析和評價，目前，用于不同特點、適用條件和應用范圍的風險分析預測方法很多，按其特性可分為定性分析和定量預測。預測分析常用方法具體有：安全檢查表、事故樹分析、事件樹分析、危險度評價法、危險預分析、故障類型和影響分析、模糊數學綜合評價法、火災、爆炸危險指數評價法、單元危害指數快速排序法。

通常我們將違反國家法律法規和技術規范的及有明確操作規程要求的視為不可容忍，將多次反復出現的事故視為不可容忍，危及人員、設備安全導致停產的視為不可容忍。根據企業制定的風險等級標準，對不可容忍的風險及時預警并采取風險控制措施，對可容忍的風險繼續日常檢查、監測。

1.2.4 制定風險控制措施

經過總控中心認定為不可容忍的風險，應該進行系統的綜合分析，找出原因，對癥下藥，以消除危害、降低風險為根本出發點，制定控制措施的規劃方案，并召集安全管理技術人員或者聘請專家進行可行性論證以確定其風險，科學劃分安全等級，例如影響企業繼續生產的不可容忍風險、科室級不可容忍風險以及社會國家級的不可容忍風險等，并列舉容忍清單，并根據措施要求實施控制和改進。礦山企業對于不可容忍的風險采取的措施主要分為兩大類：一類是通過整改、新建、改建等消除或采取直接的技術措施解除風險；另一類是通過修改作業規范、采礦設計、開采流程和標準，并制定相應的監控管理措施、落實應急管理預案，通過人員培訓和應急演練建立安全生產的長效機制，從而達到風險控制的目的。

1.2.5 風險控制措施的評審和實施

從兩個方面可以對風險控制措施進行評審，即對原有風險控制措施進行評審和對打算采用的風險控制措施進行評審。新的風險控制措施計劃在批準發布和實施前，應由預控中心組織的相關人員，對風險控制措施的可行性和充分性進行專業的評估和論證。相關的責任部門和崗位人員，在實施風險控制措施前，應進行專業、系統的培訓和學習，以確保其理解、掌握和準確實施控制措施，預控中心應對風險控制措施實施的全過程跟蹤監督，同時有效評估實施結果。結果達到要求的，應予以標準化，鞏固成果；結果未能達到要求的，應對風險控制措施進行審查，制定新的措施并保證實施。

2 系統建立

2.1 系統組成

基于風險預控的礦山安全監控系統以成熟的工業以太網和現場總線模式構建，主要由地面網絡核心交換機、礦用網絡交換機、各子系統監控主機、操作站、數據歸檔服務器、WEB服務器、防火墻及路由器、UPS電源、打印機、各種監控系統分站、各種PLC控制箱、各種傳感器、控制執行器、網關、各種監控軟件和綜合監控信息集成軟件等組成[3]。

整個監控系統分為井上監控部分和井下監控部分，井上監控部分網絡采用100/1000M工業以太網將地面各個監控設備連接起來，再通過防火墻與管理信息系統連接起來。井下采用100/1000M礦井防爆以太網將各個監控設備連接起來。

基于風險預控的礦山安全監控系統是在事故理論、預警預控理論的指導下對礦山生產各職能部門、人員、設備等的實時監測并隨時掌握信息進行識別和處理，避免安全事故的產生。整個系統有地面各個子系統監控主機分別對井下個監控分站和PLC控制箱等設備層進行初始化參數設置預置，將監控分站或控制器的端口配置、各端口的傳感器超限值及控制通道等參數下傳至各分或控制器存儲，各分站或控制器采集的傳感器數據首先進行數據預處理，并根據地面對應監控主機定義設置的參數進行相應的控制。有監控主機對監測數據進行分析、處理、存儲、顯示、控制、查詢、打印等操作。并通過數據采集服務器、歸檔服務器以及先進的OPC、DDE等技術與煤礦綜合監控系統集成軟件實現數據實時交互和整合，并通過WEB服務器進行網上發布，實現網上監控數據的實時共享

監控系統軟件部分內容較多，功能復雜。因此采用.NET技術，采用面向對象的可視化編程根據VC2003開發平臺，數據庫為SQL SEVER2000/2005，服務器操作系統為WINDOWS2000/2003，網絡通訊采用SOKET2.0，動態網頁利用ASP、ACTIVEX、JAVA等開發工具。采用多線程并行通訊技術、異步通訊技術和重疊I/O處理技術等，WEB SERVICE采用三層架構。監控系統信息流程如圖2所示。

圖2 監控系統信息流程圖

2.2 系統主要構架

不同礦山針對其安全管理、生產的不同側重點，通過三維可視化平臺實時采集、分析、管理礦山安全井下的人員、設備、機車、通風、排水、防火、提升、供電尾礦庫和有害氣體等重點過程及區域的監控數據，及時反應到信息總控平臺，研究分析人員經過辨識、評價采取相應的措施，消除或降低事故的發生。井下監控系統以泄漏通訊技術和計算機網絡為紐帶，融合了虛擬仿、三維空間分析、GIS、數據挖掘等技術手段，實現安全監督管理、預警預報、人員培訓與應急演練等，形成一個集各種管理、監測于一體的集成系統，系統主要包含以下幾個子系統[4]：

1)地質測量空間數據庫。為風險預控提供空間數據支持，需要建立專用的地質空間數據庫，實現地質資料管理、礦山開采設計圖的編輯與輸出、井下鉆孔、測量資料、工作面設計與管理的查詢和統計。

2)瓦斯地質動態分析系統。該系統通過對瓦斯賦存、地質構造、保護層開采效果、煤柱影響區、采掘影響、抽放效果等信息動態分析、評價，實現瓦斯地質信息圖及相關瓦斯參數的動態繪制，動態區域預測等功能，區域預測結果直接作為預警系統基礎數據，完成工作面采掘環境危險性評價。

3)該系統主要包括對采礦掘進、回采生產的報表管理，用于管理生產、技術部門的額日常工作，自動生成掘進的決策的數據，并采礦進度子自動延伸至巷道，實施空間位置信息的統計，完成相關預警指標的建立。

4)礦山井下的泄露電纜通訊系統，具有無限覆蓋地下任何工作場所的優點，能對礦山音、視頻和生產監測監控實時數據進行三網合一的共纜共享，使地下移動通信能時刻保持暢通。該系統以目前世界上最大的帶寬為支撐，支持多通道、多方同時的音像和數據傳遞；同時，它提供遠程、本地的監測監控和自我診斷功能，能及時發現任何問題點并能快速有效進行自我修復和維修，因此特別適合井下復雜、危險狀況的維護。

5)尾礦庫監測預警系統，對尾礦庫水位、浸潤線、干灘高度和壩體位移進行實時監測預警，用于尾礦壩隱患自動監測預警和生產防汛指導決策，保障尾礦庫正常生產運行和汛期調洪科學指導。礦山對主要工作場所和區域進行遠程視頻監控，實時監控生產過程和重點區域，防止違章違紀，進行安全痕跡管理。

6)突出預警管理平臺。該系統通過對子部門上傳的基礎數據和監控檢測的動態數據進行分析和指標運算，以預警規則庫數據作為參照，以此判斷出工作面采掘過程中可能出現的危險性情況，并計算出危險性狀況可能發展的趨勢和程度，危險性趨勢按照程度高低分為綠色、橙色和紅色三級，危險性信息將通過局域網、手機、互聯網等多種方式發布，起到預警作用。

3 應用實例

1)基于風險預控的礦山安全監控系統在宜昌瓦屋磷礦的實際運用看，效果明顯，對礦山生產決策、安全預警預控、管理手段和水平都有明顯提高。通過監控系統及時排除了采礦過程中的一些安全隱患。

2)以計算機系統為載體[5]，通過日常檢查和網絡監測對各種動態安全信息(采掘、礦壓、通風、排水、爆破、供電等)實施綜合分析，并將數據資料上報到總控中心，實現了事前預控，超前預警，建立了針對日常安全檢查和事故應對的對策庫，積累了豐富的管理經驗。

3)通過對預控結果實時統計分析，得到了各工作面突出影響因素 ( 地質、日常預測、采掘影響、潰沙潰、防突措施) 比例分配圖，為制定防突措施提供依據; 劃分出突出危險性較大區域，對鄰近工作面防突工作的開展具有參考意義。

4 結語

通過建立基于風險預控的礦山安全監控系統，可以有效的指導礦山安全管理工作、使礦山安全管理由靜態轉化為動態、化被動為主動，實現了安全管控的超前性、有效性。本文在風險預控管理理論的基礎上，闡述了礦山安全風險預控的技術過程，以計算機為載體分析了構建軟件系統的硬件要求及技術支持，研究了系統的構架，針對瓦屋磷礦進行實證研究，取得了一定成效，對行業其他礦山安全預控管理具有借鑒意義。

[1] 羅云.安全科學安全管理學[M]. 北京：中國科學文化音像出版社，2007.

[2] 李位民,吳向前.煤礦安全預控之道[M].徐州:中國礦業大學出版社, 2009.

[3] 古德生,李夕兵.現代金屬礦床開采科學技術[M].北京:冶金工業出版社, 2006.

[4] 孫繼平，田子健.煤礦安全檢測儀器與監控系統[M].北京：煤炭工業出版社，2008.

[5] 蘭澤全,李其中，徐景德.虛擬現實技術在煤礦安全中應用的現狀及分析[J].煤炭科學技術, 2006，34(11)：56-59.