煤礦火災(zāi)檢測技術(shù)現(xiàn)狀及展望

鐘灝

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

煤炭是我國主要能源之一，而煤炭主要是通過煤礦進(jìn)行采取，煤礦的工作環(huán)境注定了煤炭開采存在較高危險(xiǎn)性，因此，如何盡可能將煤礦安全性提到最高，便成了許多相關(guān)研究人員探求的重點(diǎn)。煤礦各類險(xiǎn)情中，火災(zāi)是最為嚴(yán)重災(zāi)害之一，當(dāng)煤礦火災(zāi)發(fā)生以后，必須盡可能地在短時(shí)間內(nèi)將火情控制住，否則，礦井中因?yàn)榛鸲a(chǎn)生的二氧化碳會(huì)越來越多，不僅對救援工作造成極大障礙，也使得井中被困人員面臨著更高的中毒致死風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)在，我國關(guān)于煤礦火災(zāi)的監(jiān)測技術(shù)層出不窮，且逐漸趨于成熟。本文對當(dāng)今熱門的積累煤礦火災(zāi)檢測技術(shù)進(jìn)行了簡要闡述，并分析了這些技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，以期找到一條更適合我國煤礦火災(zāi)檢測技術(shù)發(fā)展的道路，幫助我國煤礦火災(zāi)檢測技術(shù)獲得進(jìn)一步提升，從而提高煤礦工作的安全性，讓煤礦工作者的人身安全獲得更大的保障。

1 我國煤礦火災(zāi)檢測技術(shù)現(xiàn)狀

我國煤礦出現(xiàn)火災(zāi)大多是由于煤礦自然發(fā)火所引起，而與此相關(guān)的預(yù)測技術(shù)通常圍繞煤的物理特性展開，以光譜分析技術(shù)為主，輔以統(tǒng)計(jì)學(xué)技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)煤礦自燃的預(yù)測。關(guān)于煤礦自燃的預(yù)測技術(shù)，簡單來說，其可以分為七類，第一類是利用人體感知預(yù)測，第二類是利用綜合因素評判預(yù)測，第三類則是經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)預(yù)測，第四類是基于數(shù)學(xué)模型預(yù)測，第五類是通過礦井空氣成分預(yù)測，第六類是通過溫度預(yù)測，最后一類則是根據(jù)相關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)來進(jìn)行預(yù)測。

相較于西方發(fā)達(dá)國家，我國在煤礦火災(zāi)檢測技術(shù)方面依發(fā)展較為緩慢。就在前幾年，煤礦火災(zāi)剛剛發(fā)生的時(shí)候，我國依舊傾向于通過煙霧、明火等分析險(xiǎn)情，且預(yù)警傳播受限，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)察和控制，這對我國煤礦開采安全性的提升造成了很大障礙。實(shí)際上，對于煤礦自燃來講，其花費(fèi)時(shí)間十分長，發(fā)展也極為遲緩，當(dāng)煤炭溫度不斷提升，到達(dá)了生火的臨界點(diǎn)以后，才會(huì)同空氣發(fā)生反應(yīng)，然后發(fā)展為明火，完全可以早早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患并將其提前扼殺。所以，對于煤礦檢測來說，不僅要關(guān)注煙霧、明火，也要關(guān)注溫度等其他方面，結(jié)合其他新興技術(shù)，盡可能早地發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患并予以預(yù)警和處理，提升煤礦開采工作的安全性。

現(xiàn)在，我國煤礦火災(zāi)檢測技術(shù)主要有五類，其各有優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)，下面進(jìn)行具體分析。

2 我國五類煤礦火災(zāi)檢測技術(shù)

2.1 以溫度為主

以溫度為主的檢測方法統(tǒng)稱為溫度檢測法。所謂溫度檢測法，簡單來說，就是利用溫度傳感器完成對溫度的檢測，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度的變化，找到高溫的地方，高溫之處往往就是火災(zāi)易發(fā)之地。通常情況下，人們會(huì)采用四種物質(zhì)來完成測溫，第一種為熱電偶，第二種為半導(dǎo)體，第三種為紅外線，第四種為光纖。

對于熱電偶測溫法來說，其同半導(dǎo)體測溫法一樣，都是以接觸式為主，所以在進(jìn)行測溫的時(shí)候，一定要保證傳感器和被測物體存在接觸，這兩種方法測得的溫度不僅準(zhǔn)確，且具備良好的實(shí)時(shí)性。不過需要注意，這兩種方法都有著檢測復(fù)雜、維護(hù)工序繁多等缺陷。

而紅外線測溫法屬于非接觸式檢測法，因此，不用同被測物體接觸，僅僅通過紅外線強(qiáng)度便可以得到需要的溫度信息，不僅保證了較大的檢測范圍，也較為方便布置和安裝傳感器，所需傳感器數(shù)量較少。然而，此方法的問題也較為明顯，即容易受到外來因素的影響，如煤灰等。

對于光纖分布式測溫法來說，其不僅可以同時(shí)檢測多個(gè)點(diǎn)的溫度，還能夠保證較高的檢測準(zhǔn)確性，所用線纜量也并不多，可是，由于光纖安裝不易，且極易損壞，維修工序繁雜，因此，經(jīng)濟(jì)成本較為高昂。

2.2 以氣體為主

以氣體為主的檢測法統(tǒng)稱為氣體檢測法。所謂氣體檢測法，簡單來說，就是基于氣體傳感器，對空氣中的二氧化碳、一氧化碳及氧氣等特色氣體展開分析，從而根據(jù)這些氣體的濃度發(fā)現(xiàn)火災(zāi)所在之處。通常來講，倘若僅僅通過一兩種氣體濃度來尋找火災(zāi)地點(diǎn)較為困難，且錯(cuò)誤率較高，因此，一般選取多種特殊氣體進(jìn)行解析，從而在不斷的對比和分析中找到較為精確的火災(zāi)所在地。

2.3 以煙霧為主

以煙霧為主的檢測法統(tǒng)稱為煙霧檢測法，其主要基于煙霧傳感器，對空氣中的煙霧進(jìn)行分析，根據(jù)各個(gè)不同的煙霧顆粒，對火災(zāi)進(jìn)行檢測和判斷。可以看到，煙霧檢測法局限性較大，它依托燃燒產(chǎn)生的顆粒，因此，并不能檢測到早期火災(zāi)情況，只有當(dāng)火災(zāi)發(fā)展到一定程度從而產(chǎn)生較多煙霧時(shí)，才能夠派得上用場。

2.4 以可見光圖像為主

以可見光圖像為主的檢測法叫作可見光圖像檢測法，其主要利用可見光攝像機(jī)完成對火災(zāi)圖像的攝取，然后分析火災(zāi)特點(diǎn)，并基于火災(zāi)識別算法得到相關(guān)結(jié)果。通常來講，火災(zāi)圖像特征可以分成兩類，一類為靜態(tài)的，一類為動(dòng)態(tài)的，前者重在火焰的形狀、顏色等，根據(jù)單幅圖像便可以得到所需信息，不僅簡單快捷，且具備良好的實(shí)時(shí)性，不過，由于單幅圖像所包含信息不多，因此，在信息獲取方面存在不足；后者則重點(diǎn)關(guān)注火焰閃動(dòng)頻率、煙霧特征等，是根據(jù)多張連續(xù)圖像分析得到的，能夠較為清晰地展示出火災(zāi)特征，在火災(zāi)識別方面擁有極高的準(zhǔn)確率，然而，必須注意到，這是建立在龐大的數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)上的，較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力，由此動(dòng)態(tài)圖像特征的實(shí)時(shí)性不佳。

對于火災(zāi)識別算法來講，其過程總共可以分成四步，第一步是圖像預(yù)處理，即對圖像進(jìn)行簡單處理，以便接下來的一系列操作；第二步是圖像分割，即對圖像進(jìn)行分割，找到所需圖像部分；第三步是特征提取，即精準(zhǔn)提取火災(zāi)圖像特征；第四步是模式識別，即根據(jù)特征找到對應(yīng)的模式。火災(zāi)識別算法如今已經(jīng)越來越多，例如，小波變換法、多特征融合法等，這些算法都是可見光圖像檢測法較高準(zhǔn)確率的關(guān)鍵保證，應(yīng)當(dāng)引起重視。

作為非接觸式檢測法，可見光圖像檢測法不僅檢測范圍大，且經(jīng)濟(jì)成本不高，此外，還擁有方便安裝、維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。可是，需要注意到，這類方法也存在明顯缺陷，那就是受干擾性較強(qiáng)，不論是礦燈，還是車燈，甚至是紅色衣物等，都會(huì)導(dǎo)致識別出現(xiàn)偏差。值得一提的是，礦井在出現(xiàn)火災(zāi)后煙霧較大，機(jī)器的檢測范圍也由此受到了巨大影響，這時(shí)得到的識別結(jié)果往往錯(cuò)誤率和滯后率都不低。

2.5 以紅外圖像為主

以紅外圖像為主的檢測法叫作紅外圖像檢測法，這種方法主要基于紅外攝錄機(jī)，利用火災(zāi)的火焰、煙霧等產(chǎn)生的紅外線進(jìn)行成像，最終根據(jù)火災(zāi)特點(diǎn)完成相關(guān)識別任務(wù)。紅外圖像檢測法既屬于非接觸式，又能夠穿透煙霧，不受煙霧影響，是一類極為受歡迎的檢測方法，通過視場內(nèi)各像素點(diǎn)的紅外輻射，便可以找到相關(guān)對應(yīng)點(diǎn)，從而發(fā)現(xiàn)火災(zāi)所在之處。不過，這種方法依舊會(huì)受到煤灰、輻射途中遮擋物等影響，導(dǎo)致識別結(jié)果準(zhǔn)確率大幅下降。

3 煤礦火災(zāi)檢測技術(shù)的發(fā)展

綜上所述，目前各類流行的煤礦火災(zāi)檢測技術(shù)都存在優(yōu)劣性，因此，倘若將這些方法結(jié)合起來，綜合分析火災(zāi)情況，也許會(huì)得到事半功倍的效果。

現(xiàn)在，已經(jīng)有學(xué)者在研究多參數(shù)融合檢測法，這種方法以物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)為基礎(chǔ)，除了涉及以上所提到的各類技術(shù)涉及的參數(shù)，還對風(fēng)向、風(fēng)速等參數(shù)進(jìn)行了分析，在探測火災(zāi)所在之處的同時(shí)，兼對火災(zāi)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測，這應(yīng)當(dāng)是將來煤礦火災(zāi)檢測技術(shù)發(fā)展的大方向之一。

對于煤礦火災(zāi)檢測技術(shù)來講，其不僅要關(guān)注火災(zāi)中后期，也應(yīng)當(dāng)關(guān)注火災(zāi)早期，倘若能夠?qū)⒒馂?zāi)掐滅在搖籃里，便可以將火災(zāi)造成的損失降到最低，這對煤礦工作人員的人身安全十分重要，且可以極大地避免相關(guān)經(jīng)濟(jì)損失。多參數(shù)融合檢測法集百家之所長，補(bǔ)百家之短板，是研究者將來重點(diǎn)研究的對象。不過，多參數(shù)融合檢測法在考慮和選取參數(shù)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)以礦山實(shí)際情況為主，因地制宜，萬萬不可生搬硬套，各個(gè)礦山具有其獨(dú)特之處，在進(jìn)行檢測時(shí)，要進(jìn)行考慮。總之，對于目前我國煤礦火災(zāi)檢測技術(shù)來講，如何利用最低的經(jīng)濟(jì)成本實(shí)現(xiàn)最高的檢測準(zhǔn)確性和最快的預(yù)警反饋，這是其始終不變的發(fā)展目標(biāo)，可靠有效、快速精準(zhǔn)的檢測技術(shù)不僅能夠降低煤礦開采成本，更重要的是可以保證煤礦工作者的生命安全，這是煤礦火災(zāi)檢測技術(shù)的核心關(guān)注點(diǎn)。