井下巷道掘進安全預警系統的設計研究

秦 麗

（潞安集團高河能源有限公司，山西 長治 047100）

引言

巷道掘進作為煤礦生產的基礎，巷道能否安全掘進直接影響煤礦生產[1]。隨著礦井安全生產投入不斷增加，煤礦安全生產形勢得以明顯改善，百萬噸死亡率呈現逐漸降低趨勢[2-3]。礦井對掘進工作面人員監督一般分為遠程監督以及現場管理兩種方式，但是均需要依賴人工進行判定，不能及時發現不安全行為[4-5]。因此，研究一種智能化掘進工作面安全預警系統，以實現對掘進面常見安全隱患進行監測、提醒，從而達到提高掘進工作面安全管理能力的目的。

1 掘進巷道安全問題分析

通過現場調研發現掘進工作面存在的安全隱患主要有四類，具體為超循環掘進、帶式輸送機堆煤、空頂作業以及人員進入到危險區域[6-7]。超循環掘進即為綜掘機每個循環掘進進尺超過預先設定值?，F實中由于礦井掘進任務繁重，掘進人員往往趕超進度，會存在不顧作業規程要求違規超循環掘進的做法，從而造成一定的安全隱患。

煤礦井下嚴禁空頂作業，而超循環進尺掘進往往會造成空頂作業。在頂板未采取任何支護措施的情況下空頂作業極為容易導致冒頂事故的發生，給掘進工作面人員安全帶來威脅。

帶式輸送機堆煤主要是由于帶式輸送機運輸能力不能滿足需要或者帶式輸送機機頭出現故障。帶式輸送機長時間堆煤不僅會影響正常通風而且通過膠帶摩擦散熱極其容易引起堆煤自燃，造成井下火災。

巷道掘進過程中破碎機、掘進機機頭位置有大型機械運動，同時操作司機存在一定的視覺盲區，因此，嚴禁非操作人員進入到上述區域。井下一般采用布置簡易圍欄、人工監視以及員工相互提醒等方式避免人員進入到危險區。上述掘進工作面安全隱患采用人工監控方式存在一定的漏洞，主要是發現不及時或者無法全天候監測問題，因此，需要一種掘進工作面安全監控預警系統，對掘進工作面存在的安全問題進行全方位實時檢測，從而提高掘進工作面的安全保障能力。

2 巷道掘進安全預警系統的設計

2.1 超循環作業安全預警模塊

設計的超循環作業預警系統主要是對掘進進尺進行監測，當發現掘進進尺超過預先設定的安全值時即發出報警信息，從而避免出現超循環掘進問題。整個系統結構包括有礦用無線攝像頭、聲光報警裝置、無線信號收發機以及后臺分析處理軟件等，見圖1。

圖1 超循環作業安全預警模塊結構組成圖

礦用無線攝像頭用以實時對掘進機工作情況進行監測，后臺數據處理軟件通過相關算法得到掘進機初次掘進位置，并持續監測掘進機推進距離，從而得到掘進機循環進尺量。當監測到掘進機實際進尺量超過預先設定安全值時即認為掘進機超循環進尺，此時掘進工作面在發出聲光報警信號的同時報警值會長傳至地面監控中心，并在后臺記錄超循環作業報警開始時間及持續時間，見下頁圖2。

2.2 空頂安全預警模塊

圖2 超循環作業安全預警模塊工作流程圖

空頂安全預警主要是區分作業人員位于已支護區域或者是未支護區域問題，當監測到作業人員處于未支護區域時即發出聲光報警信號。井下掘進巷道設計的空頂作業安全預警模塊與超循環作業安全預警模塊共用同一套硬件設備。

礦井無線攝像頭實時對掘進區域進行監測，后臺分析處理程序對已完成支護區域圖像進行識別分析，對未支護區域邊界進行圈定，然后根據人體識別算法最終對人員是否處于空頂區域進行判定。當作業人員位于空頂區域時攝像機獲取到的圖像背景出現變化，此時安全預警模塊會發出聲光報警信號提醒作業人員注意安全，并在后臺記錄空頂作業報警參數。見圖3。

2.3 帶式輸送機堆煤安全預警模塊

設計的帶式輸送機堆煤安全預警模塊主要是對巷道掘進期間帶式輸送機是否出現堆煤進行判定，主要結構包括有礦用防爆攝像頭、后臺處理軟件以及聲光報警裝置等，具體硬件結構見圖4。

在帶式輸送機容易出現堆煤的機頭位置安裝礦井防爆攝像頭，實時獲取機頭位置圖像信息，利用以往輸送機堆煤前獲取到的圖像特征來判定輸送機機頭位置是否出現堆煤。在一定的時間范圍內，攝像頭獲取到的機頭圖像信息發生明顯變化時，即為獲取到的最后一幀圖像與原有背景圖像發明明顯變化時即可判定出現堆煤事故。后臺處理軟件按照預先設定程度發出報警指令，聲光報警裝置發出信號提示附近作業人員及時對故障進行處理，見圖5。

圖3 空頂安全預警模塊工作流程圖

圖4 堆煤安全預警模塊結構組成

2.4 危險區域安全預警模塊

圖5 堆煤安全預警模塊工作流程圖

危險區域安全預警模塊的主要功能是對井下掘進工作面危險性進行劃分并發現有人員進入到危險區或者在危險區逗留時及時發出預警信息。在非掘進期間有人員通過危險區時安全預警模塊發出安全提示。設計的危險區域安全預警模塊結構包括有礦用無線攝像頭、跑偏開關、聲光報警裝置、后臺處理軟件、無線信號收發器等，見圖6。

圖6 危險區域安全預警模塊結構組成圖

在預先確定的危險區域內頂板位置安裝礦井無線攝像頭獲取危險區域內實時圖形，巷道開始掘進時關閉圍欄并在圍欄上安裝跑偏開關。當有人員打開圍欄時跑偏開關會將圍欄打開信息傳輸至后臺處理軟件，同時無線攝像頭獲取到的背景圖像發生明顯變化，即可認為有人員進入到危險區域，聲光報警裝置發出聲光報警信號，并將報警信息傳輸至地面監控中心。當綜掘機停機運行，打開安全圍欄后跑偏開關將圍欄打開信息傳輸至后臺處理軟件，此時聲光報警裝置發出安全提示。

3 結論

設計的安全預警系統可以在一定程度上彌補了礦井掘進工作面安全管理存在的不足，提高了安全生產的保障能力。現階段該系統已在山西某礦1805 采面回風巷掘進工作面中進行現場應用，且平穩運行超過6 個月，在系統運行期間共發出各類安全提醒155 次，起到了明顯的安全預警作用。