煤礦智能工作面環境安全監測及預警方法研究

屈世甲，武福生

（1.中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇 常州213015；2.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州213015）

煤礦智能工作面基本實現了地面集控中心與工作面區域控制中心的一鍵啟動與遠程操作等功能，基本能完成可視化遠程干預的工作面生產模式，對工作面生產過程來說，其安全、高效和操作簡單的優勢較為明顯[1-4]。智能工作面的運行往往伴隨著“少人”或“無人”工作面的安全管理理念，一方面智能化工作面本身人員需求較少，另一方面是考慮相對危險區域人員的安全保障問題[5-7]。但綜采工作面安全生產不僅僅包含人員安全，還包括設備安全和環境安全，為此從智能綜采工作面環境安全監測及預警方面的需求入手，以工作面區域水害、火災、瓦斯、礦壓和粉塵5 大災害為主線，利用信息化手段研究5 大災害的實時監測和分析預警問題。通過綜合評判模型，實現工作面區域的安全指數分析預警，為綜采工作面智能控制提供安全保障，為安全預警及管控提供災害實時監測和分析數據，是智能工作面安全預警及管控體系的重要組成部分。

1 工作面環境安全監測及預警現狀

隨著綜采工作面成套設備技術的發展，智能綜采工作面也在逐漸增多，但是智能綜采工作面區域的環境安全監測及管理依然處在超限報警、人工對接、口口相傳的階段[8-9]。如何進行智能綜采工作面日常的環境安全監測及管理工作就成為了關注的問題。以煤礦最為主要的水害、火災、瓦斯、礦壓和粉塵5 大災害為例[10]，從基礎分析數據來源、災害分析方法和監測分析成果3 方面來看，工作面環境安全監測及預警現狀如下：

1）分析基礎數據來源。分析過程需要人工干預，基礎數據不能自動獲取，無法排除人為干擾的主觀不可控性，同時分析結果也缺乏實時性。

2）災害分析方法。水、火、瓦斯、礦壓、粉塵孤立分析，各自為政，沒有從工作面區域整體布局，在各災害監測基礎上融合分析預警。

3）災害監測分析成果。大多針對階段性生產過程分析，提交研究成果，多為研究報告形式，無法對工作面全生產周期進行安全分析、跟蹤和保障。

煤礦智能化工作面在環境安全監測及保障部分也不同于傳統綜采工作面，在災害監測和預警分析方面應有更深層次和更高實時性的需求。在分析基礎數據來源方面，要盡可能減少人為干擾因素，研發基礎數據及分析過程自動實現裝置及流程，提高安全分析的實時性；在災害分析方面，要利用大數據思路解決安全因子之間的不確定相關性，在水、火、瓦斯、礦壓、粉塵分別預警的基礎上形成智能化的工作面災害融合分析預警及保障跟蹤；在災害監測分析成果方面，能提供信息化管理平臺和分析方法的自診斷平臺，建立工作面全生產周期的安全跟蹤保障系統，提高分析成果的實時性和復用性。

2 智能工作面環境安全監測基礎數據采集

基礎監測數據是災害分析和預警的基礎，基礎數據獲取的實時性和可靠性直接關系到預警系統的實時性和有效性。以水、火、瓦斯、礦壓和粉塵5 大災害為研究對象和環境安全監測分析目標，結合當下先進可靠的監測手段和現場管理模式，原始基礎數據主要包括3 大類[11-13]：①監測數據已經實現了監測信號數字化且實現了信息化傳輸，能夠自成系統并實時傳輸接入環境安全分析系統使用的數據，比如煤礦安全監控系統，礦井人員定位系統，采空區光纖測溫系統等；②雖實現了監測的數字化，但是缺乏信息化傳輸手段，無法實時、自動傳輸的安全監測數據，比如便攜檢測儀數據，巷道測風數據等；③還沒有實現數字化的安全監測數據，比如機械風表的數據和采空區氣體色譜分析數據等。

從智慧礦山的發展需求來看，以上3 類監測數據的數字化和信息化是必然和必須的，只有數據的實時可靠獲取能夠實現，后續的分析才會更有意義和價值[14-15]。結合現階段現場實際情況，為了開展現階段智能工作面環境安全分析預警工作，對以上3類數據的自動獲取提出了不同方案，安全監測/檢測3 類基礎數據采集見表1。

如表1，第1 類基礎數據直接獲取相對容易；對于第2 類數據，現有的便攜檢測儀基本不能直接將數據上傳，提出便攜儀與智能本安手機或其他有無線傳輸功能的終端配套使用的方法，便攜儀通過藍牙將數字化監測信號傳至終端，終端通過無線網絡上傳安全分析系統；第3 類數據大多已經涵蓋在現有煤礦安全管理的流程中，而且都已經形成不同格式的數據報表，比如束管分析報表，工作面生產統計報表等等[16]。為此提出通過利用信息化手段異地自動讀取相關報表的方式獲取人工檢測的冗余安全數據，將數據結構化以后存入數據庫成為安全分析的基礎數據庫備用。

3 工作面環境安全監測融合分析方法

國內外煤礦行業學者在工作面災害監測預警方面展開了大量的研究工作，在災害的監測預警上都取得了一定的進展，達到了單一災害提前預警并能指導處置的程度[17-19]。但煤礦采掘工作面生產系統空間上立體，時間上動態，導致了其事故的動態性、隨機性和模糊性，不同災害之間在時間和空間上也具有一定的相關性，5 大災害各自獨立預警，雖然意義重大，但是當多種災害耦合發生時候，就增加了災害預警信息處理的難度，也不利于災害的聯合預防，因此煤礦智能化工作面災害預警分析，就需要將5 大災害整體思考，綜合分析融合預警。

3.1 現有災害預警技術分析

獨立預警沒有建立起有效的關聯分析，預警級別的劃分也沒有統一的標準，但是按照突發事件發生的緊急程度、發展態勢和可能造成的危害程度，將預警級別分為1 級、2 級、3 級和4 級，分別用紅色、橙色、黃色和藍色標示，1 級紅色為最高級別，4級藍色為最低級別。

不同的預警級別應對的處理方法不同，4 級藍色預警采取一般應對措施，排查隱患點，加強管理并密切觀察；3 級黃色預警采取較高應對措施，加大人力處理隱患、加強工作面管理并密切觀察；2 級橙色預警必須采取嚴重重視的應對措施，投入更多人力物力消除隱患并上報上級領導；1 級紅色預警采取最高級別的應對措施，及時迅速處理隱患，必要時停產撤人，上報最高領導。由于5 大災害獨立預警，對于工作面整體安全管控來說，在工作面的可能會出現以下難以處理的情形：①若5 大災害有2種或以上為3 級橙色預警，其余為3 級黃色或者4級藍色預警，此時應該按照哪種級別預警處置；②若5 大災害有2 種或以上為3 級黃色預警，其余為4 級藍色預警，此時應該按照哪種級別預警處置；③若五大災害有兩種或以上為四級黃色預警，其余為安全狀態，此時應該按照哪種級別預警處置。

理論上來說，每個災害都有4 個預警級別，5 大災害總共就會存在1 024 種組合，針對5 大災害單獨預警導致采取應對措施混亂不明確的情形，必須建立明確的安全風險綜合預警的劃分方法，確保不同的預警級別有明確的應對措施。

3.2 智能工作面環境安全監測融合分析

基于煤礦智能工作面安全管控的需要，明確工作面安全風險融合預警級別，從而采取清晰正確的應對措施，消除工作面安全隱患，需要一種綜合5大災害的工作面安全風險融合預警等級的劃分方法。首先將5 大災害按照4 種預警級別進行劃分，分別用1、2、3、4 來表示，級別依次遞減，屬于融合預警的輸入部分，。

融合預警的輸出部分為5 種災害融合后的預警級別，即每1 種災害都有其本身的災害預警級別（1、2、3、4），基于5 種災害融合分析的基礎上，能夠得出當前工作面的5 種災害融合預警等級，依然按照4 級劃分，用1 級、2 級、3 級、4 級來表征，其中1紅色預警代表最高級別，4 級藍色預警代表最低級別。經過現場大量數據和事故案例分析，定義如下劃分方法。

1）5 大災害中，只要有任意1 種災害預警等級為1 級紅色預警，判斷融合預警等級為1 級，共781種組合，均輸出1 級紅色的融合預警結果，如式（1）。

2）5 大災害中，如果有任意3 種及以上災害預警等級為2 級，剩余災害等級分別為3 級、4 級的情況下，判斷融合預警等級為2 級，共包括51 種組合，均輸出2 級橙色的融合預警結果，如式（2）。

3）5 大災害中，如果有最多2 種災害預警等級為2 級，剩余災害等級分別為3 級、4 級的情況下，判斷融合預警等級為3 級，共160 種組合，均輸出3級橙色的融合預警結果，如式（3）。

4）5 大災害中，如果有任意3 種及以上災害預警等級為3 級，剩余災害等級分別為4 級的情況下，判斷融合預警等級為3 級，共16 種組合，均輸出3級黃色的融合預警結果，如式（4）。

5）5 大災害中，如果有最多2 種災害預警等級為3 級，剩余災害等級分別為4 級的情況下，判斷融合預警等級為4 級，共15 種組合，均輸出4 級藍色的融合預警結果，如式（5）。

6）5 大災害中，如果有所有災害預警等級為4級，判斷融合預警等級為4 級，共1 種組合，均輸出4 級藍色的融合預警結果，如式（6）。

如以上步驟，對1 024 種排列組合進行劃分，形成了工作面融合5 大災害的安全風險等級的劃分方法，工作面安全風險融合預警級別劃分流程如圖1。

按照該融合等級劃分的方法，各個等級出現概率見表2。

4 結 語

圖1 工作面安全風險融合預警級別劃分流程Fig.1 Process of categorizing early warning levels of safety risks in working faces

表2 融合預警等級出現概率統計表Table 2 Statistics of the occurrence probability of the fusion early warning level

論述了智能綜采工作面環境安全監測及預警現狀和工作面環境安全監測融合分析方法。從智能工作面環境安全監測及預警方面的需求入手，以工作面區域水害、火災、瓦斯、礦壓和粉塵5 大災害為主線，利用信息化手段研究了智能工作面5 大災害的實時監測和分析預警實現問題。從基礎分析數據來源、災害分析方法和監測分析成果3 方面對智能化工作面環境安全監測預警進行了分析。