煤礦智能化防突動態預警系統構建

路培超 唐盛禹 趙 樂

（光力科技股份有限公司，河南 鄭州 450001）

當前，礦井煤與瓦斯突出事故偶有發生，其主要原因是防突措施執行不到位，這與煤礦防突管理不規范、防突信息獲取不及時、防突數據分析不足等密切相關[1-2]。充分利用數字化、智能化等技術，構建煤礦智能化防突動態預警系統，及時獲取防突措施實施過程數據，開展防突數據智能分析，強化防突過程施工質量管控，實現防突的精細化、智能化管理。

1 系統總體架構設計

基于工業互聯網架構體系[3-4]，按照分層設計原則，充分考慮煤礦防突過程管理需求，建立集信息自動采集、無線傳輸、自動分析、可視展示、在線審批等功能的智能化防突動態預警系統。

智能感知層，包括工作面突出危險性預測和校檢作業過程中視頻監控、鉆孔軌跡、突出參數測定、移動終端采集和人員位置管理信息等。傳輸網絡層，作業區域構建無線通信網絡，實現防突作業采集信息的無線、即時上傳至地面。智能應用層，通過井下防突作業數據采集、入庫，構建基于數據挖掘、AI 視頻分析等支撐平臺，實現防突作業合規性分析、鉆孔空白帶分析、突出動態預警等應用管理。通過建立統一的標準規范體系和安全運維保障體系，保障系統的規范性、安全性、可靠性。系統總體技術架構如圖1。

圖1 系統總體技術架構圖

2 基于無線通信的防突信息采集

2.1 無線通信網絡建設

系統采用基于高性能WiFi 寬帶無線通信網絡，數據接口和通信基站支持組建高速有線或無線網絡，同時支持語音、視頻、數據傳輸[5-6]。在工作面場景中應用，無線通信網絡具有如下特點：（1）覆蓋范圍寬，實現大范圍寬帶無線通信，可為語音、視頻等數據業務提供強大支撐；（2）擴展能力強，具備集成人員定位管理、視頻監控管理等相關功能的能力；（3）無線通信距離遠、信號穿透性強、快速組網，有效減少設備的部署數量和建設成本。

2.2 防突信息無線采集平臺建設

（1）無線視頻監控設備

工作面防突作業具有空間受限、照明條件差、粉塵污染、需經常移動位置等特點。針對應用場景，系統采用基于WiFi 寬帶無線通信的防爆攝像儀[7]，支持視頻信號無線傳輸，有效避免線纜鋪設，方便攝像儀吊掛安裝；采用帶紅外夜視功能的高清攝像儀，可在照明條件差的環境中正常使用。視頻監控圖像可通過防爆手機查看，方便隨時調整攝像儀安裝位置。通過視頻監控設備，可隨時查看井下防突作業過程，加強防突員監督管理，有效杜絕鉆孔造假、數據造假等違規行為。

（2）無線鉆孔軌跡測量

考慮到防突作業工作量大、空間受限等問題，系統采用手持式淺孔軌跡儀，具有組成結構簡單、成孔后快速檢測、軌跡測量數據可無線傳輸到移動終端等特點。探管外形小巧，利用碳纖維桿推送探管進行軌跡測量，能夠在移動終端顯示鉆孔測量軌跡數據、二維、三維鉆孔圖。

（3）無線突出參數測定儀

鉆屑指標法是工作面突出危險性預測或效果檢驗的常用方法，鉆屑瓦斯解吸指標K1值和鉆屑量S是關鍵預測參數，突出參數測定儀可以實現K1值和S值的快速檢測。系統采用帶WiFi 無線通信模塊的突出參數測定儀[8-9]，自動獲取井下IP 地址，接入無線通信網絡，實現瓦斯突出參數無線上傳，有效提升防突作業信息填報的時效性。

（4）移動數據采集終端

通過移動應用設計與開發，支持井下防突作業數據采集、上傳與地面系統數據下發交互等，實現移動終端采集信息的數據管理。防突作業人員可通過移動終端記錄施工過程數據以及接收防突管理信息，自動生成防突校檢表單，避免信息多人多次錄入。移動數據采集終端支持按照時間、地點、區域等對防突信息進行管理，便于及時發現隱患。

防突信息無線采集平臺的網絡拓撲結構如圖2。

圖2 數據采集平臺網絡拓撲結構圖

3 系統軟件功能設計

系統軟件基于B/S 架構設計，采用ASP.NET Web Form 技術架構，Microsoft Visual Studio 作為開發工具，SQL Server 2016 作為數據存儲和管理工具，構建軟件開發環境。軟件主要設計功能模塊如圖3。

圖3 系統軟件主要功能模塊圖

3.1 防突數據智能分析

系統基于數據挖掘、AI 視頻分析等技術，結合煤礦日常防突動態管理方法，開展防突作業過程合規性分析、防突校檢鉆孔空白帶分析、突出敏感指標預警分析及突出危險性趨勢預警等。

（1）防突作業合規性分析

基于AI 視頻分析技術，重點捕捉鉆桿的運動軌跡特征、人員著裝狀態特征和瓦斯異常動力現象特征，建立異常視頻畫面的特征庫，通過AI 深度學習算法，形成完整的異常特征信息庫；隨著訓練數據量的增多，智能識別的準確率和速度得到不斷提升；能夠對校檢鉆孔深度是否符合要求、防突員是否正確佩戴安全帽、作業過程是否存在瓦斯異常動力現象等狀況進行自動辨識。

（2）防突鉆孔空白帶分析

系統基于數據挖掘技術，通過防突鉆孔多維度、一體化信息管理，將鉆孔施工參數、校檢指標、鉆孔軌跡、視頻監控等信息進行系統性管理，利用系統構建的工作面模型，根據采集的鉆孔施工與軌跡測定信息，實現防突作業鉆孔自動上圖，防突措施竣工圖自動生成；通過實際鉆孔與設計鉆孔偏差分析，實現鉆孔覆蓋煤體區域空白帶自動分析。

（3）突出預警動態分析

系統根據日常突出參數測定數據，動態分析突出預測敏感指標的變化特征[10]，通過捕捉突出參數忽大忽小、急劇增加等變化信息，結合AI 視頻識別的瓦斯異常動力現象，綜合工作面采掘信息、煤層瓦斯地質信息、安全監控系統信息等進行研判，及時發現瓦斯涌出異常風險，實現煤礦日常防突綜合預警管理。

3.2 可視化圖形與報表分析

系統采用防突管理“一張圖”的可視化工具，實現工作面突出危險性預測、效果檢驗和循環進尺等信息的動態展示。根據防突鉆孔參數，自動生成防突措施竣工圖；通過曲線圖、折線圖、柱狀圖等方式展示工作面突出危險性預測指標；多視角、直觀展現系統的關鍵業務指標和主體數據；實現防突信息數據和業務的深度融合，并打通與瓦斯防治相關系統間的數據通道。

3.3 防突信息采集與融合

系統基于無線通信網絡在工作面區域內覆蓋，支持防突作業過程中鉆孔軌跡、視頻監控圖像、突出參數測定、井下記錄的防突信息獲取，實現防突過程數據的自動采集、信息錄入、存儲、及時上傳與管理，有利于煤礦即時掌握防突作業過程數據。此外，系統支持Excel 表格數據導入與管理，方便煤礦現有的防突數據快速導入系統，減少人員錄入信息的工作量。

3.4 防突過程精細化管理

防突過程管理模塊實現工作面防突基礎信息管理、在線流轉審批等功能，主要內容包括工作面位置、長度、巷道參數、煤層厚度、開采工藝等基礎參數設置；局部綜合防突措施施工過程從局部預測、防突措施等防突信息進行精細化管理；按照局部防突工作流程，開展防突信息動態采集、防突參數智能化分析、循環圖表自動生成等；基于權限管理和表單審批規則，可在線發起防突表單的流轉、審批流程；實現對各工作面局部綜合防突措施的精細化管理。

4 結語

充分利用數字化、信息化技術，開展煤礦智能化防突動態預警系統研究，設計防突信息動態采集、無線傳輸、自動分析、可視化展示的系統功能架構；構建基于WiFi 的無線通信網絡，實現視頻監控、軌跡測量、突出參數測定、移動應用等信息的動態采集；針對性開展系統軟件功能設計，實現日常防突信息的精細化、可視化管理；有效降低防突信息采集、數據分析、流程審批的工作量，為礦井防突過程管理提供智能化手段。