智能化礦山建設背景下的煤礦監管監察模式

陳小林

（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）

國家能源局《智能化示范煤礦驗收管理辦法》（試行）中明確提出了各類煤礦建設智能礦山的具體要求，包括信息基礎設施、地質保障系統、掘進系統等10 大類，其中信息基礎設施部分“綜合管控平臺”指標包括了10 項具體要求，其中與數據采集、傳輸、存儲有關的共有4 項。明確規定礦端安全管控平臺需要具備專業數據采集、集成的數據要求，要求必須建立統一的系統接口標準，基于統一I/O 采集服務設計與實現。要求能夠將礦井監測監控類系統、生產執行類系統、經營管理類系統的數據全面場景化接入。這些系統功能的建設與完善，加強了煤礦安全管控及監管的技術手段，不但提升了煤礦現場自身安全管理的能力[1]，也為政府安全監管監察的智能化提供了基礎數據支撐[2]。為此，在煤礦智能化安全管控平臺建設的基礎上，結合國家當前煤礦監管監察機制[3]，探討基于信息化的煤礦監管監察模式。

1 煤礦監管監察現狀

我國煤礦安全監管監察大致劃分為3 個階段：第1 階段是1949—1977 年，呈現出監管與生產智能不分且“生產”遠大于“安全”的特點，煤礦安全事故頻發且監管監察工作重視不夠；第2 階段是1978—1998 年，煤礦安全生產有了新局面，但受制于生產和安全職能的不能獨立監管，煤礦安全形勢依然嚴峻[4]；第3 階段自1999 年至今，國家先后增設了煤礦安全監察局，組建了國家應急管理部，監管監察趨于獨立，煤礦安全形勢不斷提升?？偨Y來看，現有的煤礦安全監管體制主要呈現垂直管理和屬地管理2 大特征，國家建立了3 級煤礦安全監察體制，包括國家煤礦安全監察局、省煤礦安全監察局和煤礦安全監察分局。從地方監管上又分為國家、省、市和縣級政府及應急廳4 級[5]。地方煤礦安全監察局僅受上級部門領導，不受同級政府部門領導，共同實現“國家監察，地方監管，企業負責”的大政方針。

在這一監管監察體制下，國家監察機構聯合地方監管部門不斷推出了新的監管監察體制和機制，特別是在信息化和自動化不斷普及的煤礦企業，強調利用信息化和自動化手段不斷提高風險監測預警、應急指揮保障、智能決策支持、政務服務和輿情引導等應急管理能力[6]。應急管理業務應用體系全面覆蓋各類業務并在突發事件的事前、事發、事中、事后階段發揮關鍵支撐作用。煤礦現有安全監管監察的政策要求也使得監管監察對煤礦信息化、自動化技術及系統有了更大的依賴和需求，特別是在監管監察的實效性和針對性方面都亟需提升。

2 智能化背景下煤礦監管監察需求

建設煤礦安全生產風險監測預警系統，監管監察部門對轄管范圍內的煤礦各類安全生產風險進行實時在線監測、研判預警，是新時期下煤礦監管監察模式提升的主要技術手段之一[7]，主要有以下幾方面需求：

1）煤礦監察深度和力度提升需求。煤礦企業的各類安全生產風險監測系統均處于孤立狀態，數據綜合利用價值低，如瓦斯、人員、設備、供電、排水等基于單一指標超限預警。通過信息化手段，構建煤礦安全生產風險監測預警系統，全方位對屬地范圍內的礦井安全狀況進行實時監測，對各類風險進行分析研判，為煤礦安全生產和監察執法提供科學決策減少事故發生。

2）現有各級安全監察機構職責明確的需求。通過系統應用組織架構，日常流程化事務，構建省級礦安全生產風險監測預警系統，明確省級煤礦安全監察局、市級應急管理局、市級監察分局安全監察監管部門職責及煤礦企業安全生產主體責任，提升日常監察工作效率。

3）提高企業應急救援響應及監察層面的救援資源的調配能力的需求。實現災害下應急救援過程的流程電子化管理，實時查看應急救援預案、人員逃生路線、應急救援物資部署等情況，將應急救援信息推送到上級安全監察部門，在監察層面上進行救援資源的調配工作。

4）提高省級煤礦安全監察標準化及重大風險防范化解能力的需求。通過日常安全檢查與信息化監察，有效提升對各類安全生產風險實時監測的準確性、可靠性，提高對煤礦各類風險的準確分析研判，有效提升對各類風險特別是重大風險的防范化解能力，降低煤礦隱患、事故的發生。

3 煤礦安全生產風險監測預警系統

從煤礦安全生產風險庫建設、煤礦端安全生產風險數據接入、煤礦安全生產分析專題和執法處置及應急救援4 個層面對煤礦安全生產風險監測預警系統進行設計，總體架構如圖1。

圖1 煤礦安全生產風險監測預警系統架構圖Fig.1 Architecture diagram of coal mine safety production risk monitoring and early warning system

通過煤礦安全生產風險庫實現全省各煤礦基礎信息、安全監測系統、人員定位系統、工業視頻系統、產量監測系統、安全風險與事故隱患管理、圖紙文檔、應急救援資源等煤礦風險數據的集中存儲與分類管理，根據業務特性進行數據的壓縮存儲與數據還原，針對不同應用需求提供業務邏輯支持[8]。

在此基礎上通過數據集成管理、重大風險專題研判，最終構建煤礦安全風險指標體系與評估模型及領導看板，綜合煤礦各類安全指標數據，構建煤礦安全風險指標體系，按風險監測值、持續時間及異動變化率進行風險等級實時計算，基于權重綜合煤礦各安全風險進行綜合指數計算，實現對礦井安全等級評估。將對煤礦安全生產風險監測數據接入和煤礦安全生產重大風險分析、研判進行重點分析。

3.1 安全風險監測數據接入

安全生產風險監測類數據通過礦端數據通訊服務完成各監測監控類子系統中風險監測數據采集、處理與上傳[9]，實現煤礦基礎數據的管理，實現實時監測類數據的管理，實現省級煤礦安全監察局、監察分局和煤礦3 級應急資源管理。在具體執行中，可能會遇到3 類數據接入的狀況：①建立了本單位的自動化數據集成平臺且運轉流暢礦井；②建立了本單位的自動化數據集成平臺，但系統使用狀況不好的煤礦；③尚未建立本單位的自動化數據集成平臺的煤礦。

1）已經建立了煤礦自動化數據集成平臺，實現了本單位各安全生產風險監測子系統的數據集成，且系統使用正常良好，具備對外數據的統一發布。自動化數據集成平臺數據集成如圖2。

圖2 自動化數據集成平臺數據集成Fig.2 Data integration in automated data integration platform

2）建立了單位的自動化數據集成平臺，但部分系統尚未進行有效集成，無法有效實現對已經集成的系統數據的對外發布。部分數據通訊服務需要通過OPC 或者文本方式直接對各子系統的單獨數據集成。部分建設自動化數據集成平臺數據集成如圖3。

圖3 部分建設自動化數據集成平臺數據集成Fig.3 Part of the data integration in construction automation data integration platform

3）尚未建立單位的自動化數據集成平臺的煤礦，數據通訊服務通過OPC 或者文本方式實現對各子系統的數據集成，完成數據的采集與發布。自主研發的子系統需要子系統承建廠家按照標準數據協議及轉換要求，完成子系統數據的發布。未建成自動化數據集成平臺數據集成如圖4。

圖4 未建成自動化數據集成平臺數據集成Fig.4 Data integration without an automated data integration platform

3.2 重大風險分析研判

構建系列風險分析、研判與預警模型，根據安全監察監管要求，以藍、黃、橙、紅4 級風險指數進行分級預警，包括水災、火災、瓦斯災害、頂板災害、粉塵災害、設備安全、人員安全等專題分析，以煤礦采空區內因火災風險專題為例進行舉例說明。

火災專題分析重基礎數據集成包括O2、CO、CO2、CH4等氣體實時監測數據，根據監測數據，基于煤自燃階段劃分量化煤自燃指標[10]，建立煤自燃預警體系，確定預警閾值，確立煤自燃分級預警方法，實現煤自燃4 級預警。以藍、黃、橙、紅4 級風險指數對煤火災害進行實時監管，為煤自燃治理、監管監察提供有效的技術支持和依據。根據煤氧復合理論，實驗測試結果和現場實測數據，結合容易自燃煤自燃分級預警體系，確定選用CO 和O2，O2體積分數上限取20%，區間劃分值為12%、15%和18%?？偨Y以上條件，煤自燃預警基礎閾值R0可以通過以下條件進行表述：R0滿足以下3 個判斷條件中的任意1 個即可進入預警等級判定：①判斷條件1：O2體積分數大于18%且小于20%與CO 體積分數大于50×10-62 個條件同時滿足；②判斷條件2：O2體積分數大于15%且小于等于18%與CO 體積分數大于100×10-62 個條件同時滿足；③判斷條件3：O2體積分數大于12%且小于等于15%與CO 體積分數大于200×10-62 個條件同時滿足。

當基礎閾值R0滿足條件時，開始劃分藍色預警、黃色預警、橙色預警、紅色預警，特征溫度值取特征溫度范圍下限值，對應煤自燃階段及預警值如下：

1）藍色預警。在基礎閾值R0存在的情況下，判斷CO 體積分數與O2體積分數比值是否滿足大于0.003 且小于0.005 的條件，滿足即判斷當前進入藍色預警。

2）黃色預警。在基礎閾值R0存在的情況下，判斷CO 體積分數與O2體積分數比值是否滿足大于0.005 且小于0.006 的條件，滿足即判斷當前進入黃色預警。

3）橙色預警。在基礎閾值R0存在的情況下，判斷C2H4體積分數值是否滿足大于0 的條件，滿足即判斷當前進入橙色預警。

4）紅色預警。在橙色預警已經出現的情況下，判斷判斷C2H2體積分數值是否滿足大于0 的條件，滿足即判斷當前進入紅色預警。

4 煤礦安全生產風險系統建設示例

以東部某省為例，對基于煤礦安全生產風險監測預警系統的監管監察模式進行驗證，該省煤礦安全監察局委托某公司建設了各煤礦的安全生產信息平臺，實現對轄管5 座礦井安全監控系統、人員定位系統、數字工業視頻的集成，并根據安全監察應用需求實現了礦井基礎信息管理、環境實時監測、重大隱患閉環管理等功能。

基于煤礦現場辨識的安全生產風險，梳理需要采集的子系統，劃定監管基礎數據范圍，專業子系統用統一的數據規范對數據進行發布并建立加密數據傳輸通道?；A配置類信息發生變化立即上傳，且每日至少上傳1 次，實時變化數據和異常信息至少30 s上傳1 次或發生變化的時候立即上傳。生成的數據通過OPC、文本文件、WebApi 等方式發布，由近端采集系統統一進行采集、校驗、解析、加密傳輸，局端系統接收數據后解密存儲至實時數據庫和歷史數據庫。歷史數據是各類分析統計的數據源，用于進行各類異源結構數據存儲和融合分析。實時數據用于即時展示和各種異常信息的及時報警和推送。圍繞企業安全生產風險清單庫，對礦領導每日排班與實際下井情況比對分析，環境傳感器報警值與報警時長模型分析，重點區域人數監視，重大設備實時狀態與檢修情況持續監控，重大隱患情況跟蹤，結合視頻分析結果，從各個維度綜合分析研判礦井安全狀態，及時識別企業安全生產的異常情況，推送至相關責任人。

5 結 語

基于監管監察需要提出了利用信息化技術建設煤礦安全生產風險監測預警系統的理念，從煤礦安全生產風險庫的構建、煤礦端安全風險數據集成、煤礦安全風險評估專題和煤礦監管監察異常分級預警與處置4 個層級對系統構建進行了闡述。重點分析了現有煤礦端安全風險數據集成的3 種形式，以以煤礦采空區內因火災風險專題為例對風險專題以藍、黃、橙、紅4 級風險指數對重大風險專題實時監管監察模式進行說明。以東部某省為例，對基于煤礦安全生產風險監測預警系統的信息化、智能化監管監察模式進行驗證。通過對礦端基礎信息、監測監控系統、視頻信息的采集，實現了火災、瓦斯災害、頂板災害、人員安全和設備安全專題風險的監管監察，實現了礦端監管監察部分功能的遠程實時監管和重要安全指標數據的鉆取性查詢，大大提高了煤礦安全監管監察的實時性和針對性。