煤礦典型安全巡檢場景特征及巡檢可靠性分析

佘九華 ，屈世甲

（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）

煤礦安全監測包括實時安全監測/監控系統和人工檢測/檢查2 大類，實時安全監測/監控系統通過在井下安裝傳感裝置，利用有線和無線等數據傳輸形式，實時將監測點參數上傳到上位機軟件，依托一定的規則進行實時報警及控制[1-2]，以煤礦安全監控系統、人員定位系統等為代表；人工巡檢/檢查作為與實時監測系統平行的檢測體系，通過井下人員在關鍵點位的人工檢查和測量，及時掌握關鍵參數和信息[3-4]，以瓦斯巡檢、人工測風等工作為代表。就煤礦通風監測為例，安全監控系統與專職通風瓦斯監測隊伍形成了通風安全數據測定的2 個平行系統，但系統監測和人工檢測地點并不準確相同，監測/檢測時間并未準確關聯，儀器精度與使用規范也存在顯著區別，兩者的測定數據有可能顯示出一定的差異。

實時監測/監控系統的優勢在于定點連續監控，不留時間空擋[5]；人工檢測/檢查的優勢在基于需要和經驗的廣泛巡查，不留空間空擋[6]。因此實時監控系統與人工專業隊伍形成了煤礦安全關鍵參數的雙保險，互相補充又各有側重。傳統的人工巡檢是通過人員攜帶檢測報警裝置及巡檢手冊，將監測數據及設備運行情況記錄在冊，發現隱患立即報告監控中心值班領導，按照相關規定制定安全技術措施進行處理，將處理結果備案，做到井上、井下互動管理[7-8]?，F階段無論是法律、法規的要求還是現場安全保障的需要，人工巡檢制度在當前階段都不可替代，同時又大量依靠人工勞動，相對發展滯后，智能礦山背景下人工巡檢如何通過信息化、自動化和智能化技術提升成為人工巡檢面臨的一個關鍵難題。現階段主要存在2 種解決思路：①在條件允許的場合通過巡檢機器人來替代或者輔助人工巡檢，降低工人勞動強度，提高工作效率[9]；②利用信息化手段和智能化平臺實現人工巡檢數據的信息化處理和多系統聯動處置，提高巡檢工人工作效率[10]，在無法通過巡檢機器人進行巡檢的環節和地點輔助人工巡檢。為此，重點討論通過信息化手段和智能化系統對人工巡檢進行輔助的方式，以提高安全巡檢效率和典型場景巡檢數據可靠性問題。

1 人工安全巡檢典型場景分析

人工安全巡檢包括法規、規程規定的巡檢工作和為了保證日常生產、安全和運輸效率所不得不開展的巡檢工作。主要就人工測風、井下瓦斯巡檢和安全監控系統傳感器標校3 個典型巡檢場景進行特征分析。

1.1 人工測風

煤礦井下除在規定位置布置了風速、風向等測風傳感器以外，還必須通過人工巡檢的方式進行在關鍵測風點進行風速測量，以《煤礦安全規程》2022 版為例[11]，第一百四十條規定“礦井必須建立測風制度，每10 天至少進行1 次全面測風”，人工測風屬于安全巡檢中的典型場景?，F階段人工測風大多是利用機械風表在個測風站內根據巷道斷面狀況，采用八線法、六線法或者四線法，每次每測點測定不得少于3 遍，每遍誤差不得超過4%，否則重新測量[12-13]。最終結果取3 遍的平均值，要求風表一定要與風流方向垂直且勻速移動，測風開始前應將指針回零，待風表運轉30 s 后，再打開計數器開始測量風速，每遍測定時間為60 s，測定結果及時上傳至通風相關系統并形成臺賬[14-15]。

對人工測風巡檢工作進行分解可以發現：完整、有效的測風需要在指定位置（測風站）花費一定的時間測量，計算測量誤差并做好測量記錄，最終形成巡檢臺賬，根據現場經驗按照規程測量時間不應少于5 min 來預估；輔助人工測風需要一套便攜的記錄、計算和數據上傳裝置，對測風數據的可靠性進行驗證后自動上傳至地面平臺形成臺賬；需要測風人員在指定測風站進行檢測，應該借助精確人員定位系統對測風員測風地點和測風的持續時間進行判斷，以判定測風員是否在要求時間點、指定測風位置進行了現場分風速測量工作。

1.2 井下瓦斯巡檢

瓦斯巡檢是指瓦斯檢查員按瓦斯巡回路線時間、地點、人員進行人工檢查，《煤礦安全規程》第一百八十條規定“礦井必須建立甲烷、二氧化碳和其他有害氣體檢查制度”，要求瓦斯檢查工必須攜帶便攜式光學甲烷檢測儀和便攜式甲烷檢測報警儀進行巡檢，所有采掘工作面、硐室、使用中的機電設備的設置地點、有人員作業的地點都應當納入檢查范圍。瓦斯檢查員要把在檢查過程中發現的問題、隱患及檢查數據及時向調度進行匯報，并通知現場工作人員，認真填寫班報，手冊和瓦斯牌板，并在井下完成交接班。瓦斯檢測過程一般是將甲烷檢測儀靠近巷道頂板或者地板20 cm 處，按壓吸氣球5～6 次，取下甲烷檢測儀讀數，并記錄在手冊上。

對瓦斯巡檢工作進行分解可以發現：①甲烷檢測儀的測量規范雖然沒有嚴格的時間規定，但是整個測量過程按照經驗估算一般不低于2 min，需要利用精確人員定位系統對各個檢測點測量持續時間進行驗證；②瓦斯巡檢需要瓦斯檢查員按照指定線路在指定時間內完成關鍵點的氣體測量，并形成記錄和臺賬，相比較風速測量，除關注測量位置外，還需對巡檢軌跡進行記錄和比對，對人員軌跡進行統計和與計劃路線的一致性進行研判。

1.3 甲烷傳感器標校

《煤礦安全規程》第四百九十二條規定“采用載體催化元件的甲烷傳感器必須使用校準氣樣和空氣氣樣在設備設置地點調校，每15 天至少1次”，一般是將標準氣樣瓶的流量計出口用橡膠軟管與傳感器氣室連接，打開減壓閥用小流量向傳感器然后調節流量控制閥把流量調節到200 mL/min，使其測量值穩定，顯示持續時間大于90 s，使顯示值與校準氣濃度值一致[16-17]，若不同則將遙控器對準傳感器進行調整，直到達到一致，并做好相應的標校記錄[18]。

對甲烷傳感器標校巡檢工作分解可以發現：①傳感器標校整個過程的持續時間不少于5 min，標校位置為傳感器安裝的實際位置，需要借助人員定位系統對人員是否在指定位置對制定傳感器進行標校做出判斷；②需要對記錄的標校過程和安全監控系統數據記錄進行關聯判斷，重點判斷標校過程中高濃度是否持續超過90 s，以對標校過程的可靠性進行綜合研判。

2 煤礦安全巡檢系統及智能輔助分析

基于人工安全巡檢3 個典型場景分析可知，安全巡檢的智能化提升主要包括2 方面：一方面是解決巡檢效率問題，通過開發安全巡檢流程信息化系統的研制，輔助巡檢人員進行數據記錄、傳輸和自動生成巡檢臺賬和牌板，其目的是降低工人工作強度，提高巡檢效率；另一方面是解決巡檢數據的可靠性問題，將巡檢工作自身數據與精確人員定位、安全監控系統等關聯數據的智能研判，對巡檢工作本身的可靠性進行輔助研判和安全監管，進一步提高安全巡檢數據的可信度。

2.1 安全巡檢信息化系統

采用信息采集與計算機網絡服務技術，通過全過程規范煤礦各類安全巡檢工作流程，采用自動留痕手段，實現安全巡檢工作標準化、安全巡檢行為規范化、安全巡檢信息無紙化、安全巡檢考核剛性化，促進安全巡檢從靜態管理向動態管理提升，從而有效防止安全巡檢工作中的脫崗、空班和漏檢現象。安全巡檢系統主要分由地面服務器、傳輸接口和井下礦用本安型網絡交換機、礦用通信分站、礦用無線基站、礦用顯示屏、礦用手持終端、井下人工檢測或者標校裝置、礦用穩壓電源、礦用直流穩壓電源等組成和語音報警箱等組成。安全巡檢系統架構示意圖如圖1。

圖1 安全巡檢系統架構示意圖Fig.1 Schematic diagram of safety patrol system architecture

安全巡檢人員通過井下人工檢測或者標校裝置完成對指定低點的風速、氣體測量或者傳感器標校以后，通過礦用手持終端填報檢測數據和標校過程數據，數據采集后通過井下無線和環網網絡完成數據上傳，傳輸到地面服務器后根據各場景的實際需要對數據做各種展示與處理，例如生成巡檢班報表、日報表、年報表、考核報表等。礦用手持終端填報的檢測數據除上傳至服務器以外，同時完成部分數據可靠性研判，對于通過可靠性驗證的數據按照個應用場景需要通過井下無線或者有線方式同步傳至礦用顯示屏，例如瓦斯巡檢系統能夠自動實時滾動顯示該區域內動態氣體檢測及溫濕度。

2.2 智能分析研判

1）人工測風可靠性研判。人工測風重點關注測風點位置、測風時間和3 次測風數據誤差合規性3 個指標：測風位置需通過精確人員定位系統獲取，與測風站的實際位置進行對比判斷；測風時間通過測風員所在測風站停留時間判斷，均由巡檢服務器執行；3 次測量誤差合規性通過3 次測風輸入值自動計算判斷，由礦用手持終端本地執行。人工測風場景巡檢數據可靠性判斷邏輯如圖2。

圖2 人工測風場景巡檢數據可靠性判斷邏輯Fig.2 Reliability judgment logic of patrol inspection data in manual wind measurement scenario

2）井下瓦斯巡檢可靠性研判。井下瓦斯巡檢無需對測量數據的誤差進行判斷，重點關注巡檢人員的檢測位置、檢測時間和巡檢軌跡3 方面內容，瓦斯巡檢的特殊性需要對巡檢時間點所在的區域和巡檢區域的一致性進行比對，在完成巡檢以后要對巡檢線路和巡檢規劃路線進行一致性檢驗，所有工作均由地面服務器來實現。瓦斯巡檢場景數據可靠性判斷邏輯如圖3。

圖3 瓦斯巡檢場景數據可靠性判斷邏輯Fig.3 Logic for judging the reliability of gas patrol scene data

3）甲烷傳感器標?？煽啃匝信?。甲烷傳感器標校重點關注標校人員位置和傳感器標校狀態下體積分數是否達到樣氣體積分數值并持續時間符合規定，其可靠性分析需要關聯精確人員定位和安全監控系統數據來綜合判斷，通過精確人員定位系統對標校人員是否出現在標校傳感器區域、是否停留足夠時間進行判斷，通過安全監控系統對傳感器標校的規范程度進行判斷，所有工作均由地面服務器來實現。甲烷傳感器標校場景數據可靠性判斷邏輯如圖4。

圖4 甲烷傳感器標校場景數據可靠性判斷邏輯Fig.4 Methane sensor calibration scene data reliability judgment logic

3 煤礦安全巡檢可靠性分析應用

以甲烷傳感器標校場景為例，對某綜采工作面甲烷傳感器標校過程的可靠性研判方法進行驗證。綜采工作面共布置有4 個甲烷傳感器，4 個人員定位基站，基本覆蓋了工作面區域的人員位置監測，具備了通過安全監控系統和人員定位系統對瓦斯標?？煽啃赃M行研判的基礎。工作面傳感器布置及標校巡檢線路如圖5。

圖5 某綜采工作面傳感器布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of sensor layout for a fully mechanized mining face

現場日常標校流程一般是巡檢人員攜帶2%的標準氣樣從位置點1 進入，在位置2 處對傳感器T3進行標校，在位置3、位置4 和位置5 處分別對T0、T1和T2進行標校，標校開始前需要輸入標校傳感器名稱、標校開始時間和完成時間，輸入完成后上傳至巡檢服務器，巡檢系統進行有效性判斷。綜采工作面甲烷傳感器標校巡檢數據表見表1，其中人員位置有精確人員定位系統提供，甲烷體積分數和持續時間由安全監控系統提供。。

表1 綜采工作面甲烷傳感器標校巡檢數據表Table 1 Data table of methane sensor calibration and inspection in fully mechanized mining face

該工作面甲烷標校的可靠性按照圖4 的研判邏輯進行甄別，工作面、回風2 處甲烷傳感器標校均通過了可靠性判斷，上隅角甲烷傳感器標校開始至結束時間小于5 min；進風巷甲烷傳感器達到樣氣體積分數值持續時間未達到90 s，判斷進風巷、上隅角2 個甲烷傳感器標校有異常，均需要現場進行確認說明。實地調查發現，巡檢人員在現場發現上隅角甲烷傳感器實時體積分數值和工作面傳感器甲烷濃度值基本一致，主觀上認為只需要認真標校1 個傳感器即可，只對工作面甲烷傳感器使用樣氣按照標準流程進行了標校，上隅角甲烷傳感器標校是通過甲烷傳感器遙控器進入傳感器測試功能模擬標校來完成，未按照標準標校流程進行操作，跟系統研判結果一致。進風巷甲烷傳感器現場人員確實按照標準流程進行操作，但是在標校過程中因工作面突發狀況需要處理，就主動縮短了通氣時間，標校人員考慮到進風巷甲烷傳感器體積分數基本為0，認為沒有必要再次進行標校，現場情況與系統研判結果一致。

從判斷邏輯和研判結果可以看出，該判斷方法目前還不能對所有的未按流程操作進行甄別，比如在上隅角標校時候將標校完成時間推遲3 min，按照目前的邏輯就不能識別到未按標準標校流程作業。但是本文所提出的可靠性研判方法能在一定范圍內對未按作業流程的巡檢過程進行自動判別，在提高巡檢數據可靠性方面邁出了重要一步，后續研究各典型場景的巡檢特征，通過多系統數據關聯分析不斷豐富研判模型，以對更多的無效巡檢進行識別。

4 結 語

從《煤礦安全規程》對人工巡檢的及具體要求和現場安全巡檢的實際需求入手，對當前階段人工安全巡檢工作的必要性進行了分析，在智能礦山建設背景下提出了通過信息化手段和智能化研判對人工巡檢進行輔助方式，來提高安全巡檢效率和典型場景巡檢數據可靠性問題。通過對人工測風巡檢場景、井下瓦斯巡檢場景和甲烷傳感器標校巡檢場景的特征分析，提出了安全巡檢信息化系統的架構；對應3 種典型應用場景，利用精確人員定位系統、安全監控系統和安全巡檢信息化系統本身的數據分別建立了巡檢數據可靠性研判模型。

以某綜采工作面甲烷傳感器標校巡檢數據為例，對進風巷、上隅角、工作面和回風巷4 個甲烷傳感器的標校可靠性數據進行了研判，分析結果與現場實際情況高度一致，能夠在一定程度上對安全巡檢的有效性和可信度進行提高。