煤礦智能化安全保障體系及關(guān)鍵技術(shù)探討

文/劉峰

在當(dāng)前的智能化時(shí)代，煤礦企業(yè)借助智能化技術(shù)手段進(jìn)行生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型，所建設(shè)的智能化安全保障體系發(fā)揮出重要作用，可以提高煤礦生產(chǎn)作業(yè)的安全性。在煤礦智能化安全保障體系中，包括感知層面、風(fēng)險(xiǎn)層面、設(shè)備層面及管理層面，其中包括較多的技術(shù)或理念能夠因此建構(gòu)出科學(xué)的煤礦智能化安全保障體系架構(gòu)。在煤礦智能化安全保障體系的建設(shè)及應(yīng)用中，需要應(yīng)用到關(guān)鍵技術(shù)手段，同時(shí)要以煤礦大數(shù)據(jù)共享平臺(tái)為載體，可以重點(diǎn)應(yīng)用四種關(guān)鍵技術(shù)，即煤礦風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警技術(shù)、透明地質(zhì)保障技術(shù)、礦井全維信息可視化建模技術(shù)、井下智能巡檢機(jī)器人技術(shù)。

煤礦生產(chǎn)作業(yè)具有風(fēng)險(xiǎn)性，對(duì)危險(xiǎn)源未進(jìn)行有效的感知、預(yù)警及管理，很容易造成安全事故，于煤礦企業(yè)而言十分不利?；诖耍旱V企業(yè)一直以來(lái)高度重視煤礦生產(chǎn)的安全保障，并借助智能化技術(shù)手段積極構(gòu)建煤礦智能化安全保障體系，可因此提高煤礦生產(chǎn)作業(yè)的安全水平。國(guó)家發(fā)改委等八部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，對(duì)煤礦企業(yè)的安全高效生產(chǎn)造成深遠(yuǎn)影響，也因此讓煤礦智能化發(fā)展成為必然趨勢(shì)，越來(lái)越多的煤礦企業(yè)廣泛應(yīng)用智能化技術(shù)手段，強(qiáng)調(diào)對(duì)煤礦生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行有效的感知、分析、互聯(lián)、預(yù)測(cè)、決策、控制，切實(shí)保障好煤礦生產(chǎn)作業(yè)的安全。目前來(lái)看，煤礦智能化安全保障體系已經(jīng)較為成熟，成功應(yīng)用多種關(guān)鍵技術(shù)手段，且已經(jīng)成為煤礦智能化建設(shè)的重要部分，未來(lái)可以發(fā)揮出更為重要的作用。正是因?yàn)槿绱?，?yīng)充分明確煤礦智能化安全保障體系及關(guān)鍵技術(shù)，筆者對(duì)此作如下的分析論述。

煤礦智能化安全保障體系的內(nèi)涵及本質(zhì)

煤礦智能化安全保障，是指依托于煤礦智能化建設(shè)，獲取到煤礦生產(chǎn)信息、煤礦井下水文地質(zhì)條件、設(shè)備運(yùn)維狀態(tài)等信息，然后借助大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析、建模、分析及評(píng)估，從而全面知曉智能化條件下煤礦生產(chǎn)作業(yè)的安全水平，采取針對(duì)性措施保障煤礦正常生產(chǎn)。在煤礦智能化安全保障體系中，因?yàn)橛兄悄芑夹g(shù)手段的支持，所以能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行煤礦安全生產(chǎn)狀態(tài)的評(píng)估及設(shè)備運(yùn)維自檢，在確定出煤礦生產(chǎn)作業(yè)中的風(fēng)險(xiǎn)因素之后，可進(jìn)行實(shí)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、智能決策、智慧化的災(zāi)害處置，如此便可以保障煤礦正常生產(chǎn)和提高煤礦生產(chǎn)管理科學(xué)水平。在當(dāng)前所應(yīng)用的煤礦智能化安全保障體系中，核心之處是借助智能化技術(shù)手段進(jìn)行精準(zhǔn)的感知、預(yù)測(cè)、分析、評(píng)估及處理，涉及“全維感知體系”“風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與預(yù)警體系”“智能化裝備體系”，可以保障煤礦生產(chǎn)作業(yè)的安全。

煤礦智能化安全保障體系具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，其本質(zhì)是利用智能化技術(shù)手段最大程度減少人為操作環(huán)節(jié)，可以由智能化技術(shù)手段進(jìn)行煤礦生產(chǎn)作業(yè)，主要是設(shè)備操作、安全管理、人員設(shè)備路徑跟蹤、風(fēng)險(xiǎn)的早期預(yù)警、調(diào)度、通風(fēng)。如此一來(lái)，煤礦生產(chǎn)作業(yè)可以由之前的勞動(dòng)密集型向著技術(shù)密集型與人才密集型而轉(zhuǎn)變，將與人相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)因素有效消除，煤礦生產(chǎn)作業(yè)的安全性可以更加可控。目前來(lái)看，在煤礦智能化安全保障體系中，主要是以煤礦大數(shù)據(jù)平臺(tái)為載體，所采集的煤礦生產(chǎn)信息可以被實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)，在此基礎(chǔ)上可以借助大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析和論證，充分明確煤礦生產(chǎn)作業(yè)的安全狀態(tài)信息，可以對(duì)煤礦安全隱患進(jìn)行針對(duì)性、科學(xué)性、標(biāo)準(zhǔn)性的處理。除此之外，當(dāng)前所應(yīng)用的煤礦智能化安全保障體系已經(jīng)較為成熟，顯著優(yōu)勢(shì)之一是可以集成多種動(dòng)態(tài)信息，主要是礦井生產(chǎn)中的通風(fēng)信息、地質(zhì)賦存信息、組織調(diào)度信息、生產(chǎn)狀態(tài)信息、運(yùn)輸信息、設(shè)備聯(lián)動(dòng)信息、人員工作狀態(tài)信息。

煤礦智能化安全保障體系的架構(gòu)

煤礦智能化安全保障體系是以煤礦大數(shù)據(jù)平臺(tái)為載體，可以進(jìn)行煤礦生產(chǎn)作業(yè)信息的采集與分析，且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與安全決策，所建設(shè)的煤礦大數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和云信息平臺(tái)發(fā)揮著十分重要的作用。基于煤礦大數(shù)據(jù)平臺(tái)，煤礦智能化安全保障體系的架構(gòu)中包括四個(gè)層面，即感知層面、風(fēng)險(xiǎn)層面、設(shè)備層面、管理層面，各個(gè)層面有不同的技術(shù)內(nèi)涵。

在感知層面，強(qiáng)調(diào)對(duì)煤礦生產(chǎn)作業(yè)全維信息的感知與建模，主要是建設(shè)和應(yīng)用煤礦全維感知體系，這是煤礦智能化安全保障的前提。在煤礦生產(chǎn)作業(yè)的全維感知中，主要是利用慣性導(dǎo)航技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、CT 反演技術(shù)，可以對(duì)人員設(shè)備路徑跟蹤、煤礦水文地質(zhì)、礦井災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、力學(xué)場(chǎng)云信息等進(jìn)行全維度、全方面、全體系的感知，早期發(fā)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)作業(yè)中的風(fēng)險(xiǎn)因素。

在風(fēng)險(xiǎn)層面，主要是進(jìn)行煤礦生產(chǎn)作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與預(yù)警，動(dòng)態(tài)化感知各種信息與主要災(zāi)害，主要是煤礦生產(chǎn)作業(yè)中的粉塵、瓦斯、水、火、頂板。在智能化算法、大數(shù)據(jù)聚類分析等技術(shù)手段的支持下，同時(shí)基于煤礦常見(jiàn)災(zāi)害發(fā)生機(jī)理，可以有效識(shí)別與評(píng)估煤礦生產(chǎn)作業(yè)中的危險(xiǎn)源，在此基礎(chǔ)上可以對(duì)存在的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行智能預(yù)警。通過(guò)精準(zhǔn)、全方位的煤礦風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與預(yù)警，可以對(duì)不安全因素進(jìn)行早期防范，最大程度降低煤礦生產(chǎn)中安全事件的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

在設(shè)備層面，所應(yīng)用的智能化裝備體系具有兩大能力，一是自檢能力，二是自修能力。詳細(xì)言之，在煤礦生產(chǎn)作業(yè)中，各種設(shè)備發(fā)揮出重要作用，是煤礦安全生產(chǎn)的最基本要素，更是煤礦智能化的載體之一。在煤礦智能化安全保障體系中，設(shè)備的安全保障分為兩部分，即設(shè)備狀態(tài)安全、設(shè)備運(yùn)維安全，前者是針對(duì)設(shè)備故障，后者是針對(duì)設(shè)備事故，均強(qiáng)調(diào)礦井機(jī)電設(shè)備處于安全工作狀態(tài)。對(duì)全礦井系統(tǒng)裝備建立實(shí)時(shí)信息檔案，借助智能化裝備體系及智能化技術(shù)手段可以進(jìn)行自檢，確定出故障位置、故障模塊、故障原因，在此基礎(chǔ)上可以借助內(nèi)置或外接的檢修機(jī)器人，如此可以實(shí)現(xiàn)全礦井系統(tǒng)裝備的自檢自修。

在管理層面，煤礦企業(yè)可以樹(shù)立及增強(qiáng)技術(shù)密集型的煤礦安全管理理念，且強(qiáng)調(diào)借助煤礦智能化安全保障體系進(jìn)行全過(guò)程、全方位的安全管理，不再過(guò)度依賴于人為性的管理模式。目前來(lái)看，越來(lái)越多的煤礦企業(yè)應(yīng)用煤礦開(kāi)采模式智能化技術(shù)手段，且應(yīng)用人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，依據(jù)煤礦生產(chǎn)安全管理規(guī)律，可以進(jìn)行煤礦生產(chǎn)作業(yè)的自主評(píng)估、智能決策、科學(xué)管理，使礦山全維環(huán)境處于安全狀態(tài)。除此之外，煤礦企業(yè)強(qiáng)調(diào)應(yīng)用煤礦風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控理念，形成礦山安全管理閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)管理干預(yù)智能化的效果，礦山的安全管理工作可以分區(qū)域、分階段、分層次進(jìn)行。

煤礦智能化安全保障體系的關(guān)鍵技術(shù)

煤礦風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警技術(shù)

在煤礦智能化安全保障體系中，要注重應(yīng)用煤礦風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警技術(shù)，確保能夠早期發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)因素，采取科學(xué)可行的防范措施。實(shí)際應(yīng)用煤礦風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警技術(shù)的過(guò)程中，一大制約因素是危險(xiǎn)源的評(píng)價(jià)模型及算法，且當(dāng)前沒(méi)有完全明確采動(dòng)空間突水機(jī)制理論、煤與瓦斯突出機(jī)理、沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，導(dǎo)致無(wú)法構(gòu)建真正意義上的煤礦重大安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

對(duì)于此，當(dāng)前的思路是應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)的模糊評(píng)判方法、聚類分析技術(shù)，有較多煤礦企業(yè)成功開(kāi)發(fā)面向數(shù)據(jù)流的可能性模糊聚類算法，且結(jié)合極速學(xué)習(xí)機(jī)、去噪編碼器，在此基礎(chǔ)上可以構(gòu)建出煤礦風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警模型。風(fēng)險(xiǎn)綜合預(yù)警判斷函數(shù)是一大重點(diǎn)，涉及較多的專業(yè)知識(shí)，需要加大研究力度，同時(shí)要確定出煤礦生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)，可以有“正?！薄拜p警”“中警”“重警”這些預(yù)警的警度。關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘發(fā)揮出重要作用，能夠?qū)崟r(shí)挖掘煤礦生產(chǎn)中的風(fēng)險(xiǎn)信息，確定出煤礦風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則，在此基礎(chǔ)上可以構(gòu)建出準(zhǔn)確的煤礦風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警模型，能夠發(fā)揮出兩方面的作用。一方面，對(duì)影響到煤礦安全生產(chǎn)的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，主要是煤塵、礦壓、瓦斯?jié)舛?、火?zāi)、水害，主要是外源傳感信息。另一方面，在關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘技術(shù)的支持下，可以記錄與集合煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的影響因素，后續(xù)可進(jìn)行針對(duì)性的預(yù)警與防控。

透明地質(zhì)保障技術(shù)

煤礦智能化安全保障的過(guò)程中，透明地質(zhì)保障技術(shù)是一項(xiàng)基礎(chǔ)性技術(shù)，基于地球物理、傳感器、煤礦物聯(lián)網(wǎng)等礦山全維信息感知技術(shù)。在應(yīng)用透明地質(zhì)保障技術(shù)時(shí)，可以集成各種時(shí)空關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，主要是瓦斯地質(zhì)特征、礦井全巖層、水文地質(zhì)特征、力學(xué)特征，在此基礎(chǔ)上可以應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能化算法進(jìn)行建模，且建模過(guò)程中可以突破礦井的隱性特征、顯性特征的力學(xué)狀態(tài)與時(shí)空狀態(tài)。

目前來(lái)看，所應(yīng)用的透明地質(zhì)保障技術(shù)已經(jīng)較為成熟，可以在礦井開(kāi)采作業(yè)中全過(guò)程應(yīng)用，在采前，可超前預(yù)知地質(zhì)異常區(qū)域，在采中，可實(shí)時(shí)感知擾動(dòng)情況，在采后，可評(píng)估巖體運(yùn)移滯后情況。通過(guò)進(jìn)行采前、采中和采后的預(yù)知與評(píng)估，能夠確保煤礦智能化開(kāi)采作業(yè)的安全。除此之外，在應(yīng)用透明地質(zhì)保障技術(shù)的過(guò)程中，需要根據(jù)礦井生產(chǎn)情況構(gòu)建三維空間柵格模型，煤巖層的諸多信息要進(jìn)行坐標(biāo)化匹配，主要是彈性模量、抗壓強(qiáng)度、黏聚力、泊松比、內(nèi)摩擦角，同時(shí)對(duì)一些本征屬性進(jìn)行坐標(biāo)化匹配，以揮發(fā)分、發(fā)熱量、自燃發(fā)火性、水分。后續(xù)要進(jìn)一步加大研究力度，提高應(yīng)用透明地質(zhì)保障技術(shù)的水平，有效應(yīng)用在礦井開(kāi)采作業(yè)的采前、采中及采后，最大程度從地質(zhì)層面保障好煤礦開(kāi)采作業(yè)的安全。

礦井全維信息可視化建模技術(shù)

當(dāng)前的煤礦智能化安全保障體系中，強(qiáng)調(diào)對(duì)礦井生產(chǎn)作業(yè)實(shí)施全維信息可視化建模，這一過(guò)程中會(huì)將礦井中的力學(xué)要素與物理要素全部數(shù)字化處理，然后用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行可視化顯示及表達(dá)。在煤礦綜合操作過(guò)程中，非常需要礦井全維信息可視化建模及其技術(shù)的支持，主要是“礦山生產(chǎn)系統(tǒng)建模”“巷道建?！薄八牡刭|(zhì)建?！薄暗V井全維信息可視化展示”。在應(yīng)用礦井全維信息可視化建模技術(shù)時(shí)，是以GIS 三維建模、激光點(diǎn)云建模技術(shù)為重要基礎(chǔ)，將煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的多種信息有效融合，主要是礦井設(shè)備狀態(tài)信息、災(zāi)害指標(biāo)性信息、礦井生產(chǎn)系統(tǒng)信息、水文地質(zhì)信息、采動(dòng)空間力學(xué)狀態(tài)信息、人員作業(yè)路徑信息。

當(dāng)前所應(yīng)用的3Dmax 建模技術(shù)、H5 建模技術(shù)均較為成熟，可進(jìn)行礦井三維建模，所構(gòu)建的三維煤礦場(chǎng)景支持多種需求，比如可以進(jìn)行穿透式查詢與聚合，礦區(qū)各維度、各屬性、各區(qū)域的信息可以直觀且實(shí)時(shí)呈現(xiàn)出來(lái)。目前來(lái)看，在煤礦智能化安全保障體系中通過(guò)應(yīng)用礦井全維信息可視化建模技術(shù)，已經(jīng)能夠讓礦井要素處于可視化展示與操作的狀態(tài)，且能夠讓煤礦企業(yè)的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)得到有機(jī)集成，所形成的礦井全維信息可視化模型、礦井?dāng)?shù)據(jù)管理中心都可以發(fā)揮出重要作用，利于煤礦企業(yè)動(dòng)態(tài)化進(jìn)行礦井生產(chǎn)作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、管理干預(yù)。

井下智能巡檢機(jī)器人技術(shù)

在大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及5G 技術(shù)的支持下，煤礦生產(chǎn)作業(yè)會(huì)慢慢進(jìn)入到井下無(wú)人作業(yè)階段，實(shí)現(xiàn)良好的煤礦智能化生產(chǎn)。為確保煤礦智能化生產(chǎn)的安全與有效，且達(dá)到智慧安全管理的理想效果，當(dāng)前有較多的煤礦企業(yè)開(kāi)始應(yīng)用井下智能巡檢機(jī)器人技術(shù)，已經(jīng)將其作為煤礦智慧安全管理的重要抓手，取得良好成效。所應(yīng)用的井下智能巡檢機(jī)器人技術(shù)，是以機(jī)器人為數(shù)據(jù)終端，機(jī)器人和大數(shù)據(jù)后臺(tái)之間處于實(shí)時(shí)互通的狀態(tài)，主要是依托高速無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

對(duì)于煤礦生產(chǎn)作業(yè)中的不同安全風(fēng)險(xiǎn)，可以開(kāi)發(fā)針對(duì)性的便攜式傳感器，由巡檢機(jī)器人按照要求進(jìn)行巡檢，要求達(dá)到多區(qū)域、多批次、多維度的效果，最后有效感知煤礦全維風(fēng)險(xiǎn)信息。除此之外，當(dāng)前成熟的井下智能巡檢機(jī)器人搭載較多技術(shù)，主要是慣性導(dǎo)航技術(shù)、地球物理探測(cè)技術(shù)、人工智能技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、多元定位技術(shù)，正是因?yàn)橛羞@些技術(shù)的支撐，所以井下智能巡檢機(jī)器人可以自主規(guī)劃與識(shí)別路線，自動(dòng)感知到井下風(fēng)險(xiǎn)源，不再需要人為巡檢，對(duì)提高煤礦智能化安全保障水平有十分大的裨益。

要充分肯定當(dāng)前煤礦智能化安全保障體系所發(fā)揮出的重要作用，并應(yīng)該持續(xù)性完善和優(yōu)化煤礦智能化安全保障體系，使其在煤礦安全管理中發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用。后續(xù)要進(jìn)一步加大研究力度，對(duì)煤礦智能化安全保障體系中的感知層面、風(fēng)險(xiǎn)層面、設(shè)備層面、管理層面進(jìn)行優(yōu)化，且要注重關(guān)鍵技術(shù)手段的應(yīng)用，切實(shí)發(fā)揮出技術(shù)優(yōu)勢(shì)，助力煤礦開(kāi)采事業(yè)的健康發(fā)展和提高安全管理水平。