煤矿智能工作面环境安全监测及预警方法研究_屈世甲.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 煤矿智能工作面环境安全监测及预警方法研究 屈世甲 1,2， 武福生1,2 （1.中煤科工集团常州研究院有限公司， 江苏 常州 213015； 2.天地 （常州） 自动化股份有限公司， 江苏 常州 213015） 摘要 从智能工作面环境安全监测及预警方面的需求入手， 以工作面区域水害、 火灾、 瓦斯、 矿 压和粉尘 5 大灾害监测预警为主线， 利用信息化手段研究了智能工作面 5 大灾害的实时监测和 分析预警实现问题。从基础分析数据来源、 灾害分析方法和监测分析成果 3 个方面对智能化工 作面环境安全监测预警进行了分析。 关键词 监测系统； 智能工作面； 灾害预警； 融合分析； 实时分析 中图分类号 TD679文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0132-04 Study on Environmental Safety Monitoring and Early Warning of Intelligent Working Face for Coal Mines QU Shijia1,2, WU Fusheng1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China; 2.Tiandi（Changzhou）Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China） Abstract Starting from the requirement of environmental safety monitoring and early warning in intelligent working face, the monitoring and early warning of five kinds of disasters including water disasters, fire disasters, gas disasters, mine pressure disasters and dust disasters in working face is taken as the main line. By means of ination technology, the real -time monitoring and early warning realization of five disasters in intelligent working face are studied. Based on the data source of basic analysis, disaster analysis and monitoring analysis results, the environmental safety monitoring and early warning of intelligent working face is analyzed. Key words monitoring system; intelligent working face; disaster early warning; fusion analysis; real-time analysis 煤矿智能工作面基本实现了地面集控中心与工 作面区域控制中心的一键启动与远程操作等功能， 基本能完成可视化远程干预的工作面生产模式， 对 工作面生产过程来说，其安全、高效和操作简单的 优势较为明显[1-4]。智能工作面的运行往往伴随着 “少人” 或 “无人” 工作面的安全管理理念， 一方面智 能化工作面本身人员需求较少，另一方面是考虑相 对危险区域人员的安全保障问题[5-7]。但综采工作面 安全生产不仅仅包含人员安全，还包括设备安全和 环境安全，为此从智能综采工作面环境安全监测及 预警方面的需求入手， 以工作面区域水害、 火灾、 瓦 斯、 矿压和粉尘 5 大灾害为主线， 利用信息化手段研 究 5 大灾害的实时监测和分析预警问题。通过综合 评判模型，实现工作面区域的安全指数分析预警， 为综采工作面智能控制提供安全保障，为安全预警 及管控提供灾害实时监测和分析数据，是智能工作 面安全预警及管控体系的重要组成部分。 1工作面环境安全监测及预警现状 随着综采工作面成套设备技术的发展，智能综 采工作面也在逐渐增多，但是智能综采工作面区域 的环境安全监测及管理依然处在超限报警、人工对 接、 口口相传的阶段[8-9]。如何进行智能综采工作面 日常的环境安全监测及管理工作就成为了关注的问 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.028 屈世甲， 武福生.煤矿智能工作面环境安全监测及预警方法研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 132-135. QU Shijia, WU Fusheng. Study on Environmental Safety Monitoring and Early Warning of Intelligent Working Face for Coal Mines［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 132-135.移动扫码阅读 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2016YFC0801804） 132 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 题。以煤矿最为主要的水害、 火灾、 瓦斯、 矿压和粉 尘 5 大灾害为例[10]， 从基础分析数据来源、 灾害分析 方法和监测分析成果 3 方面来看，工作面环境安全 监测及预警现状如下 1） 分析基础数据来源。分析过程需要人工干 预， 基础数据不能自动获取， 无法排除人为干扰的 主观不可控性， 同时分析结果也缺乏实时性。 2） 灾害分析方法。水、 火、 瓦斯、 矿压、 粉尘孤立 分析， 各自为政， 没有从工作面区域整体布局， 在各 灾害监测基础上融合分析预警。 3） 灾害监测分析成果。大多针对阶段性生产过 程分析， 提交研究成果， 多为研究报告形式， 无法对 工作面全生产周期进行安全分析、 跟踪和保障。 煤矿智能化工作面在环境安全监测及保障部分 也不同于传统综采工作面，在灾害监测和预警分析 方面应有更深层次和更高实时性的需求。在分析基 础数据来源方面，要尽可能减少人为干扰因素， 研 发基础数据及分析过程自动实现装置及流程，提高 安全分析的实时性；在灾害分析方面，要利用大数 据思路解决安全因子之间的不确定相关性，在水、 火、 瓦斯、 矿压、 粉尘分别预警的基础上形成智能化 的工作面灾害融合分析预警及保障跟踪；在灾害监 测分析成果方面，能提供信息化管理平台和分析方 法的自诊断平台，建立工作面全生产周期的安全跟 踪保障系统， 提高分析成果的实时性和复用性。 2智能工作面环境安全监测基础数据采集 基础监测数据是灾害分析和预警的基础，基础 数据获取的实时性和可靠性直接关系到预警系统的 实时性和有效性。以水、 火、 瓦斯、 矿压和粉尘 5 大 灾害为研究对象和环境安全监测分析目标，结合当 下先进可靠的监测手段和现场管理模式，原始基础 数据主要包括 3 大类[11-13] ①监测数据已经实现了 监测信号数字化且实现了信息化传输，能够自成系 统并实时传输接入环境安全分析系统使用的数据， 比如煤矿安全监控系统，矿井人员定位系统，采空 区光纤测温系统等；②虽实现了监测的数字化， 但 是缺乏信息化传输手段，无法实时、自动传输的安 全监测数据，比如便携检测仪数据，巷道测风数据 等；③还没有实现数字化的安全监测数据，比如机 械风表的数据和采空区气体色谱分析数据等。 从智慧矿山的发展需求来看，以上 3 类监测数 据的数字化和信息化是必然和必须的，只有数据的 实时可靠获取能够实现，后续的分析才会更有意义 和价值[14-15]。结合现阶段现场实际情况， 为了开展现 阶段智能工作面环境安全分析预警工作，对以上 3 类数据的自动获取提出了不同方案， 安全监测/检测 3 类基础数据采集见表 1。 如表 1， 第 1 类基础数据直接获取相对容易； 对 于第 2 类数据，现有的便携检测仪基本不能直接将 数据上传，提出便携仪与智能本安手机或其他有无 线传输功能的终端配套使用的方法，便携仪通过蓝 牙将数字化监测信号传至终端，终端通过无线网络 上传安全分析系统；第 3 类数据大多已经涵盖在现 有煤矿安全管理的流程中，而且都已经形成不同格 式的数据报表， 比如束管分析报表， 工作面生产统计 报表等等[16]。为此提出通过利用信息化手段异地自 动读取相关报表的方式获取人工检测的冗余安全数 据，将数据结构化以后存入数据库成为安全分析的 基础数据库备用。 3工作面环境安全监测融合分析方法 国内外煤矿行业学者在工作面灾害监测预警方 面展开了大量的研究工作，在灾害的监测预警上都 取得了一定的进展，达到了单一灾害提前预警并能 指导处置的程度[17-19]。但煤矿采掘工作面生产系统 空间上立体， 时间上动态， 导致了其事故的动态性、 随机性和模糊性，不同灾害之间在时间和空间上也 具有一定的相关性， 5 大灾害各自独立预警， 虽然意 义重大，但是当多种灾害耦合发生时候，就增加了 灾害预警信息处理的难度，也不利于灾害的联合预 防， 因此煤矿智能化工作面灾害预警分析， 就需要将 5 大灾害整体思考， 综合分析融合预警。 3.1现有灾害预警技术分析 独立预警没有建立起有效的关联分析，预警级 别的划分也没有统一的标准，但是按照突发事件发 生的紧急程度、发展态势和可能造成的危害程度， 表 1安全监测/检测 3 类基础数据采集 Table 1Three types of basic data collection for safety monitoring 序号数据类别数据特征解决方案 1 2 3 已数字化信 息化数据 已数字化未 信息化数据 未数字化、 信息化数据 实时监测、 传输 实时监测， 无法 直接传输 人工记录且无 法传输 信息化方式直接数据交互 利用智能终端实现数字化信 息交互， 无线网络上传系统 按照现有流程，利用信息化 手段异地自动读取相关数据 133 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 将预警级别分为 1 级、 2 级、 3 级和 4 级，分别用红 色、 橙色、 黄色和蓝色标示， 1 级红色为最高级别， 4 级蓝色为最低级别。 不同的预警级别应对的处理方法不同， 4 级蓝 色预警采取一般应对措施，排查隐患点，加强管理 并密切观察； 3 级黄色预警采取较高应对措施， 加大 人力处理隐患、 加强工作面管理并密切观察； 2 级橙 色预警必须采取严重重视的应对措施，投入更多人 力物力消除隐患并上报上级领导； 1 级红色预警采 取最高级别的应对措施，及时迅速处理隐患，必要 时停产撤人，上报最高领导。由于 5 大灾害独立预 警，对于工作面整体安全管控来说，在工作面的可 能会出现以下难以处理的情形①若 5 大灾害有 2 种或以上为 3 级橙色预警，其余为 3 级黄色或者 4 级蓝色预警，此时应该按照哪种级别预警处置； ② 若 5 大灾害有 2 种或以上为 3 级黄色预警，其余为 4 级蓝色预警， 此时应该按照哪种级别预警处置； ③ 若五大灾害有两种或以上为四级黄色预警，其余为 安全状态， 此时应该按照哪种级别预警处置。 理论上来说， 每个灾害都有 4 个预警级别， 5 大 灾害总共就会存在 1 024 种组合，针对 5 大灾害单 独预警导致采取应对措施混乱不明确的情形，必须 建立明确的安全风险综合预警的划分方法，确保不 同的预警级别有明确的应对措施。 3.2智能工作面环境安全监测融合分析 基于煤矿智能工作面安全管控的需要，明确工 作面安全风险融合预警级别，从而采取清晰正确的 应对措施，消除工作面安全隐患，需要一种综合 5 大灾害的工作面安全风险融合预警等级的划分方 法。 首先将 5 大灾害按照 4 种预警级别进行划分， 分 别用 1、 2、 3、 4 来表示， 级别依次递减， 属于融合预 警的输入部分， 。 融合预警的输出部分为 5 种灾害融合后的预警 级别，即每 1 种灾害都有其本身的灾害预警级别 （1、 2、 3、 4） ， 基于 5 种灾害融合分析的基础上， 能够 得出当前工作面的 5 种灾害融合预警等级，依然按 照 4 级划分， 用 1 级、 2 级、 3 级、 4 级来表征， 其中 1 红色预警代表最高级别， 4 级蓝色预警代表最低级 别。经过现场大量数据和事故案例分析，定义如下 划分方法。 1） 5 大灾害中，只要有任意 1 种灾害预警等级 为 1 级红色预警， 判断融合预警等级为 1 级， 共 781 种组合， 均输出 1 级红色的融合预警结果， 如式 （1） 。 1 024- （C 1 3C 1 3C 1 3C 1 3C 1 3） 781 （1） 2） 5 大灾害中，如果有任意 3 种及以上灾害预 警等级为 2 级， 剩余灾害等级分别为 3 级、 4 级的情 况下， 判断融合预警等级为 2 级， 共包括 51 种组合， 均输出 2 级橙色的融合预警结果， 如式 （2） 。 C 3 5C 1 2C 1 240 C 4 5C 1 210 C 5 5 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1 （2 ） 3） 5 大灾害中，如果有最多 2 种灾害预警等级 为 2 级，剩余灾害等级分别为 3 级、 4 级的情况下， 判断融合预警等级为 3 级， 共 160 种组合， 均输出 3 级橙色的融合预警结果， 如式 （3） 。 C 2 5C 1 2C 1 2C 1 280 C 1 5C 1 2C 1 2C 1 2C 1 28 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 0 （3） 4） 5 大灾害中，如果有任意 3 种及以上灾害预 警等级为 3 级， 剩余灾害等级分别为 4 级的情况下， 判断融合预警等级为 3 级， 共 16 种组合， 均输出 3 级黄色的融合预警结果， 如式 （4） 。 C 3 510 C 4 55 C 5 5 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1 （4） 5） 5 大灾害中，如果有最多 2 种灾害预警等级 为 3 级， 剩余灾害等级分别为 4 级的情况下， 判断融 合预警等级为 4 级， 共 15 种组合， 均输出 4 级蓝色 的融合预警结果， 如式 （5） 。 C 2 5＝10 C 1 5＝ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 5 （5 ） 6） 5 大灾害中，如果有所有灾害预警等级为 4 级， 判断融合预警等级为 4 级， 共 1 种组合， 均输出 4 级蓝色的融合预警结果， 如式 （6） 。 C 5 51 （6） 如以上步骤， 对 1 024 种排列组合进行划分， 形 成了工作面融合 5 大灾害的安全风险等级的划分方 法， 工作面安全风险融合预警级别划分流程如图 1。 按照该融合等级划分的方法，各个等级出现概 率见表 2。 4结语 论述了智能综采工作面环境安全监测及预警现 状和工作面环境安全监测融合分析方法。从智能工 作面环境安全监测及预警方面的需求入手，以工作 134 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 1工作面安全风险融合预警级别划分流程 Fig.1Process of categorizing early warning levels of safety risks in working faces 作者简介 屈世甲 （1984） ， 陕西铜川人， 副研究员， 硕 士， 2013 年毕业于西安科技大学，主要研究方向为煤矿灾 害监测监控数据分析及安全技术。 （收稿日期 2019-11-07； 责任编辑 李力欣） 面区域水害、 火灾、 瓦斯、 矿压和粉尘 5 大灾害为主 线，利用信息化手段研究了智能工作面 5 大灾害的 实时监测和分析预警实现问题。从基础分析数据来 源、灾害分析方法和监测分析成果 3 方面对智能化 工作面环境安全监测预警进行了分析。 参考文献 ［1］ 王国法， 张德生.煤炭智能化综采技术创新实践与发 展展望 ［J］ .中国矿业大学学报， 2018， 47 （3） 459. ［2］ 任怀伟， 孟祥军， 李政， 等.8 m 大采高综采工作面智 能控制系统关键技术研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2017， 45 （11） 37-44. ［3］ 荆泽江.智能化工作面系统可靠性评价 ［D］ .太原 太 原理工大学， 2017. ［4］ 陆军平.基于物联网的煤矿安全管理体系 ［J］ .黑龙江 科技信息， 2016 （33） 59. ［5］ 黄乐亭， 黄曾华， 张科学.大采高综采智能化工作面开 采关键技术研究 ［J］ 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level 融合预警等级预警颜色报警占比/ 1 级 2 级 3 级 4 级 红色 橙色 黄色 蓝色 76.2 4.9 17.2 1.5 135 ChaoXing