煤矿智能工作面环境安全监测及预警方法研究

屈世甲，武福生

（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）

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，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）。

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）。

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）。

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）。

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）。

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）。

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

图1 工作面安全风险融合预警级别划分流程Fig.1 Process of categorizing early warning levels of safety risks in working faces

表2 融合预警等级出现概率统计表Table 2 Statistics of the occurrence probability of the fusion early warning level

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。