煤矿智能化防突动态预警系统构建

路培超 唐盛禹 赵 乐

（光力科技股份有限公司，河南 郑州 450001）

当前，矿井煤与瓦斯突出事故偶有发生，其主要原因是防突措施执行不到位，这与煤矿防突管理不规范、防突信息获取不及时、防突数据分析不足等密切相关[1-2]。充分利用数字化、智能化等技术，构建煤矿智能化防突动态预警系统，及时获取防突措施实施过程数据，开展防突数据智能分析，强化防突过程施工质量管控，实现防突的精细化、智能化管理。

1 系统总体架构设计

基于工业互联网架构体系[3-4]，按照分层设计原则，充分考虑煤矿防突过程管理需求，建立集信息自动采集、无线传输、自动分析、可视展示、在线审批等功能的智能化防突动态预警系统。

智能感知层，包括工作面突出危险性预测和校检作业过程中视频监控、钻孔轨迹、突出参数测定、移动终端采集和人员位置管理信息等。传输网络层，作业区域构建无线通信网络，实现防突作业采集信息的无线、即时上传至地面。智能应用层，通过井下防突作业数据采集、入库，构建基于数据挖掘、AI 视频分析等支撑平台，实现防突作业合规性分析、钻孔空白带分析、突出动态预警等应用管理。通过建立统一的标准规范体系和安全运维保障体系，保障系统的规范性、安全性、可靠性。系统总体技术架构如图1。

图1 系统总体技术架构图

2 基于无线通信的防突信息采集

2.1 无线通信网络建设

系统采用基于高性能WiFi 宽带无线通信网络，数据接口和通信基站支持组建高速有线或无线网络，同时支持语音、视频、数据传输[5-6]。在工作面场景中应用，无线通信网络具有如下特点：（1）覆盖范围宽，实现大范围宽带无线通信，可为语音、视频等数据业务提供强大支撑；（2）扩展能力强，具备集成人员定位管理、视频监控管理等相关功能的能力；（3）无线通信距离远、信号穿透性强、快速组网，有效减少设备的部署数量和建设成本。

2.2 防突信息无线采集平台建设

（1）无线视频监控设备

工作面防突作业具有空间受限、照明条件差、粉尘污染、需经常移动位置等特点。针对应用场景，系统采用基于WiFi 宽带无线通信的防爆摄像仪[7]，支持视频信号无线传输，有效避免线缆铺设，方便摄像仪吊挂安装；采用带红外夜视功能的高清摄像仪，可在照明条件差的环境中正常使用。视频监控图像可通过防爆手机查看，方便随时调整摄像仪安装位置。通过视频监控设备，可随时查看井下防突作业过程，加强防突员监督管理，有效杜绝钻孔造假、数据造假等违规行为。

（2）无线钻孔轨迹测量

考虑到防突作业工作量大、空间受限等问题，系统采用手持式浅孔轨迹仪，具有组成结构简单、成孔后快速检测、轨迹测量数据可无线传输到移动终端等特点。探管外形小巧，利用碳纤维杆推送探管进行轨迹测量，能够在移动终端显示钻孔测量轨迹数据、二维、三维钻孔图。

（3）无线突出参数测定仪

钻屑指标法是工作面突出危险性预测或效果检验的常用方法，钻屑瓦斯解吸指标K1值和钻屑量S是关键预测参数，突出参数测定仪可以实现K1值和S值的快速检测。系统采用带WiFi 无线通信模块的突出参数测定仪[8-9]，自动获取井下IP 地址，接入无线通信网络，实现瓦斯突出参数无线上传，有效提升防突作业信息填报的时效性。

（4）移动数据采集终端

通过移动应用设计与开发，支持井下防突作业数据采集、上传与地面系统数据下发交互等，实现移动终端采集信息的数据管理。防突作业人员可通过移动终端记录施工过程数据以及接收防突管理信息，自动生成防突校检表单，避免信息多人多次录入。移动数据采集终端支持按照时间、地点、区域等对防突信息进行管理，便于及时发现隐患。

防突信息无线采集平台的网络拓扑结构如图2。

图2 数据采集平台网络拓扑结构图

3 系统软件功能设计

系统软件基于B/S 架构设计，采用ASP.NET Web Form 技术架构，Microsoft Visual Studio 作为开发工具，SQL Server 2016 作为数据存储和管理工具，构建软件开发环境。软件主要设计功能模块如图3。

图3 系统软件主要功能模块图

3.1 防突数据智能分析

系统基于数据挖掘、AI 视频分析等技术，结合煤矿日常防突动态管理方法，开展防突作业过程合规性分析、防突校检钻孔空白带分析、突出敏感指标预警分析及突出危险性趋势预警等。

（1）防突作业合规性分析

基于AI 视频分析技术，重点捕捉钻杆的运动轨迹特征、人员着装状态特征和瓦斯异常动力现象特征，建立异常视频画面的特征库，通过AI 深度学习算法，形成完整的异常特征信息库；随着训练数据量的增多，智能识别的准确率和速度得到不断提升；能够对校检钻孔深度是否符合要求、防突员是否正确佩戴安全帽、作业过程是否存在瓦斯异常动力现象等状况进行自动辨识。

（2）防突钻孔空白带分析

系统基于数据挖掘技术，通过防突钻孔多维度、一体化信息管理，将钻孔施工参数、校检指标、钻孔轨迹、视频监控等信息进行系统性管理，利用系统构建的工作面模型，根据采集的钻孔施工与轨迹测定信息，实现防突作业钻孔自动上图，防突措施竣工图自动生成；通过实际钻孔与设计钻孔偏差分析，实现钻孔覆盖煤体区域空白带自动分析。

（3）突出预警动态分析

系统根据日常突出参数测定数据，动态分析突出预测敏感指标的变化特征[10]，通过捕捉突出参数忽大忽小、急剧增加等变化信息，结合AI 视频识别的瓦斯异常动力现象，综合工作面采掘信息、煤层瓦斯地质信息、安全监控系统信息等进行研判，及时发现瓦斯涌出异常风险，实现煤矿日常防突综合预警管理。

3.2 可视化图形与报表分析

系统采用防突管理“一张图”的可视化工具，实现工作面突出危险性预测、效果检验和循环进尺等信息的动态展示。根据防突钻孔参数，自动生成防突措施竣工图；通过曲线图、折线图、柱状图等方式展示工作面突出危险性预测指标；多视角、直观展现系统的关键业务指标和主体数据；实现防突信息数据和业务的深度融合，并打通与瓦斯防治相关系统间的数据通道。

3.3 防突信息采集与融合

系统基于无线通信网络在工作面区域内覆盖，支持防突作业过程中钻孔轨迹、视频监控图像、突出参数测定、井下记录的防突信息获取，实现防突过程数据的自动采集、信息录入、存储、及时上传与管理，有利于煤矿即时掌握防突作业过程数据。此外，系统支持Excel 表格数据导入与管理，方便煤矿现有的防突数据快速导入系统，减少人员录入信息的工作量。

3.4 防突过程精细化管理

防突过程管理模块实现工作面防突基础信息管理、在线流转审批等功能，主要内容包括工作面位置、长度、巷道参数、煤层厚度、开采工艺等基础参数设置；局部综合防突措施施工过程从局部预测、防突措施等防突信息进行精细化管理；按照局部防突工作流程，开展防突信息动态采集、防突参数智能化分析、循环图表自动生成等；基于权限管理和表单审批规则，可在线发起防突表单的流转、审批流程；实现对各工作面局部综合防突措施的精细化管理。

4 结语

充分利用数字化、信息化技术，开展煤矿智能化防突动态预警系统研究，设计防突信息动态采集、无线传输、自动分析、可视化展示的系统功能架构；构建基于WiFi 的无线通信网络，实现视频监控、轨迹测量、突出参数测定、移动应用等信息的动态采集；针对性开展系统软件功能设计，实现日常防突信息的精细化、可视化管理；有效降低防突信息采集、数据分析、流程审批的工作量，为矿井防突过程管理提供智能化手段。