煤矿巷道掘进作业智能监测与安全预警技术研究

邹晨涛

（兖矿能源集团股份有限公司南屯煤矿 山东邹城 273500）

我国作为一个煤炭生产、消耗大国，煤矿井下开采逐步向更深层延伸，开采工艺程序更繁琐复杂以及生产企业显著增多，特别是针对部分小煤矿而言生产方式滞后，易引发井下安全事故的风险，给国家和社会带来严重的损失。煤矿井下安全生产是人们关注的重点，增强井下作业安全监测和管理力度，保证作业实施可靠性，是人们解决的重难点。掘进面作为煤矿井下作业核心工作面，随着其开采机械化、自动化水平提升，但监测和预警系统并未得到快速发展，仍沿用原有监测工作模式，无法满足当下安全监测预警需求。因此，应积极掌握工作面智能监测需求，研发相应的监测和安全预警技术，实现统一化监测和控制，有利于在工作面掘进工作正常实施的基础上，降低人工实际劳动强度。

1 煤矿巷道掘进作业智能监测与安全预警系统硬件设计

分析井下煤矿掘进工作开展时，通过现场监测和预警多元化需求，完成整个系统设计和配置，确保整个系统在硬件方面满足需求，同时，可实现持续、稳定执行监测和预警任务的目标。应始终结合煤矿井下作业的实施，以智能化监测和安全预警系统为核心，从本质层面保证现场视频实际画面传输更高效，且确保整个系统自动化运行，整个监测预警系统结构包含功能为现场图像采集、数据传输和处理等，该系统硬件设计包含以下几方面。

1.1 现场图像采集功能组设计

现场图像采集工作十分关键，核心选取摄像仪完成不同工作环节的图像收集和汇总，按照超循环、空顶作业、皮带机堆煤等顺序进入实际区域内监测，应增设与之相适应的摄像仪实时完成图像采集。伴随当下掘进作业的开展和实施，作业面持续性发生推移，充分结合井下掘进作业状况，将图像采集设备布设于超循环作业、空顶作业中，设计无线摄像仪持续性完成超循环、空顶作业现场采集等工作，最大限度地以皮带机堆煤和破碎机区域做好动态化监测，确保其更具稳定性，设备正式安装过程中应始终遵循简易、便捷的基本原则，对整个工作面进行现场图像采集工作。

1.2 数据传输功能组设计

充分以交换机作为重要的媒介，其余煤矿井下作业各类设备进行衔接，可动态化完成不同种类信息的共享和转换，将其反馈至地面控制中心内。该系统主要工作原理是将相关数据按照其自身格式进行转换。交换机接收不同设备数据时，应及时掌握其具体检测的地址，并动态化与相关地址做好比对，若存在该目的地址，方可将其数据完整、高效传输，若衔接处于交换机上设备地址存在，交换机自行将相关数据传输至相关目的地内，交换机设计过程中应始终确保整个传输信号转换稳定、可靠。

1.3 数据处理功能组设计

服务器作为整个数据处理系统的核心，需对采集汇总的图像做好高效化处理。浪潮英信NF8640M3服务器自身性能优良，配置较为便捷，符合多数煤矿井下作业实际需求，该服务器内部搭载最新的处理器，硬盘数据宽带功能大幅度提升，计算处理方面功能更具优势，符合井下动态化监测和预警的功能。

1.4 现场报警功能组设计

煤矿掘进面正式工作过程中，现场监测预警系统发挥关键的作用。其关键性作用在于发现现场产生异常状况，及时发送警报信号，通过现场广播将相关信号扩大，第一时间可终止现场违规作业，为现场管理人员提供警示，及时采取有效的管理策略，实现现场工作实施的规范化、标准化。现场报警功能组主要涵盖广播主机、音响。广播主机发出井下声光报警，其接收计算机内部相关数据信息，充分完成相应的解码处理，进行声光报警信号发送；音响主要是将上述相应的报警信号进行传输及扩展，实际应用原理为将其有效放大处理，最终高质量完成输出。

1.5 数据存储和显示功能组设计

存储设备选择应综合性考量设备实用性、经济性，实际操作便捷，且数据存储安全可靠。浪潮AS530N存储系统在符合实际需求的基础上，自身性价比较高，经济性优良，其特征如下。

第一，合理、灵活规划设计。该存储设备具有多元化的功能，可充分衔接相应的网络，满足用户对数据信息统一性存储及内部数据共享的基本要求，可充分依托一个平台完成多种协议的接入。

第二，更具扩展性。系统可结合内部业务实际需求，持续性完成自身功能扩展，动态化提供监控硬盘升级方案，从源头减少内部信息泄露风险，充分与RAID技术有效融合，保证内部数据信息可靠性的基础上，降低整个用户实际应用成本支出。

第三，数据保障。全方位对电源做好支持，可自动切换和故障电源更换，避免单电源异常发生故障状况下，系统内部存储设施终止工作，该系统维护操作较为便捷和简易，并保证受外界因素影响处于断电状态，仍可保持一段时间工作，以免突然发生断电造成内部数据丢失。

2 智能监测与安全预警系统软件的开发

积极研发掘进作业智能监测和安全预警系统，核心任务目标为实现井下掘进工作中各环节工作的自动化、实时化监测，提高掘进工作面监测和预警智能化水平，其实际软件的开发包含以下几方面。

2.1 图像采集模块

AVICap 是一个窗口类软件，其可实现上述目标，通过对视频信息做好操控，及时捕捉单帧图像，工作效率较高，实时性较强，通过该模块对视频信息做好动态化操控，可获取相应的图像信息。图像采集主要包含三大环节，增设相应视频捕捉参数，并将其与实际显示模块相衔接，开启视频捕捉后，图像采集主要是提供相应的接口程序；获取相关系统可及时掌握设备并实时调取相应的视频窗口，严格以监测预警子系统划分，对不同监测预警功能捕捉相应的图像；判定视频流是否正常，图像捕捉完成后处理分析作为核心，应确保整个视频流处于常规下完成整个信息图像采集工作，直接提取当前凸显信息。

2.2 图像预处理模块

煤矿井下工作面开采现场环境较为复杂，数据传输中传输设备、环境对数据造成干扰，获取数据无法直接分析，应将其及时做好转化，需对其实施预处理工作，主要包含以下环节。

（1）图像去噪。数字图像在获取、传输和处理中受设备、环境的干扰，将其视为图像噪声，其不同程度干扰整个图像灰度，并降低整个图像的质量，为减少其对图像处理的干扰，应及时筛选图像干扰信息，保存主要信息。

（2）色彩转换。计算机内部不同图像像素选取位数可表示不同颜色，为进一步提升整个处理成效，可选取较小内存处理器完成图像处理。

（3）二值化处理。图像实际处理中，为凸显图像内部主要信息，通常建议信息量小、数据简单的图像作为处理参考，其可将图像转变为黑白成像，更有助于凸显重要信息，有利于图像处理。

（4）图像锐化。为直观、形象地呈现图像的相关信息，应重视整个图像锐化处理方法，提取图片中的重要信息［1-2］。

2.3 计算分析模块

计算分析模块基本工作任务目标为将上述相关图片通过预处理后，对其图片做好精细化分析，结合多元化实际报警需求，确定与之相匹配的算法，通过实际计算最终结果与初期计划的参数指标进行比较，可及时确定警报信号。

首先，超循环作业法。充分掌握当下实际预警系统基本需求，完成各作业功能模块设计，无线摄像仪器可动态化监测整个井下掘进作业，后台服务器合理选取计算方法，明确采煤机初期所在部位，对其进行实时跟踪，明晰其实际工作开采距离，将其与初期相关参数比对，若其实际超出预先数值，后台应及时发送相应的报警指令，相吻合的装置动态化响应，及时发送报警信号。

其次，空顶作业算法实现。按照监测预警系统实际需求，对空顶预警功能软件模块及时做好设计工作，摄像仪及时将整个工作面相关视频动态化传输至控制中心，实时捕捉相应的移动目标时，判定存在空顶作业状况，后台可传达预警信号。

最后，皮带堆煤算法实现。结合监测预警系统实际需求，对掘进工作面皮带机堆煤预警功能进行设计，正式监测后上位机初始化获取相应的设备状态信息，判定各设备正常运作后，可对易发生堆煤区域内监测，动态化存储视频图像，后台服务软件按照设定时间间隔提取相应画面，报警是否存在堆煤现象，报警过程中可将相关信息全部存储于实际数据库内［3-4］。

2.4 显示模块

显示控制模块包含两大单元内容，不同单元承担的功能不尽相同，按照其监测预警需求，设计上述两个单元模块，自身功能体现在以下方面。

一方面，后台服务程序显示控制。后台服务系统作为整个显示模块核心组成，核心任务目标是承担多个智能化预警模块功能启动、关闭，全面承担监测模块现场图像采集设备、报警设备工作基础性信息。后台服务软件核心目标控制煤矿井下作业报警，后台服务软件自动化读取相关信息时，应始终结合实际状况灵活性调用监测预警设备，完成通信目标。

另一方面，用户界面软件显示控制。该软件主要服务主体目标为用户软件，基本性职责为客观、全面显示现场监测视频图像和数据库内报警信息，控制图像实际采集设备基本参数布设，充分选用该软件用户动态化查看不同监测点相应的视频画面。

2.5 数据存储模块

数据存储模块核心在于完成多方面数据信息存储，应积极设计相应的数据库，满足实际系统基本需求，上述将图像数据进行精细化分析处理后，现场产生异常状况应及时发出警报，并第一时间将其存储于整个后台数据库内，为后续各环节工作内容提供助力，待其数据存储完成后，并充分做好相应的类型显示。视频图像的存储、报警信息存储基本原理较为相似，摄像仪将现场采集数据按照不同的基本标准合理划分，将其及时保存至数据库内，自动生成地址信息发送至大屏显示单元内。

3 掘进作业智能监测和安全预警系统应用设计

3.1 项目概况分析

该煤矿实际面积为61.8km2，地质储量为12.3亿t，可采储量为8.3亿t，通过现场勘察审核，其实际生产能力为1400万t/年，矿井综合自动化水平较高，实现了运输系统皮带化、生产系统远程自动化控制和安全监控系统自动化，同时，煤矿实际安全、生产及运输均实现信息自动化。当下该煤矿增设相应的信息系统，具备较佳的网络环境和传输条件，其作业智能监测与预警系统的应用，充分依附该综合信息系统实现各项功能。

3.2 系统应用设计

结合该煤矿工程实际状况，分析其掘进面工作现状，增设预警和堆煤监测系统、人员违规进行破碎机区域内预警系统，分别对各区别内做好预警工作。一方面，井下设备应用设计。煤矿顶部周围安设先进的摄像机、广播设施，核心任务目标为空顶作业、超循环作业预测和报警工作，动态化掌握相关信号，皮带机尾部增设该矿用本安型网络摄像仪、广播、交换机等，主要用于搭接部位堆煤监测和预警工作。另一方面，地面设备应用设计。地面设备较多，实际开展井下作业时，地面可充分与井下相关设备联合，实现动态化井下作业监测，将其状况呈现于大屏上，产生警报信息，为现场调度人员做以警示，第一时间采取可靠的措施。通过实践证明，该系统处于正常运行工作状态，导出后台记录保存的报警数据，分别对掘进超循环作业监测预警数据、空顶作业监测预警数据、皮带机堆煤监测预警数据等做好统计，该系统实现较佳除尘成效下，8m 内超循环作业的监测，正式监测过程中其实际误差小于5%，整个系统启动可全方位监测井下各区域内工作状况，误报率处于合理范围内，满足动态化监测和预警的基本要求。对不同单元模块应用成效进行分析，掌握智能监测和安全预警技术在整个煤矿掘进面中具有关键的功能［5-6］。

4 结语

煤矿掘进面工作的实施安全始终作为生命线，随着掘进工作面施工机械化、自动化水平的显著提升，开采过程中监测和预警系统无法满足实际状况，选用监测和预警方式滞后，难以符合安全预警监测需求。因此，应积极探索掘进工作面智能监测和安全预警技术，研制掘进工作面智能监测和安全预警系统，实现正常掘进工作的基础上，降低人工实际劳动强度。