掘进工作面智能监测设计应用*

田晓舰，田晓波

(1.山西焦煤凌志达煤业有限公司，山西 长治 046606；2.山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西 长治 046100)

0 引 言

随着煤矿开采技术的不断升级，掘进工作面的开采技术与设备也在不断的更新迭代。新的设备与技术对工作面监测提出了新的要求，需对超循环作业、人员违规、皮带机堆煤、空顶作业等进行实时监测。传统的监测预警方法大多依赖人工监测，具有误差率高、实时性差、监测预警过于分散等问题，无法达到工作面监测可视化要求，严重影响企业安全生产，阻碍企业安全管理。针对这一现状，笔者提出了掘进工作面智能监测系统设计方案，以期提高加强掘进工作面监测自动化、智能化，增强企业生产安全性与可靠性，提高企业安全管理能力。

1 掘进工作面智能监测需求分析

掘进工作面智能监测系统的监测对象主要为掘进工作面生产过程中存在的安全隐患。掘进工作面的开采过程为：在掘进工作面采用连续采煤机进行装煤与割煤的掘进施工完成，然后利用梭车将生产出的煤炭运输至破碎机，破碎机将煤炭进行破碎与转载，再通过带式输送机将破碎机加工完成的煤炭运出[1]。在上述过程中，还需要配备锚杆机与铲车等设备。锚杆机用于锚杆打眼与安装，铲车用于材料运输、设备移动、巷道清理等工作。掘进工作面作业示意图如图1所示。

图1 掘进工作面作业示意图

通过掘进工作面作业流程分析可知，掘进工作面作业主要包括运煤、装煤、割煤、材料设备运输、支护等工序，较为容易形成问题的有[2]：①采煤机掘进距离过大，超过规定距离，使工作面形成空顶，造成顶板事故的发生；②在空顶区域存在人员作业违规，造成人员设备损失；③大型设备作业区域之间有设备作业，人员违规进入，造成人员伤亡；④皮带运输巷道等处易发生堆煤事故，严重影响巷道通风，降低作业效率，提高作业危险性。

传统的监测方法利用人工进行监测，弊端甚多，针对上述问题，监测系统设计需要改进的重点：①现阶段采用双目测距法对监测环境要求高、实时性差，应该选用单目测距法；②在空顶作业、皮带机堆煤以及人员违规监测方面，背景减除法更为适合对静态物体进行监测，故皮带机堆煤监测改进选用背景减除法；③由于光流法在适应空顶作业以及人员违规监测的实际使用环境过程中实时性较差，系统运行有较大延迟现象，故空顶作业以及人员违规监测选用帧间差分法。

2 掘进工作面智能监测系统设计

针对掘进工作面作业过程易出现的问题，文中确定三种方法进行针对性监测，包括单目测距法、帧间差分法以及背景减除法。其中，单目测距法主要针对超循环作业，对采煤机掘进距离进行监测；帧间差分法主要针对人员违规与空顶作业，通过对禁止区域进行人员监测，防止人员进入危险区域；背景减除法主要针对皮带机堆煤现象，通过对可能发生堆煤现象的区域进行监测，判断是否有堆煤现象发生，实现皮带机堆煤监测。

2.1 空顶、超循环作业监测预警系统设计

单目测距法主要是通过计算所监测特征点的移动距离来进行采煤机运动距离监测分析的。超循环作业监测系统包括无线信号收发器、报警器、后台系统、无线摄像机等。其具体结构示意图如图2所示。

图2 空顶、超循环作业监测预警系统结构示意图1.显示控制终端 2.服务器 3.综合分站 4.无线信号收发器 5.声光报警设备 6.无线摄像仪

通过无线摄像机对所监测的采煤机进行实时图像监测，将图像传输至控制室，实现现场动态可视化监测。系统的控制核心为运行稳定、性能强大、安全较好的浪潮智能分析服务器，现场声光报警使用性能优异、抗干扰强、安全可靠的矿用隔爆兼广播主机音响。摄像机采用无线信号收发器与综合站进行通信，较有线摄像机更为灵活，提高布置效率。综合站与收发器之间采用屏蔽双绞线通信，可增加信号稳定性与抗干扰能力[3]。

空顶作业监测预警系统与超循环作业监测预警系统所用硬件设备相同。空顶作业的监测主要是需要对区域是否已完成支护进行区分，当工作人员进入未进行支护的区域时需对监测系统发出警报，提醒监测人员与进入危险区域人员。摄像机对监测区域进行实时图像采集，后台通过相关算法对监测区域进行图像识别，从而对空顶区域与安全区域进行区分，结合人体识别的方法，最终达到对空顶区域危险作业的监测预警目的。当工作人员进入空顶区域时，摄像机的采集图像会发生变化，后台会依据采集图像的算法分析对井下发出报警指令，提醒进入危险区域人员，同时也会将监测信息传回总控室，在系统内形成空顶作业报警。

2.2 皮带机堆煤监测预警系统设计

皮带机堆煤监测预警系统的研究主要是对监测系统实时性、可视性以及报警及时性的研究。文中的皮带机堆煤监测预警系统设计主要包括摄像仪、报警器以及后台服务器三部分。其具体结构示意图如图3所示。对掘进工作面进行系统分析后，在容易发生堆煤现象的位置安装矿用摄像仪并对其进行实时图像监测，通过图像特征来判断堆煤现象是否发生。当摄像机的采集图像在一段时间内持续发生变化，即采集到的图像一帧图像与之前的背景对比发生变化，即可认定为堆煤事故发生。此时，井下报警器会发出报警，同时将信息传输至总控室，形成报警记录[4]。

图3 皮带机堆煤监测预警系统结构示意图1.显示控制终端 2.服务器 3.综合分站 4.声光报警设备5.矿用本安摄像仪

2.3 人员违规监测预警系统设计

人员违规监测预警系统主要是解决在掘进工作面作业时工作人员违规进入破碎机危险区域时的监测预警。当工作人员违规进入或者违规停留时，应及时发出警报预警，提醒人员离开，并在总控室形成报警记录。人员违规监测预警系统主要由摄像机、信号收发器、报警器、位移传感器以及后台服务系统组成，具体结构示意图如图4所示。在需进行监测的危险区安装矿用摄像头，实行图像采集监测。当掘进工作面开始作业时，需关闭相关安全围栏并在安全围栏安装位移传感器，此时的监测系统处于报警状态。当有工作人员穿越或停留时，摄像机的采集图像一帧图像与背景会发生变化，判断有人员进入，发出声光报警并形成报警记录。当掘进工作面未进行作业时，安全围栏的打开不会造成位移传感器产生信号，此时允许工作人员通过，图像采集监测也不会发出警报[5]。

图4 人员违规监测预警系统结构示意图1.显示控制终端 2.服务器 3.综合分站 4.位移传感器 5.声光报警设备 6.矿用本安摄像仪

3 掘进工作面智能监测系统实验

将上述设计方案应用于实际煤矿生产并进行相关实验后发现，掘进工作面智能监测系统运行平稳可靠，在空顶作业、超循环作业、人员违规以及皮带机堆煤监测预警中表现良好，掘进工作面智能监测系统图如图5所示。掘进工作面发生空顶、超循环作业、皮带机堆煤以及人员违规等现象后，系统大屏自动显示违规操作报警，提醒调度人员，使人员可作出快速响应，保证企业安全生产。对监测系统进行30天监测运行，具体监测运行试验数据如表1所列，共报警351次，其中报警与实际不符13次，综合监测预警准确率超过95%，符合掘进工作面智能监测系统要求，可应用于实际生产之中。

表1 掘进工作面智能监测系统实验数据表

图5 掘进工作面智能监测系统图

4 结 语

传统的掘进工作面监测系统主要依靠人力监测，已无法满足工作面系统监测的要求，提出了运用智能监测的方法进行工作面智能监测设计方案，对掘进工作面较易发生的空顶、超循环作业、皮带机堆煤以及人员违规等现象进行分析，并完成对应的监测预警系统设计。通过试验，掘进工作面智能监测系统运行平稳可靠，综合监测预警准确率超过95%，符合掘进工作面智能监测设计要求。