基于智能化技术的煤矿掘进工作面安全监测与预警技术探析

＊于 洋

（晋能控股煤业集团轩岗煤电有限责任公司刘家梁煤矿 山西 034114）

随着我国开采工作的不断深入，大量地表附近的矿物资源被采集一空，为了满足社会建设需要，煤矿企业便要选用地下开采的方式，进而来确保开采效率与产量能够满足预期标准。与其他工程相比，煤矿开采工作的环境较为恶劣且复杂性明显，在进行工作的过程中，需要煤矿企业开展不同工序的控制，以此来确保后续内容能够顺利开展。在环境因素、设备因素、地质条件、人员素质以及管理模式的影响下，煤矿工作面的掘进工作往往会受到外界因素的影响，开采工作的安全性无法得到有效保障，风险事故频发。因此，需要煤矿企业加强对煤矿掘进安全的重视程度，开展安全检测与预警技术，以此来满足经济发展需求。

1.掘进工作面安全问题分析

图1 综采工作面回采工艺流程图

(1)掘进工艺流程

①为了提高井下作业的开采效率，在进行掘进的过程中，煤矿企业往往会选用连续采煤机，完成相应的掘进工作。与其他设备相比，连续采煤机能够自动完成有关割煤以及装煤的环节，降低人工工作量。

②完成装煤工作后，传输到破碎机上，由破碎机来对大块的煤炭进行破碎处理，满足相关尺寸标准后再运出，整个过程会涉及带式传送机[1]。

③在此之后，则需要利用锚杆机来对煤矿工作面进行打眼处理，并以此为基础加以安装，利用相应的工具来完成浮煤的处理，进而来确保开采工作能够顺利开展。

(2)掘进工作面安全问题

就目前来看，我国有关掘进工作面的安全问题大体为以下几点：

①超循环作业。在开展巷道掘进的过程中，由于设备的运作与振动，会使得整个施工空间周边的围岩结构出现变化，应力重新分布的同时，也会在巷道中完成应力分布，以此形成不同程度的应力状态。随着掘进深度的不断增加，倘若煤矿企业并没有对现场进行有效的支护工作，便会使得整个地区的围岩地区变化呈现不稳定的状态，平衡性被打破，便会对人员的生命健康安全产生较为不利的影响，所开展掘进的循环作业超出进尺距离，引发较为不利的经济影响[2]。

究其原因，是因为施工单位在进行生产的过程中，没有对这方面有较为明确的重视程度，加上人员本身的安全意识相对淡薄，为了达到某一目的，在进行掘进的过程中发生进尺距离增加的情况，进而导致煤矿生产工作受到巨大的阻碍。为了避免类似的情况出现，煤矿企业在开展日常工作的过程中，应当禁止超循环作业的存在，并以此为基础进行事故风险的管控，进而来确保开采工作能够顺利进行。

②空顶作业。作为整个煤矿掘进工作中不可忽视的重要措施，空顶作业本身具有极强的风险性，稍有不慎就会对人体以及施工进程产生较为不利的影响。通常情况下，导致空顶作业发生的根本原因是上述所提到的超循环作业，在这一背景下，施工人员需要在没有任何有效支护的背景下，开展相应的工作内容，顶板的应力得不到有效管控，后续的内容也会因此受到较为不利的影响[3]。就目前来看，我国煤矿企业在开展日常工作的过程中，一般是以人工监督的方式为主，整个检测系统不具备可靠性与稳定性，进而导致顶板安全事件频繁发生，这样会使得整个开采产量无法满足预期标准。因此，煤矿企业在进行日常工作需要依照实际情况进行系统的布设，加强预警系统以及监测系统的自动化应用，进而来为后续工作奠定良好的基础。

③皮带机堆煤。通常情况下，这种问题都会集中在运输环节中，缺乏对皮带机装置的重视程度，使其本身所具备的性能质量无法满足预期标准，或者是设备运输能力不匹配，这些都会使整个开采过程具有较强的风险性与危险性，后续的工作内容也会因此受到一定程度的影响。从具体表现上来看，由于皮带机长时间运作引发堆煤现象，会对整个空间产生堵塞的情况，使工作面掘进工作受阻，通风系统无法正常运行，同时，堆煤的存在都会加剧皮带所承担的荷载力，使整个设备处于满负荷甚至是超负荷的状态，导致火灾事故的发生，对整个开采质量产生较为不利的影响。

④人员违规操作。当开采人员或是管理人员本身的综合能力不足时，便会出现人员违规操作的情况，整个开采工作在安全性与可靠性上无法达到预期标准，对后续的工作内容也产生了较为不利的影响。究其原因，是因为煤矿企业在进行人才招聘的过程中，为了降低成本支出，并没有选择高素质高水平的人员，在招聘之后也没有对人员进行综合能力的培养，使得工作人员所具备的安全意识相对较差，管理能力不足，在日常工作的过程中很容易发生违规操作的情况，加深整个煤矿开采工作的风险性与不稳定性，同时也会对煤矿企业自身的经济发展产生积极有效地促进作用[4]。

2.安全监测与预警系统设计

(1)系统结构

对于煤矿企业而言，想要确保整个开采工作能够顺利开展，需要加强对问题的管控力度，明确指出问题发生的原因，并以此为基础完成安全监测与预警系统的设计，进而来达到相应的检测效果。

工作人员在开展安全监测与预警系统设计的过程中，应当先对当前开采进度、工艺流程加以分析，并根据检测理念进行适当的调整，可以选择单目测距法来实现对超循环作业危害的检测与管控，针对当前设备的掘进距离进行实时控制。

在应对空顶作业或者是人员违规作业时，则可以选用帧间差分法完成相应的工作内容，其目的是对当前施工人员所处的位置进行定位与监测，判断是否存在着风险问题[5]。

对于皮带机堆煤的情况，则需要煤矿企业选用背景减除法，以此来确保后续工作能够顺利开展。从基本原理上来讲，背景减除法是将背景图像看作是主要的参考物，并依照实际情况完成图像以及背景图像的对比与分析，通过差分运算来完成图像的生成与管理，进而通过提前开展的预值完成相应的设定作业，同时还能够依照差分图像来完成二次化处理工作，这样不但能够有效提高开采效率，在风险管控方面也能够实现有效的保障。

在进行安全监测与预警系统设计的过程中，需要施工人员依照系统需求完成相关功能的调整，既要对现场的信息进行采集、传输与储存，还要利用中心网络完成图像处理，进而来判断是否需要报警。通常情况下，在进行图像采集的过程中，会涉及矿用本安型无线摄像仪，并以此为基础针对当前现场的图像情况进行实时采集与管控，利用以太网本身所具备的传输协议，将完整的数据信息加以传输，并与地面处理中心相联系，等到完成数据储存以及处理工作后，再将相应的结果加以呈现，以此来达到预期的管理要求。倘若在开展数据分析的过程中，系统判断当前工程内容存在着极高的风险性，设备便会第一时间进行警报，方便人员在充足的时间内撤离，进而降低安全事故所带来的不利影响。

图2 基于智能化技术的煤矿掘进工作面安全监测与预警系统

(2)子系统集成设计

①超循环、空顶作业监测与预警系统。为了降低超循环以及空顶作业所带来的不利影响，相关人员在进行系统设计与管理的过程中，需要加强对采煤机掘进距离的管控力度，通过参数采集来完成相应的判断工作，因而空顶作业的预防，则是对当前支护情况以及人员的分布情况加以分析，并及时进行预警，确保人员能够处在支护区域，在生命健康安全方面能够得到有效保障[6]。有关超循环、空顶作业监测与预警系统如图3所示。

图3 超循环、空顶作业监测与预警系统

与其他技术相比，超循环、空顶作业监测与预警系统是以无线摄像仪为主要装置，通过对该设备的特性来完成掘进设备的追踪，针对实际情况进行数据信号的收发与调整，并将所获得的信息传输到服务器开展详细的处理，最终，在控制终端的显示器上便会呈现出判断结果，方便人员进行统筹协调与管理，降低因超循环作业或者是空顶作业所带来的不利影响。

②皮带机堆煤监测与预警系统。该项系统其核心内容是以报警器以及摄像仪为主，利用传感器的存在来对整个皮带进行分析与控制，进而来确保整个视频监测效率满足预期标准，同时也能够对风险进行实时化预警。从系统结构上来看，皮带机堆煤监测与预警系统是将摄像仪安装在容易发生对流显现的区域，以此来进行皮带机图像的获取，当图像参数发生变化时，便由终端系统进行图像分析与对比，去判断是否存在堆煤的情况以及堆煤程度，从而来完成声光预警，以此来确保后续工作能够顺利开展。

③人员违规作业监测与预警系统。在对人员违规现象进行管控的过程中，主要是从位移传感器以及摄影仪两部分入手，对整个空间的危险区域开展合理的划分与识别，并以此来完成人员位置的监测工作，在这一过程中，系统会对图片以及地理信息进行筛选，从而完成自动对比工作。如果在这一过程中发现存在违规的情况，则会第一时间进行信息警报，并对报警内容加以记录，以此来满足煤矿企业的经济建设需要，确保人员的生命健康安全不会受到外界因素的干扰与影响。

3.安全监测与预警系统应用

（1）工程应用。本文以山西地区某煤炭企业为例，在进行工作面的掘进过程中，为了实现某一标准，该企业对掘进工作进行了安全监测与预警系统的应用，其中，在容易发生空顶的区域安装了2个无线摄像仪，1个声光警报装置，并将信号传输系统以及摄影仪放置在破碎机周边，而在皮带机方面，则是在机尾结构上开展了安全监测与预警系统的应用，在风险发生时能够及时进行报警，提醒人员抓紧撤离。

（2）应用效果分析。通过对安全监测与预警系统的应用，煤炭企业的事故发生概率呈现下降的趋势，有关固定作业以及违规作业的检测内容如下所示：

通过对照图4可以发现，在最开始使用安全监测与预警系统进行空顶作业以及违规操作的监测过程中，发生风险的次数相对较多，最高时期，每日的设备报警次数分别达到了23次以及95次，这表明该企业在之前的工作中所选用的技术手段风险性较高，管理效果相对较差。随着时间的不断推移，图上的预警此时呈现出大幅度下降的趋势，尤其是在人员违规操作方面，更是实现了有效的管控，效果明显。之所以出现这种情况，一来是煤矿企业将预警记录与员工的薪酬进行了结合，并纳入考核项目中，二是通过对安全监测与预警系统的应用，使人员的安全意识得到提升，明确哪些内容符合要求，哪些内容不满足开采标准，确保煤矿开采工作能够顺利进行，人员自身的生命健康安全也能够因此得到一些保障。

图4 检测结果

4.结论

（1）本文对煤矿井掘工作面的整个工艺流程进行了有效的阐述，并提出当前中存在煤矿企业发展中的安全问题，分别为空顶作业、人员违规作业、超循环作业以及皮带机堆煤作业。

（2）对基于智能化技术的煤矿掘进工作面安全监测与预警系统进行了设计，该系统主要包括现场图像采集、数据传输、数据存储、数据处理及现场报警等功能，并对各子系统进行了集成设计。

（3）在开展煤矿工作面的掘进过程中，煤矿企业可以通过对安全监测与预警系统的应用，提高管理工作的可靠性与稳定性，降低风险因素的影响，同时还能够确保施工人员的生命健康安全不受影响。研究表明，随着安全监测与预警系统的应用不断深入，企业的预警次数也随之呈现下降的状态，人员的安全意识得到有效提升，掘进工作的安全性也得到了有效的保障。