智能化矿山建设背景下的煤矿监管监察模式

陈小林

（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）

国家能源局《智能化示范煤矿验收管理办法》（试行）中明确提出了各类煤矿建设智能矿山的具体要求，包括信息基础设施、地质保障系统、掘进系统等10 大类，其中信息基础设施部分“综合管控平台”指标包括了10 项具体要求，其中与数据采集、传输、存储有关的共有4 项。明确规定矿端安全管控平台需要具备专业数据采集、集成的数据要求，要求必须建立统一的系统接口标准，基于统一I/O 采集服务设计与实现。要求能够将矿井监测监控类系统、生产执行类系统、经营管理类系统的数据全面场景化接入。这些系统功能的建设与完善，加强了煤矿安全管控及监管的技术手段，不但提升了煤矿现场自身安全管理的能力[1]，也为政府安全监管监察的智能化提供了基础数据支撑[2]。为此，在煤矿智能化安全管控平台建设的基础上，结合国家当前煤矿监管监察机制[3]，探讨基于信息化的煤矿监管监察模式。

1 煤矿监管监察现状

我国煤矿安全监管监察大致划分为3 个阶段：第1 阶段是1949—1977 年，呈现出监管与生产智能不分且“生产”远大于“安全”的特点，煤矿安全事故频发且监管监察工作重视不够；第2 阶段是1978—1998 年，煤矿安全生产有了新局面，但受制于生产和安全职能的不能独立监管，煤矿安全形势依然严峻[4]；第3 阶段自1999 年至今，国家先后增设了煤矿安全监察局，组建了国家应急管理部，监管监察趋于独立，煤矿安全形势不断提升。总结来看，现有的煤矿安全监管体制主要呈现垂直管理和属地管理2 大特征，国家建立了3 级煤矿安全监察体制，包括国家煤矿安全监察局、省煤矿安全监察局和煤矿安全监察分局。从地方监管上又分为国家、省、市和县级政府及应急厅4 级[5]。地方煤矿安全监察局仅受上级部门领导，不受同级政府部门领导，共同实现“国家监察，地方监管，企业负责”的大政方针。

在这一监管监察体制下，国家监察机构联合地方监管部门不断推出了新的监管监察体制和机制，特别是在信息化和自动化不断普及的煤矿企业，强调利用信息化和自动化手段不断提高风险监测预警、应急指挥保障、智能决策支持、政务服务和舆情引导等应急管理能力[6]。应急管理业务应用体系全面覆盖各类业务并在突发事件的事前、事发、事中、事后阶段发挥关键支撑作用。煤矿现有安全监管监察的政策要求也使得监管监察对煤矿信息化、自动化技术及系统有了更大的依赖和需求，特别是在监管监察的实效性和针对性方面都亟需提升。

2 智能化背景下煤矿监管监察需求

建设煤矿安全生产风险监测预警系统，监管监察部门对辖管范围内的煤矿各类安全生产风险进行实时在线监测、研判预警，是新时期下煤矿监管监察模式提升的主要技术手段之一[7]，主要有以下几方面需求：

1）煤矿监察深度和力度提升需求。煤矿企业的各类安全生产风险监测系统均处于孤立状态，数据综合利用价值低，如瓦斯、人员、设备、供电、排水等基于单一指标超限预警。通过信息化手段，构建煤矿安全生产风险监测预警系统，全方位对属地范围内的矿井安全状况进行实时监测，对各类风险进行分析研判，为煤矿安全生产和监察执法提供科学决策减少事故发生。

2）现有各级安全监察机构职责明确的需求。通过系统应用组织架构，日常流程化事务，构建省级矿安全生产风险监测预警系统，明确省级煤矿安全监察局、市级应急管理局、市级监察分局安全监察监管部门职责及煤矿企业安全生产主体责任，提升日常监察工作效率。

3）提高企业应急救援响应及监察层面的救援资源的调配能力的需求。实现灾害下应急救援过程的流程电子化管理，实时查看应急救援预案、人员逃生路线、应急救援物资部署等情况，将应急救援信息推送到上级安全监察部门，在监察层面上进行救援资源的调配工作。

4）提高省级煤矿安全监察标准化及重大风险防范化解能力的需求。通过日常安全检查与信息化监察，有效提升对各类安全生产风险实时监测的准确性、可靠性，提高对煤矿各类风险的准确分析研判，有效提升对各类风险特别是重大风险的防范化解能力，降低煤矿隐患、事故的发生。

3 煤矿安全生产风险监测预警系统

从煤矿安全生产风险库建设、煤矿端安全生产风险数据接入、煤矿安全生产分析专题和执法处置及应急救援4 个层面对煤矿安全生产风险监测预警系统进行设计，总体架构如图1。

图1 煤矿安全生产风险监测预警系统架构图Fig.1 Architecture diagram of coal mine safety production risk monitoring and early warning system

通过煤矿安全生产风险库实现全省各煤矿基础信息、安全监测系统、人员定位系统、工业视频系统、产量监测系统、安全风险与事故隐患管理、图纸文档、应急救援资源等煤矿风险数据的集中存储与分类管理，根据业务特性进行数据的压缩存储与数据还原，针对不同应用需求提供业务逻辑支持[8]。

在此基础上通过数据集成管理、重大风险专题研判，最终构建煤矿安全风险指标体系与评估模型及领导看板，综合煤矿各类安全指标数据，构建煤矿安全风险指标体系，按风险监测值、持续时间及异动变化率进行风险等级实时计算，基于权重综合煤矿各安全风险进行综合指数计算，实现对矿井安全等级评估。将对煤矿安全生产风险监测数据接入和煤矿安全生产重大风险分析、研判进行重点分析。

3.1 安全风险监测数据接入

安全生产风险监测类数据通过矿端数据通讯服务完成各监测监控类子系统中风险监测数据采集、处理与上传[9]，实现煤矿基础数据的管理，实现实时监测类数据的管理，实现省级煤矿安全监察局、监察分局和煤矿3 级应急资源管理。在具体执行中，可能会遇到3 类数据接入的状况：①建立了本单位的自动化数据集成平台且运转流畅矿井；②建立了本单位的自动化数据集成平台，但系统使用状况不好的煤矿；③尚未建立本单位的自动化数据集成平台的煤矿。

1）已经建立了煤矿自动化数据集成平台，实现了本单位各安全生产风险监测子系统的数据集成，且系统使用正常良好，具备对外数据的统一发布。自动化数据集成平台数据集成如图2。

图2 自动化数据集成平台数据集成Fig.2 Data integration in automated data integration platform

2）建立了单位的自动化数据集成平台，但部分系统尚未进行有效集成，无法有效实现对已经集成的系统数据的对外发布。部分数据通讯服务需要通过OPC 或者文本方式直接对各子系统的单独数据集成。部分建设自动化数据集成平台数据集成如图3。

图3 部分建设自动化数据集成平台数据集成Fig.3 Part of the data integration in construction automation data integration platform

3）尚未建立单位的自动化数据集成平台的煤矿，数据通讯服务通过OPC 或者文本方式实现对各子系统的数据集成，完成数据的采集与发布。自主研发的子系统需要子系统承建厂家按照标准数据协议及转换要求，完成子系统数据的发布。未建成自动化数据集成平台数据集成如图4。

图4 未建成自动化数据集成平台数据集成Fig.4 Data integration without an automated data integration platform

3.2 重大风险分析研判

构建系列风险分析、研判与预警模型，根据安全监察监管要求，以蓝、黄、橙、红4 级风险指数进行分级预警，包括水灾、火灾、瓦斯灾害、顶板灾害、粉尘灾害、设备安全、人员安全等专题分析，以煤矿采空区内因火灾风险专题为例进行举例说明。

火灾专题分析重基础数据集成包括O2、CO、CO2、CH4等气体实时监测数据，根据监测数据，基于煤自燃阶段划分量化煤自燃指标[10]，建立煤自燃预警体系，确定预警阈值，确立煤自燃分级预警方法，实现煤自燃4 级预警。以蓝、黄、橙、红4 级风险指数对煤火灾害进行实时监管，为煤自燃治理、监管监察提供有效的技术支持和依据。根据煤氧复合理论，实验测试结果和现场实测数据，结合容易自燃煤自燃分级预警体系，确定选用CO 和O2，O2体积分数上限取20%，区间划分值为12%、15%和18%。总结以上条件，煤自燃预警基础阈值R0可以通过以下条件进行表述：R0满足以下3 个判断条件中的任意1 个即可进入预警等级判定：①判断条件1：O2体积分数大于18%且小于20%与CO 体积分数大于50×10-62 个条件同时满足；②判断条件2：O2体积分数大于15%且小于等于18%与CO 体积分数大于100×10-62 个条件同时满足；③判断条件3：O2体积分数大于12%且小于等于15%与CO 体积分数大于200×10-62 个条件同时满足。

当基础阈值R0满足条件时，开始划分蓝色预警、黄色预警、橙色预警、红色预警，特征温度值取特征温度范围下限值，对应煤自燃阶段及预警值如下：

1）蓝色预警。在基础阈值R0存在的情况下，判断CO 体积分数与O2体积分数比值是否满足大于0.003 且小于0.005 的条件，满足即判断当前进入蓝色预警。

2）黄色预警。在基础阈值R0存在的情况下，判断CO 体积分数与O2体积分数比值是否满足大于0.005 且小于0.006 的条件，满足即判断当前进入黄色预警。

3）橙色预警。在基础阈值R0存在的情况下，判断C2H4体积分数值是否满足大于0 的条件，满足即判断当前进入橙色预警。

4）红色预警。在橙色预警已经出现的情况下，判断判断C2H2体积分数值是否满足大于0 的条件，满足即判断当前进入红色预警。

4 煤矿安全生产风险系统建设示例

以东部某省为例，对基于煤矿安全生产风险监测预警系统的监管监察模式进行验证，该省煤矿安全监察局委托某公司建设了各煤矿的安全生产信息平台，实现对辖管5 座矿井安全监控系统、人员定位系统、数字工业视频的集成，并根据安全监察应用需求实现了矿井基础信息管理、环境实时监测、重大隐患闭环管理等功能。

基于煤矿现场辨识的安全生产风险，梳理需要采集的子系统，划定监管基础数据范围，专业子系统用统一的数据规范对数据进行发布并建立加密数据传输通道。基础配置类信息发生变化立即上传，且每日至少上传1 次，实时变化数据和异常信息至少30 s上传1 次或发生变化的时候立即上传。生成的数据通过OPC、文本文件、WebApi 等方式发布，由近端采集系统统一进行采集、校验、解析、加密传输，局端系统接收数据后解密存储至实时数据库和历史数据库。历史数据是各类分析统计的数据源，用于进行各类异源结构数据存储和融合分析。实时数据用于即时展示和各种异常信息的及时报警和推送。围绕企业安全生产风险清单库，对矿领导每日排班与实际下井情况比对分析，环境传感器报警值与报警时长模型分析，重点区域人数监视，重大设备实时状态与检修情况持续监控，重大隐患情况跟踪，结合视频分析结果，从各个维度综合分析研判矿井安全状态，及时识别企业安全生产的异常情况，推送至相关责任人。

5 结 语

基于监管监察需要提出了利用信息化技术建设煤矿安全生产风险监测预警系统的理念，从煤矿安全生产风险库的构建、煤矿端安全风险数据集成、煤矿安全风险评估专题和煤矿监管监察异常分级预警与处置4 个层级对系统构建进行了阐述。重点分析了现有煤矿端安全风险数据集成的3 种形式，以以煤矿采空区内因火灾风险专题为例对风险专题以蓝、黄、橙、红4 级风险指数对重大风险专题实时监管监察模式进行说明。以东部某省为例，对基于煤矿安全生产风险监测预警系统的信息化、智能化监管监察模式进行验证。通过对矿端基础信息、监测监控系统、视频信息的采集，实现了火灾、瓦斯灾害、顶板灾害、人员安全和设备安全专题风险的监管监察，实现了矿端监管监察部分功能的远程实时监管和重要安全指标数据的钻取性查询，大大提高了煤矿安全监管监察的实时性和针对性。