煤礦安全技術發展現狀和趨勢分析

樊劭

摘 要：本文簡述了近30年我國煤礦安全技術發展歷程，揭示煤礦安全技術發展趨勢與社會熱點技術發展相一致的規律，并介紹當前煤礦安全技術的發展現狀和趨勢，認為以物聯網、云計算和大數據技術為基礎的煤礦安全信息化技術是未來的發展方向。

關鍵詞：煤礦安全技術；信息化；發展趨勢

煤礦安全歷來受到政府和企業高度重視，經過全行業多年的努力，煤礦安全生產狀況顯著改善，每年煤礦事故死亡人數和百萬噸死亡率大幅下降，重特大事故數量不斷降低。國內各大高校、科研機構和大型企業長期致力于對瓦斯治理、火災防治等重大災害的治理研究，形成了一系列適合我國煤礦實際情況的安全技術，形成了完善的災害防治技術和成套裝備設施，為煤礦安全工作提供了重要支撐，成果顯著。

在“九五”“十五”時期，我國煤礦安全技術主要致力于解決瓦斯抽采、突出危險監測和粉塵災害防治等基礎技術研究1，煤礦安全技術著重于解決在生產過程中遇到的實際問題，重在煤礦災害現場治理方面；在“十一五”“十二五”時期，井下雷達用于突出監測，以太網、紅外線技術開始用于井下監測監控系統，現代技術逐漸融入煤炭這樣的傳統工業中，新型安全技術顯著發展；現在物聯網、數據融合和云計算技術等均已在煤礦安全生產預警平臺上開始應用2，煤礦安全保障逐漸從事中、事后處理轉向事前預防，在瓦斯抽采、火災和水害防治方面融入更多信息化技術，強調對災害防治的精準掌控。隨著新型技術的涌現，我國煤炭行業的發展和煤礦安全工作要求的日益提高，煤礦安全技術發展也表現出許多新特點和新方向。

1 新型煤礦災害預測預警技術快速發展

當前煤礦災害防治工作重點逐漸由過程治理向源頭預防為主轉變，更加強調事故的防患于未然。隨著科技的發展和信息傳輸的便捷，更多新技術被用于煤礦災害預測預警。煤與瓦斯突出聲-電-瓦斯實時監測預警系統，通過聲發射、電磁輻射和瓦斯動態涌出規律對突出危險進行預判，現在永貴能源等企業得到應用；分布式光纖傳感系統用于實時監測煤層、煤倉和傳輸系統的溫度，防止火災隱患的發生3；GIS技術與水文地質、水文監測結合應用于煤礦水害防治，實現了礦井對水害的動態管理4；中煤部分礦井采用高分辨率激光吸收光譜技術，消除了氣體交叉干擾，采用分布式光纖傳感技術，實現了長距離無源瓦斯的準確監測；天地科技采用地震波CT探測獲取煤巖層波速，通過地震波波速、波速梯度等與沖擊危險性密切相關的特征參量，預測潛在的危險沖擊區域。同時，新技術也大大提高了傳統檢測檢驗技術的精度、減少檢驗時間，以中煤科工的煤礦井下深孔原位取樣測定瓦斯含量技術為例，創建了直接測定煤層瓦斯含量的方法，取樣時間小于2h，縮減瓦斯含量測定時間在8h以下、測定誤差小于7%，檢測時間是以往的三分之一，精度提高了三至七倍。

2 災害治理技術和裝備成套化趨勢明顯

隨著我國煤礦災害治理難度的加大，一般性技術防范措施往往治標不治本，災害治理正向工程治理轉變，這就要求系統化的技術和配套專用裝備保證工程治理的實施。地面抽采礦井采動區和采空區瓦斯作為快速降低礦井瓦斯的有效方法被大力發展，該技術相對成熟但仍受現場環境、道理運輸、設備維護的困擾，此后開發的撬裝式成套化設備有效的解決該問題5。當前各科研單位為解決礦井災害治理中的問題，不僅開發相關技術，同時為使解決效果最大化，往往同時開發成套設備作為支撐。針對煤與瓦斯突出問題，中國礦業大學為解決高突煤層快速卸壓增透問題，提出“點—線—面—體”耦合整體卸壓方法，開發出基于普通孔與割縫孔耦合協同卸壓增透技術，同時發明了基于高壓射流割縫的“四位一體”卸壓增透安全防護成套裝備；冀中能源針對松軟突出厚煤層開發了沿頂布置安全高效掘進和回采技術，并研發了包括三角煤臥底機、過渡支架、端頭液壓支架等相關配套設備6。新汶礦業研發了“采充留”無煤柱開采一體化技術，實現體積比近100%填充，使工作面礦壓顯現減弱，更好地控制頂板下沉，也配套開發了連體式充矸皮帶卸載架，進一步提高了充填的自動化水平。

3 無人化和可視化煤礦安全技術日漸成熟

陜煤化黃陵礦業一號煤礦1001綜采工作面實現智能化無人開采，充分體現了國家安全生產監督管理總局關于“機械化換人、自動化減人”科技強安的理念。此后，許多企業和科研院所也積極將減人和無人作為煤礦安全技術的努力方向。神華集團研制的煤巷高效快速掘進成套裝備，應用掘錨一體機組、錨桿轉載機組、可彎曲膠帶轉載機、自移機尾等成套裝備，代替功能單一的掘進機、單體錨桿機、皮帶轉載機等設備，實現掘、支、運平行連續作業，所有工序機械化一次完成，減少工作面30%的操作人員。特別是煤礦用多功能巷道修復機，實現巷修機械化作業，效率提高三倍，作業人員減少50%。天地科技開發的急傾斜薄煤層無人化綜采刨運機組，適用于煤層傾角85°以下的急傾斜薄煤層走向長壁正傾斜綜采工作面的刨運機和液壓支架，開采過程中實現了工作面內無操作人員。

準確掌握井下人員位置狀況，對于煤礦安全生產和事故救援均有十分重要的意義，井下視頻圖像人員跟蹤定位技術可以有效解決這類問題。但煤礦井下昏暗，顏色信息缺乏，人臉易附著黑色粉塵等特殊情況均為視頻圖像人員定位技術運用帶來困難。孫繼平等采用依據壓縮感知理論，利用隨機投影技術對特征降維，用隨機特征建立目標模型，采用判別式跟蹤算法利用樸素貝葉斯分類器進行目標定位，對被跟蹤的人員遮擋、旋轉及不均勻的環境照度和照度的劇烈變化都具有極強的魯棒性7，取得了較好的識別度。孟祥瑞等采用基于三維可視化與Zigbee技術，解決在礦井實際條件下人員地位精度不準確的難題，該技術經檢驗平均定位誤差不足0.8米，能較好滿足實際工作需求8。

4 煤礦安全技術信息化將是未來的發展方向

當前以物聯網、云計算和大數據技術為引導的新一輪信息化技術正在深刻影響著煤炭這一傳統工業，以往困擾信息化的井下易燃易爆氣體、環境濕度大、電壓不穩等問題被一一克服，智慧礦山、無人工作面、虛擬現實培訓和操作有望實現。煤礦作為一項大型生產建設項目，而且是時刻受到多種物理和化學危險源影響的項目，為保證生產本質安全需要的監控數據量十分龐大，包括環境因素（瓦斯和一氧化碳濃度、壓力、溫度、風量等）、機電因素（設備狀態、電壓、功率等）、人的因素（人員位置、作業情況等），這些均要在建物聯網信息平臺上以云計算提供的信息基礎配合大數據提供的業務引擎進行監控、分析和識別。對于煤礦物聯網的構架，有的觀點認為是三層包括感知層、網絡層和應用層9，有的觀點認為是四層包括感知層、傳輸層、服務層和應用層10，但大體功能都是通過礦用傳感器、3G、4G網絡實現各項數據掌控進而保證煤礦安全作業。物聯網上的數據經云計算和大數據技術，進行分析和數據挖掘可以有效對事故進行預警，特別是如突出危害這種事故機理尚未完全明晰的情況，更適合以大數據技術的方式進行預判。

5 總結

煤礦開采歷來都屬于高危行業，煤礦安全不僅對于保障人民生命財產安全至關重要，而且也是保障礦井正產生產的基石，所以煤礦安全技術始終處于快速發展中，社會科技的更新也不斷帶動煤礦安全科技的發展。我們已處于數字時代，煤礦安全技術信息化是大勢所趨，將有助于解決以往安全技術難以克服的難題，帶動煤礦安全技術跨越式發展。

參考文獻

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