煤礦安全智能化及其關鍵技術

武福生， 卜滕滕， 王璐

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

煤礦典型災害防治是煤礦安全開采的重要內容。煤炭科技發展為我國煤礦災害防治注入強大助力。1990—2002年，煤礦開采迅速發展，煤礦事故死亡人數居高不下，處于高位波動期[1]。進入21世紀以來，國家對煤礦安全開采加大了資金投入與政策傾斜，煤炭科技得到長足發展。煤礦水、火、瓦斯、頂板和粉塵等主要災害監測預警經歷了從無到有、從機械式到自動化、從單點人工監測到監測系統的演變，2019年全國煤礦百萬噸死亡率下降到0.083，達到世界中等水平[2]。近幾年來，專家們提出了以智能化核心技術推動煤炭工業高質量發展的思路。煤礦安全智能化技術是指與煤礦安全相關的智能化技術，是實現煤礦典型災害智能感知和精準預警的必要技術手段，也是煤礦安全生產的重要支撐。

本文論述了煤礦安全智能化的研究現狀，指出了煤礦安全智能化建設存在的問題，構建了基于智能傳感數字化、設備物聯網絡化、安全融合智能化的煤礦安全智能化體系架構。同時，分析了安全傳感技術的智能化發展問題，提出了推進煤礦安全智能化的數字化、網絡化、智能化等關鍵技術及其發展思路。

1 研究現狀

國內諸多專家學者對煤礦智能化的定義、科學內涵、目標及分級分類指標進行了深入闡述與研究，初步形成了煤礦智能化建設理論體系[3-7]，但是針對煤礦安全智能化建設的論述較少。煤礦安全智能化是指依托工業互聯網、5G、人工智能、大數據和云計算等新一代信息技術，構建環境智能感知、網絡互聯互通、風險實時評估、災害智能處置的智能化體系，實現水、火、瓦斯、頂板、粉塵等典型災害監測預警和災后科學應急救援。

國家發展和改革委員會等八部門于2020年2月聯合印發的《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》中特別強調，要在2035年重點突破“重大危險源智能感知與預警”[8]。王國法等[9]指出了智能化煤礦建設中存在子系統數據兼容、網絡兼容、業務兼容和控制兼容的效果差，礦山生產預測難、監控難、效率低、安全事故多，缺少考慮各系統的全局智能化綜合控制模型等問題。毛善君等[10]提出了“一盤棋、一張網、一張圖、一個庫”的流程化智能煤礦管控系統。李爽等[11]提出煤礦安全智能化的核心在于精準的地測感知、全面的數據平臺、實時的風險評估和智慧的災害處置。張華等[12]提出將智能視頻識別技術和煤礦雙預控信息化系統結合，以實現設備狀態監測、井下環境身份智能識別和煤礦風險預警分析等功能。

目前煤礦安全智能化建設已取得階段性成果。根據《煤礦機器人重點研發目錄》的建設規劃，帶式輸送機巡檢機器人、巷道巡檢機器人和工作面巡檢機器人分別在同煤大唐塔山煤礦有限公司、山東能源棗礦集團高煤公司、陜西陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦投入使用，實現了對輸送帶、巷道和工作面的視頻和設備狀況等多參數感知[13]。方新秋等[14]提出利用光纖光柵傳感技術對圍巖應力、錨桿錨索應力、頂板離層狀態、液壓支架傾角、采煤機姿態和刮板輸送機等進行多參量信息感知，以全面反映綜采工作面安全生產狀態。

但是煤礦安全智能化建設還存在諸多問題：煤礦安全智能化技術體系不明晰；煤礦典型災害監測數據未能完全實現自動化、數字化；上傳的數據數量少、質量差；監測數據因缺乏融合分析手段而成為離散化的信息孤島。存在以上問題的原因：① 現有的煤礦智能化設計方案僅明確了煤礦單一災害系統建設，并未涉及不同災害預警結果的協同融合，也未提及煤礦安全技術架構體系。② 雖然煤礦安全監測監控系統經過國家新一輪數字化技術升級，統一了相關標準并實現了部分子系統融合，但是由于水、火、瓦斯、礦壓、粉塵等典型災害監測預警系統和安全相關感知系統的數字化水平參差不齊，各系統的融合及其與生產的協同控制還處于研究攻堅過程。因此，應構建煤礦安全智能化架構體系，梳理智能感知、網絡傳輸和智能化平臺應用等內容，明確各子系統的協同、耦合關系，通過建設一體化網絡及統一的煤礦安全信息平臺和應用平臺，為煤礦安全智能化實施明確方向。

2 煤礦安全智能化技術體系

2.1 總體架構

國家能源局、國家礦山安全監察局于2021年6月5日發布的《煤礦智能化建設指南(2021年版)》中指出，智能化煤礦將人工智能、工業互聯網、云計算、大數據、機器人、智能裝備等與現代煤炭開發技術進行深入融合，形成全面感知、實時互聯、分析決策、自主學習、動態預測、協同控制的智能系統，實現煤礦開拓、采掘(剝)、運輸、通風、洗選、安全保障、經營管理等全過程的智能化運行[15]。安全智能化屬于煤礦智能化的分支，因此，煤礦安全智能化體系架構與煤礦智能化體系架構一致，如圖1所示。煤礦安全智能化涉及“人、機、環、管”4個要素，包含智能傳感數字化、設備物聯網絡化、安全融合智能化3個方面。

圖1 煤礦安全智能化體系架構Fig.1 Framework of coal mine safety intelligence

數字化是基礎，網絡化是支撐，智能化是目標。從工業互聯網的本質來講，實現智能化的前提是數字化[16]，決策部分必須依靠數據才能實現智能化分析決策和優化運營。網絡化是數據價值流動的途徑，智能化是創造經濟和社會價值的最終體現。數字化、網絡化與智能化的關系如圖2所示。

圖2 數字化、網絡化與智能化的關系Fig.2 The relationship between digitization, networking and intelligence

2.2 智能傳感數字化

目前煤礦采用了大量自動化、智能化裝備，部分系統實現了數字化改造。但是與安全相關的人、設備、環境信息、典型災害、安全管理等數字化程度參差不齊，依然存在較多的非數字化行為及場景。智能化分析決策和優化運營的基礎是精準的數字感知信息，要實現安全智能化，“人、機、環、管”等相關安全環節必須實現數字化感知。

2.3 設備物聯網絡化

依據單一數據或區域數據進行煤礦整體安全分析決策是不可靠的。數據的價值在于流動和融合，應通過各種網絡化方式，將安全感知數據傳輸至智能分析融合平臺，利用大數據分析手段，發揮數據挖掘和融合的各種技術優勢，建立各種災害預測模型、協同控制模型等，為安全智能化提供智能分析和協同控制的數據源。各種感知設備的網絡化是實現數據共享傳輸和安全智能化的網絡基礎。

2.4 安全融合智能化

將煤礦應急管理系統與災害精準監測預警系統結合，礦井位置服務系統與通信網絡系統結合，可提高煤礦災害應急效率和水平，提升煤礦安全生產能力?；谌斯ぶ悄芗夹g和大數據技術對各種煤礦安全感知信息進行融合，可提升煤礦災害精準預警、協同救援等安全智能化水平。

3 關鍵技術及其發展思路

3.1 安全感知數字化關鍵技術

要實現煤礦安全智能化，首先要實現安全感知數字化，將目前煤礦的非數字化行為及場景、更加豐富的人與設備安全傳感數據通過網絡傳輸到智能化平臺進行優化處理。要實現全場景數字化傳感技術和全礦井數字化傳感網絡，需研究以下關鍵技術：

(1) 可靠性與穩定性。要實現智能化系統協同及精準預警，首先需要提升安全傳感器本身及傳感器通信網絡的可靠性和穩定性。煤礦井下環境相對惡劣，實現傳感信號可靠穩定是重要基礎，依托精準的數據，智能化決策才有價值。傳感器信號無線傳輸的可靠性、穩定性與有線通信方式相比還不具備突出優勢，需要重點研究。

(2) 實時響應速度。依據傳感器輸出信號進行控制及決策，傳感器的實時響應速度必須滿足智能化系統協同控制的實時性要求。傳統的無線通信方式實時性較低，難以實現大量終端實時在線，利用5G的低時延、大帶寬技術特性有望解決這一問題。

(3) 傳感無線供電。無線網絡是發展趨勢，基于煤礦物聯網技術的傳感網絡是感知的基礎。實現傳感器信號無線傳輸后，突顯了傳感器端的無線供電問題。后備供電涉及長時間不間斷工作要求與相關煤礦規程限制，傳感器無線供電技術與產業化研究應用尚需時日突破。

(4) 電磁輻射和干擾。煤礦井下電磁環境復雜，隨著智能化系統、無線通信網絡等的發展和應用,電磁輻射及干擾會日益嚴重。因此,需研究具有較強抗電磁輻射性能的井下智能傳感器,以提升感知能力。

3.2 災害精準預警關鍵技術

我國煤礦開采安全保障技術研究已經邁入建立安全型礦井、實現區域性綜合防治的發展階段，形成了瓦斯災害防治技術體系，以及集地質測量、生產技術、通風安全、辦公自動化和數字化礦山、安全生產監控于一體的預警平臺，實現了隱患聯動控制和動態預警，建立了移動式礦井重大災害應急救援指揮系統[17]。新一代信息技術的發展給煤礦安全智能化帶來新的革命和發展契機，將人工智能、工業互聯網、云計算、大數據、機器人、智能裝備等與現代煤炭安全生產技術進行深入融合，研究實現煤礦多災種耦合、主動感知與預測預警的大數據分析、智能化安全協同控制與應急融合管控技術，將促進煤礦智能化安全生產。煤礦災害精準預警關鍵技術如下：

(1) 煤礦災害及多災種耦合技術。對煤礦重大危險源識別評價與監測預警進行系統理論和技術研究，形成復雜條件下多災害耦合模型。研發多災種耦合、多系統協同的監測預警技術與協同機制及基于煤礦復雜環境的“人、機、環、管”信息泛在感知技術，構建實時、多源信息融合的智能化災害監測和預警技術體系。

(2) 煤礦災害大數據融合分析方法與人工智能技術。目前人工智能技術在礦山的應用只是點狀結合和淺度結合，沒有實現人工智能技術和礦山某個生產或管理系統層面的深度融合[18]。研究數據模型驅動的災害規律分析方法，以及多參數、多維度安全態勢感知與預警理論和方法，應用云計算、邊緣計算、人工智能技術融合的災害事故預測預警技術，并利用煤礦物聯網技術豐富災害事故預測預警的基礎數據資源，可實現災害的智能化預測和自動化預警，分階段建設煤礦安全智能化。

(3) 安全智能化體系與平臺建設。應基于煤炭工業互聯網、物聯網、云計算、大數據、數字孿生等新一代信息技術，加強人工智能技術和安全智能化融合的深入研究，應用智能計算、智能通信、智能控制等融合技術，構建多災種、多類型的煤礦智能化災害預警與協同生產控制系統，以及集監測預警、風險隱患管控、應急救援、業務信息化管理為一體的安全智能化系統平臺，實現煤礦安全智能化生產。應同步構建從煤礦、集團、礦區、省市到國家的煤炭工業互聯網平臺與災害應急管理體系。此外，需要研究煤礦安全智能化體系建設的評價指標和相關標準，以指導煤礦安全智能化建設。

4 結語

煤礦安全是煤礦生產的保障，安全智能化也是煤礦智能化的協同有機體，安全智能化建設還需要進一步夯實基礎。結合煤礦智能化建設需求和安全智能化的現狀，提出了煤礦安全智能化體系建設架構，并對安全感知數字化、災害精準預警等關鍵技術進行了論述。將人工智能、工業互聯網、云計算、大數據、機器人、智能裝備等與現代煤炭安全生產技術進行深入融合，研究實現安全主動感知與預測預警的智能聯動、多元協同與系統化煤礦安全管理，將推動煤礦智能化建設，促進煤炭行業高質量發展。