煤礦掘進工作面安全監測與預警技術研究

任 超

（陜西陜煤黃陵礦業有限責任公司一號煤礦，陜西 黃陵 727307）

由于我國煤炭資源埋藏的深度相對較深，因此在進行開采的過程中，往往需要借助井下作業的形式。經過工程實踐發現井下采掘是一個非常復雜的工程，包括如下幾種工序：第一，采煤；第二，掘進；第三，通風；第四，排水等等。當前在開采煤炭時，必須需要進行掘進，這樣可以形成巷道與硐室，這樣可以為后續工作提供相應的空間。

可是在掘進工作面位置設置有眾多的機械設備，以及掘進面地質條件的不確定性，從而導致掘進工作面出現大量的事故問題。因此可以借助智能化技術對掘進工作面進行監測以及預警工作，從而可以有效地優化工作面的安全問題[1]。

1 掘進工作面安全問題分析

1.1 掘進工藝流程

經過調研發現連續采煤機掘進效率最高，其可以實現自動的割煤與裝煤工藝。與此同時當梭車運動到破碎機后，當破碎機把煤破碎后，最終可以借助帶式輸送機把煤運輸到工作面。接著，錨桿機下落后，通常可以在掘進工作面位置設置錨桿打孔以及安裝工作，鏟車可以清理工作面的浮煤。由此可以看出，要想實現掘進工作面快速掘進工作，必須需要掘進、支護以及運輸等作業流程[2]。

1.2 掘進工作面安全問題

經過對掘進工作面安全問題進行探究發現存在如下幾個方面的問題：第一，超循環作業，巷道掘進時，往往引起圍巖應力出現充分布置，從而形成相應的應力區域。在這樣的情況下實施掘進，將會出現更多的未支護區域，從而導致應力出現升高的現象。由此可以看出，要想能夠有效地保證應力圍巖的平衡性，那么必須設定掘進循環進尺距離。可是當在具體的工程中，由于作業人員為了能夠縮短工期，而出現增加掘進距離的現象，這樣將會帶來極大的安全隱患。第二，空頂作業，一般空頂作業主要是由于工作人員在位實施支護時，所開展的作業。空頂作業往往會引發嚴重的安全事故。由此可以看出，必須構建空頂作業自動檢測系統。第三，皮帶機堆煤，在運送煤時，假如出現皮帶機與運輸能力不匹配的現象時，那么將直接引發皮帶機堆煤現象。假如皮帶機堆煤過長，那么將直接影響掘進工作面位置的通風。與此同時，堆煤將會導致皮帶負荷量增加，嚴重的話可以導致出現火災等現象[3]。

2 安全監測與預警系統設計

2.1 系統結構

在分析掘進工作面的安全問題時，通常涉及如下四個方面的內容：第一，超循環工作作業；第二，空頂作業；第三，皮帶機出現了堆煤現象；第四，人員存在違規作業。為了能夠有效地配合安全生產工藝流程以及檢測技術，那么選用單目測距法，從而可以實現對超循環作業進行有效的監測，同時可以對掘進機的掘進機距離進行監測。

在對空頂作業以及違規操作的人員進行監測時，可以選用幀間差分法監測，其能夠準確地檢測到人員位置。對于皮帶機堆煤可以選用背景減除法，其以背景圖為基礎，這樣可以使用差分圖形的方式對圖進行處理。圖1表示智能化技術的煤礦掘進工作面安全監測與預警系統。其中該系統包括以下幾個功能：第一，圖像采集；第二，數據傳輸；第三，數據儲存；第四，數據處理；第五，現場報警等。首先由礦用本安型無線攝像儀采集圖像信息，接著將采集到的圖像借助以太網將其傳輸給地面處理中心，在系統中圖像進行處理后，與此同時把相應的處理結果傳輸給管理者[4]。

2.2 子系統集成設計

（1）超循環、空頂作業監測與預警系統。通常以采煤機的掘進距離為判斷是否出現超循環作業問題，同時對空頂作業進行檢測時，主要對支護區域自己人員進行監測，進而能夠有效地判斷工作人員的位置。圖2表示相應的超循環、空頂作業監測以及相應的預警系統。

當該系統追蹤到相應的人員信息時，通過無線網絡可以把該信息借助無線信號收發器和綜合分站，將其傳輸給地面控制中心，經過系統處理，可以在終端表現該結果，從而可以實現超循環作業以及空頂作業預警[5]。

（2）皮帶機堆煤監測與預警系統。該單元主要包括如下幾個部分：第一，攝像儀；第二，報警器；第三，服務器等，這樣能夠實現對皮帶運輸的實時監測與預警，圖2結構所示。將攝像儀設置在極易堆煤的位置，這樣可以實時監測皮帶機的圖像，假如發現皮帶機出現連續變化時，這時計算機將對采集到的圖像進行分析，對堆煤現象進行判斷。假如出現了對煤現象，那么系統將會報警。

（3）人員違規作業監測與預警系統。該單元能夠識別危險位置的人員，并將信息傳輸給地面處理中心，這時通過分析信息，做出判斷。假如發現出現了違規作業的人員，該系統可以及時發出報警，同時進行報警記錄。

3 安全監測與預警系統應用

3.1 工程應用

將該系統設置在某礦上，在空頂位置設置連個無線攝像機以及一個廣播設備，當在破碎機位置出現人員時，那么該系統將在拍攝的信號傳輸給地面分析中心，經過處理進行報警。

3.2 應用效果分析

為了更好地對系統的實際工程情況進行驗證，往往選報警信息進行相應的驗證，圖3表示處于空頂作業報警與工作人員違規操作預警。通過分析圖3可以看出，在應用一段時間后發現，該系統空頂與人員違規操作報警次數相對較多，單日分別可以達到23與95次。可是由于繼續應用該系統發現，預警次數開始下降，特別是人員違規操作下降明顯。通過分析發現，主要是由于應用了考核機制以及預警系統提高了人員的安全意識[6]。

圖3 系統預警記錄統計

4 結論

（1）對煤礦掘進工作面的工藝進行介紹，并且經過調研發現掘進工作面在如下幾個方面極易產生安全問題：第一，超循環作業；第二，空頂作業；第三，皮帶機堆煤；第四，人員違規作業。

（2）該煤礦掘進工作面安全監測與預警系統包括如下幾個方面：第一，圖像采集；第二，數據傳輸；第三，數據存儲；第四，數據處理；第五，現場報警等。

（3）經過工程實踐發現，同時對采集到的預警信息進行分析。安裝監測與預警后預警次數逐漸下降，由于考核機制以及由于預警系統提高了人員的安全意識，這樣最大限度地提高了掘進工作面的安全性，從而可以給煤礦開采帶來更多的經濟效益。