煤礦智能化設備安全標志管理及應用研究

林 俊，朱鳳山

(安標國家礦用產品安全標志中心有限公司，北京市朝陽區，100013)

煤炭是我國的能源基石，也是國家安全生產需要關注的重點領域[1]。基于煤礦井下高危的特殊工作環境，對進入井下的產品實施強制性的安全準入管理是世界主要采礦國家的通行做法[2]。我國在1990年建立了安全標志制度[3]，對涉及人身安全、危險性較大的礦用產品實施安全準入管理，有效防止了可能危及生產安全的產品進入煤礦生產過程，從源頭上防止煤礦災害事故，為煤礦高質量發展奠定了設備安全基礎[4]。

煤礦智能化是我國煤炭工業高質量發展的核心技術支撐[5]，礦用設備科技發展和成果的安全應用是煤礦智能化建設的重要基礎[6]。當前，煤礦井下機器人、新能源技術、礦山5G等智能化的新技術新設備正大量涌現，推動著煤礦安全綠色智能發展。但安全基礎技術研究相對滯后，缺乏相應國家標準、行業標準和安全管理要求，煤礦新技術新設備安全問題成為社會重要關注點[7]。因此，對安全共性問題開展研究，建立推動行業科技進步的安全標志工作機制，鼓勵安全科技成果轉化，并在井下安全應用，對支撐礦用設備科技發展，推動我國煤礦智能化建設具有重要的現實意義。

1 安全標志管理工作現狀

我國安全標志制度是依法對涉及礦山安全生產及職工安全健康產品采取的強制性管理制度。自1990年正式實施以來，在科學分析總結煤礦安全生產現實需求和客觀規律、吸取重特大事故教訓、吸納借鑒國外成功經驗的基礎上，逐步建立起了健全的安標法律法規體系和管理機制[8]。根據《安全生產法》等規定，納入安全標志管理目錄的礦用產品須按照相關技術標準和安全管理要求，經檢測檢驗合格，取得安全標志后才能由專業生產單位生產、銷售，煤礦才能采購、使用。

安全標志管理經過30余年的發展，已有機融入煤礦安全風險分級管控和隱患排查治理“雙重預防”機制，成為煤礦安全生產監管監察體系的重要組成、煤礦設備安全的基本制度、安全生產源頭管理的重要前置手段、安全監管監察的重要“抓手”，在防范煤礦重大災害事故、提高煤礦安全保障水平、促進煤礦安全生產形勢持續穩定好轉發揮了不可替代的基礎性保障作用，得到了國內外相關方的廣泛認可和遵守[9]。

2017-2021年，我國安全標志工作服務于煤礦安全監管監察，通過提質增效，申辦周期大幅下降45%；安全標志申辦數量和發證數量呈現逐年上升態勢，年均增長率10%。其中，首次申辦安全標志的產品數量和首次取得安全標志的產品數量持續增加、占比也不斷增大；尚無國家標準、行業標準或突破現行國家標準、行業標準的新技術新設備申辦安全標志的數量增加幅度明顯，煤礦智能化建設有效推動了礦用產品領域科技創新，推進了礦用產品迭代更新；同期，進口礦用產品申辦安全標志的數量大幅下降。

2 煤礦新技術新設備安全標志管理現狀及面臨的新挑戰

2020年2月，國家發改委、國家能源局等八部委聯合印發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，對加快推進煤炭行業供給側結構改革和高質量發展具有里程碑的意義[10]。在政策鼓勵下，煤礦企業全面啟動了智能化建設和綠色開采。根據國家能源局2022年2月的統計，全國有近400座煤礦正在開展智能化建設，總投資規模超過1 000億元；國家能源局、國家煤礦安全監察局遴選的71處國家首批智能化示范建設煤礦，總產能近6億t/a[11]。智能化煤礦建設科技支撐同步取得積極進展，已建立了煤礦智能化基礎理論體系、初步形成了煤礦智能化標準體系框架、提出和實施分類分級智能化煤礦建設路徑，開采技術和礦用設備正在持續升級[5]。

2.1 新技術新設備安全標志管理情況

安全標志管理與煤礦智能化發展同向發力，陸續出臺了《煤礦井下機器人安全標志管理方案》《煤礦井下機器人基本安全要求(試行)》《煤礦井下人員定位系統安全標志管理方案(試行)》《煤礦井下人員定位系統安全技術要求(試行)》《礦用鋰離子蓄電池安全技術要求(試行)》《礦用防爆鋰離子蓄電池電源安全技術要求(試行)》《礦用防爆鋰離子蓄電池電源充電機安全技術要求(試行)》《礦用防爆鋰離子蓄電池無軌膠輪車安全標志管理方案》《礦用防爆鋰離子蓄電池無軌膠輪車安全技術要求》等管理要求，以安全保障支撐科技創新，相應的新技術新設備大量涌現并積極申辦安全標志。

對2020年2月以來安全標志申辦情況進行了分析，發現新技術新設備主要集中在多網融合、電動化、機器人、無人駕駛、智能通風、智能采掘及井下5G通信等方面。新技術新設備的創新研發安全有效地支撐了煤礦智能化發展。

2.2 煤礦設備安全標志管理面臨的新挑戰

在智能化新技術新設備安全標志申辦中，由于安全技術基礎共性問題尚未解決，現有國家標準、行業標準不能滿足對新技術新設備的安全評判、檢測驗證等要求，部分標準滯后于技術設備發展，引起了社會對煤礦新技術新設備的安全關切。安全標志管理在安全技術和工作機制上正面臨新的挑戰，集中表現在以下幾個方面。

(1)防爆安全挑戰。防爆是新技術新設備井下推廣應用的基礎安全，但由于防爆機理和防爆技術目前缺乏基礎性研究，致使防爆安全要求滯后于智能化設備發展需要，申辦安全標志的部分新技術新設備出現需突破現行標準規定的防爆性能，輕型智能化設備材料難以滿足現行標準要求，現有本安供電技術無法支持遠距離、高傳輸能量的監控通信安全要求問題[5]。

(2)井下新能源安全挑戰。煤礦井下新能源安全應用是實現煤礦智能化的關鍵技術之一，申辦安全標志的井下機器人、輔助運輸車輛等電動化設備和監控通信后備電源、移動設備動力電源、應急救援電源等均使用了以蓄電池為代表的新能源，但電池在煤礦井下受擠壓、碰撞、過充過放、管理維護不到位的情況下，易造成內部高溫高壓，引發爆炸燃燒且不易撲滅，對電池容量、井下充電、使用地點形成了限制，成為安全標志管理、煤礦企業、設備研發生產面臨的共同挑戰[12]。

(3)井下多網通信安全挑戰。由于煤礦井下5G、物聯網建設中網絡鋪設量大、數據傳輸網絡龐雜，新技術新設備安全標志管理中存在缺乏多網融合通信的安全性能評估和判定依據的現象，如缺乏機器人等智能化移動設備在井下應用所必須的井下定位及導航技術準確性及可靠性評估方法、無人駕駛通訊安全評估方法，以及智能化設備缺乏針對煤礦井下電磁環境電磁兼容全面系統的研究[5]。

(4)新技術新設備安全標志工作機制挑戰。智能化新設備新技術的蓬勃發展，安全標志申辦數量不斷增加，行業外高新技術企業也首次進入煤礦領域，這些企業對煤礦安全要求和安全標志管理不太了解。這些現象均對原有安全標志管理工作機制帶來了沖擊。具體表現為：研發生產僅注重功能不關注安全性能、新技術新設備缺乏對煤礦安全基本認知、研發設計方案反復多次修改論證、新技術新設備安全標志缺乏安全評估現有判定依據導致辦理周期長等。

3 煤礦新技術新設備安全標志管理中重點安全技術研究方向

發揮安全標志管理作用，把好煤礦新技術新設備下井安全準入關，需從以下3個方向開展安全技術研究，以解決安全標志管理安全技術方面面臨的挑戰。

3.1 防爆安全技術研究

(1)隔爆技術安全評估研究。從原理、模型、方法上深入研究設備大型化、功能組合化、智能化發展帶來的隔爆技術安全評估方法。

(2)本安、澆封技術安全評估研究。研究設備智能化、傳輸距離遠帶來的高能量、遠距離傳輸本質安全能量評估技術，復雜設備結構帶來的本安、澆封等多種防爆型式復合的防爆技術安全評估。

(3)煤礦爆炸性環境安全評估技術研究。研究防爆設備的安裝、使用、維護、大修與報廢等方面的安全評估技術，圍繞本安系統評定、光輻射安全、射頻防爆安全等方面，現場評估煤礦井下爆炸性環境，研究煤礦井下場所防爆分區方式及相關管理措施。

(4)新材料安全可靠性研究。突破傳統防爆電氣設備隔爆外殼的鑄鐵、鋼板或者鑄鋼材質，研究探索新型材料應用于隔爆外殼的相關要求，研究輕金屬、非金屬材料作為煤礦電氣設備使用的隔爆外殼材質需要滿足的安全使用、限用條件，研究由輕金屬、非金屬材料形成的隔爆外殼安全性、耐久性。

3.2 井下新能源安全技術研究

(1)新型電池及使用安全性研究。研究電池安全保障技術，主要研究電池安全評價技術、防爆動力電池的全方位安全防護技術(電池管理、散熱、功能安全)、爆炸性環境防止電池熱失控引發瓦斯煤塵爆炸的安全措施、井下新能源自動降溫滅火技術等。

(2)電池管理系統功能及安全完整性(SIL)安全評估研究。圍繞避免鋰離子蓄電池等在使用中發生過充、過放、短路、超溫等情況導致燃爆、泄壓等安全事故，研究適用于煤礦井下的專用電池管理系統安全要求，對鋰離子蓄電池基本參數進行有效監測，根據出現故障的不同等級提出不同保護控制措施；研究電池管理系統的SIL安全評估，評估當電池管理系統出現非正常工況能否瞬間準確動作，并把設備引入安全狀態的技術方法及評估要求。

(3)井下充換電與鋰電池滅火研究。研究井下半封閉空間安全充電(自主有線充電、無線感應諧振充電)、換電技術，研究鋰電池井下充電的安全保護控制策略及相關技術要求；研究鋰電池發生起火燃爆后瞬間產生高溫高熱時的有效滅火措施。

(4)新能源車輛安全標準研究。借鑒電動汽車行業做法，研究煤礦井下新能源設備遠程聯網監控和安全預警技術，實時采集監控運行的礦用新能源車輛運行數據，對新能源車輛電源等重要安全要素實現遠程自動預警與安全評估，保障應用安全。

3.3 井下多網通信安全技術研究

(1)多系統聯動的安全技術研究。研究煤礦井下多系統環境的高速率、大容量數字化信息傳輸和低時延的設備智能化監控技術；研究井下通信網絡與各大煤礦安全生產系統融合對接中的信息融合安全，提出融合組網的技術方案和檢驗方法。

(2)井下定位與導航技術研究。研究井下封閉空間、無衛星導航信號覆蓋復雜電磁環境下的定位與導航技術，基于地下定位技術和位置估計算法，研究定位準確性的界定、判別與評估技術方法，研究井下導航策略的有效性和準確性。

(3)無人駕駛通信安全技術。研究無人駕駛安全原則與流程，從設計流程、測試、自主性驗證、數據完整性以及人機交互等多方面進行評估分析。

(4)礦井電磁兼容安全技術研究。研究在煤礦井下惡劣電磁環境下礦井電氣設備的電磁兼容安全性；研究井下復雜電磁環境特征及規律，井下電磁干擾測試方法；研究電磁污染等級現場評價技術方法；研究變頻、監控、通信、煤礦機器人等智能裝備電磁干擾抑制和防護技術方法；研究煤礦專用的設備電磁兼容技術標準及標準體系。

4 建立推動行業科技進步的安全標志工作機制

4.1 優化新技術新設備安全標志管理程序

(1)注重安全性能要求，推進科技成果轉化。對尚未制定國家標準、行業標準的礦用新技術新設備，按照通用安全標準和國家有關規定對新產品進行必要的安全自評估；安全標志側重考核安全性能，放寬其他性能要求，對滿足礦山安全要求的發放新產品安全標志，積極推動新產品下井應用；對首次用于礦山井下且按現行標準規范無法全面考核安全性能的新技術新設備及時組織開展安全技術論證，與煤礦企業建立聯動機制，實施工業性試驗安全標志管理，推動安全性能試驗驗證。

(2)安全標志服務前移，聯合開展安全論證。積極營造安全標志促進智能化設備科技成果轉化的良好環境，主動服務新技術新設備生產企業，使安全標志管理專家提前介入新技術新設備研究設計階段，規范、引導企業向符合煤礦安全生產要求的方向進行科技創新；聯合生產企業、安全標志檢測檢驗機構、行業專家為生產企業提供安全技術支持，形成科技創新和安全論證并行推進的安全標志管理機制，促進有效科技創新和成果轉化。

(3)加快出臺安全要求，建立常態長效機制。通過大數據技術，引導和激勵設備研發制造企業提供更多智能化優質設備，及時總結新技術新設備共同特征和共性原理，編制新技術新設備安全標志管理方案和安全技術要求，統一同類新技術新設備安全要求，形成科技創新安全技術指引，制度化、長效化推進安全標志審核發放工作。

4.2 強化安全標志科技創新工作

(1)建立安全標志專門研究機構。依托安全標志管理工作中長期積累形成的資源、人才、技術等優勢，建立行業公益性的安全標志專職研發機構，聚焦新技術新設備安全技術基礎性問題，聯合煤礦企業、新技術新設備研發企業、安全標志檢測檢驗機構、科研院所等，全力突破制約新技術新設備井下安全共性問題，解決因標準滯后對設備發展和安全使用的負面影響，打造成為集理論研究、安全分析、成果轉化、標準制定和國際技術交流等于一體的國內領先、國際一流的礦用設備安全技術研究平臺。

(2)加大重點安全技術科技攻關及支撐能力建設。圍繞防爆技術安全試驗、井下新能源安全應用技術、智能化基礎共性研究，加大科技攻關力度，基于安全研究成果率先出臺煤礦新型防爆技術、鋰離子蓄電池、井下5G通信、機器人、高端節能提運設備、新型環保高分子材料、煤礦精確定位技術、多系統融合技術、無線控制技術、煤礦圖像識別與處理技術、智能化采掘技術、快速應急救援裝備、智能通風技術等的安全標志管理方案和安全技術要求，引導發展安全標志檢測檢驗能力建設，提升安全標志分析驗證手段，支撐技術創新。

(3)完善安全標志科技創新體系。建立開放合作的新技術新設備安全標志協同創新機制，強化與政府、社會及學術團體溝通交流，建立形成基礎與前沿技術研究、應用研究與安全標志管理有序銜接的多級研發體系，強化與社會優勢科技資源的合作創新，形成安全標志各方合力。

4.3 強化技術標準引領作用

大力推進新技術新設備標準研究和制修訂工作，重點加大礦山智能化領域標準體系建設投入，聯合技術創新優勢企業推進急需標準制修訂工作，建立新技術新設備安全技術標準化與安全標志管理的協同工作機制，重點突破標準在新技術發展和安全使用方面的制約，積極推進礦山智能化設備標準的國際化工作，搶占全球標準話語權和制高點，逐步建立安全標志管理與新技術新設備標準化相互聯動的集成式服務平臺。

5 結語

我國煤礦智能化建設和綠色發展推動了礦用設備科技發展，近年來，通過安全標志準入把關，多類新技術新設備在井下安全應用，為煤礦高質量發展提供了重要支撐。但是，智能化礦用設備尚處于初級階段，尚不成熟的安全技術引發社會關切，針對新技術新設備安全標志管理還需不斷調整優化，只有通過持續健全工作機制，系統、協同、高效、科學地推進行業科技進步，才能全面支撐礦用設備科技創新，全面推動煤礦智能化建設。