煤礦智能化安全保障體系及關鍵技術探討

文/劉峰

在當前的智能化時代，煤礦企業借助智能化技術手段進行生產方式轉型，所建設的智能化安全保障體系發揮出重要作用，可以提高煤礦生產作業的安全性。在煤礦智能化安全保障體系中，包括感知層面、風險層面、設備層面及管理層面，其中包括較多的技術或理念能夠因此建構出科學的煤礦智能化安全保障體系架構。在煤礦智能化安全保障體系的建設及應用中，需要應用到關鍵技術手段，同時要以煤礦大數據共享平臺為載體，可以重點應用四種關鍵技術，即煤礦風險評估與預警技術、透明地質保障技術、礦井全維信息可視化建模技術、井下智能巡檢機器人技術。

煤礦生產作業具有風險性，對危險源未進行有效的感知、預警及管理，很容易造成安全事故，于煤礦企業而言十分不利?；诖耍旱V企業一直以來高度重視煤礦生產的安全保障，并借助智能化技術手段積極構建煤礦智能化安全保障體系，可因此提高煤礦生產作業的安全水平。國家發改委等八部委聯合印發的《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，對煤礦企業的安全高效生產造成深遠影響，也因此讓煤礦智能化發展成為必然趨勢，越來越多的煤礦企業廣泛應用智能化技術手段，強調對煤礦生產作業進行有效的感知、分析、互聯、預測、決策、控制，切實保障好煤礦生產作業的安全。目前來看，煤礦智能化安全保障體系已經較為成熟，成功應用多種關鍵技術手段，且已經成為煤礦智能化建設的重要部分，未來可以發揮出更為重要的作用。正是因為如此，應充分明確煤礦智能化安全保障體系及關鍵技術，筆者對此作如下的分析論述。

煤礦智能化安全保障體系的內涵及本質

煤礦智能化安全保障，是指依托于煤礦智能化建設，獲取到煤礦生產信息、煤礦井下水文地質條件、設備運維狀態等信息，然后借助大數據技術進行分析、建模、分析及評估，從而全面知曉智能化條件下煤礦生產作業的安全水平，采取針對性措施保障煤礦正常生產。在煤礦智能化安全保障體系中，因為有智能化技術手段的支持，所以能夠實時進行煤礦安全生產狀態的評估及設備運維自檢，在確定出煤礦生產作業中的風險因素之后，可進行實時的風險評估、智能決策、智慧化的災害處置，如此便可以保障煤礦正常生產和提高煤礦生產管理科學水平。在當前所應用的煤礦智能化安全保障體系中，核心之處是借助智能化技術手段進行精準的感知、預測、分析、評估及處理，涉及“全維感知體系”“風險識別與預警體系”“智能化裝備體系”，可以保障煤礦生產作業的安全。

煤礦智能化安全保障體系具有很強的現實意義，其本質是利用智能化技術手段最大程度減少人為操作環節，可以由智能化技術手段進行煤礦生產作業，主要是設備操作、安全管理、人員設備路徑跟蹤、風險的早期預警、調度、通風。如此一來，煤礦生產作業可以由之前的勞動密集型向著技術密集型與人才密集型而轉變，將與人相關的風險因素有效消除，煤礦生產作業的安全性可以更加可控。目前來看，在煤礦智能化安全保障體系中，主要是以煤礦大數據平臺為載體，所采集的煤礦生產信息可以被實時傳輸至數據庫，在此基礎上可以借助大數據技術進行分析和論證，充分明確煤礦生產作業的安全狀態信息，可以對煤礦安全隱患進行針對性、科學性、標準性的處理。除此之外，當前所應用的煤礦智能化安全保障體系已經較為成熟，顯著優勢之一是可以集成多種動態信息，主要是礦井生產中的通風信息、地質賦存信息、組織調度信息、生產狀態信息、運輸信息、設備聯動信息、人員工作狀態信息。

煤礦智能化安全保障體系的架構

煤礦智能化安全保障體系是以煤礦大數據平臺為載體，可以進行煤礦生產作業信息的采集與分析，且可以進行實時風險評估與安全決策，所建設的煤礦大數據倉庫和云信息平臺發揮著十分重要的作用?；诿旱V大數據平臺，煤礦智能化安全保障體系的架構中包括四個層面，即感知層面、風險層面、設備層面、管理層面，各個層面有不同的技術內涵。

在感知層面，強調對煤礦生產作業全維信息的感知與建模，主要是建設和應用煤礦全維感知體系，這是煤礦智能化安全保障的前提。在煤礦生產作業的全維感知中，主要是利用慣性導航技術、光纖傳感技術、三維激光掃描技術、CT 反演技術，可以對人員設備路徑跟蹤、煤礦水文地質、礦井災害風險、力學場云信息等進行全維度、全方面、全體系的感知，早期發現煤礦生產作業中的風險因素。

在風險層面，主要是進行煤礦生產作業的風險識別與預警，動態化感知各種信息與主要災害，主要是煤礦生產作業中的粉塵、瓦斯、水、火、頂板。在智能化算法、大數據聚類分析等技術手段的支持下，同時基于煤礦常見災害發生機理，可以有效識別與評估煤礦生產作業中的危險源，在此基礎上可以對存在的災害風險進行智能預警。通過精準、全方位的煤礦風險識別與預警，可以對不安全因素進行早期防范，最大程度降低煤礦生產中安全事件的發生風險。

在設備層面，所應用的智能化裝備體系具有兩大能力，一是自檢能力，二是自修能力。詳細言之，在煤礦生產作業中，各種設備發揮出重要作用，是煤礦安全生產的最基本要素，更是煤礦智能化的載體之一。在煤礦智能化安全保障體系中，設備的安全保障分為兩部分，即設備狀態安全、設備運維安全，前者是針對設備故障，后者是針對設備事故，均強調礦井機電設備處于安全工作狀態。對全礦井系統裝備建立實時信息檔案，借助智能化裝備體系及智能化技術手段可以進行自檢，確定出故障位置、故障模塊、故障原因，在此基礎上可以借助內置或外接的檢修機器人，如此可以實現全礦井系統裝備的自檢自修。

在管理層面，煤礦企業可以樹立及增強技術密集型的煤礦安全管理理念，且強調借助煤礦智能化安全保障體系進行全過程、全方位的安全管理，不再過度依賴于人為性的管理模式。目前來看，越來越多的煤礦企業應用煤礦開采模式智能化技術手段，且應用人工智能技術、大數據技術，依據煤礦生產安全管理規律，可以進行煤礦生產作業的自主評估、智能決策、科學管理，使礦山全維環境處于安全狀態。除此之外，煤礦企業強調應用煤礦風險分級管控理念，形成礦山安全管理閉環，實現管理干預智能化的效果，礦山的安全管理工作可以分區域、分階段、分層次進行。

煤礦智能化安全保障體系的關鍵技術

煤礦風險評估與預警技術

在煤礦智能化安全保障體系中，要注重應用煤礦風險評估與預警技術，確保能夠早期發現風險因素，采取科學可行的防范措施。實際應用煤礦風險評估與預警技術的過程中，一大制約因素是危險源的評價模型及算法，且當前沒有完全明確采動空間突水機制理論、煤與瓦斯突出機理、沖擊地壓發生機理，導致無法構建真正意義上的煤礦重大安全風險評估模型。

對于此，當前的思路是應用大數據技術的模糊評判方法、聚類分析技術，有較多煤礦企業成功開發面向數據流的可能性模糊聚類算法，且結合極速學習機、去噪編碼器，在此基礎上可以構建出煤礦風險評估與預警模型。風險綜合預警判斷函數是一大重點，涉及較多的專業知識，需要加大研究力度，同時要確定出煤礦生產的風險預警指標，可以有“正?！薄拜p警”“中警”“重警”這些預警的警度。關聯規則挖掘發揮出重要作用，能夠實時挖掘煤礦生產中的風險信息，確定出煤礦風險相關的強關聯規則，在此基礎上可以構建出準確的煤礦風險評估與預警模型，能夠發揮出兩方面的作用。一方面，對影響到煤礦安全生產的傳感數據進行綜合分析，主要是煤塵、礦壓、瓦斯濃度、火災、水害，主要是外源傳感信息。另一方面，在關聯規則挖掘技術的支持下，可以記錄與集合煤礦安全風險預警的影響因素，后續可進行針對性的預警與防控。

透明地質保障技術

煤礦智能化安全保障的過程中，透明地質保障技術是一項基礎性技術，基于地球物理、傳感器、煤礦物聯網等礦山全維信息感知技術。在應用透明地質保障技術時，可以集成各種時空關聯數據，主要是瓦斯地質特征、礦井全巖層、水文地質特征、力學特征，在此基礎上可以應用大數據技術、智能化算法進行建模，且建模過程中可以突破礦井的隱性特征、顯性特征的力學狀態與時空狀態。

目前來看，所應用的透明地質保障技術已經較為成熟，可以在礦井開采作業中全過程應用，在采前，可超前預知地質異常區域，在采中，可實時感知擾動情況，在采后，可評估巖體運移滯后情況。通過進行采前、采中和采后的預知與評估，能夠確保煤礦智能化開采作業的安全。除此之外，在應用透明地質保障技術的過程中，需要根據礦井生產情況構建三維空間柵格模型，煤巖層的諸多信息要進行坐標化匹配，主要是彈性模量、抗壓強度、黏聚力、泊松比、內摩擦角，同時對一些本征屬性進行坐標化匹配，以揮發分、發熱量、自燃發火性、水分。后續要進一步加大研究力度，提高應用透明地質保障技術的水平，有效應用在礦井開采作業的采前、采中及采后，最大程度從地質層面保障好煤礦開采作業的安全。

礦井全維信息可視化建模技術

當前的煤礦智能化安全保障體系中，強調對礦井生產作業實施全維信息可視化建模，這一過程中會將礦井中的力學要素與物理要素全部數字化處理，然后用計算機技術進行可視化顯示及表達。在煤礦綜合操作過程中，非常需要礦井全維信息可視化建模及其技術的支持，主要是“礦山生產系統建模”“巷道建?！薄八牡刭|建模”“礦井全維信息可視化展示”。在應用礦井全維信息可視化建模技術時，是以GIS 三維建模、激光點云建模技術為重要基礎，將煤礦生產過程中的多種信息有效融合，主要是礦井設備狀態信息、災害指標性信息、礦井生產系統信息、水文地質信息、采動空間力學狀態信息、人員作業路徑信息。

當前所應用的3Dmax 建模技術、H5 建模技術均較為成熟，可進行礦井三維建模，所構建的三維煤礦場景支持多種需求，比如可以進行穿透式查詢與聚合，礦區各維度、各屬性、各區域的信息可以直觀且實時呈現出來。目前來看，在煤礦智能化安全保障體系中通過應用礦井全維信息可視化建模技術，已經能夠讓礦井要素處于可視化展示與操作的狀態，且能夠讓煤礦企業的各業務系統得到有機集成，所形成的礦井全維信息可視化模型、礦井數據管理中心都可以發揮出重要作用，利于煤礦企業動態化進行礦井生產作業的風險評估、風險預警、管理干預。

井下智能巡檢機器人技術

在大數據技術、物聯網技術及5G 技術的支持下，煤礦生產作業會慢慢進入到井下無人作業階段，實現良好的煤礦智能化生產。為確保煤礦智能化生產的安全與有效，且達到智慧安全管理的理想效果，當前有較多的煤礦企業開始應用井下智能巡檢機器人技術，已經將其作為煤礦智慧安全管理的重要抓手，取得良好成效。所應用的井下智能巡檢機器人技術，是以機器人為數據終端，機器人和大數據后臺之間處于實時互通的狀態，主要是依托高速無線數據傳輸技術。

對于煤礦生產作業中的不同安全風險，可以開發針對性的便攜式傳感器，由巡檢機器人按照要求進行巡檢，要求達到多區域、多批次、多維度的效果，最后有效感知煤礦全維風險信息。除此之外，當前成熟的井下智能巡檢機器人搭載較多技術，主要是慣性導航技術、地球物理探測技術、人工智能技術、圖像識別技術、多元定位技術，正是因為有這些技術的支撐，所以井下智能巡檢機器人可以自主規劃與識別路線，自動感知到井下風險源，不再需要人為巡檢，對提高煤礦智能化安全保障水平有十分大的裨益。

要充分肯定當前煤礦智能化安全保障體系所發揮出的重要作用，并應該持續性完善和優化煤礦智能化安全保障體系，使其在煤礦安全管理中發揮出越來越重要的作用。后續要進一步加大研究力度，對煤礦智能化安全保障體系中的感知層面、風險層面、設備層面、管理層面進行優化，且要注重關鍵技術手段的應用，切實發揮出技術優勢，助力煤礦開采事業的健康發展和提高安全管理水平。