煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故自動發(fā)現(xiàn)與報警方法研究

摘要：煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出自動感知報警方法是及時發(fā)現(xiàn)事故并應(yīng)急救援，減少人員傷亡，避免或減少瓦斯和煤塵爆炸等次生事故發(fā)生，遏制事故遲報、漏報和瞞報的有效措施。煤礦沖擊地壓事故感知難，目前還沒有煤礦沖擊地壓事故自動發(fā)現(xiàn)和報警方法，煤礦沖擊地壓事故主要靠人工發(fā)現(xiàn)。目前僅有基于甲烷、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器的煤與瓦斯突出自動報警方法，但存在響應(yīng)速度慢、甲烷傳感器損毀前監(jiān)測不到甲烷濃度大幅升高等問題。提出了煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出圖像感知報警方法：根據(jù)煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出溫度、顏色、深度、掩埋等圖像特征，識別煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出；再根據(jù)巷道空間和采掘工作面的甲烷濃度變化，區(qū)分沖擊地壓和煤與瓦斯突出，如果甲烷濃度大面積迅速升高，則判定為煤與瓦斯突出，否則判定為沖擊地壓。該方法具有直觀、響應(yīng)速度快、非接觸、監(jiān)測范圍廣、簡單可靠等優(yōu)點，可直觀地記錄煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出真實情況；當(dāng)煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故報警后，調(diào)度室值班人員可以通過錄像，立即確認事故，及時進行應(yīng)急救援。提出了減少煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出拋出的煤巖對圖像感知影響的方法：攝像機多點布置，攝像機設(shè)置在較高位置，視頻數(shù)據(jù)及時傳輸，甲烷傳感器多點布置等。

關(guān)鍵詞：沖擊地壓；煤與瓦斯突出；煤礦事故感知；災(zāi)害報警；圖像識別

中圖分類號：TD324/712.7 文獻標志碼：A

0 引言

煤炭是我國主要能源，一次能源占比超60%，是國家能源安全穩(wěn)定供應(yīng)的“壓艙石”，并且煤炭的主體能源地位短期內(nèi)無法改變[1-2]。煤炭行業(yè)是高危行業(yè)，隨著煤炭開采深度和強度的增加，煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出已成為我國煤炭開采的主要災(zāi)害，嚴重威脅煤礦安全生產(chǎn)[1-2]。

目前煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出監(jiān)測預(yù)警方法主要有鉆屑法、微震法、聲發(fā)射法、電磁輻射法、電測法、聲波探測法、頂板離層觀測法、煤巖體變形測量法、應(yīng)力監(jiān)測法及紅外輻射法等[3-9]，在煤礦安全生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。目前煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出監(jiān)測預(yù)警方法通過分析有關(guān)參數(shù)變化趨勢，判斷動力災(zāi)害發(fā)生的危險性和可能性；但無法預(yù)報動力災(zāi)害發(fā)生時間、位置和強度等；在煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出發(fā)生時，也不能精準報警。目前煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出監(jiān)測預(yù)警方法主要用于長期監(jiān)測預(yù)警，指導(dǎo)鉆孔卸壓和抽采等防治沖擊地壓和煤與瓦斯突出作業(yè)，消除沖擊地壓和煤與瓦斯突出危險因素，但不能替代煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故報警。

煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故誘因復(fù)雜，目前致災(zāi)機理尚不完全清楚，煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出監(jiān)測預(yù)警效果還難以滿足我國煤礦安全生產(chǎn)需求，煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故仍時有發(fā)生。目前，煤礦沖擊地壓事故主要靠人工發(fā)現(xiàn)，如果災(zāi)源附近人員全部遇難或被困，不在災(zāi)源的井下作業(yè)人員和地面調(diào)度室則不能及時發(fā)現(xiàn)災(zāi)害并應(yīng)急救援，進而導(dǎo)致遇險人員窒息或失血過多而死亡，還會引發(fā)瓦斯和煤塵爆炸等嚴重次生事故。及時發(fā)現(xiàn)災(zāi)害，盡早疏通堵塞巷道和應(yīng)急救援，爭取黃金救援時間，則可減少掩埋和窒息造成的人員死亡，避免或減少瓦斯和煤塵爆炸等次生事故造成的大量人員傷亡，也可有效遏制煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故的遲報、漏報和瞞報。因此，研究煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報警方法，具有重要理論意義和實用價值。

1 煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故報警現(xiàn)狀

1.1 煤礦沖擊地壓報警現(xiàn)狀

煤礦沖擊地壓事故感知難。目前僅有基于聲音的煤礦沖擊地壓感知報警的設(shè)想[10]，但難以排除采掘和運輸?shù)嚷曇舻挠绊懀⑶沂苈曇魝鞑ニ俣嚷挠绊懀憫?yīng)速度慢。因此，目前煤礦沖擊地壓主要靠人工發(fā)現(xiàn)，還沒有自動發(fā)現(xiàn)和報警的方法。

1.1.1 煤礦井下人工就地報警

當(dāng)煤礦井下發(fā)生沖擊地壓事故，事故現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)后，通過礦用調(diào)度電話向礦調(diào)度室報警。但如果災(zāi)源附近人員全部遇難或被困，不在災(zāi)源附近的井下作業(yè)人員不能盡早發(fā)現(xiàn)事故和報警，更不能及時應(yīng)急救援。

1.1.2 調(diào)度室人工查看視頻監(jiān)控報警

目前煤礦井下設(shè)有攝像機，當(dāng)發(fā)生事故時，如果調(diào)度員正好觀察到該攝像機畫面，可以發(fā)現(xiàn)事故。但煤礦井下攝像機多達數(shù)百臺，地面調(diào)度室的調(diào)度員不能同時觀察數(shù)百臺攝像機畫面。當(dāng)沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生瞬間，地面調(diào)度室人員往往不能及時發(fā)現(xiàn)和報警。

1.2 煤與瓦斯突出報警現(xiàn)狀

目前，煤與瓦斯突出自動報警方法僅有基于甲烷、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器的煤與瓦斯突出自動報警方法[11-12]和基于聲音的煤與瓦斯突出感知報警的設(shè)想[10]。

1.2.1 基于甲烷、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器的煤與瓦斯突出自動報警方法

基于甲烷、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器的煤與瓦斯突出自動報警方法已推廣應(yīng)用[11-12]。煤與瓦斯突出噴出的瓦斯運移到甲烷傳感器時間長，多達數(shù)分鐘。甲烷傳感器將甲烷濃度轉(zhuǎn)換為電信號的響應(yīng)時間多達20 s。煤與瓦斯突出拋出的煤巖速度快。因此，基于甲烷、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器的煤與瓦斯突出自動報警方法受甲烷運移時間和傳感器響應(yīng)時間等影響，存在響應(yīng)速度慢、甲烷傳感器損毀前監(jiān)測不到甲烷濃度大幅升高等問題。

基于甲烷、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器的煤與瓦斯突出自動報警方法主要根據(jù)甲烷濃度異常變化等進行報警。沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生時，一般情況不會造成甲烷濃度明顯變化。因此，基于甲烷、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器的煤與瓦斯突出自動報警方法不能用于煤礦沖擊地壓報警。

1.2.2 基于聲音的煤與瓦斯突出感知報警的設(shè)想

煤與瓦斯突出聲音相對采掘和運輸?shù)嚷曇糨^弱。因此，基于聲音的煤與瓦斯突出感知報警的設(shè)想[10]難以排除采掘和運輸?shù)嚷曇舻挠绊懀⑶沂苈曇魝鞑ニ俣嚷挠绊懀憫?yīng)速度慢。

2 煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出特征

煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出均是由于煤巖體承受壓力超過自身強度極限，使得聚集在巷道周圍煤巖體中的能量突然釋放，導(dǎo)致大量破碎煤巖拋向采掘工作面和巷道空間的煤巖動力災(zāi)害。煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出雖內(nèi)在機理不同，但外在顯現(xiàn)規(guī)律具有相似性[13-15]：① 大量煤巖突然破壞，并拋向采掘工作面和巷道空間。② 大量拋出的破碎煤巖速度較高，可達50 m/s。③ 大量拋出的破碎煤巖在采掘工作面和巷道空間擴散和堆積。④ 造成巷道支護和機電設(shè)備等損毀、傾倒、變形和移動。⑤ 造成水管、電纜、瓦斯抽采管路等損毀和墜落。⑥ 造成巷道毀壞及支護、機電設(shè)備和人員等被拋出煤巖掩埋。⑦ 造成采掘工作面和巷道空間產(chǎn)生強烈震動和煤巖破碎聲響。⑧ 造成礦井風(fēng)速和空氣壓力迅速增大后回落，風(fēng)流反向，通風(fēng)系統(tǒng)損毀。⑨ 造成采掘工作面和巷道空間產(chǎn)生電磁輻射和紅外輻射。⑩ 造成煤礦井下人員傷亡。

沖擊地壓發(fā)生時，瓦斯釋放量遠小于煤與瓦斯突出，一般情況下甲烷濃度沒有明顯變化。煤與瓦斯突出發(fā)生時，會釋放大量瓦斯，巷道中甲烷濃度升高，升高速度及波及范圍遠大于沖擊地壓。因此可根據(jù)甲烷濃度升高速度和波及范圍，區(qū)分煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出。

3 煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出圖像感知報警方法

文獻[16]和文獻[17]揭示了煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出的溫度特征：煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出拋出的煤巖溫度高于巷道、煤壁和已剝離煤巖的溫度。文獻[18]和文獻[19]揭示了煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出的顏色特征：煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出拋出的煤巖顏色與井下設(shè)備非黑色和非褐色有明顯差異。文獻[20]揭示了煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出的深度特征：煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出拋出的煤巖深度變化速度高于正常生產(chǎn)和頂板冒落造成的深度變化速度。文獻[21]揭示了煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出的掩埋特征：煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出拋出的煤巖造成的顏色及其圖形面積、形狀（圓形度、矩形度和面積周長比）變化，不同于正常生產(chǎn)和頂板冒落的變化，其變化速度快、規(guī)則度低。

根據(jù)煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出溫度、顏色、深度、掩埋等圖像特征[16-21]，本文提出了煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出圖像感知報警方法，流程如圖1所示。根據(jù)煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出溫度、顏色、深度、掩埋等圖像特征，識別煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出；再根據(jù)巷道空間和采掘工作面的甲烷濃度變化，區(qū)分沖擊地壓和煤與瓦斯突出，如果甲烷濃度迅速大面積升高，則判定為煤與瓦斯突出，否則判定為沖擊地壓。

煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出圖像感知報警方法具有直觀、響應(yīng)速度快、非接觸、監(jiān)測范圍廣、簡單可靠等優(yōu)點。該方法可直觀地記錄煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出真實情況。當(dāng)煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故報警后，調(diào)度室值班人員可通過錄像，立即確認事故，及時進行應(yīng)急救援。

4 減少煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出拋出的煤巖對圖像感知影響的方法

煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出拋出的煤巖，會造成攝像機和傳感器損毀。為減少煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出拋出的煤巖對圖像感知的影響，本文提出了減少煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出拋出的煤巖對圖像感知影響的方法，具體內(nèi)容如下。

1） 攝像機多點布置。煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出的發(fā)生是一個短時、急劇而又猛烈的過程，可造成數(shù)百米范圍內(nèi)的巷道和設(shè)備損壞。為防止煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出拋出的煤巖造成攝像機損毀或失效，攝像機應(yīng)多點布置。攝像機應(yīng)安裝在掘進工作面、掘進巷道中間和入口，回采工作面、進風(fēng)巷道中間和入口，主運輸大巷和輔助運輸大巷等地點。煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出發(fā)生時，靠近災(zāi)源附近的攝像機會被損毀，但離災(zāi)源較遠的攝像機會被保存下來，用于動力災(zāi)害感知報警。

2） 攝像機設(shè)置在較高位置。在同樣條件下，靠近頂板的位置受煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出拋出的煤巖影響小。因此，攝像機應(yīng)設(shè)置在巷道頂板、巷道兩幫靠近頂板、液壓支架頂部及液壓立柱靠近頂部等較高位置，以減小煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出拋出的煤巖影響。

3） 視頻數(shù)據(jù)及時傳輸。光信號傳播速度遠大于煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出拋出的煤巖速度。因此，拋出的煤巖到達攝像機之前，攝像機已采集到煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出圖像。光信號和電信號傳輸速度遠大于煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出拋出的煤巖速度。因此，及時通過光纜和電纜等傳輸視頻數(shù)據(jù)，可以在攝像機及線纜（電纜和光纜）損毀前，將已采集到的圖像信號傳輸?shù)降孛妫糜诿旱V沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報警。

4） 甲烷傳感器多點布置。甲烷傳感器應(yīng)設(shè)置在掘進工作面及其回風(fēng)流、采煤工作面及其回風(fēng)巷和進風(fēng)巷、總回風(fēng)巷等地點，感知瓦斯是否大范圍大幅升高。如果甲烷濃度均大幅升高，則判定為煤與瓦斯突出；否則，判定為沖擊地壓。當(dāng)然，煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出拋出的煤巖會造成傳感器損毀或失效，但未被損毀或失效的傳感器可用于煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出感知報警。

5 結(jié)論

1） 煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出自動感知報警方法是及時發(fā)現(xiàn)事故并應(yīng)急救援，減少人員傷亡，避免或減少瓦斯和煤塵爆炸等次生事故發(fā)生，有效遏制事故遲報、漏報和瞞報的有效措施。

2） 煤礦沖擊地壓事故特征感知難，目前僅有基于聲音的煤礦沖擊地壓感知報警的設(shè)想，但難以排除采掘和運輸?shù)嚷曇舻挠绊懀⑶沂苈曇魝鞑ニ俣嚷挠绊懀憫?yīng)速度慢。因此，目前煤礦沖擊地壓主要靠人工發(fā)現(xiàn)，還沒有自動發(fā)現(xiàn)和報警的方法。

3） 目前，煤與瓦斯突出自動報警方法僅有基于甲烷、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器的煤與瓦斯突出自動報警方法和基于聲音的煤與瓦斯突出感知報警的設(shè)想。但基于甲烷、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器的煤與瓦斯突出自動報警方法存在響應(yīng)速度慢、甲烷傳感器損毀前監(jiān)測不到甲烷濃度大幅升高等問題；基于聲音的煤與瓦斯突出感知報警的設(shè)想難以排除采掘和運輸?shù)嚷曇舻挠绊懀⑶沂苈曇魝鞑ニ俣嚷挠绊懀憫?yīng)速度慢。

4） 提出了煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出圖像感知報警方法：根據(jù)煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出溫度、顏色、深度、掩埋等圖像特征，識別煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出；再根據(jù)巷道空間和采掘工作面的甲烷濃度變化，區(qū)分沖擊地壓和煤與瓦斯突出，如果甲烷濃度大面積迅速升高，則判定為煤與瓦斯突出，否則判定為沖擊地壓。該方法具有直觀、響應(yīng)速度快、非接觸、監(jiān)測范圍廣、簡單可靠等優(yōu)點，可直觀地記錄煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出真實情況；當(dāng)煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出事故報警后，調(diào)度室值班人員可以通過錄像，立即確認事故，及時進行應(yīng)急救援。

5） 提出了減少煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出拋出的煤巖對圖像感知影響的方法：攝像機多點布置，攝像機設(shè)置在較高位置，視頻數(shù)據(jù)及時傳輸，甲烷傳感器多點布置等。

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基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0801800）。