预防小煤矿私挖滥采行为的技术研究与应用

范永鑫　吴强,2　杨百顺,2　王锴　李逸

(1.四川省安全科学技术研究院,四川成都　610045;

2.中国矿业大学矿业工程学院 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州　221116)

预防小煤矿私挖滥采行为的技术研究与应用

范永鑫1吴强1,2杨百顺1,2王锴1李逸1

(1.四川省安全科学技术研究院,四川成都610045;

2.中国矿业大学矿业工程学院 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州221116)

针对四川省小煤矿私挖滥采现象,通过研发新型煤矿井下人员定位系统、视频监控煤矿出入井人员自动计数系统和人员定位系统与视频监控系统数据关联技术,实现了对小煤矿出入井人员的实时监控、统计和对比,实现了“失踪”报警和“超员”报警,达到了预防小煤矿私挖滥采行为的要求。该项技术已在四川省多个小煤矿进行了应用,取得了较好的效果,有效预防了小煤矿私挖滥采行为。

私挖滥采人员定位视频监控数据关联

四川省煤矿瓦斯灾害严重，生产规模小，除少数国有重点煤矿外，大部分为民营小煤矿[1]。多数小煤矿专业技术人员缺乏，业主和从业人员安全意识差，为获得高额利润，私挖滥采现象时有发生。为了应付安监部门的检查，小煤矿采取多种方式将私挖滥采区域进行掩盖隐藏， 如设置临时密闭、栅栏，虚设风门风窗等，造成私挖滥采区域通风不良，微风或无风作业，瓦斯积聚[2，3]，安全隐患严重，极可能酿成瓦斯爆炸事故[4]。攀枝花西区“8·29”肖家湾煤矿瓦斯爆炸事故和泸县“5·11”桃子沟煤矿瓦斯爆炸事故，经调查发现两个小煤矿均存在私挖滥采现象，且都是由于私挖滥采造成了严重的瓦斯爆炸事故。这两起惨痛的事故教训告诫我们，必须研究一种可预防煤矿私挖滥采行为的技术并广泛应用于四川省小煤矿，从源头上杜绝小煤矿私挖滥采行为，保护小煤矿职工的生命安全，提高安全监管部门监管水平，维护社会稳定大局。

目前，国内外关于预防小煤矿私挖滥采行为的研究尚属空白。为解决此项难题，四川省安全科学技术研究院在现有煤矿井下人员定位系统[5，6]的基础上，研发了新型煤矿井下人员定位系统和视频监控[7，8]煤矿出入井人员自动计数系统，并研发了人员定位系统与视频监控系统数据关联技术，可对煤矿出入井人员进行实时监控、统计和对比，可实现“失踪”报警和“超员”报警，从而达到了预防小煤矿私挖滥采行为的技术要求。该项技术已在四川省多个小煤矿进行了应用，取得了较好的效果，有效预防了小煤矿私挖滥采行为。

1　新型煤矿井下人员定位系统

1.1现有人员定位系统漏洞分析

目前，四川省小煤矿使用的人员定位系统是一种区域定位，不能有效起到监控作用，而且其采用的算法存在漏洞:当人员走出当前的识别器的识别范围，而未进入下一个临近识别器的识别范围时，系统默认为人员在两者之间;当人员走出某一识别器的识别范围，而前方又没有安装识别器时，则显示人员在该识别器附近。这种固定算法的重要弊端是不会产生人员失踪的情况，会出现人员进入私挖滥采区域(非法区域)进行作业，而人员定位系统监控上仍显示人员在合法生产区域内的情况，因此，对私挖滥采的行为起不到监控的作用，如图1所示。

图1中的圆圈代表人员定位系统识别器的识别范围。如果入井人员走出3或4的识别范围而未进入6或5的识别范围，则人员定位系统就会默认为人员在3和6之间的巷道内或4和5之间的巷道内，此时如果人员进入到私挖滥采区域进行作业，但人员定位系统监控上会显示人员仍然在主平硐和副平硐的巷道内，给私挖滥采留下了监控漏洞。

1.2新型人员定位系统的功能设定

四川省安全科学技术研究院研发的新型人员定位系统对现有人员定位系统进行了改进，改变了其算法，引入了“失踪”概念，并做到了“失踪”超时报警，即:当人员走出某一识别器的识别范围而未进入另一识别器的识别范围时，系统设定该人员处于“失踪”状态，并对失踪时间进行限定，当失踪时间超过限定值时(如20m in)，系统将向县安全监管部门报警，表明失踪人员进入了私挖滥采区域进行非法作业，县级安全监管部门接到报警后，可及时进行查处并上报上级主管部门。

新型人员定位系统识别器的识别范围可达25m，识别器的安装间距为50m，可实现对小煤矿所有批准作业区域人员定位全覆盖，不留空当和死角，一旦有人员不在批准作业区域内作业，系统将无法识别到该人员，立即进行“失踪”记时，超过限定时间即刻报警，可有效遏制煤矿的私挖滥采行为。

2　视频监控出入井人员自动计数系统

2.1现有出入井人数统计方法存在的问题

目前，四川省小煤矿的出入井人数统计方法存在较大的问题。

多数小煤矿出入井人数统计依靠人工记录和人员定位系统自动记数。人工记录给了小煤矿弄虚作假的机会，少记录或不记录现象时常发生，其统计数据不可靠;另外，人员定位系统自动记录出入井人数也存在较大问题:当出入井人员不带识别卡或携带坏的识别卡出入井时，人员定位系统无法对该类人员进行计数，造成实际出入井人数大于人员定位系统记录人数;当煤矿工人为了增加考勤数量，多带识别卡、替人带卡出入井时，人员定位系统记录人数又将大于实际出入井人数，即人员定位系统无法对出入井人数进行准确统计。

两种统计方法均存在较大问题，造成小煤矿出入井人数无从验证，煤矿工人不带卡、带坏卡、多带卡、超员作业时常发生，而安全监控系统却很难发现，给小煤矿私挖滥采留下了巨大漏洞。

2.2视频监控煤矿出入井人员自动计数系统

四川省安全科学技术研究院研发的视频监控煤矿出入井人员自动计数系统采用基于CCD图像传感器的人数统计技术[9，10]，其基本原理是:将运动区域统计算法和图像特征神经元网络算法相结合，综合运算得出准确出入井人数。两种算法的原理如下:

运动区域统计算法:在固定摄像头里提取出运动区域，根据这些运动区域进行统计。当运动区域和人的大小相似的时候，就可以认为有一个人通过。当多个人距离较近的时候，采用人体大小的先验知识，把一个运动区域分割为多个单人区域，从而对人数进行估计。当然，视频流是实时连续的，运动区域的检测和分割需要在每一帧内不停地计算。此外还要对帧间的运动区域进行跟踪，把不同时间的运动区域连接起来，从而给出正确的人数和行人运动方向。

图像特征神经元网络算法:在图象中采集一些反应人体特点的比较粗糙的特征，比如图象边缘密度，然后通过神经元网络学习人数与图象特征之间的非线性关系，从而得出正确的人数。

该系统采用顶装方式安装，固定摄像头俯视检测区域，检测范围覆盖全井口。当煤矿出入井人员到达检测区域时，固定摄像头采集图像信息并实时显示，同时经系统内部计算，得出人员的行走方向、数量和时间等参数。

3　视频监控系统与人员定位系统数据关联技术

为了有效监控小煤矿入井人员，防止小煤矿入井人员不带识别卡、带坏识别卡进入到私挖滥采区域进行非法作业，四川省安全科学技术研究院研发了视频监控系统与人员定位系统数据关联技术。

图1　小煤矿人员定位系统监控示意图

该技术利用Ethereal对井下人员定位系统通信协议和视频监控系统视频信号进行解析[11，12]，并将其数据格式转化为统一的数据模型，从而实现将井下人员定位系统识别到的入井人数同视频监控系统识别到的入井人数进行实时对比，当视频监控系统识别到的人数多于人员定位系统识别到的人数时，系统将进行“超员”报警，表明有人员未带识别卡或带坏识别卡入井，县级安全监管部门接到报警后，可及时对其进行查处，并上报上级主管部门，有效遏制煤矿工人躲避监控，不带识别卡或带坏识别卡进入私挖滥采区域非法作业的行为。

基于该技术，四川省安全科学技术研究院研发了煤矿数据适配器，并在试点小煤矿进行了安装。通过煤矿数据适配器实时采集视频监控统计人数和人员定位系统识别人数，并加以对比，实现了对入井人员携带识别卡情况的同步监督，“超员”报警。同时通过对上述数据的同步保存、循环覆盖，保证了安全监管部门对小煤矿入井人员携带识别卡情况的现场查证和远程抽查。

4　工程应用

为了预防小煤矿私挖滥采行为，防止再次发生瓦斯爆炸等重大事故，该项技术先后在攀枝花西区和泸县10多个小煤矿进行了应用，取得了较好的应用效果:

(1)新型煤矿井下人员定位系统可全覆盖监控小煤矿所有批准作业区域，其“失踪”报警功能灵敏度可达100%;

(2)视频监控煤矿出入井人员自动计数系统成功突破了区分人员和矿车移动数量，区分行进人员和手臂摆动等技术难点。经现场使用，出入井人员统计可达100%。

(3)数据适配器快速实现了视频监控统计人数和人员定位系统识别人数的实时对比，“超员”报警率100%。

5　结语

四川省安全科学技术研究院研发的预防小煤矿私挖滥采行为的技术可有效对小煤矿出入井人员进行实时监控、统计和对比，实现“失踪”报警和“超员”报警，可有效预防小煤矿私挖滥采行为。

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范永鑫(1983—),男,甘肃庆阳人,四川省安全科学技术研究院技术人员,中国矿业大学矿业工程学院,采矿工程学士。