智能工作面安全监测及预警技术研究

王志刚

（山西汾西矿业集团正新煤焦有限责任公司和善煤矿，山西 沁源 046500）

随着科学技术水平的不断提升，矿井综合智能化建设不断加速，一些矿井已在薄煤层、中厚煤层等进行智能化开采[1-2]。矿井布置的智能工作面可实现远程控制，从而显著减少现场作业人员数量并提升矿井生产保障能力[3-4]。而安全的监控及预警技术，则可提高工作面安全生产保障能力。

1 智能工作面概况

山西某矿设计生产能力为320 万t/a，主采3 号、5 号、9 号以及11 号等煤层，现阶段生产主要集中在浅部的3 号、5 号煤层。3506 工作面位于5 采区南侧，设计推进距离为2 260 m、斜长265 m，采用综合机械化开采方式，开采的3 号煤层厚度平均2.8 m，倾角2°～6°，煤层赋存较为稳定，顶底板条件较好。为了降低井下作业人员数量以及工作面煤炭开采效率，矿井提出在3506 工作面使用智能化设备进行生产，具体智能工作面生产涉及到的主要环节包括有破煤、转载、运输等。

3506 智能工作面生产过程中涉及到的主要安全问题包括有：超循环作业、空顶作业、输送机堆煤以及人员违章作业等。工作面推进后会导致围岩应力重新分布，若出现超循环作业问题，势必会造成支护强度不够情况，严重时会导致顶板冒落问题；空顶作业主要是指工作面工作人员在未支护的顶板下工作，空顶作业有较大的安全风险，现阶段主要通过现场管理方来避免空顶作业出现；输送机堆煤会导致运输故障甚至长时间摩擦导致煤层自燃问题发生。因此，文中提出一种安全监测及预警系统，以便提高矿井智能工作面安全生产保障能力。

2 安全监测机预警系统构成

2.1 系统结构

在3506 智能工作面涉及到的安全问题主要包括有超循环作业、空顶作业、输送机堆煤以及人员违章作业等，根据问题类型并结合生产工艺，提出采用测距法对超循环作业进行监测，使用帧间差分法对空顶以及人员违章情况进行分析，机械视觉方法对带式输送机堆煤情况进行监测。通过对监测结果进行分析，当发现危险时及时发出预警信息，提醒现场作业人员注意。具体现场构建的安全监测及预警系统结构见图1 所示。

图1 安全监测及预警系统结构

具体系统包括有信息传输网络、现场图像采集装置、报警装置、数据处理及存储服务器、显示屏幕等。

2.2 安全监测及预警子系统构成

2.2.1 超循环、空顶作业监测及预警

采用测距法对超循环、空顶作业监测及预警，超循环作业监测及预警主要方式是测量采煤机掘进距离来实现；空顶作业监测及预警主要通过人员定位以及分区支护、未支护区域实现。具体超循环、空顶作业监测及预警系统结构组成见下页图2 所示。

图2 超循环、空顶作业监测及预警子系统结构

具体结合人员定位系统实时掌握作业人员在工作地点位置，并通过摄像机等对顶板支护区域、未支护区域位置进行圈定。当发现作业人员进入到未支护区域时系统即会发出预警信息，提醒作业人员违章。在工作面现场均使用摄像机实时跟踪掘进机以及现场作业人员位置，并通过无线传输方式将监测结果传输给综合分站，分站使用已有的工业以太网将信息传输至避免，实现数据的实时分析以及显示。通过监测数据实时分析超循环以及空顶作业情况进行监测，当发现问题时及时发出预警信息。

2.2.2 带式输送机堆煤监测及预警

系统主要结构包括有摄像机、服务器、报警装置等，具体结构框架与超循环、空顶作业监测及预警系统类似。在带式输送机容易出现堆煤位置，安装摄像机用以实时采集输送带上煤流图像，采用机器视觉分析技术对输送带煤流图像进行分析，并通过图形对比实现堆煤事故判定。当发现带式输送机出现堆煤问题时，系统会自动发出声光报警信息，以便作业人员及时前去处理，同时记录堆煤点位置以及时间，以便对故障后续分析。

2.2.3 人员违章监测及预警

通过位移传感器以及摄像机等对井下作业点危险性进行识别以及人员实时定位，地面服务器通过分析作业现场图像以及人员定位信息，对井下作业人员是否违章进行判定。当发现有违章作业时即发出预警信息，并记录违章地点、人员编号以及违章类型。

3 现场应用分析

在矿井智能工作面安装安全监测及预警系统，监测信号通过无线传输方式发送至监测分站，后经过工业以太网将信息传输给地面监测主机。具体在空顶、带式输送机等位置均布置摄像机、广播设备等。具体安全监测及预警应用后人员违章报警次数统计结果见图3 所示。

图3 人员违章报警次数统计结果

从图3 中看出，在安全监测及预警应用前期，受到现场管理水平以及作业环境复杂等因素影响，工作面现场作业人员违章报警较为频繁，具体违章报警次数平均达到93 次。随着安全监测及预警应用时间增加，工作面内人员违章次数呈现快速降低趋势。通过安全监测及预警系统应用，可在一定程度上提高现场作业人员安全保障能力。

4 结语

智能工作面应用推广可在一定程度上提升矿井生产煤炭产能以及安全保障能力。本文研究的一种安全监测及预警系统，集成机器视觉监测以及人员定位技术，通过智能分析可对智能工作面安全风险以及人员违章等情况进行监测及预警。现场应用后，作业点工作人员违章数量得以快速降低，同时超循环作业以及空顶作业等显现基本得以杜绝，取得较好的应用成果。