煤矿智能化安全保障体系及关键技术探讨

文/刘峰

在当前的智能化时代，煤矿企业借助智能化技术手段进行生产方式转型，所建设的智能化安全保障体系发挥出重要作用，可以提高煤矿生产作业的安全性。在煤矿智能化安全保障体系中，包括感知层面、风险层面、设备层面及管理层面，其中包括较多的技术或理念能够因此建构出科学的煤矿智能化安全保障体系架构。在煤矿智能化安全保障体系的建设及应用中，需要应用到关键技术手段，同时要以煤矿大数据共享平台为载体，可以重点应用四种关键技术，即煤矿风险评估与预警技术、透明地质保障技术、矿井全维信息可视化建模技术、井下智能巡检机器人技术。

煤矿生产作业具有风险性，对危险源未进行有效的感知、预警及管理，很容易造成安全事故，于煤矿企业而言十分不利。基于此，煤矿企业一直以来高度重视煤矿生产的安全保障，并借助智能化技术手段积极构建煤矿智能化安全保障体系，可因此提高煤矿生产作业的安全水平。国家发改委等八部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，对煤矿企业的安全高效生产造成深远影响，也因此让煤矿智能化发展成为必然趋势，越来越多的煤矿企业广泛应用智能化技术手段，强调对煤矿生产作业进行有效的感知、分析、互联、预测、决策、控制，切实保障好煤矿生产作业的安全。目前来看，煤矿智能化安全保障体系已经较为成熟，成功应用多种关键技术手段，且已经成为煤矿智能化建设的重要部分，未来可以发挥出更为重要的作用。正是因为如此，应充分明确煤矿智能化安全保障体系及关键技术，笔者对此作如下的分析论述。

煤矿智能化安全保障体系的内涵及本质

煤矿智能化安全保障，是指依托于煤矿智能化建设，获取到煤矿生产信息、煤矿井下水文地质条件、设备运维状态等信息，然后借助大数据技术进行分析、建模、分析及评估，从而全面知晓智能化条件下煤矿生产作业的安全水平，采取针对性措施保障煤矿正常生产。在煤矿智能化安全保障体系中，因为有智能化技术手段的支持，所以能够实时进行煤矿安全生产状态的评估及设备运维自检，在确定出煤矿生产作业中的风险因素之后，可进行实时的风险评估、智能决策、智慧化的灾害处置，如此便可以保障煤矿正常生产和提高煤矿生产管理科学水平。在当前所应用的煤矿智能化安全保障体系中，核心之处是借助智能化技术手段进行精准的感知、预测、分析、评估及处理，涉及“全维感知体系”“风险识别与预警体系”“智能化装备体系”，可以保障煤矿生产作业的安全。

煤矿智能化安全保障体系具有很强的现实意义，其本质是利用智能化技术手段最大程度减少人为操作环节，可以由智能化技术手段进行煤矿生产作业，主要是设备操作、安全管理、人员设备路径跟踪、风险的早期预警、调度、通风。如此一来，煤矿生产作业可以由之前的劳动密集型向着技术密集型与人才密集型而转变，将与人相关的风险因素有效消除，煤矿生产作业的安全性可以更加可控。目前来看，在煤矿智能化安全保障体系中，主要是以煤矿大数据平台为载体，所采集的煤矿生产信息可以被实时传输至数据库，在此基础上可以借助大数据技术进行分析和论证，充分明确煤矿生产作业的安全状态信息，可以对煤矿安全隐患进行针对性、科学性、标准性的处理。除此之外，当前所应用的煤矿智能化安全保障体系已经较为成熟，显著优势之一是可以集成多种动态信息，主要是矿井生产中的通风信息、地质赋存信息、组织调度信息、生产状态信息、运输信息、设备联动信息、人员工作状态信息。

煤矿智能化安全保障体系的架构

煤矿智能化安全保障体系是以煤矿大数据平台为载体，可以进行煤矿生产作业信息的采集与分析，且可以进行实时风险评估与安全决策，所建设的煤矿大数据仓库和云信息平台发挥着十分重要的作用。基于煤矿大数据平台，煤矿智能化安全保障体系的架构中包括四个层面，即感知层面、风险层面、设备层面、管理层面，各个层面有不同的技术内涵。

在感知层面，强调对煤矿生产作业全维信息的感知与建模，主要是建设和应用煤矿全维感知体系，这是煤矿智能化安全保障的前提。在煤矿生产作业的全维感知中，主要是利用惯性导航技术、光纤传感技术、三维激光扫描技术、CT 反演技术，可以对人员设备路径跟踪、煤矿水文地质、矿井灾害风险、力学场云信息等进行全维度、全方面、全体系的感知，早期发现煤矿生产作业中的风险因素。

在风险层面，主要是进行煤矿生产作业的风险识别与预警，动态化感知各种信息与主要灾害，主要是煤矿生产作业中的粉尘、瓦斯、水、火、顶板。在智能化算法、大数据聚类分析等技术手段的支持下，同时基于煤矿常见灾害发生机理，可以有效识别与评估煤矿生产作业中的危险源，在此基础上可以对存在的灾害风险进行智能预警。通过精准、全方位的煤矿风险识别与预警，可以对不安全因素进行早期防范，最大程度降低煤矿生产中安全事件的发生风险。

在设备层面，所应用的智能化装备体系具有两大能力，一是自检能力，二是自修能力。详细言之，在煤矿生产作业中，各种设备发挥出重要作用，是煤矿安全生产的最基本要素，更是煤矿智能化的载体之一。在煤矿智能化安全保障体系中，设备的安全保障分为两部分，即设备状态安全、设备运维安全，前者是针对设备故障，后者是针对设备事故，均强调矿井机电设备处于安全工作状态。对全矿井系统装备建立实时信息档案，借助智能化装备体系及智能化技术手段可以进行自检，确定出故障位置、故障模块、故障原因，在此基础上可以借助内置或外接的检修机器人，如此可以实现全矿井系统装备的自检自修。

在管理层面，煤矿企业可以树立及增强技术密集型的煤矿安全管理理念，且强调借助煤矿智能化安全保障体系进行全过程、全方位的安全管理，不再过度依赖于人为性的管理模式。目前来看，越来越多的煤矿企业应用煤矿开采模式智能化技术手段，且应用人工智能技术、大数据技术，依据煤矿生产安全管理规律，可以进行煤矿生产作业的自主评估、智能决策、科学管理，使矿山全维环境处于安全状态。除此之外，煤矿企业强调应用煤矿风险分级管控理念，形成矿山安全管理闭环，实现管理干预智能化的效果，矿山的安全管理工作可以分区域、分阶段、分层次进行。

煤矿智能化安全保障体系的关键技术

煤矿风险评估与预警技术

在煤矿智能化安全保障体系中，要注重应用煤矿风险评估与预警技术，确保能够早期发现风险因素，采取科学可行的防范措施。实际应用煤矿风险评估与预警技术的过程中，一大制约因素是危险源的评价模型及算法，且当前没有完全明确采动空间突水机制理论、煤与瓦斯突出机理、冲击地压发生机理，导致无法构建真正意义上的煤矿重大安全风险评估模型。

对于此，当前的思路是应用大数据技术的模糊评判方法、聚类分析技术，有较多煤矿企业成功开发面向数据流的可能性模糊聚类算法，且结合极速学习机、去噪编码器，在此基础上可以构建出煤矿风险评估与预警模型。风险综合预警判断函数是一大重点，涉及较多的专业知识，需要加大研究力度，同时要确定出煤矿生产的风险预警指标，可以有“正常”“轻警”“中警”“重警”这些预警的警度。关联规则挖掘发挥出重要作用，能够实时挖掘煤矿生产中的风险信息，确定出煤矿风险相关的强关联规则，在此基础上可以构建出准确的煤矿风险评估与预警模型，能够发挥出两方面的作用。一方面，对影响到煤矿安全生产的传感数据进行综合分析，主要是煤尘、矿压、瓦斯浓度、火灾、水害，主要是外源传感信息。另一方面，在关联规则挖掘技术的支持下，可以记录与集合煤矿安全风险预警的影响因素，后续可进行针对性的预警与防控。

透明地质保障技术

煤矿智能化安全保障的过程中，透明地质保障技术是一项基础性技术，基于地球物理、传感器、煤矿物联网等矿山全维信息感知技术。在应用透明地质保障技术时，可以集成各种时空关联数据，主要是瓦斯地质特征、矿井全岩层、水文地质特征、力学特征，在此基础上可以应用大数据技术、智能化算法进行建模，且建模过程中可以突破矿井的隐性特征、显性特征的力学状态与时空状态。

目前来看，所应用的透明地质保障技术已经较为成熟，可以在矿井开采作业中全过程应用，在采前，可超前预知地质异常区域，在采中，可实时感知扰动情况，在采后，可评估岩体运移滞后情况。通过进行采前、采中和采后的预知与评估，能够确保煤矿智能化开采作业的安全。除此之外，在应用透明地质保障技术的过程中，需要根据矿井生产情况构建三维空间栅格模型，煤岩层的诸多信息要进行坐标化匹配，主要是弹性模量、抗压强度、黏聚力、泊松比、内摩擦角，同时对一些本征属性进行坐标化匹配，以挥发分、发热量、自燃发火性、水分。后续要进一步加大研究力度，提高应用透明地质保障技术的水平，有效应用在矿井开采作业的采前、采中及采后，最大程度从地质层面保障好煤矿开采作业的安全。

矿井全维信息可视化建模技术

当前的煤矿智能化安全保障体系中，强调对矿井生产作业实施全维信息可视化建模，这一过程中会将矿井中的力学要素与物理要素全部数字化处理，然后用计算机技术进行可视化显示及表达。在煤矿综合操作过程中，非常需要矿井全维信息可视化建模及其技术的支持，主要是“矿山生产系统建模”“巷道建模”“水文地质建模”“矿井全维信息可视化展示”。在应用矿井全维信息可视化建模技术时，是以GIS 三维建模、激光点云建模技术为重要基础，将煤矿生产过程中的多种信息有效融合，主要是矿井设备状态信息、灾害指标性信息、矿井生产系统信息、水文地质信息、采动空间力学状态信息、人员作业路径信息。

当前所应用的3Dmax 建模技术、H5 建模技术均较为成熟，可进行矿井三维建模，所构建的三维煤矿场景支持多种需求，比如可以进行穿透式查询与聚合，矿区各维度、各属性、各区域的信息可以直观且实时呈现出来。目前来看，在煤矿智能化安全保障体系中通过应用矿井全维信息可视化建模技术，已经能够让矿井要素处于可视化展示与操作的状态，且能够让煤矿企业的各业务系统得到有机集成，所形成的矿井全维信息可视化模型、矿井数据管理中心都可以发挥出重要作用，利于煤矿企业动态化进行矿井生产作业的风险评估、风险预警、管理干预。

井下智能巡检机器人技术

在大数据技术、物联网技术及5G 技术的支持下，煤矿生产作业会慢慢进入到井下无人作业阶段，实现良好的煤矿智能化生产。为确保煤矿智能化生产的安全与有效，且达到智慧安全管理的理想效果，当前有较多的煤矿企业开始应用井下智能巡检机器人技术，已经将其作为煤矿智慧安全管理的重要抓手，取得良好成效。所应用的井下智能巡检机器人技术，是以机器人为数据终端，机器人和大数据后台之间处于实时互通的状态，主要是依托高速无线数据传输技术。

对于煤矿生产作业中的不同安全风险，可以开发针对性的便携式传感器，由巡检机器人按照要求进行巡检，要求达到多区域、多批次、多维度的效果，最后有效感知煤矿全维风险信息。除此之外，当前成熟的井下智能巡检机器人搭载较多技术，主要是惯性导航技术、地球物理探测技术、人工智能技术、图像识别技术、多元定位技术，正是因为有这些技术的支撑，所以井下智能巡检机器人可以自主规划与识别路线，自动感知到井下风险源，不再需要人为巡检，对提高煤矿智能化安全保障水平有十分大的裨益。

要充分肯定当前煤矿智能化安全保障体系所发挥出的重要作用，并应该持续性完善和优化煤矿智能化安全保障体系，使其在煤矿安全管理中发挥出越来越重要的作用。后续要进一步加大研究力度，对煤矿智能化安全保障体系中的感知层面、风险层面、设备层面、管理层面进行优化，且要注重关键技术手段的应用，切实发挥出技术优势，助力煤矿开采事业的健康发展和提高安全管理水平。