煤矿救灾机器人灾变环境侦测技术探讨.pdf

工矿自动化 In dust r y a n d Min eAut oma t ion 第45卷第10期 2019年10月 Vol 45 No10 Oct 82019 文章编号文章编号671-251X201910-0029-04DOI10. 13272/j. issn . 1671251x. 17477 煤矿救灾机器人灾变环境侦测技术探讨 郑学召1,闫兴1,崔嘉明3,郭军1 1.西安科技大学安全科学与工程学院％陕西 西安710054； 2.国家矿山救援西安研究中心％陕西西安710054； 3.中煤华晋集团有限公司王家岭煤矿山西运城043000 扫码移动阅读 摘要摘要在分析传统的煤矿救灾机器人突水水源、火灾及瓦斯浓度侦测技术原理和特点的基础上，提出了 基于无线自组网的煤矿救灾机器人突水水源侦测方法、基于大数据的煤矿救灾机器人火灾侦测方法、基于多 源信息融合的煤矿救灾机器人瓦斯浓度侦测方法，可有效提高煤矿救灾机器人突水水源、火灾及瓦斯浓度侦 测的准确率指出了煤矿救灾机器人灾变环境侦测技术将深度融合云计算、人工智能、物联网等现代信息技 术，从而全面提升煤矿救灾机器人灾变环境侦测结果的可靠性 关键词关键词矿山应急救援；煤矿事故；救灾机器人；灾变环境侦测；突水；火灾；瓦斯浓度 中图分类号TD745/752/712 文献标志码A Discussion on disa st er en v ir on men t det ect ion t echn ol og y of coa l min er escuer obot ZHENG Xuezha o12 , YAN Xin g12 , CUI Jia min g3 , GUO Jun12 1. Col l eg e of Sa f et y Scien ce a n d En g in eer in g , Xia n Un iv er sit y of Scien ce a n d Techn ol og y , Xia n 710054, Chin a; 2. Xia n Resea r ch Cen t er of Na t ion a l Min e Rescue, Xia n 710054, Chin a; 3. Wa n g jia l in g Coa l Min e, Chin a Coa l Hua jin Gr oup Co. , Lt d. , Yun chen g 043000, Chin a AbstractBa sedon a n a l y sisof pr in cipl ea n dcha r a ct er ist icsof t r a dit ion a l wa t er in r ushsour ceQf ir ea n d g a scon cen t r a t ion det ect ion t echn ol og iesof coa l min er escuer obot Qwa t er in r ushsour cedet ect ion met hodof coa l min er escuer obot ba sedon wir el essa d-hocn et wor k Qf ir edet ect ion met hodof coa l min er escuer obot ba sedon big da t a a n dg a scon cen t r a t ion det ect ion met hodof coa l min er escuer obot ba sedon mul t i-sour ce in f or ma t ion f usion wer epr oposedQwhichcoul defect iv el y impr ov ea ccur a cy of wa t er in r ushwa t er Qf ir ea n d g a scon cen t r a t ion det ect ion of coa l min e r escue r obot . It wa s poin t ed out t ha t disa st er en v ir on men t det ect ion t echn ol og y of coa l min er escuer obot woul d deepl y in t eg r a t e moder n in f or ma t ion t echn ol og ies sucha scl oudcomput in g Qa r t if icia l in t elig en cea n dIn t er n et of t hin g sQsoa st ocompr ehen siv el y impr ov e r el ia bil it y of disa st er en v ir on men t det ect ion r esul t sof coa l min er escuer obot . Keywordsmin eemer g en cy r escue;coa l min ea cciden t ;r escuer obot ;disa st er en v ir on men t det ect ion ; wa t er in r ush;f ir e;g a scon cen t r a t ion 0引言引言 足轻重的作用。在煤矿突水、火灾、瓦斯灾害等重大 事故发生后，迅速控制事故的发展并尽可能获取井 矿山应急救援在我国矿山安全工作中发挥着举 下事故现场的灾变信息，从而用最短的时间救援井 收稿日期收稿日期2019-07-15；修回日期修回日期2019-09-12；责任编辑责任编辑盛男。 基金项目基金项目国家重点研发计划重点专项项目018YFC0808201陕西省自然科学基础研究计划项目“018JM5009,2018JQ5080。 作者简介作者简介郑学召1977 ，男，新疆焉耆人，副教授，博士 主要研究方向为矿山安全与应急救援，E-ma ilzhen g xuezha oxust . edu. cn。 引用格式引用格式郑学召，闫兴，崔，崔嘉明，等，等.煤矿救灾机器人灾人灾变环境侦测技术探讨工矿自动化2019,45102932. ZHENG Xuezha o YAN Xin g, CUI Jia min g, et a l . Discussion on disa st er en v ir on men t det ect ion t echn ol og y of coa l min e r escue r obot 2019451029-32. 30 工矿自动化45 下遇险人员是应急救援的重中之重。因存在二次灾 害发生的可能，以及受高温、烟气、有害气体等因素 影响，救援人员难以准确判定能否进入灾害现场执 行营救任务，可能延误救援时机［12］ „为保障救援人 员安全，避免投入大量人力、物力到井下实施救援任 务，当井下发生事故时，利用煤矿救灾机器人先行进 入事故现场，对井下灾变环境进行侦测，可为救援人 员安全开展救援工作提供保障3。笔者阐述了煤矿 救灾机器人突水水源、火灾及瓦斯浓度侦测技术的 原理和特点，指出其发展趋势，以期为煤矿救灾机器 人灾变环境侦测技术的研究工作提供参考。 1煤矿救灾机器人突水水源侦测技术煤矿救灾机器人突水水源侦测技术 1. 1 传统突水水源侦测技术 1 水温水位监测法。受地下水的赋存条件和 循环环境的影响，地下水的水温呈现变化性和不均 一性［45］。基于该特性，水温监测法利用煤矿救灾机 器人搭载的水温传感器实时采集具有突水隐患的含 水层的水温和突水点的水温，然后进行温度对比，从 而对矿井突水水源进行预测6。水温监测法操作简 单，但当矿井水灾水源温度和正常矿井水温度差异 较小时，水温监测法精度明显降低。相互联系的含 水层的水位会随其中一个含水层水位的变化而变 ， ， 位 利 煤矿救 机器人 载 位传感器对含水层水位变化进行监测，可判断矿井 突水水源。但在传感器布置前需探明老空水位置 等，限制了水位监测法的应用。 2 水化学分析法。水化学分析法主要有常规 水化学法、微量元素法、同位素法等7。常规水化学 法通过对煤矿各含水层的8种代表离子Na ,K， Ca2 ,Mg，SO4Z，Cl-，HCO厂,CO3Z的含量、 矿化度、电导率、碱度、硬度、pH值等水质综合指标 进行分析,确定突水水质和含水层水质的类型，通过 类比判断矿井突水水源。常规水化学法在矿井突水 判别中应用较广泛，但仅适用于含水层水质特征差 异较大的单一水源。微量元素法、同位素法是分别 基于水中微量元素、同位素特征进行突水水源判别 的方法。微量元素法具有较高的可信度，但需要在 特征组分易检且稳定的条件下使用。同位素法判别 速度快且准确，但成本较高。 3 数理分析法。数理分析法包含非线性分析 法和多元统计法8。非线性分析法在矿井突水水源 判别领域的具体应用方法有模糊数学法、神经网络 法、GISGeog r a phic In f or ma t ion Sy st em，地理信息 系统理论法等。模糊数学法可进行多因素分析，但 主观程度较高；神经网络法判别结果客观、准确率 高,但需针对具体矿井进行分析 GIS理论法可将判 别结果进行可视化呈现，实用性强，但难以避免模糊 性。多元统计法分为判别分析法和聚类分析法。判 别分析法是在若干类已知对象中确定新对象归属类 的统计分析方法,该方法操作简单且经济实用，但准 确度受样本限制；聚类分析法是根据样品数据的相 似性将样品划分成不同类别的方法，该方法易于操 作，但需要选出影响大的类。 1. 2 基于无线自组网的煤矿救灾机器人突水水源 侦 利 煤矿救 机器人 载 器， 过巡检排查的方式对突水水源进行侦测效率较低。 ， 于 网 煤矿救 机器人 水水源侦测方法。重点在断层区域和陷落柱区域提 前布置多种类型传感器，在传感器附近预设可唤醒 的无线传感节点此时节点处于休眠状态，构建无 线传感器网络。需要对突水水源侦测时，派遣煤矿 救灾机器人抵达预设的无线传感节点附近，通过煤 矿救灾机器人发射低频信号唤醒节点，在不需要煤 矿救灾机器人大面积移动的情况下快速获取数据, 对数据进行分析处理后判断矿井突水水源。该方法 可有效提高突水水源侦测的效率和可靠性。 2煤矿救灾机器人火灾侦测技术煤矿救灾机器人火灾侦测技术 2. 1 传统火灾侦测技术 1 感温式监测法。感温式监测法通过煤矿救 机器人 载 器 煤矿 火 生成 的热气流，即监测火灾的某一点或沿某一条线范围 的温升速率和温度，从而达到监测火灾的目的［911］。 该方 准 ， 具 强 ， 但 点 多，对煤自燃火灾的侦测具有一定局限性。 2 感烟式监测法。当井下发生火灾时，燃烧 产生的悬浮在巷道内的液体粒子气溶胶及固体混合 后会形成大量烟雾［12］。因此通过煤矿救灾机器人 搭载的烟雾传感器可对井下火灾进行监测。光电式 烟雾传感器适用于机电设备及阴燃火灾监测，但监 测可靠性易受煤矿井下浮游粉尘的影响。离子式烟 雾 器 明火火 和阴 火 产生 烧生成物,抗粉尘能力强，适用于较复杂环境的煤矿 井下火灾监测，但不能有效监测燃烧早期产生的颗 2019年第10期郑学召等煤矿救灾机器人灾变环境侦测技术探讨-31 - 粒状黑烟，灵敏度易受井下环境影响，误报率较高。 3电磁辐射能监测法。当煤矿井下发生燃烧 或爆炸时，会有大量能量以电磁辐射的形式产生。 基于此可通过煤矿救灾机器人搭载的红外线辐射测 温仪和光敏火灾检测器进行矿井火灾侦测。红外辐 射测温仪基于物体表面绝对温度与红外辐射能量之 间的关系特性，对物体表面辐射的能量通过非接触 式测量以实现物体温度检测，可监测井下各种电器 设备及电缆的发热情况［13］。光敏火灾检测器是基 于物质燃烧时会有可燃性气体产生选择性辐射的性 质来实现火源判定，适用于对煤矿井下煤尘-甲烷- 空气混合气体的燃烧或爆炸进行侦测。电磁辐射能 监测法对火灾侦测的贡献重大，但其可靠性和灵敏 度仍需提高。 2. 2 基于大数据的煤矿救灾机器人火灾侦测方法 矿井火灾发生前，常伴有一些前兆现象,如巷道 内有烟气且带有烧焦糊味、O2含量逐渐降低、空气 的温度及湿度增高、GH与GH2浓度发生变化 等。因此，提出了基于大数据的煤矿救灾机器人火 灾侦测方法。利用煤矿救灾机器人搭载多种类和多 数量的传感器，监测煤矿井下温度、湿度、气体浓度、 气味、风速等与火灾相关的灾变信息，采用大数据技 术对这些信息进行快速分析处理，从而对煤矿井下 火灾进行侦测。该方法可弥补单一参数火灾侦测技 术的不足,有效提高火灾侦测的准确率。 3煤矿救灾机器人瓦斯浓度侦测技术煤矿救灾机器人瓦斯浓度侦测技术 3. 1 传统瓦斯浓度侦测技术 1 热导型监测法。通过煤矿救灾机器人搭载 的热导型传感器，利用空气热导率与各种气体热导 率之间的差异，结合气体浓度和热导率之间的关系 来检测瓦斯浓度［1415］ „当被测气体浓度高时，其热 导率与空气热导率相差较大，测量结果精度高。当 被测气体浓度较低时，其热导率与空气热导率相近， 则传感器输出信号较弱，灵敏度和分辨率较小。因 此，热导型监测法不适用于低浓度瓦斯的监测。 2 载体热催化监测法。在催化剂的作用下， 可燃气体在元件表面发生氧化反应，释放的热量导 致元件上钳丝的阻值发生变化，而钳丝的阻值在 0〜630.74 S范围内与可燃气体浓度呈正比,16-。 于 ， 过煤矿救 机器人 载 载 热催 传感器对瓦斯浓度进行监测。载体热催化监测法简 单、易于实现，但侦测精度易受硫、铅、磷、氯等化合 物的影响。 3 电化学监测法。各种物质在电解池中的氧 化还原反应均在一定的电位下进行。某物质的标准 电极电位是在规定浓度、温度下物质的电极电位，当 高于该标准电极电位时,产生氧化反应，反之则产生 还原反应,17。基于此，可通过煤矿救灾机器人搭载 的电化学传感器对瓦斯浓度进行监测。电化学监测 法具有响应快、实用性强的优点，但测试结果的稳定 性较差。 4 红外监测法。除了 O2 ,N2,H2及惰性气体 外，大多数气体能够吸收一定波长范围的红外光。 当红外光透过被测气体时，某一波长范围内的光强 度因气体吸收而减弱，被测气体浓度和光强度减少 量呈正比，根据气体光强度变化即可获得被测气体 浓度,18。基于此，可通过煤矿救灾机器人搭载的红 外传感器对瓦斯浓度进行监测。红外监测法选择性 强，稳定性好，不受背景气体影响，但只适用于实验 室环境。 3. 2 基于多源信息融合的煤矿救灾机器人瓦斯浓 侦 为提高煤矿救灾机器人瓦斯浓度侦测结果的准 确性，提出了基于多源信息融合的煤矿救灾机器人 瓦斯浓度侦测方法。通过煤矿救灾机器人平台搭载 热导型传感器、载体热催化传感器、电化学传感器、 红外传感器，实现多源信息采集，在传感器采集的数 据中筛选出前后变化最大的数据，并对这些数据进 行融合计算，从而得到精准的瓦斯浓度监测结果。 该方 弥 单一 器 度侦 技 不 足，降低瓦斯浓度监测的误报率。 4结语结语 煤矿救 机器人 、火 及 度 侦测技术原理和特点进行了分析，提出了基于无线 自组网的煤矿救灾机器人突水水源侦测方法、基于 大 煤矿救 机器人火 侦 方 、 于 信息融 煤矿救 机器人 度侦 方 ， 能 煤矿救 机器人 、火 及 度侦测的准确率。今后，煤矿救灾机器人灾变环境 侦测技术将深度融合以云计算、人工智能、物联网为 代表的现代信息技术，全面提升煤矿救灾机器人灾 变环境侦测结果的可靠性。 参考文献References ［1-孙继平，钱晓红煤矿事故与应急救援技术装备［J-- -32 - 工矿自动化 45 工矿自动化，2016,42101-5. 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