煤矿智能化安全保障体系及关键技术.pdf

第 45 卷第 6 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 6 2020 年6 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJun. 2020 移动阅读 李爽,薛广哲,方新秋,等. 煤矿智能化安全保障体系及关键技术[J]. 煤炭学报,2020,4562320-2330. doi 10. 13225/ j. cnki. jccs. ZN20. 0356 LI Shuang,XUE Guangzhe,FANG Xinqiu,et al. Coal mine intelligent safety system and key technologies[J]. Journal of China Coal Society,2020,4562320-2330. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. ZN20. 0356 煤矿智能化安全保障体系及关键技术 李 爽1,2,薛广哲1,2,方新秋3,杨奇峰1,2,贺 超1,2,韩世锋1,2,康钰晴1,2 1. 中国矿业大学 管理学院,江苏 徐州 221116; 2. 中国矿业大学 安全科学与应急管理研究中心,江苏 徐州 221116; 3. 中国矿业大学 矿业工 程学院,江苏 徐州 221116 摘 要煤矿智能化是新时代煤炭行业发展的必经之路,是支撑我国未来煤炭行业生产方式转型的 核心技术支撑。 鉴于煤炭生产的风险客观存在性,智能化条件下的煤矿安全保障体系应适应于煤 矿的智能化水平。 系统论述了煤矿智能化安全保障体系的定义、内涵及技术特点,指出了其核心在 于精准的地测感知、全面的数据平台、实时的风险评估和智慧的灾害处置,形成数字式、一站式、智 能式的煤矿风险辨识、预警、处理闭环。 介绍了煤矿智能化安全保障体系在感知层面、风险层面、设 备层面和管理层面的架构,提出了包涵煤矿精准的全维感知、精确的煤矿风险识别预警、技术密集 型的煤矿安全管理理念和智慧化的自检自修设备系统 4 项技术内涵。 首先,在实现技术层面,阐述 了需重点解决的以透明地质保障技术为基础,以煤矿大数据共享平台为载体,以煤矿重大风险评估 预警技术为核心的关键技术体系,并初步给出了解决路径。 然后,论述了系统软件平台的系统架构 和核心技术,其要旨是实现系统数据“集成化”、要素展现“可视化”、风险评估“智能化”、操作软件 “平台化”。 最后,开发了面向煤矿智能化安全保障的煤矿智慧安全管控平台系统,实现了煤矿综 合可视化操作平台、煤矿大数据分析平台、煤矿安全风险智能评估、多系统联动控制和移动可持式 终端展示功能,为建设完整的煤矿智能化安全保障体系探索了一条可行的技术路径。 关键词煤矿智能化;智能化安全保障;技术内涵;关键技术;软件系统 中图分类号TD67;TD76 文献标志码A 文章编号0253-9993202006-2320-11 收稿日期2020-04-03 修回日期2020-05-21 责任编辑常明然 基金项目国家自然科学基金面上资助项目71972176,71573256;国家重点研发计划资助项目2017YFC0804408 作者简介李 爽1980,女,北京人,教授,博士生导师。 E-maillishuangchina cumt． edu． cn 通讯作者薛广哲1989,男,山东临清人,博士后。 E-maillcxue cumt． edu． cn Coal mine intelligent safety system and key technologies LI Shuang1,2,XUE Guangzhe1,2,FANG Xinqiu3,YANG Qifeng1,2,HE Chao1,2,HAN Shifeng1,2,KANG Yuqing1,2 1. School of Management,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 2. Research Center for Safety Science and Emergency Man- agement,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 3. School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China AbstractIntelligent coal mine is the only way for the development of coal industry in the new era,which is the core technical support for the transation of production mode of coal industry in the future. In view of the existence of coal production risk,the coal mine safety guarantee system under the intelligent condition should adapt to the intelli- gent level of coal mine. This paper systematically discusses the definition,connota-tion and technical characteristics of the intelligent safety system of coal mine,and points out that the intelligent safety system of coal mine’s core lies in accurate geological sensing,comprehensive data plat,real-time risk assessment and intelligent disaster disposal, ing a digital,one-stop and intelligent closed-loop of coal mine risk identification,early warning and processing. 第 6 期李 爽等煤矿智能化安全保障体系及关键技术 This paper introduces the structure of intelligent safety system of coal mine at the perception level,risk level,equip- ment level and management level,and puts forward four technical connotationsthe accurate full dimension perception of coal mine,the accurate risk identification and early warning of coal mine,technology intensive coal mine safety man- agement concept and intelligent equipment system with function of self-inspection and self-repair. First of all,at the technical level,the key technical system based on the transparent geological support technology,with the coal mine big data sharing plat as the carrier,and with the coal mine major risk assessment and early warning technology as the core,which needs to be solved,is described,and the solution path is preliminarily given. Then,it discusses the system architecture and core technology of the system software plat. Its main purpose is to realize the ‘integration’ of sys- tem data,the ‘visualization’ of element display,the ‘intelligence’ of risk assessment and the ‘plat’ of operation software. Finally,the intelligent safety management and control plat system for intelligent safety of coal mine is de- veloped,which realizes the comprehensive visual operation plat of coal mine,big data analysis plat of coal mine,intelligent risk assessment of coal mine,multi-system coordinated control and mobile terminal display function, and explores a feasible technical path for building a complete intelligent safety system of coal mine. Key wordscoal mine intellectualization;intelligent safety security system;technical connotation;key tech-nologies; software systems 我国资源能源格局决定了在相当长的时期内,煤 炭作为主体能源的地位难以动摇[1-2]。 利用科技进 步,逐步消除煤炭生产与消费过程中带来的安全和环 境负效应是保障我国能源安全与国民经济可持续发 展的根本手段。 在煤矿安全高效生产方面,煤矿智能 化是新时代煤炭行业发展的必经之路,是支撑我国未 来煤炭行业生产方式转型的核心技术支撑[3-5]。 近 年来,随着我国科研能力的提升,煤炭开采装备、技术 等也得到了长足发展,展现出新理论、新方法、新技术 竞相迸发的新格局[3,6-13],煤矿智能化水平已处于初 级阶段[14]。 煤矿智能化的科学内涵是煤矿主体系统 的智能化[15],即集成涵盖矿山感知、互联、分析、自学 习、预测、决策、控制等核心内容的多产业链智能化系 统,实现煤矿生产、安全保障、生态保护、生产管理等 全过程的智能化运行[1]。 2020 年 3 月,国家发改委 等八部委联合印发了关于加快煤矿智能化发展的 指导意见,提出到2035 年各类煤矿基本实现智能化 的总目标,首次明确了重点突破包括“重大危险源智 能感知与预警”在内的九大核心技术与装备。 当前 国内诸多学者已经对煤矿智能化的定义[16-17]、总体 技术架构[18-19]、 分类分级指标[20]与主体技术层 面[3,12,21-23]做了大量研究,但对煤矿智能化条件下的 安全保障问题研究较少。 而煤炭工业区别于其他产 业的重要特征就是安全风险的客观存在性,安全始终 处于煤炭生产的首位[1]。 随着可视化、物联网、大数 据和 5G 等新技术与煤炭生产理念、工艺的有效融 合,煤矿企业的生产方式已发生了显著改变。 一方 面,大量自动化、智能化装备的研发及应用,改变了煤 炭的直接开采方式,初步实现了采煤工作面的自动割 煤[22]、智能化匹配三机运动路径[12,24]等单装备体系 的智能化,在高效生产的同时也显著提高了作业安全 性;另一方面,现代信息技术的应用,也改变了煤炭生 产环节的安全保障模式,由单一系统、单一专业的人 治式粗放型保障模式逐步过渡为全系统、全专业的智 能化精准保障[25]。 所以,智能化条件下的煤矿安全 保障理论与体系应适应于煤矿生产的智能化水平,建 设与之相匹配的煤矿安全保障体系是煤矿智能化建 设的重要有机组成部分。 笔者结合国内外学者已有 研究成果和中国矿业大学煤矿智慧安全管控平台的 技术内核,主要探讨了煤矿智能化安全保障体系的内 涵与关键技术。 1 煤矿智能化安全保障体系的内涵 所谓煤矿智能化安全保障体系,就是依托于煤矿 智能化建设和人才培养,在煤矿井下水文地质条件、 设备运维状态、煤矿生产信息感知的基础上,经过大 数据集成、分析、建模和评估,实现智能化条件下的煤 矿安全生产状态评估、安全风险评价、设备运维自检、 系统智能决策、隐患自主排查与灾害发生后的设备自 主联动,达到保障煤矿正常生产、预警重大灾害和科 学管理进程的目的,其核心在于精准的地测感知、全 面的数据平台、实时的风险评估和智慧的灾害处置。 由以上定义可知,煤矿智能化安全保障体系的架 构如图 1 所示,包括 4 个主要层面感知层面,建设煤 矿精准的全维感知体系;风险层面,建设精确的煤矿 风险识别与预警体系;设备层面,开发具有自检自修 能力的智能化装备体系;管理层面,树立技术密集型 的煤矿安全管理理念。 其技术内涵如下 1232 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 1 煤矿智能化安全保障体系架构 Fig． 1 System architecture of intelligent safety security for coal mines 1煤矿精准的全维感知。 实现煤矿智能化安 全保障首要应具备精准的煤矿全维信息感知能力,即 综合应用三维激光扫描、光纤传感、CT 反演、惯性导 航等传感技术手段,实现煤矿水文地质、力学场云信 息、人员设备路径跟踪、矿井灾害信息等全方面、全维 度、全体系感知,为煤矿智能化安全保障提供数据基 础。 2精确的煤矿风险识别与预警。 在实现煤矿 全维感知的基础上,主要针对煤矿水、火、瓦斯、粉尘、 顶板等主要灾害进行感知、建模和评价,结合灾害发 生机理、大数据聚类分析及智能化算法,对煤矿井下 危险源进行实时识别与评估,对可能发生的灾害进行 智能预警,实现煤矿井下重大风险、隐患及人员设备 不安全因素的早期预警。 3技术密集型的煤矿安全管理理念。 摆脱现 有的煤矿安全管理经验束缚,将重心由劳动密集型向 人才技术密集型转变,构建煤矿智慧安全管理理念, 在煤矿开采模式智能化[26]的基础上,基于安全科学 理论,依循安全管理规律,实现矿山全维环境感知、风 险自主评估、系统智能决策与设备自主联动等能力, 形成煤矿感知、生产、调度、通风、管理等环节相融合 的科学管理安全状态。 煤矿智慧安全管理的核心在 于人工智能,基本逻辑是采用大数据等现代信息技术 将煤矿风险分级管控理念引入煤矿安全管理体系之 中[27-30],构建矿山全维生产要素的感知、数据集成、 安全风险评估、智能控制和管理干预闭环,形成以开 采环境数字化、信息感知全面化、风险评估体系化、风 险预警系统化、管理干预智能化等为基本特征的智慧 安全管理体系,这一体系的主要内容与煤矿智能化安 全保障体系在技术层面具有高度的重合性。 4智慧化的自检自修设备系统。 煤矿设备是 煤矿生产最基础的要素支撑,也是煤矿智能化的重要 载体[9],煤矿智能化条件下的安全保障应包括设备 状态安全和设备运维安全 2 个层面,而 2 者分别针对 设备故障和设备事故,其本质是实现矿井机电设备管 理的智慧化。 一方面,集合全矿井系统装备,建立设 备动态实时信息档案,定期主动自检,实现故障自检 验、故障模块自定位、设备维修方案智慧生成,借助于 设备内置或外接的检修机器人,实现常见设备故障自 检自修、特殊故障自检待修;另一方面,针对易引发安 全事故的重点设备,开发集成致灾因素传感模块,开 发设备运维指标实时自检功能,通过煤矿大数据分析 平台,实现井下设备引发安全风险的早期预警与防 控,为煤矿设备层面的安全保障提供支撑。 煤矿智能化安全保障的实质是,由劳动密集型向 人才、技术密集型转变,减少了人为操作环节,人不再 作为设备和生产的必要沟通媒介,使得现代信息技术 条件下煤矿安全治理靶点的指向性和扁平性更加突 出。 煤矿即时信息传输至数据仓库,经煤矿大数据平 台处理返回矿井生产状态信息、安全状态信息、风险 评估预警信息,并且对煤矿安全隐患实施智慧决策, 联动相关设备进入应急动作,其技术层次如图 2 所 示。 煤矿智能化安全保障体系集成了矿井生产状态、 组织调度、地质赋存、通风、运输、风险识别与评估、设 备联动反馈等动态信息,由煤矿全维信息感知、煤矿 大数据共享平台、煤矿综合操作平台等 3 层组成。 煤矿全维信息感知主要指对涵盖煤矿水文地质 条件、采动空间力学环境、灾害指标性信息、矿井设备 及生产信息和人员路径及生理信息等的全维度、全方 面、全系统感知,是进行信息存储、智能决策和系统联 动的基础。 煤矿大数据共享平台主要包括矿井信息的去噪、 清洗与模糊化处理,是煤矿智能化安全保障的功能核 心,主要进行数据分析、实时风险评估与安全决策等, 建立煤矿大数据仓库和云信息平台,是数据根基和资 源保障。 煤矿综合操作平台是将以上的“智慧”结果向煤 矿终端管理人员提供交互接口,“一张图”三维可视 化展示矿井信息、安全状态、重大风险预警,提供系统 联动方案或实施自主动作,是智慧安全管理的输出与 控制层。 由于我国煤矿地质赋存条件复杂多变,不同地 域、赋存条件的煤矿智能化建设的主要内容、技术目 标、发展规划等存在较大的差异。 受制于物联网、大 数据和智能装备等智能化技术的发展水平,煤矿企业 实现智能化的路径呈现出参差不齐的特点。 煤矿智 能化安全保障体系建设应展开宏观视角,立足于煤矿 智能化在相当长的时期内由“少人”最终过渡为“无 人”的进程,分区域、分阶段、分层次逐步推进建设, 2232 第 6 期李 爽等煤矿智能化安全保障体系及关键技术 图 2 煤矿智能化安全保障体系的技术架构 Fig． 2 Technological architecture of safety security for intelligent coal mines 形成不同区域、不同特点、不同路径的典型发展方案, 建设示范矿井,逐步实现煤矿零风险、零事故。 2 煤矿智能化安全保障体系关键技术 从煤矿智能化安全保障体系的技术需求可以看 出,煤矿风险的智能化评估与预警是这一体系的核 心。 围绕煤矿“风险”问题,由煤矿全维信息感知至 设备系统联动,形成数字式、一站式、智能式的煤矿风 险辨识、预警、处理闭环。 煤矿智能化安全保障体系 的建设,仍需要突破以透明地质保障技术为基础,以 煤矿大数据共享平台为载体,以煤矿重大风险评估预 警技术为核心的关键技术体系。 2． 1 透明地质保障技术 透明地质保障技术是煤炭智能化安全保障的基 础,是实现巷道掘进、工作面回采等活动前、中、后地 质预判、扰动感知与风险评估的数据基础[31],其核心 是基于煤矿物联网、传感器、地球物理等矿山全维信 息感知技术,集成矿井全岩层、构造地质的几何及力 学特征、水文地质特征、瓦斯地质特征等时空关联数 据,采用智能化算法、大数据等技术,突破涵盖矿井显 性及隐性特征的时空、力学状态五维建模,实现采前 地质异常区域超前预知、采中扰动实时感知、采后岩 体运移滞后评估的精准化、透明化,从地质层面保障 煤炭智能化开采的顺利进行。 首先基于地质钻孔的棱柱信息群,通过布尔运 算,生成初始的三维几何地质载体,并通过地测、水文 探测、掘巷揭露、采煤工作面感知[6,12,24]等实时信息, 将备采区煤层临近空间内的断层、褶曲、陷落柱等特 殊地质构造问题对几何地质载体进行局部优化;然 后,建立三维空间栅格模型,坐标化匹配煤岩层抗压 强度、弹性模量、泊松比、黏聚力、硬度、内摩擦角、冲 击倾向性等力学特征,发热量、水分、挥发分、自燃发 火性等本征属性,栅格区瓦斯释放速度、瓦斯流量等 瓦斯特征属性和三维空间应力、微震、岩层位移量[21] 等扰动信息,实现采中扰动实时感知和采后矿井信息 的时空数据关联。 3232 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 2． 2 煤矿大数据共享平台 近几年的煤矿自动化、信息化建设,使得煤矿基 本实现了各单系统、单功能的信息采集与存储,但因 信息化标准体系不统一,煤矿数据的通信协议和数据 格式种类繁多,形成了离散化的信息孤岛。 开发统一 的煤矿大数据共享平台,打破数据壁垒,对涵盖煤矿 井下传感信息、设备信息、地质信息、人员信息等进行 通信协议转换和数据格式统一,通过数据提取、清洗 与存储,构建海量煤矿数据统一的大数据共享平台。 向下可链接煤矿全维信息的有效提取与储存,向上可 进行煤矿数据的全域性融合,实现智能化风险评估与 预警、系统智能决策、设备自主联动等,是构建煤矿智 能化安全保障体系的咽喉。 基于 Hadoop 分布式大数据技术,针对煤矿海量 数据存储和及时查询需求,设计了数据源、数据导入、 数据加工、数据存储、分析处理和数据输出接口等 6 个层次的逻辑架构,基于分布式 Hbase 存储数据库, 一方面分布式保存预处理后的终端数据,另一方面, 对关键数据创建 hive 数据模型,以时间和空间作为 储存目录,并以多台高性能服务器为主体,配置井下 边缘数据平台。 采用基于内存的分布式计算引 擎 Spark,进行分布式分析计算,将计算和存储分离, 为多台服务器协同进行数据分析和快速计算提供了 技术保证,形成了集数据收集、智能分析、协同分享功 能于一体的煤矿大数据共享平台,为煤矿智能化安全 保障构建了“数据大脑”。 2． 3 矿井全维信息可视化建模技术 所谓矿井全维信息可视化建模,就是将矿井现实 中的物理、力学要素数字化,采用计算机技术以可视 化的效果表达,是煤矿综合操作平台的呈现载体。 该 技术以激光点云建模技术、GIS 三维建模为基础,如 图 3 所示,融合煤矿水文地质信息、矿井生产系统、采 动空间力学状态、灾害指标性信息、矿井设备状态和 人员路径及生理状态等信息,采 H5 建模技术、3Dmax 建模技术实现矿井三维建模,在此基础上,应用 LOD 技术,建立基于时间和空间双维度的节点细分模型和 物理接边算法,开发四叉树多分辨率形态渲染算法, 建立与现实一致的三维煤矿场景。 模型可支持所有 实时与历史信息的时空匹配、穿透式查询与聚合,操 作者可通过子菜单交互操作切换到各子模型界面,实 现多种方式呈现各维度、各区域、各属性信息。 通过矿井全维信息可视化建模,可实现矿井要素 的可视化展示与操作,有机集成现有各业务系统,建 立矿井数据管理中心与各要素、各系统联动接口,为 实现“风险评估体系化、风险预警系统化、管理干预 智能化”提供平台支撑。 图 3 矿井全维信息可视化建模 Fig． 3 Visualization modelling by whole dimensional ination of coal mine 2． 4 煤矿风险评估与预警技术 目前,煤矿风险评估与预警技术的主要制约因素 为危险源的评价模型及算法[32]。 由于煤与瓦斯突出 机理、冲击地压发生机理和采动空间突水机制等理论 机理问题尚不清晰,所以难以建立针对煤矿重大安全 风险建立力学意义上的精准的评估模型,大数据技术 的聚类分析和模糊评判方法为解决这一问题提供了 有效途径。 笔者及研究团队通过开发面向数据流的 可能性模糊聚类算法,将去噪编码器与极速学习机结 合,建立了基于实时数据的煤矿风险评估与预警模 型,如图 4 所示。 首先,训练编码器网络DAE,通过反向传播算 法进行训练。 当重构误差函数最小时,得到最优网络 参数;然后,训练 ELM 极速学习机模型,将原始输入 数据的去噪抽象特征矩阵 h1,其输入层权值与隐含 层输出为 DAE2的输入层权值 w2与隐含层输出 h2; 最后,利用学习训练得到的风险综合预警判断函数, 根据风险预警指标在不同警度区间下的阈值进行评 估预警。 在单一指标基础上,确定预警区间,进行 “正常”、“轻警”、“中警”与“重警”警度的实时预警。 关联规则挖掘作为数据挖掘的一个分支,在处理 非线性模式识别方面表现出了很好的特性,可以通过 对实时监测数据样本的学习,实现煤矿安全风险评估 与预警。 笔者及研究团队针对煤矿大数据多源异构 的特点,将关联规则算法中经典的 Apriori 算法并行 化,挖掘煤矿风险相关的强关联规则,建立了基于并 行关联规则挖掘的风险评估与预警模型,如图 5 所 示。 首先,分析影响煤矿安全风险评估、预警的相关 传感数据,如瓦斯浓度、矿压、煤尘、水害、火灾等外缘 4232 第 6 期李 爽等煤矿智能化安全保障体系及关键技术 图 4 面向实时数据的煤矿风险评估预警模型 Fig． 4 Risk assessment model for coal mine by real-time data 传感信息,并对这些多维的、异构的、不完全的、随机 的和模糊的数据进行分组。 然后,利用关联规则挖掘 技术将煤矿安全风险预警的影响因素组成记录集合, 并对该集合进行数据挖掘。 目前,关联规则已有许多经典常用的挖掘算法, 例如 Apriori 算法。 在大数据环境下,研究方案拟采 用基于 MapReduce 计算模式的并行 Apriori 算法,利 用频繁项集性质的先验知识,通过逐层搜索的迭代方 法,即将 k 项集用于探察k1项集,以穷尽数据集 中的所有频繁项集。 该算法基于 Apriori 性质频繁 项集的所有非空子集也必须是频繁的,利用层次循环 发现频繁项集。 为了减少计算量,可使用 Apriori 性 质,即如果 1 个 k 项集的k-1子集不在 Lk-1中,则 该候选子集不可能是频繁的,可直接从候选项集合中 删除。 通过 MapReduce 框架并行生成关联规则子 集,最终利用挖掘出的关联规则子集进行重大风险智 能预警。 2． 5 智慧煤矿系统联动技术 系统联动是指不同的系统软件之间相互关联 所产生的信息、动作,通过统一的数据整合,把所有 各子系统的数据和控制变量存放在数据库中,在配 置关系后所产生的一种信息、动作控制方式,当某 一系统发生预警情况时,引发预警系统以外的其他 系统设备进行动作。 笔者及研究团队开发了包 含同一截面多系统数据查询、多系统联动展示、多 系统联动信息推送和多系统联动控制的智慧煤矿 系统联动技术。 2． 6 井下智能巡检机器人技术 随着 5G、物联网、大数据等技术的逐步成熟,煤 矿智能化必将进入井下无人作业阶段,井下智能巡检 5232 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 5 基于并行关联规则挖掘的煤矿风险评估与预警模型 Fig． 5 Risk assessment model for coal mine by algorithms of parallel association rules mining 机器人将是煤矿智慧安全管理体系的重要组成部分。 以机器人为数据终端,依托井下高速无线数据传输技 术实现机器人及大数据后台的实时互通,针对不同煤 矿安全风险类型开发相匹配的便携式传感器,以多维 度、多批次、多区域形式实现机器人煤矿全维风险信 息的感知。 集成地球物理探测技术、惯性导航、多元 定位、图像识别、人工智能等先进技术,开发路径自主 识别与规划、物相识别和井下风险源感知等技术,研 发面向无人化的自感知、自决策、自预警、自处置的矿 山智能巡检机器人。 3 软件系统开发案例 3． 1 服务架构 依据前文描述的关键技术与初步实现方法,笔者 及研究团队在中国矿业大学煤矿智慧安全管控平台 中针对一般性煤矿实现了部分实现和应用。 面向煤 矿智能化安全保障问题,笔者及其团队在原有的矿井 三维可视化建模技术、矿山大数据平台和煤矿重大风 险评估预警技术等科研成果的基础上,依托以上架构 及技术体系,开发了煤矿智慧安全管控平台系统,其 系统架构如图 6 所示。 软件系统以煤矿安全风险为 核心对象,建设集数据采集分析、存储、事故预测预 警、安全风险评估、趋势预测等功能于一体的煤矿智 能化安全保障系统,实现内部子系统之间互联互通、 动态数据采集分析和风险预测预警,为煤矿日常生产 调度、安全风险处理、应急救援等工作提供数据和技 术手段。 基本核心技术是实现系统数据“集成化”、 要素展现“可视化”、风险评估“智能化”、操作软件 “平台化”。 1系统数据“集成化”。 通过系统平台建设,首 先将矿井的数十个子系统进行集成,实现数据之间互 联互通,逐步消除信息孤岛。 下一阶段,笔者及研究 团队将逐步集成采煤工作面感知数据[12]、矿井水文 地质数据、力学场云信息和设备运维状态等,实现全 矿井的全维感知。 2要素展现“可视化”。 要素展现可视化包括 3 方面的内容① 将矿井真实存在客体进行数字化, 通过系统平台进行可视化的展现;② 将矿井生产产 生的岩层力学信息、扰动信息、场云信息匹配数字化 客体进行展现;③ 对平台生产的数据结果,依托软件 平台和矿井客体进行展现。 3风险评估“智能化”。 笔者及研究团队采用 大数据技术,结合灾害衍生机理,利用人工智能和机 器学习,积累优化模型知识库,针对煤矿水、火、瓦斯、 粉尘、顶板等主要灾害进行点线面的风险等级评估, 构建煤矿井下监测点、局部区域和系统 3 个层级的危 险源感知和预警体系,从宏观、微观 2 个层次对煤矿 风险进行监测、预警、评估。 下一阶段,笔者及研究团 队将针对煤矿进入深部后的特殊灾害衍生方式和煤 矿采煤工作面、掘进工作面重点灾害的分区域、分特 点预警方面展开技术攻关,最终达到实现涵盖不同地 质赋存特征、不同煤矿防控区域的典型风险预警模 块。 4应用系统“平台化”。 基于统一架构、统一标 准、统一认证和统一运维体系,建成煤矿企业的生产 和安全管控平台,实现数据采集分析、业务协同和井 下子系统远程联动处理,后期可不断接入新的系统。 3． 2 软件功能 软件重点围绕“智能化数据分析 远程平台 管理”的煤矿智慧安全管理路径,部分实现了上文所 述的关键技术,在煤矿综合可视化操作平台、大数据 分析平台、安全风险智能评估和多系统联动控制等模 块实现了阶段性的功能成果。 下阶段,将在煤矿智能 化和煤矿感知技术发展的基础上,进一步精确煤矿风 险预警、完善煤矿智慧安全管理模式,真正实现智能 化的煤矿安全保障。 1煤矿综合可视化操作平台。 采 H5 建模技 术、3Dmax 建模技术实现了矿井三维建模,在此基础 上,集成自动化设备监控类数据、矿井地质类数据和 业务管理运行类数据,并连接煤矿井下可控设备系 统,建成了煤矿综合可视化操作平台。 如图 7 所示, 实现数据采集分析、可视化展示与井下关联设备远程 联动。 2煤矿大数据分析平台。 对采集到的矿井数 6232 第 6 期李 爽等煤矿智能化安全保障体系及关键技术 据,统一数据格式并实现数据云端存储,建成了单个矿 井的大数据分析平台,如图 8 所示。 通过大数据分析 平台的建设,集成了大数据聚类分析模型、风险预测预 警模型等模块,贯通了信息采集与利用的上下联系。 图 6 煤矿智慧安全管控平台系统架构 Fig． 6 Architecture diagram of coal mine intelligent safety control plat 图 7 煤矿综合可视化操作平台 Fig． 7 Comprehensive visual operation plat of coal mine 3煤矿安全风险智能评估。 融合安全风险要 素数据及相关共享数据,基于大数据、知识图谱、机器 学习等技术,建设风险可视化综合监测、专题展示等 功能。 主要包括风险要素数据汇聚与可视化、企业安 全监控系统运行状况感知、安全隐患自动监测识别预 警。 基于生产安全事故和灾害风险要素监测历史数 据和多层次风险评估历史结果,构建多层级安全风险 趋势分析模型,对煤矿各类自然灾害感知信息的发展 变化趋势进行预测,实现煤矿生产区域、矿井安全生 图 8 智慧矿山大数据分析平台 Fig． 8 Coal mine intelligent big data analysis plat 产风险态势评估。 系统的主要内容包括生产区域安 全生产风险态势综合评估、矿井安全生产风险态势综 合评估、评估模型体系自适应优化等模块,如图 9 所 示。 4多系统联动控制。 从系统联动的目的性出 发,结合现有系统的布置及其功能特点,实现了区域 多系统数据联动展示、多系统联动信息推送、报警条 件下跨系统断电联动控制、人工介入条件下半自动化 7232 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 控制和自动化联动控制,逐步完善当出现监测数据超 限、重大隐患、特定条件设置等情况时,系统自动实现 系统、设备、区域断电、设备开停、供风供水、停风停水 等操作。 5移动可持式终端展示。 在矿井实现井下 4G or 5G 通信的条件下,人员佩戴移动端到达井下,移动 终端自动匹配定位信息,并关联显示区域矿井要素的 详细信息,通过验证终端持有人的权限,系统分级开 放信息录入、音视频采集和远程控制等功能。 移动可 持式终端及界面如图 10 所示,用户可注册账号或通 过微信扫码方式登录。 移动可持式终端技术的应用, 使煤矿智能化安全保障体系更加精准化、实时化。 图 9 煤矿重大风险实时评估预测 Fig． 9 Real time assessment and prediction of major risks in coal mines 图 10 移动可持式终端展示与控制 Fig． 10 Display and control of mobile terminals 3． 3 应用实例 中国矿业大学煤矿智慧安全管控平台率先在同 煤集团塔山煤矿进行了实践。 在当前煤矿智能化建 设的初期阶段,重点应用了矿井安全状态综合评价、 工作面风险预警处理模块,应用结果分别如图 11,12 所示。 通过系统平台,可以获取煤矿重大风险预警信 息,实现当前风险动态综合监测;对未来的安全生产 风险精准预警,对安全生产风险趋势进行预测,提前 采取防控措施;在需要时能够调取实时图像、数据,督 促责任单位、人员落实安全管理职责,创新智能化条 件下的煤矿安全管理模式,并且通过对生产区域、矿 井综合安全态势进行智能评估,反馈安全管理效果。 图 11 同煤塔山矿井安全状态综合评价与预警结果 Fig． 11 Safety state comprehensive uation and early warning results of Tashan coal mine 4 结 论 1煤矿智能化安全保障体系是煤矿智能化建 设的重要有机组成部分。 系统论述了煤矿智能