煤礦安全技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢分析

樊劭

摘 要：本文簡述了近30年我國煤礦安全技術(shù)發(fā)展歷程，揭示煤礦安全技術(shù)發(fā)展趨勢與社會熱點(diǎn)技術(shù)發(fā)展相一致的規(guī)律，并介紹當(dāng)前煤礦安全技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，認(rèn)為以物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)的煤礦安全信息化技術(shù)是未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：煤礦安全技術(shù)；信息化；發(fā)展趨勢

煤礦安全歷來受到政府和企業(yè)高度重視，經(jīng)過全行業(yè)多年的努力，煤礦安全生產(chǎn)狀況顯著改善，每年煤礦事故死亡人數(shù)和百萬噸死亡率大幅下降，重特大事故數(shù)量不斷降低。國內(nèi)各大高校、科研機(jī)構(gòu)和大型企業(yè)長期致力于對瓦斯治理、火災(zāi)防治等重大災(zāi)害的治理研究，形成了一系列適合我國煤礦實際情況的安全技術(shù)，形成了完善的災(zāi)害防治技術(shù)和成套裝備設(shè)施，為煤礦安全工作提供了重要支撐，成果顯著。

在“九五”“十五”時期，我國煤礦安全技術(shù)主要致力于解決瓦斯抽采、突出危險監(jiān)測和粉塵災(zāi)害防治等基礎(chǔ)技術(shù)研究1，煤礦安全技術(shù)著重于解決在生產(chǎn)過程中遇到的實際問題，重在煤礦災(zāi)害現(xiàn)場治理方面；在“十一五”“十二五”時期，井下雷達(dá)用于突出監(jiān)測，以太網(wǎng)、紅外線技術(shù)開始用于井下監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)代技術(shù)逐漸融入煤炭這樣的傳統(tǒng)工業(yè)中，新型安全技術(shù)顯著發(fā)展；現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)融合和云計算技術(shù)等均已在煤礦安全生產(chǎn)預(yù)警平臺上開始應(yīng)用2，煤礦安全保障逐漸從事中、事后處理轉(zhuǎn)向事前預(yù)防，在瓦斯抽采、火災(zāi)和水害防治方面融入更多信息化技術(shù)，強(qiáng)調(diào)對災(zāi)害防治的精準(zhǔn)掌控。隨著新型技術(shù)的涌現(xiàn)，我國煤炭行業(yè)的發(fā)展和煤礦安全工作要求的日益提高，煤礦安全技術(shù)發(fā)展也表現(xiàn)出許多新特點(diǎn)和新方向。

1 新型煤礦災(zāi)害預(yù)測預(yù)警技術(shù)快速發(fā)展

當(dāng)前煤礦災(zāi)害防治工作重點(diǎn)逐漸由過程治理向源頭預(yù)防為主轉(zhuǎn)變，更加強(qiáng)調(diào)事故的防患于未然。隨著科技的發(fā)展和信息傳輸?shù)谋憬荩嘈录夹g(shù)被用于煤礦災(zāi)害預(yù)測預(yù)警。煤與瓦斯突出聲-電-瓦斯實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，通過聲發(fā)射、電磁輻射和瓦斯動態(tài)涌出規(guī)律對突出危險進(jìn)行預(yù)判，現(xiàn)在永貴能源等企業(yè)得到應(yīng)用；分布式光纖傳感系統(tǒng)用于實時監(jiān)測煤層、煤倉和傳輸系統(tǒng)的溫度，防止火災(zāi)隱患的發(fā)生3；GIS技術(shù)與水文地質(zhì)、水文監(jiān)測結(jié)合應(yīng)用于煤礦水害防治，實現(xiàn)了礦井對水害的動態(tài)管理4；中煤部分礦井采用高分辨率激光吸收光譜技術(shù)，消除了氣體交叉干擾，采用分布式光纖傳感技術(shù)，實現(xiàn)了長距離無源瓦斯的準(zhǔn)確監(jiān)測；天地科技采用地震波CT探測獲取煤巖層波速，通過地震波波速、波速梯度等與沖擊危險性密切相關(guān)的特征參量，預(yù)測潛在的危險沖擊區(qū)域。同時，新技術(shù)也大大提高了傳統(tǒng)檢測檢驗技術(shù)的精度、減少檢驗時間，以中煤科工的煤礦井下深孔原位取樣測定瓦斯含量技術(shù)為例，創(chuàng)建了直接測定煤層瓦斯含量的方法，取樣時間小于2h，縮減瓦斯含量測定時間在8h以下、測定誤差小于7%，檢測時間是以往的三分之一，精度提高了三至七倍。

2 災(zāi)害治理技術(shù)和裝備成套化趨勢明顯

隨著我國煤礦災(zāi)害治理難度的加大，一般性技術(shù)防范措施往往治標(biāo)不治本，災(zāi)害治理正向工程治理轉(zhuǎn)變，這就要求系統(tǒng)化的技術(shù)和配套專用裝備保證工程治理的實施。地面抽采礦井采動區(qū)和采空區(qū)瓦斯作為快速降低礦井瓦斯的有效方法被大力發(fā)展，該技術(shù)相對成熟但仍受現(xiàn)場環(huán)境、道理運(yùn)輸、設(shè)備維護(hù)的困擾，此后開發(fā)的撬裝式成套化設(shè)備有效的解決該問題5。當(dāng)前各科研單位為解決礦井災(zāi)害治理中的問題，不僅開發(fā)相關(guān)技術(shù)，同時為使解決效果最大化，往往同時開發(fā)成套設(shè)備作為支撐。針對煤與瓦斯突出問題，中國礦業(yè)大學(xué)為解決高突煤層快速卸壓增透問題，提出“點(diǎn)—線—面—體”耦合整體卸壓方法，開發(fā)出基于普通孔與割縫孔耦合協(xié)同卸壓增透技術(shù)，同時發(fā)明了基于高壓射流割縫的“四位一體”卸壓增透安全防護(hù)成套裝備；冀中能源針對松軟突出厚煤層開發(fā)了沿頂布置安全高效掘進(jìn)和回采技術(shù)，并研發(fā)了包括三角煤臥底機(jī)、過渡支架、端頭液壓支架等相關(guān)配套設(shè)備6。新汶礦業(yè)研發(fā)了“采充留”無煤柱開采一體化技術(shù)，實現(xiàn)體積比近100%填充，使工作面礦壓顯現(xiàn)減弱，更好地控制頂板下沉，也配套開發(fā)了連體式充矸皮帶卸載架，進(jìn)一步提高了充填的自動化水平。

3 無人化和可視化煤礦安全技術(shù)日漸成熟

陜煤化黃陵礦業(yè)一號煤礦1001綜采工作面實現(xiàn)智能化無人開采，充分體現(xiàn)了國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局關(guān)于“機(jī)械化換人、自動化減人”科技強(qiáng)安的理念。此后，許多企業(yè)和科研院所也積極將減人和無人作為煤礦安全技術(shù)的努力方向。神華集團(tuán)研制的煤巷高效快速掘進(jìn)成套裝備，應(yīng)用掘錨一體機(jī)組、錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組、可彎曲膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)、自移機(jī)尾等成套裝備，代替功能單一的掘進(jìn)機(jī)、單體錨桿機(jī)、皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)等設(shè)備，實現(xiàn)掘、支、運(yùn)平行連續(xù)作業(yè)，所有工序機(jī)械化一次完成，減少工作面30%的操作人員。特別是煤礦用多功能巷道修復(fù)機(jī)，實現(xiàn)巷修機(jī)械化作業(yè)，效率提高三倍，作業(yè)人員減少50%。天地科技開發(fā)的急傾斜薄煤層無人化綜采刨運(yùn)機(jī)組，適用于煤層傾角85°以下的急傾斜薄煤層走向長壁正傾斜綜采工作面的刨運(yùn)機(jī)和液壓支架，開采過程中實現(xiàn)了工作面內(nèi)無操作人員。

準(zhǔn)確掌握井下人員位置狀況，對于煤礦安全生產(chǎn)和事故救援均有十分重要的意義，井下視頻圖像人員跟蹤定位技術(shù)可以有效解決這類問題。但煤礦井下昏暗，顏色信息缺乏，人臉易附著黑色粉塵等特殊情況均為視頻圖像人員定位技術(shù)運(yùn)用帶來困難。孫繼平等采用依據(jù)壓縮感知理論，利用隨機(jī)投影技術(shù)對特征降維，用隨機(jī)特征建立目標(biāo)模型，采用判別式跟蹤算法利用樸素貝葉斯分類器進(jìn)行目標(biāo)定位，對被跟蹤的人員遮擋、旋轉(zhuǎn)及不均勻的環(huán)境照度和照度的劇烈變化都具有極強(qiáng)的魯棒性7，取得了較好的識別度。孟祥瑞等采用基于三維可視化與Zigbee技術(shù)，解決在礦井實際條件下人員地位精度不準(zhǔn)確的難題，該技術(shù)經(jīng)檢驗平均定位誤差不足0.8米，能較好滿足實際工作需求8。

4 煤礦安全技術(shù)信息化將是未來的發(fā)展方向

當(dāng)前以物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)為引導(dǎo)的新一輪信息化技術(shù)正在深刻影響著煤炭這一傳統(tǒng)工業(yè)，以往困擾信息化的井下易燃易爆氣體、環(huán)境濕度大、電壓不穩(wěn)等問題被一一克服，智慧礦山、無人工作面、虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)和操作有望實現(xiàn)。煤礦作為一項大型生產(chǎn)建設(shè)項目，而且是時刻受到多種物理和化學(xué)危險源影響的項目，為保證生產(chǎn)本質(zhì)安全需要的監(jiān)控數(shù)據(jù)量十分龐大，包括環(huán)境因素（瓦斯和一氧化碳濃度、壓力、溫度、風(fēng)量等）、機(jī)電因素（設(shè)備狀態(tài)、電壓、功率等）、人的因素（人員位置、作業(yè)情況等），這些均要在建物聯(lián)網(wǎng)信息平臺上以云計算提供的信息基礎(chǔ)配合大數(shù)據(jù)提供的業(yè)務(wù)引擎進(jìn)行監(jiān)控、分析和識別。對于煤礦物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架，有的觀點(diǎn)認(rèn)為是三層包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層9，有的觀點(diǎn)認(rèn)為是四層包括感知層、傳輸層、服務(wù)層和應(yīng)用層10，但大體功能都是通過礦用傳感器、3G、4G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各項數(shù)據(jù)掌控進(jìn)而保證煤礦安全作業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)經(jīng)云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)挖掘可以有效對事故進(jìn)行預(yù)警，特別是如突出危害這種事故機(jī)理尚未完全明晰的情況，更適合以大數(shù)據(jù)技術(shù)的方式進(jìn)行預(yù)判。

5 總結(jié)

煤礦開采歷來都屬于高危行業(yè)，煤礦安全不僅對于保障人民生命財產(chǎn)安全至關(guān)重要，而且也是保障礦井正產(chǎn)生產(chǎn)的基石，所以煤礦安全技術(shù)始終處于快速發(fā)展中，社會科技的更新也不斷帶動煤礦安全科技的發(fā)展。我們已處于數(shù)字時代，煤礦安全技術(shù)信息化是大勢所趨，將有助于解決以往安全技術(shù)難以克服的難題，帶動煤礦安全技術(shù)跨越式發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣時才 我國煤礦安全技術(shù)的研究與發(fā)展礦業(yè)安全與環(huán)保[J]第27卷第5期

[2]高峰等 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)和云計算技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)預(yù)警平臺上的應(yīng)用 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[J]2017（3）

[3]侯毛偉等光纖傳感系統(tǒng)在煤礦火災(zāi)預(yù)測預(yù)警的應(yīng)用科技風(fēng)[J] 2013（9）

[4]王建恒礦井防治水預(yù)測預(yù)報一體化系統(tǒng)設(shè)計研究山西焦煤科技[J] 2014年8月增刊

[5]何慶宏煤礦采動區(qū)煤層氣井地面抽采設(shè)備體系成套化研究中國煤層氣[J]第13卷第4期

[6]《煤礦安全生產(chǎn)先進(jìn)適用技術(shù)推廣目錄（2016）》

[7]孫繼平，杜東壁等 基于隨機(jī)特征的礦井視頻圖像中的人員跟蹤技術(shù)煤炭科學(xué)技術(shù)[J]第43卷第11期

[8]孟祥瑞，徐雪戰(zhàn)，趙光明等 基于三維可視化與Zigbee 技術(shù)的真三維煤礦人員定位 煤炭學(xué)報[J] 2014，39（ S2） ： 603-608.

[9]李樹剛等互聯(lián)網(wǎng)+煤礦安全信息化關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用構(gòu)架 煤炭科學(xué)技術(shù)[J]第44卷第7期

[10]裴忠民，李波，徐碩等 基于云計算的煤礦物聯(lián)網(wǎng)一體化平臺體系構(gòu)架 煤炭科學(xué)技術(shù)[J] 2012，40（ 9） ： 90-94.