煤矿安全智能化及其关键技术

武福生， 卜滕滕， 王璐

(1.中煤科工集团常州研究院有限公司， 江苏 常州 213015；2.天地(常州)自动化股份有限公司， 江苏 常州 213015)

0 引言

煤矿典型灾害防治是煤矿安全开采的重要内容。煤炭科技发展为我国煤矿灾害防治注入强大助力。1990—2002年，煤矿开采迅速发展，煤矿事故死亡人数居高不下，处于高位波动期[1]。进入21世纪以来，国家对煤矿安全开采加大了资金投入与政策倾斜，煤炭科技得到长足发展。煤矿水、火、瓦斯、顶板和粉尘等主要灾害监测预警经历了从无到有、从机械式到自动化、从单点人工监测到监测系统的演变，2019年全国煤矿百万吨死亡率下降到0.083，达到世界中等水平[2]。近几年来，专家们提出了以智能化核心技术推动煤炭工业高质量发展的思路。煤矿安全智能化技术是指与煤矿安全相关的智能化技术，是实现煤矿典型灾害智能感知和精准预警的必要技术手段，也是煤矿安全生产的重要支撑。

本文论述了煤矿安全智能化的研究现状，指出了煤矿安全智能化建设存在的问题，构建了基于智能传感数字化、设备物联网络化、安全融合智能化的煤矿安全智能化体系架构。同时，分析了安全传感技术的智能化发展问题，提出了推进煤矿安全智能化的数字化、网络化、智能化等关键技术及其发展思路。

1 研究现状

国内诸多专家学者对煤矿智能化的定义、科学内涵、目标及分级分类指标进行了深入阐述与研究，初步形成了煤矿智能化建设理论体系[3-7]，但是针对煤矿安全智能化建设的论述较少。煤矿安全智能化是指依托工业互联网、5G、人工智能、大数据和云计算等新一代信息技术，构建环境智能感知、网络互联互通、风险实时评估、灾害智能处置的智能化体系，实现水、火、瓦斯、顶板、粉尘等典型灾害监测预警和灾后科学应急救援。

国家发展和改革委员会等八部门于2020年2月联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》中特别强调，要在2035年重点突破“重大危险源智能感知与预警”[8]。王国法等[9]指出了智能化煤矿建设中存在子系统数据兼容、网络兼容、业务兼容和控制兼容的效果差，矿山生产预测难、监控难、效率低、安全事故多，缺少考虑各系统的全局智能化综合控制模型等问题。毛善君等[10]提出了“一盘棋、一张网、一张图、一个库”的流程化智能煤矿管控系统。李爽等[11]提出煤矿安全智能化的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。张华等[12]提出将智能视频识别技术和煤矿双预控信息化系统结合，以实现设备状态监测、井下环境身份智能识别和煤矿风险预警分析等功能。

目前煤矿安全智能化建设已取得阶段性成果。根据《煤矿机器人重点研发目录》的建设规划，带式输送机巡检机器人、巷道巡检机器人和工作面巡检机器人分别在同煤大唐塔山煤矿有限公司、山东能源枣矿集团高煤公司、陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿投入使用，实现了对输送带、巷道和工作面的视频和设备状况等多参数感知[13]。方新秋等[14]提出利用光纤光栅传感技术对围岩应力、锚杆锚索应力、顶板离层状态、液压支架倾角、采煤机姿态和刮板输送机等进行多参量信息感知，以全面反映综采工作面安全生产状态。

但是煤矿安全智能化建设还存在诸多问题：煤矿安全智能化技术体系不明晰；煤矿典型灾害监测数据未能完全实现自动化、数字化；上传的数据数量少、质量差；监测数据因缺乏融合分析手段而成为离散化的信息孤岛。存在以上问题的原因：① 现有的煤矿智能化设计方案仅明确了煤矿单一灾害系统建设，并未涉及不同灾害预警结果的协同融合，也未提及煤矿安全技术架构体系。② 虽然煤矿安全监测监控系统经过国家新一轮数字化技术升级，统一了相关标准并实现了部分子系统融合，但是由于水、火、瓦斯、矿压、粉尘等典型灾害监测预警系统和安全相关感知系统的数字化水平参差不齐，各系统的融合及其与生产的协同控制还处于研究攻坚过程。因此，应构建煤矿安全智能化架构体系，梳理智能感知、网络传输和智能化平台应用等内容，明确各子系统的协同、耦合关系，通过建设一体化网络及统一的煤矿安全信息平台和应用平台，为煤矿安全智能化实施明确方向。

2 煤矿安全智能化技术体系

2.1 总体架构

国家能源局、国家矿山安全监察局于2021年6月5日发布的《煤矿智能化建设指南(2021年版)》中指出，智能化煤矿将人工智能、工业互联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发技术进行深入融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统，实现煤矿开拓、采掘(剥)、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等全过程的智能化运行[15]。安全智能化属于煤矿智能化的分支，因此，煤矿安全智能化体系架构与煤矿智能化体系架构一致，如图1所示。煤矿安全智能化涉及“人、机、环、管”4个要素，包含智能传感数字化、设备物联网络化、安全融合智能化3个方面。

图1 煤矿安全智能化体系架构Fig.1 Framework of coal mine safety intelligence

数字化是基础，网络化是支撑，智能化是目标。从工业互联网的本质来讲，实现智能化的前提是数字化[16]，决策部分必须依靠数据才能实现智能化分析决策和优化运营。网络化是数据价值流动的途径，智能化是创造经济和社会价值的最终体现。数字化、网络化与智能化的关系如图2所示。

图2 数字化、网络化与智能化的关系Fig.2 The relationship between digitization, networking and intelligence

2.2 智能传感数字化

目前煤矿采用了大量自动化、智能化装备，部分系统实现了数字化改造。但是与安全相关的人、设备、环境信息、典型灾害、安全管理等数字化程度参差不齐，依然存在较多的非数字化行为及场景。智能化分析决策和优化运营的基础是精准的数字感知信息，要实现安全智能化，“人、机、环、管”等相关安全环节必须实现数字化感知。

2.3 设备物联网络化

依据单一数据或区域数据进行煤矿整体安全分析决策是不可靠的。数据的价值在于流动和融合，应通过各种网络化方式，将安全感知数据传输至智能分析融合平台，利用大数据分析手段，发挥数据挖掘和融合的各种技术优势，建立各种灾害预测模型、协同控制模型等，为安全智能化提供智能分析和协同控制的数据源。各种感知设备的网络化是实现数据共享传输和安全智能化的网络基础。

2.4 安全融合智能化

将煤矿应急管理系统与灾害精准监测预警系统结合，矿井位置服务系统与通信网络系统结合，可提高煤矿灾害应急效率和水平，提升煤矿安全生产能力。基于人工智能技术和大数据技术对各种煤矿安全感知信息进行融合，可提升煤矿灾害精准预警、协同救援等安全智能化水平。

3 关键技术及其发展思路

3.1 安全感知数字化关键技术

要实现煤矿安全智能化，首先要实现安全感知数字化，将目前煤矿的非数字化行为及场景、更加丰富的人与设备安全传感数据通过网络传输到智能化平台进行优化处理。要实现全场景数字化传感技术和全矿井数字化传感网络，需研究以下关键技术：

(1) 可靠性与稳定性。要实现智能化系统协同及精准预警，首先需要提升安全传感器本身及传感器通信网络的可靠性和稳定性。煤矿井下环境相对恶劣，实现传感信号可靠稳定是重要基础，依托精准的数据，智能化决策才有价值。传感器信号无线传输的可靠性、稳定性与有线通信方式相比还不具备突出优势，需要重点研究。

(2) 实时响应速度。依据传感器输出信号进行控制及决策，传感器的实时响应速度必须满足智能化系统协同控制的实时性要求。传统的无线通信方式实时性较低，难以实现大量终端实时在线，利用5G的低时延、大带宽技术特性有望解决这一问题。

(3) 传感无线供电。无线网络是发展趋势，基于煤矿物联网技术的传感网络是感知的基础。实现传感器信号无线传输后，突显了传感器端的无线供电问题。后备供电涉及长时间不间断工作要求与相关煤矿规程限制，传感器无线供电技术与产业化研究应用尚需时日突破。

(4) 电磁辐射和干扰。煤矿井下电磁环境复杂，随着智能化系统、无线通信网络等的发展和应用,电磁辐射及干扰会日益严重。因此,需研究具有较强抗电磁辐射性能的井下智能传感器,以提升感知能力。

3.2 灾害精准预警关键技术

我国煤矿开采安全保障技术研究已经迈入建立安全型矿井、实现区域性综合防治的发展阶段，形成了瓦斯灾害防治技术体系，以及集地质测量、生产技术、通风安全、办公自动化和数字化矿山、安全生产监控于一体的预警平台，实现了隐患联动控制和动态预警，建立了移动式矿井重大灾害应急救援指挥系统[17]。新一代信息技术的发展给煤矿安全智能化带来新的革命和发展契机，将人工智能、工业互联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭安全生产技术进行深入融合，研究实现煤矿多灾种耦合、主动感知与预测预警的大数据分析、智能化安全协同控制与应急融合管控技术，将促进煤矿智能化安全生产。煤矿灾害精准预警关键技术如下：

(1) 煤矿灾害及多灾种耦合技术。对煤矿重大危险源识别评价与监测预警进行系统理论和技术研究，形成复杂条件下多灾害耦合模型。研发多灾种耦合、多系统协同的监测预警技术与协同机制及基于煤矿复杂环境的“人、机、环、管”信息泛在感知技术，构建实时、多源信息融合的智能化灾害监测和预警技术体系。

(2) 煤矿灾害大数据融合分析方法与人工智能技术。目前人工智能技术在矿山的应用只是点状结合和浅度结合，没有实现人工智能技术和矿山某个生产或管理系统层面的深度融合[18]。研究数据模型驱动的灾害规律分析方法，以及多参数、多维度安全态势感知与预警理论和方法，应用云计算、边缘计算、人工智能技术融合的灾害事故预测预警技术，并利用煤矿物联网技术丰富灾害事故预测预警的基础数据资源，可实现灾害的智能化预测和自动化预警，分阶段建设煤矿安全智能化。

(3) 安全智能化体系与平台建设。应基于煤炭工业互联网、物联网、云计算、大数据、数字孪生等新一代信息技术，加强人工智能技术和安全智能化融合的深入研究，应用智能计算、智能通信、智能控制等融合技术，构建多灾种、多类型的煤矿智能化灾害预警与协同生产控制系统，以及集监测预警、风险隐患管控、应急救援、业务信息化管理为一体的安全智能化系统平台，实现煤矿安全智能化生产。应同步构建从煤矿、集团、矿区、省市到国家的煤炭工业互联网平台与灾害应急管理体系。此外，需要研究煤矿安全智能化体系建设的评价指标和相关标准，以指导煤矿安全智能化建设。

4 结语

煤矿安全是煤矿生产的保障，安全智能化也是煤矿智能化的协同有机体，安全智能化建设还需要进一步夯实基础。结合煤矿智能化建设需求和安全智能化的现状，提出了煤矿安全智能化体系建设架构，并对安全感知数字化、灾害精准预警等关键技术进行了论述。将人工智能、工业互联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭安全生产技术进行深入融合，研究实现安全主动感知与预测预警的智能联动、多元协同与系统化煤矿安全管理，将推动煤矿智能化建设，促进煤炭行业高质量发展。