井下巷道掘進(jìn)安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

秦 麗

（潞安集團(tuán)高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

引言

巷道掘進(jìn)作為煤礦生產(chǎn)的基礎(chǔ)，巷道能否安全掘進(jìn)直接影響煤礦生產(chǎn)[1]。隨著礦井安全生產(chǎn)投入不斷增加，煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)得以明顯改善，百萬(wàn)噸死亡率呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)[2-3]。礦井對(duì)掘進(jìn)工作面人員監(jiān)督一般分為遠(yuǎn)程監(jiān)督以及現(xiàn)場(chǎng)管理兩種方式，但是均需要依賴人工進(jìn)行判定，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)不安全行為[4-5]。因此，研究一種智能化掘進(jìn)工作面安全預(yù)警系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)面常見(jiàn)安全隱患進(jìn)行監(jiān)測(cè)、提醒，從而達(dá)到提高掘進(jìn)工作面安全管理能力的目的。

1 掘進(jìn)巷道安全問(wèn)題分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)工作面存在的安全隱患主要有四類，具體為超循環(huán)掘進(jìn)、帶式輸送機(jī)堆煤、空頂作業(yè)以及人員進(jìn)入到危險(xiǎn)區(qū)域[6-7]。超循環(huán)掘進(jìn)即為綜掘機(jī)每個(gè)循環(huán)掘進(jìn)進(jìn)尺超過(guò)預(yù)先設(shè)定值?，F(xiàn)實(shí)中由于礦井掘進(jìn)任務(wù)繁重，掘進(jìn)人員往往趕超進(jìn)度，會(huì)存在不顧作業(yè)規(guī)程要求違規(guī)超循環(huán)掘進(jìn)的做法，從而造成一定的安全隱患。

煤礦井下嚴(yán)禁空頂作業(yè)，而超循環(huán)進(jìn)尺掘進(jìn)往往會(huì)造成空頂作業(yè)。在頂板未采取任何支護(hù)措施的情況下空頂作業(yè)極為容易導(dǎo)致冒頂事故的發(fā)生，給掘進(jìn)工作面人員安全帶來(lái)威脅。

帶式輸送機(jī)堆煤主要是由于帶式輸送機(jī)運(yùn)輸能力不能滿足需要或者帶式輸送機(jī)機(jī)頭出現(xiàn)故障。帶式輸送機(jī)長(zhǎng)時(shí)間堆煤不僅會(huì)影響正常通風(fēng)而且通過(guò)膠帶摩擦散熱極其容易引起堆煤自燃，造成井下火災(zāi)。

巷道掘進(jìn)過(guò)程中破碎機(jī)、掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭位置有大型機(jī)械運(yùn)動(dòng)，同時(shí)操作司機(jī)存在一定的視覺(jué)盲區(qū)，因此，嚴(yán)禁非操作人員進(jìn)入到上述區(qū)域。井下一般采用布置簡(jiǎn)易圍欄、人工監(jiān)視以及員工相互提醒等方式避免人員進(jìn)入到危險(xiǎn)區(qū)。上述掘進(jìn)工作面安全隱患采用人工監(jiān)控方式存在一定的漏洞，主要是發(fā)現(xiàn)不及時(shí)或者無(wú)法全天候監(jiān)測(cè)問(wèn)題，因此，需要一種掘進(jìn)工作面安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)掘進(jìn)工作面存在的安全問(wèn)題進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)檢測(cè)，從而提高掘進(jìn)工作面的安全保障能力。

2 巷道掘進(jìn)安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 超循環(huán)作業(yè)安全預(yù)警模塊

設(shè)計(jì)的超循環(huán)作業(yè)預(yù)警系統(tǒng)主要是對(duì)掘進(jìn)進(jìn)尺進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)進(jìn)尺超過(guò)預(yù)先設(shè)定的安全值時(shí)即發(fā)出報(bào)警信息，從而避免出現(xiàn)超循環(huán)掘進(jìn)問(wèn)題。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括有礦用無(wú)線攝像頭、聲光報(bào)警裝置、無(wú)線信號(hào)收發(fā)機(jī)以及后臺(tái)分析處理軟件等，見(jiàn)圖1。

圖1 超循環(huán)作業(yè)安全預(yù)警模塊結(jié)構(gòu)組成圖

礦用無(wú)線攝像頭用以實(shí)時(shí)對(duì)掘進(jìn)機(jī)工作情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，后臺(tái)數(shù)據(jù)處理軟件通過(guò)相關(guān)算法得到掘進(jìn)機(jī)初次掘進(jìn)位置，并持續(xù)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)距離，從而得到掘進(jìn)機(jī)循環(huán)進(jìn)尺量。當(dāng)監(jiān)測(cè)到掘進(jìn)機(jī)實(shí)際進(jìn)尺量超過(guò)預(yù)先設(shè)定安全值時(shí)即認(rèn)為掘進(jìn)機(jī)超循環(huán)進(jìn)尺，此時(shí)掘進(jìn)工作面在發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)的同時(shí)報(bào)警值會(huì)長(zhǎng)傳至地面監(jiān)控中心，并在后臺(tái)記錄超循環(huán)作業(yè)報(bào)警開始時(shí)間及持續(xù)時(shí)間，見(jiàn)下頁(yè)圖2。

2.2 空頂安全預(yù)警模塊

圖2 超循環(huán)作業(yè)安全預(yù)警模塊工作流程圖

空頂安全預(yù)警主要是區(qū)分作業(yè)人員位于已支護(hù)區(qū)域或者是未支護(hù)區(qū)域問(wèn)題，當(dāng)監(jiān)測(cè)到作業(yè)人員處于未支護(hù)區(qū)域時(shí)即發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。井下掘進(jìn)巷道設(shè)計(jì)的空頂作業(yè)安全預(yù)警模塊與超循環(huán)作業(yè)安全預(yù)警模塊共用同一套硬件設(shè)備。

礦井無(wú)線攝像頭實(shí)時(shí)對(duì)掘進(jìn)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，后臺(tái)分析處理程序?qū)σ淹瓿芍ёo(hù)區(qū)域圖像進(jìn)行識(shí)別分析，對(duì)未支護(hù)區(qū)域邊界進(jìn)行圈定，然后根據(jù)人體識(shí)別算法最終對(duì)人員是否處于空頂區(qū)域進(jìn)行判定。當(dāng)作業(yè)人員位于空頂區(qū)域時(shí)攝像機(jī)獲取到的圖像背景出現(xiàn)變化，此時(shí)安全預(yù)警模塊會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)提醒作業(yè)人員注意安全，并在后臺(tái)記錄空頂作業(yè)報(bào)警參數(shù)。見(jiàn)圖3。

2.3 帶式輸送機(jī)堆煤安全預(yù)警模塊

設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)堆煤安全預(yù)警模塊主要是對(duì)巷道掘進(jìn)期間帶式輸送機(jī)是否出現(xiàn)堆煤進(jìn)行判定，主要結(jié)構(gòu)包括有礦用防爆攝像頭、后臺(tái)處理軟件以及聲光報(bào)警裝置等，具體硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

在帶式輸送機(jī)容易出現(xiàn)堆煤的機(jī)頭位置安裝礦井防爆攝像頭，實(shí)時(shí)獲取機(jī)頭位置圖像信息，利用以往輸送機(jī)堆煤前獲取到的圖像特征來(lái)判定輸送機(jī)機(jī)頭位置是否出現(xiàn)堆煤。在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，攝像頭獲取到的機(jī)頭圖像信息發(fā)生明顯變化時(shí)，即為獲取到的最后一幀圖像與原有背景圖像發(fā)明明顯變化時(shí)即可判定出現(xiàn)堆煤事故。后臺(tái)處理軟件按照預(yù)先設(shè)定程度發(fā)出報(bào)警指令，聲光報(bào)警裝置發(fā)出信號(hào)提示附近作業(yè)人員及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行處理，見(jiàn)圖5。

圖3 空頂安全預(yù)警模塊工作流程圖

圖4 堆煤安全預(yù)警模塊結(jié)構(gòu)組成

2.4 危險(xiǎn)區(qū)域安全預(yù)警模塊

圖5 堆煤安全預(yù)警模塊工作流程圖

危險(xiǎn)區(qū)域安全預(yù)警模塊的主要功能是對(duì)井下掘進(jìn)工作面危險(xiǎn)性進(jìn)行劃分并發(fā)現(xiàn)有人員進(jìn)入到危險(xiǎn)區(qū)或者在危險(xiǎn)區(qū)逗留時(shí)及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息。在非掘進(jìn)期間有人員通過(guò)危險(xiǎn)區(qū)時(shí)安全預(yù)警模塊發(fā)出安全提示。設(shè)計(jì)的危險(xiǎn)區(qū)域安全預(yù)警模塊結(jié)構(gòu)包括有礦用無(wú)線攝像頭、跑偏開關(guān)、聲光報(bào)警裝置、后臺(tái)處理軟件、無(wú)線信號(hào)收發(fā)器等，見(jiàn)圖6。

圖6 危險(xiǎn)區(qū)域安全預(yù)警模塊結(jié)構(gòu)組成圖

在預(yù)先確定的危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)頂板位置安裝礦井無(wú)線攝像頭獲取危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)圖形，巷道開始掘進(jìn)時(shí)關(guān)閉圍欄并在圍欄上安裝跑偏開關(guān)。當(dāng)有人員打開圍欄時(shí)跑偏開關(guān)會(huì)將圍欄打開信息傳輸至后臺(tái)處理軟件，同時(shí)無(wú)線攝像頭獲取到的背景圖像發(fā)生明顯變化，即可認(rèn)為有人員進(jìn)入到危險(xiǎn)區(qū)域，聲光報(bào)警裝置發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并將報(bào)警信息傳輸至地面監(jiān)控中心。當(dāng)綜掘機(jī)停機(jī)運(yùn)行，打開安全圍欄后跑偏開關(guān)將圍欄打開信息傳輸至后臺(tái)處理軟件，此時(shí)聲光報(bào)警裝置發(fā)出安全提示。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)的安全預(yù)警系統(tǒng)可以在一定程度上彌補(bǔ)了礦井掘進(jìn)工作面安全管理存在的不足，提高了安全生產(chǎn)的保障能力?，F(xiàn)階段該系統(tǒng)已在山西某礦1805 采面回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，且平穩(wěn)運(yùn)行超過(guò)6 個(gè)月，在系統(tǒng)運(yùn)行期間共發(fā)出各類安全提醒155 次，起到了明顯的安全預(yù)警作用。