煤礦巷道掘進(jìn)作業(yè)智能監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警技術(shù)研究

鄒晨濤

（兗礦能源集團(tuán)股份有限公司南屯煤礦 山東鄒城 273500）

我國(guó)作為一個(gè)煤炭生產(chǎn)、消耗大國(guó)，煤礦井下開(kāi)采逐步向更深層延伸，開(kāi)采工藝程序更繁瑣復(fù)雜以及生產(chǎn)企業(yè)顯著增多，特別是針對(duì)部分小煤礦而言生產(chǎn)方式滯后，易引發(fā)井下安全事故的風(fēng)險(xiǎn)，給國(guó)家和社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的損失。煤礦井下安全生產(chǎn)是人們關(guān)注的重點(diǎn)，增強(qiáng)井下作業(yè)安全監(jiān)測(cè)和管理力度，保證作業(yè)實(shí)施可靠性，是人們解決的重難點(diǎn)。掘進(jìn)面作為煤礦井下作業(yè)核心工作面，隨著其開(kāi)采機(jī)械化、自動(dòng)化水平提升，但監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)并未得到快速發(fā)展，仍沿用原有監(jiān)測(cè)工作模式，無(wú)法滿足當(dāng)下安全監(jiān)測(cè)預(yù)警需求。因此，應(yīng)積極掌握工作面智能監(jiān)測(cè)需求，研發(fā)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)和安全預(yù)警技術(shù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化監(jiān)測(cè)和控制，有利于在工作面掘進(jìn)工作正常實(shí)施的基礎(chǔ)上，降低人工實(shí)際勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 煤礦巷道掘進(jìn)作業(yè)智能監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

分析井下煤礦掘進(jìn)工作開(kāi)展時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警多元化需求，完成整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和配置，確保整個(gè)系統(tǒng)在硬件方面滿足需求，同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定執(zhí)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警任務(wù)的目標(biāo)。應(yīng)始終結(jié)合煤礦井下作業(yè)的實(shí)施，以智能化監(jiān)測(cè)和安全預(yù)警系統(tǒng)為核心，從本質(zhì)層面保證現(xiàn)場(chǎng)視頻實(shí)際畫(huà)面?zhèn)鬏敻咝?，且確保整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行，整個(gè)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含功能為現(xiàn)場(chǎng)圖像采集、數(shù)據(jù)傳輸和處理等，該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包含以下幾方面。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)圖像采集功能組設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)圖像采集工作十分關(guān)鍵，核心選取攝像儀完成不同工作環(huán)節(jié)的圖像收集和匯總，按照超循環(huán)、空頂作業(yè)、皮帶機(jī)堆煤等順序進(jìn)入實(shí)際區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)，應(yīng)增設(shè)與之相適應(yīng)的攝像儀實(shí)時(shí)完成圖像采集。伴隨當(dāng)下掘進(jìn)作業(yè)的開(kāi)展和實(shí)施，作業(yè)面持續(xù)性發(fā)生推移，充分結(jié)合井下掘進(jìn)作業(yè)狀況，將圖像采集設(shè)備布設(shè)于超循環(huán)作業(yè)、空頂作業(yè)中，設(shè)計(jì)無(wú)線攝像儀持續(xù)性完成超循環(huán)、空頂作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集等工作，最大限度地以皮帶機(jī)堆煤和破碎機(jī)區(qū)域做好動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)，確保其更具穩(wěn)定性，設(shè)備正式安裝過(guò)程中應(yīng)始終遵循簡(jiǎn)易、便捷的基本原則，對(duì)整個(gè)工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)圖像采集工作。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸功能組設(shè)計(jì)

充分以交換機(jī)作為重要的媒介，其余煤礦井下作業(yè)各類設(shè)備進(jìn)行銜接，可動(dòng)態(tài)化完成不同種類信息的共享和轉(zhuǎn)換，將其反饋至地面控制中心內(nèi)。該系統(tǒng)主要工作原理是將相關(guān)數(shù)據(jù)按照其自身格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。交換機(jī)接收不同設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)及時(shí)掌握其具體檢測(cè)的地址，并動(dòng)態(tài)化與相關(guān)地址做好比對(duì)，若存在該目的地址，方可將其數(shù)據(jù)完整、高效傳輸，若銜接處于交換機(jī)上設(shè)備地址存在，交換機(jī)自行將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至相關(guān)目的地內(nèi)，交換機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)始終確保整個(gè)傳輸信號(hào)轉(zhuǎn)換穩(wěn)定、可靠。

1.3 數(shù)據(jù)處理功能組設(shè)計(jì)

服務(wù)器作為整個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的核心，需對(duì)采集匯總的圖像做好高效化處理。浪潮英信NF8640M3服務(wù)器自身性能優(yōu)良，配置較為便捷，符合多數(shù)煤礦井下作業(yè)實(shí)際需求，該服務(wù)器內(nèi)部搭載最新的處理器，硬盤(pán)數(shù)據(jù)寬帶功能大幅度提升，計(jì)算處理方面功能更具優(yōu)勢(shì)，符合井下動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)和預(yù)警的功能。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警功能組設(shè)計(jì)

煤礦掘進(jìn)面正式工作過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)揮關(guān)鍵的作用。其關(guān)鍵性作用在于發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生異常狀況，及時(shí)發(fā)送警報(bào)信號(hào)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)廣播將相關(guān)信號(hào)擴(kuò)大，第一時(shí)間可終止現(xiàn)場(chǎng)違規(guī)作業(yè)，為現(xiàn)場(chǎng)管理人員提供警示，及時(shí)采取有效的管理策略，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工作實(shí)施的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化?，F(xiàn)場(chǎng)報(bào)警功能組主要涵蓋廣播主機(jī)、音響。廣播主機(jī)發(fā)出井下聲光報(bào)警，其接收計(jì)算機(jī)內(nèi)部相關(guān)數(shù)據(jù)信息，充分完成相應(yīng)的解碼處理，進(jìn)行聲光報(bào)警信號(hào)發(fā)送；音響主要是將上述相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)進(jìn)行傳輸及擴(kuò)展，實(shí)際應(yīng)用原理為將其有效放大處理，最終高質(zhì)量完成輸出。

1.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示功能組設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)設(shè)備選擇應(yīng)綜合性考量設(shè)備實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性，實(shí)際操作便捷，且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全可靠。浪潮AS530N存儲(chǔ)系統(tǒng)在符合實(shí)際需求的基礎(chǔ)上，自身性價(jià)比較高，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良，其特征如下。

第一，合理、靈活規(guī)劃設(shè)計(jì)。該存儲(chǔ)設(shè)備具有多元化的功能，可充分銜接相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一性存儲(chǔ)及內(nèi)部數(shù)據(jù)共享的基本要求，可充分依托一個(gè)平臺(tái)完成多種協(xié)議的接入。

第二，更具擴(kuò)展性。系統(tǒng)可結(jié)合內(nèi)部業(yè)務(wù)實(shí)際需求，持續(xù)性完成自身功能擴(kuò)展，動(dòng)態(tài)化提供監(jiān)控硬盤(pán)升級(jí)方案，從源頭減少內(nèi)部信息泄露風(fēng)險(xiǎn)，充分與RAID技術(shù)有效融合，保證內(nèi)部數(shù)據(jù)信息可靠性的基礎(chǔ)上，降低整個(gè)用戶實(shí)際應(yīng)用成本支出。

第三，數(shù)據(jù)保障。全方位對(duì)電源做好支持，可自動(dòng)切換和故障電源更換，避免單電源異常發(fā)生故障狀況下，系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)設(shè)施終止工作，該系統(tǒng)維護(hù)操作較為便捷和簡(jiǎn)易，并保證受外界因素影響處于斷電狀態(tài)，仍可保持一段時(shí)間工作，以免突然發(fā)生斷電造成內(nèi)部數(shù)據(jù)丟失。

2 智能監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)

積極研發(fā)掘進(jìn)作業(yè)智能監(jiān)測(cè)和安全預(yù)警系統(tǒng)，核心任務(wù)目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)井下掘進(jìn)工作中各環(huán)節(jié)工作的自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)，提高掘進(jìn)工作面監(jiān)測(cè)和預(yù)警智能化水平，其實(shí)際軟件的開(kāi)發(fā)包含以下幾方面。

2.1 圖像采集模塊

AVICap 是一個(gè)窗口類軟件，其可實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，通過(guò)對(duì)視頻信息做好操控，及時(shí)捕捉單幀圖像，工作效率較高，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，通過(guò)該模塊對(duì)視頻信息做好動(dòng)態(tài)化操控，可獲取相應(yīng)的圖像信息。圖像采集主要包含三大環(huán)節(jié)，增設(shè)相應(yīng)視頻捕捉參數(shù)，并將其與實(shí)際顯示模塊相銜接，開(kāi)啟視頻捕捉后，圖像采集主要是提供相應(yīng)的接口程序；獲取相關(guān)系統(tǒng)可及時(shí)掌握設(shè)備并實(shí)時(shí)調(diào)取相應(yīng)的視頻窗口，嚴(yán)格以監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)劃分，對(duì)不同監(jiān)測(cè)預(yù)警功能捕捉相應(yīng)的圖像；判定視頻流是否正常，圖像捕捉完成后處理分析作為核心，應(yīng)確保整個(gè)視頻流處于常規(guī)下完成整個(gè)信息圖像采集工作，直接提取當(dāng)前凸顯信息。

2.2 圖像預(yù)處理模塊

煤礦井下工作面開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸中傳輸設(shè)備、環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)造成干擾，獲取數(shù)據(jù)無(wú)法直接分析，應(yīng)將其及時(shí)做好轉(zhuǎn)化，需對(duì)其實(shí)施預(yù)處理工作，主要包含以下環(huán)節(jié)。

（1）圖像去噪。數(shù)字圖像在獲取、傳輸和處理中受設(shè)備、環(huán)境的干擾，將其視為圖像噪聲，其不同程度干擾整個(gè)圖像灰度，并降低整個(gè)圖像的質(zhì)量，為減少其對(duì)圖像處理的干擾，應(yīng)及時(shí)篩選圖像干擾信息，保存主要信息。

（2）色彩轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)內(nèi)部不同圖像像素選取位數(shù)可表示不同顏色，為進(jìn)一步提升整個(gè)處理成效，可選取較小內(nèi)存處理器完成圖像處理。

（3）二值化處理。圖像實(shí)際處理中，為凸顯圖像內(nèi)部主要信息，通常建議信息量小、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單的圖像作為處理參考，其可將圖像轉(zhuǎn)變?yōu)楹诎壮上?，更有助于凸顯重要信息，有利于圖像處理。

（4）圖像銳化。為直觀、形象地呈現(xiàn)圖像的相關(guān)信息，應(yīng)重視整個(gè)圖像銳化處理方法，提取圖片中的重要信息［1-2］。

2.3 計(jì)算分析模塊

計(jì)算分析模塊基本工作任務(wù)目標(biāo)為將上述相關(guān)圖片通過(guò)預(yù)處理后，對(duì)其圖片做好精細(xì)化分析，結(jié)合多元化實(shí)際報(bào)警需求，確定與之相匹配的算法，通過(guò)實(shí)際計(jì)算最終結(jié)果與初期計(jì)劃的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，可及時(shí)確定警報(bào)信號(hào)。

首先，超循環(huán)作業(yè)法。充分掌握當(dāng)下實(shí)際預(yù)警系統(tǒng)基本需求，完成各作業(yè)功能模塊設(shè)計(jì)，無(wú)線攝像儀器可動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)整個(gè)井下掘進(jìn)作業(yè)，后臺(tái)服務(wù)器合理選取計(jì)算方法，明確采煤機(jī)初期所在部位，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，明晰其實(shí)際工作開(kāi)采距離，將其與初期相關(guān)參數(shù)比對(duì)，若其實(shí)際超出預(yù)先數(shù)值，后臺(tái)應(yīng)及時(shí)發(fā)送相應(yīng)的報(bào)警指令，相吻合的裝置動(dòng)態(tài)化響應(yīng)，及時(shí)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。

其次，空頂作業(yè)算法實(shí)現(xiàn)。按照監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)實(shí)際需求，對(duì)空頂預(yù)警功能軟件模塊及時(shí)做好設(shè)計(jì)工作，攝像儀及時(shí)將整個(gè)工作面相關(guān)視頻動(dòng)態(tài)化傳輸至控制中心，實(shí)時(shí)捕捉相應(yīng)的移動(dòng)目標(biāo)時(shí)，判定存在空頂作業(yè)狀況，后臺(tái)可傳達(dá)預(yù)警信號(hào)。

最后，皮帶堆煤算法實(shí)現(xiàn)。結(jié)合監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)實(shí)際需求，對(duì)掘進(jìn)工作面皮帶機(jī)堆煤預(yù)警功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，正式監(jiān)測(cè)后上位機(jī)初始化獲取相應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)信息，判定各設(shè)備正常運(yùn)作后，可對(duì)易發(fā)生堆煤區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)化存儲(chǔ)視頻圖像，后臺(tái)服務(wù)軟件按照設(shè)定時(shí)間間隔提取相應(yīng)畫(huà)面，報(bào)警是否存在堆煤現(xiàn)象，報(bào)警過(guò)程中可將相關(guān)信息全部存儲(chǔ)于實(shí)際數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)［3-4］。

2.4 顯示模塊

顯示控制模塊包含兩大單元內(nèi)容，不同單元承擔(dān)的功能不盡相同，按照其監(jiān)測(cè)預(yù)警需求，設(shè)計(jì)上述兩個(gè)單元模塊，自身功能體現(xiàn)在以下方面。

一方面，后臺(tái)服務(wù)程序顯示控制。后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)作為整個(gè)顯示模塊核心組成，核心任務(wù)目標(biāo)是承擔(dān)多個(gè)智能化預(yù)警模塊功能啟動(dòng)、關(guān)閉，全面承擔(dān)監(jiān)測(cè)模塊現(xiàn)場(chǎng)圖像采集設(shè)備、報(bào)警設(shè)備工作基礎(chǔ)性信息。后臺(tái)服務(wù)軟件核心目標(biāo)控制煤礦井下作業(yè)報(bào)警，后臺(tái)服務(wù)軟件自動(dòng)化讀取相關(guān)信息時(shí)，應(yīng)始終結(jié)合實(shí)際狀況靈活性調(diào)用監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備，完成通信目標(biāo)。

另一方面，用戶界面軟件顯示控制。該軟件主要服務(wù)主體目標(biāo)為用戶軟件，基本性職責(zé)為客觀、全面顯示現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)視頻圖像和數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)報(bào)警信息，控制圖像實(shí)際采集設(shè)備基本參數(shù)布設(shè)，充分選用該軟件用戶動(dòng)態(tài)化查看不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)相應(yīng)的視頻畫(huà)面。

2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊核心在于完成多方面數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)，應(yīng)積極設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，滿足實(shí)際系統(tǒng)基本需求，上述將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化分析處理后，現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生異常狀況應(yīng)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，并第一時(shí)間將其存儲(chǔ)于整個(gè)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，為后續(xù)各環(huán)節(jié)工作內(nèi)容提供助力，待其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成后，并充分做好相應(yīng)的類型顯示。視頻圖像的存儲(chǔ)、報(bào)警信息存儲(chǔ)基本原理較為相似，攝像儀將現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)按照不同的基本標(biāo)準(zhǔn)合理劃分，將其及時(shí)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，自動(dòng)生成地址信息發(fā)送至大屏顯示單元內(nèi)。

3 掘進(jìn)作業(yè)智能監(jiān)測(cè)和安全預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 項(xiàng)目概況分析

該煤礦實(shí)際面積為61.8km2，地質(zhì)儲(chǔ)量為12.3億t，可采儲(chǔ)量為8.3億t，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察審核，其實(shí)際生產(chǎn)能力為1400萬(wàn)t/年，礦井綜合自動(dòng)化水平較高，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸系統(tǒng)皮帶化、生產(chǎn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制和安全監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化，同時(shí)，煤礦實(shí)際安全、生產(chǎn)及運(yùn)輸均實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)化。當(dāng)下該煤礦增設(shè)相應(yīng)的信息系統(tǒng)，具備較佳的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和傳輸條件，其作業(yè)智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，充分依附該綜合信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

結(jié)合該煤礦工程實(shí)際狀況，分析其掘進(jìn)面工作現(xiàn)狀，增設(shè)預(yù)警和堆煤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人員違規(guī)進(jìn)行破碎機(jī)區(qū)域內(nèi)預(yù)警系統(tǒng)，分別對(duì)各區(qū)別內(nèi)做好預(yù)警工作。一方面，井下設(shè)備應(yīng)用設(shè)計(jì)。煤礦頂部周?chē)苍O(shè)先進(jìn)的攝像機(jī)、廣播設(shè)施，核心任務(wù)目標(biāo)為空頂作業(yè)、超循環(huán)作業(yè)預(yù)測(cè)和報(bào)警工作，動(dòng)態(tài)化掌握相關(guān)信號(hào)，皮帶機(jī)尾部增設(shè)該礦用本安型網(wǎng)絡(luò)攝像儀、廣播、交換機(jī)等，主要用于搭接部位堆煤監(jiān)測(cè)和預(yù)警工作。另一方面，地面設(shè)備應(yīng)用設(shè)計(jì)。地面設(shè)備較多，實(shí)際開(kāi)展井下作業(yè)時(shí)，地面可充分與井下相關(guān)設(shè)備聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化井下作業(yè)監(jiān)測(cè)，將其狀況呈現(xiàn)于大屏上，產(chǎn)生警報(bào)信息，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度人員做以警示，第一時(shí)間采取可靠的措施。通過(guò)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)處于正常運(yùn)行工作狀態(tài)，導(dǎo)出后臺(tái)記錄保存的報(bào)警數(shù)據(jù)，分別對(duì)掘進(jìn)超循環(huán)作業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)、空頂作業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)、皮帶機(jī)堆煤監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)等做好統(tǒng)計(jì)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較佳除塵成效下，8m 內(nèi)超循環(huán)作業(yè)的監(jiān)測(cè)，正式監(jiān)測(cè)過(guò)程中其實(shí)際誤差小于5%，整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)可全方位監(jiān)測(cè)井下各區(qū)域內(nèi)工作狀況，誤報(bào)率處于合理范圍內(nèi)，滿足動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)和預(yù)警的基本要求。對(duì)不同單元模塊應(yīng)用成效進(jìn)行分析，掌握智能監(jiān)測(cè)和安全預(yù)警技術(shù)在整個(gè)煤礦掘進(jìn)面中具有關(guān)鍵的功能［5-6］。

4 結(jié)語(yǔ)

煤礦掘進(jìn)面工作的實(shí)施安全始終作為生命線，隨著掘進(jìn)工作面施工機(jī)械化、自動(dòng)化水平的顯著提升，開(kāi)采過(guò)程中監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)無(wú)法滿足實(shí)際狀況，選用監(jiān)測(cè)和預(yù)警方式滯后，難以符合安全預(yù)警監(jiān)測(cè)需求。因此，應(yīng)積極探索掘進(jìn)工作面智能監(jiān)測(cè)和安全預(yù)警技術(shù)，研制掘進(jìn)工作面智能監(jiān)測(cè)和安全預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)正常掘進(jìn)工作的基礎(chǔ)上，降低人工實(shí)際勞動(dòng)強(qiáng)度。