智能化礦山建設(shè)背景下的煤礦監(jiān)管監(jiān)察模式

陳小林

（1.中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

國家能源局《智能化示范煤礦驗收管理辦法》（試行）中明確提出了各類煤礦建設(shè)智能礦山的具體要求，包括信息基礎(chǔ)設(shè)施、地質(zhì)保障系統(tǒng)、掘進系統(tǒng)等10 大類，其中信息基礎(chǔ)設(shè)施部分“綜合管控平臺”指標包括了10 項具體要求，其中與數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲有關(guān)的共有4 項。明確規(guī)定礦端安全管控平臺需要具備專業(yè)數(shù)據(jù)采集、集成的數(shù)據(jù)要求，要求必須建立統(tǒng)一的系統(tǒng)接口標準，基于統(tǒng)一I/O 采集服務(wù)設(shè)計與實現(xiàn)。要求能夠?qū)⒌V井監(jiān)測監(jiān)控類系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行類系統(tǒng)、經(jīng)營管理類系統(tǒng)的數(shù)據(jù)全面場景化接入。這些系統(tǒng)功能的建設(shè)與完善，加強了煤礦安全管控及監(jiān)管的技術(shù)手段，不但提升了煤礦現(xiàn)場自身安全管理的能力[1]，也為政府安全監(jiān)管監(jiān)察的智能化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐[2]。為此，在煤礦智能化安全管控平臺建設(shè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國家當前煤礦監(jiān)管監(jiān)察機制[3]，探討基于信息化的煤礦監(jiān)管監(jiān)察模式。

1 煤礦監(jiān)管監(jiān)察現(xiàn)狀

我國煤礦安全監(jiān)管監(jiān)察大致劃分為3 個階段：第1 階段是1949—1977 年，呈現(xiàn)出監(jiān)管與生產(chǎn)智能不分且“生產(chǎn)”遠大于“安全”的特點，煤礦安全事故頻發(fā)且監(jiān)管監(jiān)察工作重視不夠；第2 階段是1978—1998 年，煤礦安全生產(chǎn)有了新局面，但受制于生產(chǎn)和安全職能的不能獨立監(jiān)管，煤礦安全形勢依然嚴峻[4]；第3 階段自1999 年至今，國家先后增設(shè)了煤礦安全監(jiān)察局，組建了國家應(yīng)急管理部，監(jiān)管監(jiān)察趨于獨立，煤礦安全形勢不斷提升?？偨Y(jié)來看，現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)管體制主要呈現(xiàn)垂直管理和屬地管理2 大特征，國家建立了3 級煤礦安全監(jiān)察體制，包括國家煤礦安全監(jiān)察局、省煤礦安全監(jiān)察局和煤礦安全監(jiān)察分局。從地方監(jiān)管上又分為國家、省、市和縣級政府及應(yīng)急廳4 級[5]。地方煤礦安全監(jiān)察局僅受上級部門領(lǐng)導(dǎo)，不受同級政府部門領(lǐng)導(dǎo)，共同實現(xiàn)“國家監(jiān)察，地方監(jiān)管，企業(yè)負責”的大政方針。

在這一監(jiān)管監(jiān)察體制下，國家監(jiān)察機構(gòu)聯(lián)合地方監(jiān)管部門不斷推出了新的監(jiān)管監(jiān)察體制和機制，特別是在信息化和自動化不斷普及的煤礦企業(yè)，強調(diào)利用信息化和自動化手段不斷提高風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急指揮保障、智能決策支持、政務(wù)服務(wù)和輿情引導(dǎo)等應(yīng)急管理能力[6]。應(yīng)急管理業(yè)務(wù)應(yīng)用體系全面覆蓋各類業(yè)務(wù)并在突發(fā)事件的事前、事發(fā)、事中、事后階段發(fā)揮關(guān)鍵支撐作用。煤礦現(xiàn)有安全監(jiān)管監(jiān)察的政策要求也使得監(jiān)管監(jiān)察對煤礦信息化、自動化技術(shù)及系統(tǒng)有了更大的依賴和需求，特別是在監(jiān)管監(jiān)察的實效性和針對性方面都亟需提升。

2 智能化背景下煤礦監(jiān)管監(jiān)察需求

建設(shè)煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，監(jiān)管監(jiān)察部門對轄管范圍內(nèi)的煤礦各類安全生產(chǎn)風(fēng)險進行實時在線監(jiān)測、研判預(yù)警，是新時期下煤礦監(jiān)管監(jiān)察模式提升的主要技術(shù)手段之一[7]，主要有以下幾方面需求：

1）煤礦監(jiān)察深度和力度提升需求。煤礦企業(yè)的各類安全生產(chǎn)風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)均處于孤立狀態(tài)，數(shù)據(jù)綜合利用價值低，如瓦斯、人員、設(shè)備、供電、排水等基于單一指標超限預(yù)警。通過信息化手段，構(gòu)建煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，全方位對屬地范圍內(nèi)的礦井安全狀況進行實時監(jiān)測，對各類風(fēng)險進行分析研判，為煤礦安全生產(chǎn)和監(jiān)察執(zhí)法提供科學(xué)決策減少事故發(fā)生。

2）現(xiàn)有各級安全監(jiān)察機構(gòu)職責明確的需求。通過系統(tǒng)應(yīng)用組織架構(gòu)，日常流程化事務(wù)，構(gòu)建省級礦安全生產(chǎn)風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，明確省級煤礦安全監(jiān)察局、市級應(yīng)急管理局、市級監(jiān)察分局安全監(jiān)察監(jiān)管部門職責及煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)主體責任，提升日常監(jiān)察工作效率。

3）提高企業(yè)應(yīng)急救援響應(yīng)及監(jiān)察層面的救援資源的調(diào)配能力的需求。實現(xiàn)災(zāi)害下應(yīng)急救援過程的流程電子化管理，實時查看應(yīng)急救援預(yù)案、人員逃生路線、應(yīng)急救援物資部署等情況，將應(yīng)急救援信息推送到上級安全監(jiān)察部門，在監(jiān)察層面上進行救援資源的調(diào)配工作。

4）提高省級煤礦安全監(jiān)察標準化及重大風(fēng)險防范化解能力的需求。通過日常安全檢查與信息化監(jiān)察，有效提升對各類安全生產(chǎn)風(fēng)險實時監(jiān)測的準確性、可靠性，提高對煤礦各類風(fēng)險的準確分析研判，有效提升對各類風(fēng)險特別是重大風(fēng)險的防范化解能力，降低煤礦隱患、事故的發(fā)生。

3 煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

從煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險庫建設(shè)、煤礦端安全生產(chǎn)風(fēng)險數(shù)據(jù)接入、煤礦安全生產(chǎn)分析專題和執(zhí)法處置及應(yīng)急救援4 個層面對煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進行設(shè)計，總體架構(gòu)如圖1。

圖1 煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture diagram of coal mine safety production risk monitoring and early warning system

通過煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險庫實現(xiàn)全省各煤礦基礎(chǔ)信息、安全監(jiān)測系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、工業(yè)視頻系統(tǒng)、產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)、安全風(fēng)險與事故隱患管理、圖紙文檔、應(yīng)急救援資源等煤礦風(fēng)險數(shù)據(jù)的集中存儲與分類管理，根據(jù)業(yè)務(wù)特性進行數(shù)據(jù)的壓縮存儲與數(shù)據(jù)還原，針對不同應(yīng)用需求提供業(yè)務(wù)邏輯支持[8]。

在此基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)集成管理、重大風(fēng)險專題研判，最終構(gòu)建煤礦安全風(fēng)險指標體系與評估模型及領(lǐng)導(dǎo)看板，綜合煤礦各類安全指標數(shù)據(jù)，構(gòu)建煤礦安全風(fēng)險指標體系，按風(fēng)險監(jiān)測值、持續(xù)時間及異動變化率進行風(fēng)險等級實時計算，基于權(quán)重綜合煤礦各安全風(fēng)險進行綜合指數(shù)計算，實現(xiàn)對礦井安全等級評估。將對煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險監(jiān)測數(shù)據(jù)接入和煤礦安全生產(chǎn)重大風(fēng)險分析、研判進行重點分析。

3.1 安全風(fēng)險監(jiān)測數(shù)據(jù)接入

安全生產(chǎn)風(fēng)險監(jiān)測類數(shù)據(jù)通過礦端數(shù)據(jù)通訊服務(wù)完成各監(jiān)測監(jiān)控類子系統(tǒng)中風(fēng)險監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、處理與上傳[9]，實現(xiàn)煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理，實現(xiàn)實時監(jiān)測類數(shù)據(jù)的管理，實現(xiàn)省級煤礦安全監(jiān)察局、監(jiān)察分局和煤礦3 級應(yīng)急資源管理。在具體執(zhí)行中，可能會遇到3 類數(shù)據(jù)接入的狀況：①建立了本單位的自動化數(shù)據(jù)集成平臺且運轉(zhuǎn)流暢礦井；②建立了本單位的自動化數(shù)據(jù)集成平臺，但系統(tǒng)使用狀況不好的煤礦；③尚未建立本單位的自動化數(shù)據(jù)集成平臺的煤礦。

1）已經(jīng)建立了煤礦自動化數(shù)據(jù)集成平臺，實現(xiàn)了本單位各安全生產(chǎn)風(fēng)險監(jiān)測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，且系統(tǒng)使用正常良好，具備對外數(shù)據(jù)的統(tǒng)一發(fā)布。自動化數(shù)據(jù)集成平臺數(shù)據(jù)集成如圖2。

圖2 自動化數(shù)據(jù)集成平臺數(shù)據(jù)集成Fig.2 Data integration in automated data integration platform

2）建立了單位的自動化數(shù)據(jù)集成平臺，但部分系統(tǒng)尚未進行有效集成，無法有效實現(xiàn)對已經(jīng)集成的系統(tǒng)數(shù)據(jù)的對外發(fā)布。部分數(shù)據(jù)通訊服務(wù)需要通過OPC 或者文本方式直接對各子系統(tǒng)的單獨數(shù)據(jù)集成。部分建設(shè)自動化數(shù)據(jù)集成平臺數(shù)據(jù)集成如圖3。

圖3 部分建設(shè)自動化數(shù)據(jù)集成平臺數(shù)據(jù)集成Fig.3 Part of the data integration in construction automation data integration platform

3）尚未建立單位的自動化數(shù)據(jù)集成平臺的煤礦，數(shù)據(jù)通訊服務(wù)通過OPC 或者文本方式實現(xiàn)對各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，完成數(shù)據(jù)的采集與發(fā)布。自主研發(fā)的子系統(tǒng)需要子系統(tǒng)承建廠家按照標準數(shù)據(jù)協(xié)議及轉(zhuǎn)換要求，完成子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)布。未建成自動化數(shù)據(jù)集成平臺數(shù)據(jù)集成如圖4。

圖4 未建成自動化數(shù)據(jù)集成平臺數(shù)據(jù)集成Fig.4 Data integration without an automated data integration platform

3.2 重大風(fēng)險分析研判

構(gòu)建系列風(fēng)險分析、研判與預(yù)警模型，根據(jù)安全監(jiān)察監(jiān)管要求，以藍、黃、橙、紅4 級風(fēng)險指數(shù)進行分級預(yù)警，包括水災(zāi)、火災(zāi)、瓦斯災(zāi)害、頂板災(zāi)害、粉塵災(zāi)害、設(shè)備安全、人員安全等專題分析，以煤礦采空區(qū)內(nèi)因火災(zāi)風(fēng)險專題為例進行舉例說明。

火災(zāi)專題分析重基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成包括O2、CO、CO2、CH4等氣體實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于煤自燃階段劃分量化煤自燃指標[10]，建立煤自燃預(yù)警體系，確定預(yù)警閾值，確立煤自燃分級預(yù)警方法，實現(xiàn)煤自燃4 級預(yù)警。以藍、黃、橙、紅4 級風(fēng)險指數(shù)對煤火災(zāi)害進行實時監(jiān)管，為煤自燃治理、監(jiān)管監(jiān)察提供有效的技術(shù)支持和依據(jù)。根據(jù)煤氧復(fù)合理論，實驗測試結(jié)果和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，結(jié)合容易自燃煤自燃分級預(yù)警體系，確定選用CO 和O2，O2體積分數(shù)上限取20%，區(qū)間劃分值為12%、15%和18%。總結(jié)以上條件，煤自燃預(yù)警基礎(chǔ)閾值R0可以通過以下條件進行表述：R0滿足以下3 個判斷條件中的任意1 個即可進入預(yù)警等級判定：①判斷條件1：O2體積分數(shù)大于18%且小于20%與CO 體積分數(shù)大于50×10-62 個條件同時滿足；②判斷條件2：O2體積分數(shù)大于15%且小于等于18%與CO 體積分數(shù)大于100×10-62 個條件同時滿足；③判斷條件3：O2體積分數(shù)大于12%且小于等于15%與CO 體積分數(shù)大于200×10-62 個條件同時滿足。

當基礎(chǔ)閾值R0滿足條件時，開始劃分藍色預(yù)警、黃色預(yù)警、橙色預(yù)警、紅色預(yù)警，特征溫度值取特征溫度范圍下限值，對應(yīng)煤自燃階段及預(yù)警值如下：

1）藍色預(yù)警。在基礎(chǔ)閾值R0存在的情況下，判斷CO 體積分數(shù)與O2體積分數(shù)比值是否滿足大于0.003 且小于0.005 的條件，滿足即判斷當前進入藍色預(yù)警。

2）黃色預(yù)警。在基礎(chǔ)閾值R0存在的情況下，判斷CO 體積分數(shù)與O2體積分數(shù)比值是否滿足大于0.005 且小于0.006 的條件，滿足即判斷當前進入黃色預(yù)警。

3）橙色預(yù)警。在基礎(chǔ)閾值R0存在的情況下，判斷C2H4體積分數(shù)值是否滿足大于0 的條件，滿足即判斷當前進入橙色預(yù)警。

4）紅色預(yù)警。在橙色預(yù)警已經(jīng)出現(xiàn)的情況下，判斷判斷C2H2體積分數(shù)值是否滿足大于0 的條件，滿足即判斷當前進入紅色預(yù)警。

4 煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險系統(tǒng)建設(shè)示例

以東部某省為例，對基于煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)管監(jiān)察模式進行驗證，該省煤礦安全監(jiān)察局委托某公司建設(shè)了各煤礦的安全生產(chǎn)信息平臺，實現(xiàn)對轄管5 座礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、數(shù)字工業(yè)視頻的集成，并根據(jù)安全監(jiān)察應(yīng)用需求實現(xiàn)了礦井基礎(chǔ)信息管理、環(huán)境實時監(jiān)測、重大隱患閉環(huán)管理等功能。

基于煤礦現(xiàn)場辨識的安全生產(chǎn)風(fēng)險，梳理需要采集的子系統(tǒng)，劃定監(jiān)管基礎(chǔ)數(shù)據(jù)范圍，專業(yè)子系統(tǒng)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范對數(shù)據(jù)進行發(fā)布并建立加密數(shù)據(jù)傳輸通道?；A(chǔ)配置類信息發(fā)生變化立即上傳，且每日至少上傳1 次，實時變化數(shù)據(jù)和異常信息至少30 s上傳1 次或發(fā)生變化的時候立即上傳。生成的數(shù)據(jù)通過OPC、文本文件、WebApi 等方式發(fā)布，由近端采集系統(tǒng)統(tǒng)一進行采集、校驗、解析、加密傳輸，局端系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后解密存儲至實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。歷史數(shù)據(jù)是各類分析統(tǒng)計的數(shù)據(jù)源，用于進行各類異源結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)存儲和融合分析。實時數(shù)據(jù)用于即時展示和各種異常信息的及時報警和推送。圍繞企業(yè)安全生產(chǎn)風(fēng)險清單庫，對礦領(lǐng)導(dǎo)每日排班與實際下井情況比對分析，環(huán)境傳感器報警值與報警時長模型分析，重點區(qū)域人數(shù)監(jiān)視，重大設(shè)備實時狀態(tài)與檢修情況持續(xù)監(jiān)控，重大隱患情況跟蹤，結(jié)合視頻分析結(jié)果，從各個維度綜合分析研判礦井安全狀態(tài)，及時識別企業(yè)安全生產(chǎn)的異常情況，推送至相關(guān)責任人。

5 結(jié) 語

基于監(jiān)管監(jiān)察需要提出了利用信息化技術(shù)建設(shè)煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的理念，從煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險庫的構(gòu)建、煤礦端安全風(fēng)險數(shù)據(jù)集成、煤礦安全風(fēng)險評估專題和煤礦監(jiān)管監(jiān)察異常分級預(yù)警與處置4 個層級對系統(tǒng)構(gòu)建進行了闡述。重點分析了現(xiàn)有煤礦端安全風(fēng)險數(shù)據(jù)集成的3 種形式，以以煤礦采空區(qū)內(nèi)因火災(zāi)風(fēng)險專題為例對風(fēng)險專題以藍、黃、橙、紅4 級風(fēng)險指數(shù)對重大風(fēng)險專題實時監(jiān)管監(jiān)察模式進行說明。以東部某省為例，對基于煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的信息化、智能化監(jiān)管監(jiān)察模式進行驗證。通過對礦端基礎(chǔ)信息、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、視頻信息的采集，實現(xiàn)了火災(zāi)、瓦斯災(zāi)害、頂板災(zāi)害、人員安全和設(shè)備安全專題風(fēng)險的監(jiān)管監(jiān)察，實現(xiàn)了礦端監(jiān)管監(jiān)察部分功能的遠程實時監(jiān)管和重要安全指標數(shù)據(jù)的鉆取性查詢，大大提高了煤礦安全監(jiān)管監(jiān)察的實時性和針對性。