譚 波教授 朱紅青教授 王海燕教授

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

礦井火災(zāi)是煤炭行業(yè)中的嚴(yán)重災(zāi)害之一。近些年，煤礦內(nèi)因和外因火災(zāi)造成人員傷亡的事故屢見不鮮，如：2019年11月，云南華蓋山煤礦因氣焊作業(yè)引發(fā)火災(zāi)事故，造成8人受傷[1]；2020年9月，重慶松藻煤礦因膠帶起火導(dǎo)致礦井火災(zāi)，造成16人死亡、42人受傷[2]；同年12月，重慶吊水洞煤礦井下回收設(shè)備時(shí)發(fā)生重大火災(zāi)事故，造成23人死亡、1人重傷[2]；2021年1月，貴州瑞豐煤礦因長(zhǎng)時(shí)間空鉆引起煤自燃事故，造成3人窒息死亡、1人受傷[3]。礦井火災(zāi)事故的發(fā)生不僅嚴(yán)重制約著高產(chǎn)高效礦井建設(shè)，還對(duì)社會(huì)造成惡劣影響。如何有效遏制礦井火災(zāi)的發(fā)生，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)礦井火災(zāi)防控的智能化。礦井發(fā)生火災(zāi)時(shí)，溫度、氣體濃度、煙霧、光強(qiáng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度等物理參數(shù)都會(huì)發(fā)生變化，許多科研工作者基于此研發(fā)了監(jiān)測(cè)這些物理參數(shù)變化的方法和技術(shù)[4-10]。隨著通信網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展，高新技術(shù)與傳統(tǒng)的技術(shù)裝備和管理融合已成為煤礦發(fā)展的重要趨勢(shì)[11-12]，許多學(xué)者因此相繼提出智慧礦山的概念并研究其實(shí)現(xiàn)和發(fā)展途徑[13-17]。礦井火災(zāi)智能防控作為智慧礦山建設(shè)的子系統(tǒng)[17]，也因此得到一定發(fā)展。然而，現(xiàn)階段智慧礦山的建設(shè)主要集中在煤礦智能化開采方面[18]，而有關(guān)礦井火災(zāi)智能防控的具體建設(shè)還缺乏詳細(xì)的探討和落實(shí)，許多煤礦在礦井火災(zāi)防控方面仍面臨智能化程度較低、管理智慧化缺乏、架構(gòu)專業(yè)性不強(qiáng)的問題。

礦井火災(zāi)智能防控的目標(biāo)是構(gòu)建智慧安全管理、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的感知平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)日常管理、監(jiān)測(cè)預(yù)警、災(zāi)變處置和應(yīng)急管理等方面業(yè)務(wù)的全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、協(xié)同控制?；诖?，本文研究礦井空間火災(zāi)防控智能化結(jié)構(gòu)體系，圍繞“監(jiān)測(cè)—預(yù)測(cè)預(yù)警—智能防火—應(yīng)急處置—火區(qū)管理”，提出一些關(guān)鍵技術(shù)，以期有效梳理礦井火災(zāi)智能防控的工作思路，促使礦井火災(zāi)智能防控技術(shù)發(fā)展，為礦井生產(chǎn)安全提供有力保障。

1 政策背景

煤礦智能化是新時(shí)代煤炭行業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路，是支撐我國(guó)未來煤炭行業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型的核心技術(shù)[16]。為加快煤礦智能化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)、安全保障、生態(tài)保護(hù)、生產(chǎn)管理等全過程智能化運(yùn)行，近些年政府有關(guān)部門出臺(tái)一系列與煤礦智能化相關(guān)的政策文件，如圖1。

圖1 政策背景時(shí)間軸

作為煤礦智能化系統(tǒng)建設(shè)的子系統(tǒng)[17]，礦井火災(zāi)防控智能化建設(shè)也在諸多政策中有明確指示。在國(guó)家層面，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局2016年4月頒布《能源技術(shù)革命領(lǐng)導(dǎo)創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016-2030)》首次提出“提升煤炭開發(fā)效率和智能化水平”的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。2020年2月，國(guó)家發(fā)改委等八部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確到2035年煤礦智能化的發(fā)展總目標(biāo)和主要任務(wù)。之后，國(guó)家能源局、國(guó)家礦山安全監(jiān)察局在礦井智能安全監(jiān)控系統(tǒng)方面做出詳細(xì)的指示，在2021年6月份發(fā)布的《智能化煤礦建設(shè)指南(2021年版)》和12月頒布的《智能化示范煤礦驗(yàn)收管理辦法(試行)》中提出：智能煤礦要實(shí)現(xiàn)“火災(zāi)參數(shù)的智能監(jiān)測(cè)、分析，并根據(jù)分析處理結(jié)果進(jìn)行智能預(yù)測(cè)、預(yù)警及聯(lián)動(dòng)控制”。

在省級(jí)層面，各省針對(duì)省內(nèi)煤礦智能化的現(xiàn)有基礎(chǔ)，分階段對(duì)煤礦智能化建設(shè)做出具體要求。如：山西省2020年5月制定《山西省煤礦智能化建設(shè)實(shí)施意見》，提出到2030年類煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化，全省建成智能感知、智能決策、自動(dòng)執(zhí)行的煤礦智能化體系；陜西省2021年4月制定《陜西省煤礦智能化建設(shè)指南(試行)》，提出省內(nèi)煤礦應(yīng)盡快構(gòu)建業(yè)務(wù)集成、數(shù)據(jù)共享、智能分析的管控一體化安全生產(chǎn)信息共享平臺(tái)；內(nèi)蒙古2020年6月九部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快全區(qū)煤礦智能化建設(shè)的實(shí)施意見》，提出到2035年全面建成以智能煤礦為支撐的煤炭工業(yè)體系，實(shí)現(xiàn)各類煤礦智能化；寧夏2020年8月多部門聯(lián)合印發(fā)《煤礦智能化發(fā)展實(shí)施方案》，提出到2035年全區(qū)各類煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化。

礦井火災(zāi)智能防控是將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、智能裝備等與現(xiàn)代煤炭開發(fā)利用深度融合，形成全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的智能火災(zāi)防控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井火災(zāi)防控過程的智能化運(yùn)行。只有實(shí)現(xiàn)礦井火災(zāi)防控智能化，才能快速、高效、便捷地阻止礦井火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展，實(shí)現(xiàn)最安全的生產(chǎn)保障。

2 技術(shù)支撐框架

礦井火災(zāi)防治智能化建設(shè)以信息系統(tǒng)(含基礎(chǔ)設(shè)施)為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)安全為保障，以數(shù)據(jù)平臺(tái)為支撐，以火災(zāi)監(jiān)測(cè)監(jiān)控、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、預(yù)防治理、應(yīng)急處置、安全管理各個(gè)業(yè)務(wù)模塊的智能化建設(shè)為主要內(nèi)容，以地下空間火災(zāi)防控為目的，建設(shè)集數(shù)據(jù)采集分析、存儲(chǔ)、火災(zāi)評(píng)估預(yù)警、災(zāi)情趨勢(shì)預(yù)測(cè)、自動(dòng)滅火、應(yīng)急處置輔助等功能于一體的地下空間智能化火災(zāi)防控系統(tǒng)，完成內(nèi)部子系統(tǒng)之間互聯(lián)互通、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析和預(yù)測(cè)預(yù)警、災(zāi)情響應(yīng)和聯(lián)動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)礦井火災(zāi)“預(yù)測(cè)—預(yù)警—防控—應(yīng)急處置—管理”的全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)地下空間火災(zāi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)“集成化”、要素展現(xiàn)“可視化”、評(píng)估預(yù)警“智能化”和操作軟件“平臺(tái)化”。

在煤礦智能化建設(shè)背景下，為加速推動(dòng)煤礦火災(zāi)智能化防控系統(tǒng)的建設(shè)，筆者基于對(duì)火災(zāi)監(jiān)測(cè)監(jiān)控、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、預(yù)防治理、應(yīng)急處置、安全管理各個(gè)業(yè)務(wù)模塊智能化建設(shè)的構(gòu)想，借助人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、智能裝備等現(xiàn)代技術(shù)，從感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層4個(gè)層面實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)關(guān)鍵業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行智能化建設(shè)，具體架構(gòu)體系，如圖2。

圖2 礦井火災(zāi)智能防控系統(tǒng)總體架構(gòu)

(1)感知層：基于井下火災(zāi)可能出現(xiàn)的各類物理參量進(jìn)行探測(cè)感知，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)各種傳感器的接入，以及Zigbee、Lora等自組網(wǎng)通信、計(jì)算等資源共享，在源端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融通和邊緣智能。

(2)網(wǎng)絡(luò)層：以5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐，通過已有或重新架設(shè)地下空間無線/有線專網(wǎng)和終端信道，實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，滿足地下空間火災(zāi)防控體系的發(fā)展需要。

(3)平臺(tái)層：構(gòu)建歸口管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模終端統(tǒng)一管理；通過建設(shè)地下空間火災(zāi)智能防控?cái)?shù)據(jù)信息中心和擴(kuò)充研究該數(shù)據(jù)中心與其他信息系統(tǒng)平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)互通接口，以促進(jìn)多維火災(zāi)災(zāi)害信息的融合，并提升數(shù)據(jù)的高效處理和協(xié)同能力。

(4)應(yīng)用層：以智能信息處理系統(tǒng)反饋的前端數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以服務(wù)地下空間生態(tài)安全為目標(biāo)，促進(jìn)地下空間火災(zāi)防控能力提升，實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性的惰性氣體、漿液、泡沫、封堵等內(nèi)因火災(zāi)滅火體系和惰性氣體、氣溶膠、干粉、水霧及風(fēng)流控制等外因火災(zāi)滅火體系以及領(lǐng)導(dǎo)和部門應(yīng)用端的統(tǒng)一物聯(lián)管理，促進(jìn)地下空間火災(zāi)防控業(yè)務(wù)的協(xié)同控制、智能處理。

如圖2所示的架構(gòu)體系實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、預(yù)防治理、應(yīng)急處置、安全管理各模塊智能化建設(shè)，那么各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)智能化所需解決的關(guān)鍵技術(shù)，就成為整個(gè)體系架構(gòu)的關(guān)鍵所在。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 監(jiān)測(cè)監(jiān)控

礦井火災(zāi)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控包括煤炭自然發(fā)火監(jiān)測(cè)和外因火災(zāi)監(jiān)控，近些年根據(jù)礦井火災(zāi)發(fā)生時(shí)可能出現(xiàn)的氣體、溫度、聲音、光強(qiáng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度等物理參量的異常，科研工作者對(duì)此進(jìn)行深入研究[4-7]。然而礦井火災(zāi)屬于耦合災(zāi)害，其致災(zāi)機(jī)理尚不明晰，導(dǎo)致礦井火災(zāi)的預(yù)防和控制時(shí)常出現(xiàn)困境[19]；根據(jù)《煤礦防滅火細(xì)則》規(guī)定，煤礦井下需要監(jiān)測(cè)區(qū)域的范圍大，由于不同區(qū)域火災(zāi)危險(xiǎn)性不同，井下需配置的傳感器類型多種多樣，傳感器的布局容易產(chǎn)生不合理的現(xiàn)象；另外，目前礦用傳感器大多是溫度、氣體、煙霧等傳感器[5-6]，而缺少圖像識(shí)別、光強(qiáng)、聲等監(jiān)測(cè)設(shè)備，難以實(shí)現(xiàn)礦井火災(zāi)的全方位感知。因此，結(jié)合以上問題，可在以下幾方面開展煤礦井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控的研究。

(1)致災(zāi)機(jī)理研究。研究各類型煤礦井下的空間特征，根據(jù)典型火災(zāi)事故調(diào)查數(shù)據(jù)，建立火災(zāi)數(shù)據(jù)庫(kù)；研究典型礦井火災(zāi)可燃物的燃燒特性與特征信息；分析典型礦井火災(zāi)在多因素耦合作用下的時(shí)空演化規(guī)律，得出災(zāi)變進(jìn)程中的階段劃分方法、各階段的典型特征以及不同階段轉(zhuǎn)變的臨界條件等。通過以上研究明晰典型礦井火災(zāi)特征參數(shù)變化規(guī)律，揭示典型礦井火災(zāi)的致災(zāi)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)演化機(jī)制。

(2)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的布置方式優(yōu)化。綜合考慮煤礦防火區(qū)域的空間特性、地質(zhì)條件、煤質(zhì)特征、燃燒物特性、采動(dòng)影響等因素，明確監(jiān)測(cè)地點(diǎn)及監(jiān)測(cè)內(nèi)容；針對(duì)不同類型的火災(zāi)，研究其演化特征及趨勢(shì)；通過研究傳感器的有效連接、科學(xué)布陣及合理的組合方式，完成設(shè)備、系統(tǒng)和空間跨越，提出典型場(chǎng)所傳感器數(shù)量、間隔、角度等參數(shù)的布置方法。

(3)傳感器偏差自動(dòng)診斷及自動(dòng)矯正技術(shù)研究。井下環(huán)境具有高濕、污染物較多的特點(diǎn)，不僅容易造成傳感器測(cè)量誤差或損壞，而且井下傳感器數(shù)量眾多，維護(hù)校定工作量大，這不利于礦井火災(zāi)智能防控的實(shí)現(xiàn)。因此有必要研究傳感器偏差智能診斷方法及技術(shù)，并基于此技術(shù)開發(fā)相應(yīng)的傳感器偏差自動(dòng)矯正技術(shù)產(chǎn)品。

(4)新型的傳感器研發(fā)及應(yīng)用。井下甲烷傳感器由電化學(xué)方式、紅外式發(fā)展到激光式，傳感器穩(wěn)定性、可靠性、準(zhǔn)確性得到有效提升；溫度傳感器由接觸式發(fā)展為非接觸式(紅外測(cè)溫和紅外熱成像)，由點(diǎn)測(cè)溫發(fā)展至線測(cè)溫(分布式光纖)再到面測(cè)溫(熱成像)。在未來有必要研究火災(zāi)圖像、聲音識(shí)別技術(shù)，并研發(fā)新型傳感器，實(shí)現(xiàn)礦井火災(zāi)參量全維度智能化探知。

3.2 預(yù)測(cè)預(yù)警

礦井火災(zāi)的預(yù)測(cè)預(yù)警在防控礦井火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展中具有重要作用。通過對(duì)致災(zāi)因子進(jìn)行持續(xù)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)，一些學(xué)者通過建立礦井火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型[20]，定量評(píng)價(jià)礦井火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)；也有一些學(xué)者通過建立指標(biāo)體系、統(tǒng)計(jì)分析和引入智能算法實(shí)現(xiàn)礦井火災(zāi)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)[8，10，21]。然而這些研究主要側(cè)重于礦井火災(zāi)的評(píng)估和預(yù)警，很少研究礦井火災(zāi)如煤自燃的自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值，而這也是《煤礦防滅火細(xì)則》所要求的。并且，在智能化、智慧化的大背景下，合理利用智慧平臺(tái)技術(shù)的研究還比較少，相比于傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)預(yù)警方法，采用智能化技術(shù)快速識(shí)別、分析火災(zāi)信息，預(yù)測(cè)煤礦火災(zāi)可能造成的損失和對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級(jí)預(yù)警，對(duì)煤礦火災(zāi)防控具有相當(dāng)大的價(jià)值。因此，結(jié)合以上問題，可在以下幾個(gè)方面展開預(yù)測(cè)預(yù)警過程的研究。

(1)預(yù)警指標(biāo)與閾值研究。研究溫度、濕度、氣體濃度、光波、聲波、煙氣等數(shù)據(jù)信息在時(shí)間和空間上的變化，遴選表征礦井火災(zāi)特征的監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)，確定關(guān)鍵指標(biāo)演化規(guī)律的預(yù)測(cè)模型；研究超前感知典型火災(zāi)指標(biāo)信號(hào)的響應(yīng)閾值，建立多特征指標(biāo)閾值優(yōu)選方法，研發(fā)適用于礦井火災(zāi)的多元信號(hào)融合監(jiān)測(cè)模式；研究典型場(chǎng)所工作環(huán)境溫濕度、風(fēng)量、壓力等對(duì)火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警可靠性和準(zhǔn)確性的影響，建立火災(zāi)特征監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)參數(shù)優(yōu)化函數(shù)。

(2)火災(zāi)快速分析技術(shù)研究?；诙嘀悄荏w廣域自主透徹感知理論，研究一體化礦井火災(zāi)信息感知、快速分析與智能識(shí)別技術(shù)，進(jìn)而以射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議為基礎(chǔ)，研究無源無線火災(zāi)監(jiān)測(cè)技術(shù)，并開展基于視覺處理單元/數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(Graphics Processing Unit/Digital Signal Processing，GPU/DSP)高速計(jì)算單元的災(zāi)情邊緣計(jì)算技術(shù)研究；構(gòu)建融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的分布式開放平臺(tái)，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)分析過程，通過就近對(duì)礦井火災(zāi)災(zāi)情信息提供邊緣智能分析服務(wù)，為礦井火災(zāi)防治業(yè)務(wù)提供初級(jí)決策，提高火災(zāi)災(zāi)情的診斷分析效率。

(3)火災(zāi)損失預(yù)測(cè)技術(shù)研究。通過構(gòu)建典型火災(zāi)事故損失模型，研究礦井火災(zāi)災(zāi)情態(tài)勢(shì)圖與三維可視化演示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)典型礦井火災(zāi)災(zāi)情的全景分析和現(xiàn)場(chǎng)智能聯(lián)動(dòng)的感知、態(tài)勢(shì)分析，進(jìn)而預(yù)測(cè)災(zāi)害的波及范圍及可能造成的二次災(zāi)害，為后續(xù)決策信息提供依據(jù)和參考。

(4)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)警方法研究。研究礦井火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)確定方法和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)；研究基于網(wǎng)絡(luò)空間體系化建模理論與方法的礦井火災(zāi)多尺度預(yù)警算法；提出典型礦井火災(zāi)災(zāi)情預(yù)警模型，掌握基于多源數(shù)據(jù)的災(zāi)情動(dòng)態(tài)預(yù)警評(píng)估技術(shù)，提升預(yù)警的科學(xué)性，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)災(zāi)變動(dòng)態(tài)化的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、綜合協(xié)同、分級(jí)優(yōu)先、分類派送、智能聯(lián)動(dòng)預(yù)警管理信息系統(tǒng)。

3.3 防火技術(shù)

《煤礦防滅火細(xì)則》的防火技術(shù)部分主要規(guī)定了注漿防火技術(shù)、惰性氣體防火技術(shù)、均壓防火技術(shù)、密閉防火技術(shù)及其他技術(shù)要求。在以往的研究中，防滅火技術(shù)的應(yīng)用有預(yù)防式和滅火式[22]，一旦火情發(fā)生，防滅火技術(shù)使用的時(shí)機(jī)往往需要經(jīng)驗(yàn)判斷或理論推演。然而，在智慧礦山建設(shè)的背景下，礦井火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警與防滅火技術(shù)如何產(chǎn)生智能聯(lián)動(dòng)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)兩者之間相互關(guān)聯(lián)，信息和動(dòng)作同步，如何建立火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，構(gòu)建快速滅火技術(shù)立體防護(hù)方法，如何建立高適應(yīng)性的內(nèi)、外因火災(zāi)滅火體系，采取恰當(dāng)?shù)奶幹梅绞降?，只有解決這些問題，才能實(shí)現(xiàn)礦井防火智能化。結(jié)合以上問題，可在以下幾方面展開智能化防滅火技術(shù)的研究。

(1)防滅火系統(tǒng)智能聯(lián)動(dòng)與控制研究。研發(fā)注惰、注漿、氣霧、干粉及風(fēng)流控制等系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的智能聯(lián)動(dòng)和自動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)與裝備。當(dāng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)礦用電纜等電氣設(shè)備、壓風(fēng)機(jī)房、采空區(qū)等設(shè)備或場(chǎng)所出現(xiàn)火情時(shí)，及時(shí)聯(lián)動(dòng)，智能響應(yīng)防滅火系統(tǒng)進(jìn)行處理。

(2)防滅火注氮注漿智能調(diào)控裝置開發(fā)。針對(duì)防滅火最常用的注氮與注漿技術(shù)，開發(fā)相應(yīng)的在線計(jì)量與自動(dòng)調(diào)控裝置，實(shí)現(xiàn)氮?dú)鉂舛?、氮?dú)饬髁亢妥{流量在線精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)；開發(fā)自動(dòng)調(diào)節(jié)注漿與注氮流量的長(zhǎng)距離精準(zhǔn)智能注惰防滅火系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)防滅火工程的精準(zhǔn)施工。

(3)自動(dòng)均壓防滅火系統(tǒng)研究。根據(jù)均壓技術(shù)的特點(diǎn)開發(fā)自動(dòng)均壓防滅火系統(tǒng)，研究漏風(fēng)通道與工作區(qū)之間風(fēng)壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)與平衡技術(shù)，減少漏風(fēng)量并確定調(diào)壓冗余度。以巷道進(jìn)出風(fēng)速、進(jìn)風(fēng)風(fēng)門內(nèi)外壓差、一氧化碳濃度等數(shù)據(jù)，研究變頻器輸出頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)，通過自動(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓和風(fēng)量的動(dòng)態(tài)平衡控制。

(4)皮帶巷、壓風(fēng)機(jī)房等自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)。針對(duì)煤礦帶式輸送機(jī)在運(yùn)輸過程中可能會(huì)因托輥轉(zhuǎn)動(dòng)失靈或皮帶跑偏相互摩擦發(fā)熱而引發(fā)火災(zāi)的現(xiàn)象，研究皮帶煙氣的產(chǎn)生機(jī)理及其與溫度的關(guān)系，進(jìn)而研發(fā)基于光纖測(cè)溫技術(shù)的皮帶巷自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巷道環(huán)境溫度、軸承溫度、煙霧信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警斷電，自動(dòng)滅火。

(5)防滅火信息智能管理與“一張圖”在線展示系統(tǒng)開發(fā)。建立防滅火智能信息管理系統(tǒng)，通過研究采空區(qū)災(zāi)害數(shù)據(jù)的全自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法、防滅火注氮注漿計(jì)量的自動(dòng)調(diào)控方法、均壓防滅火技術(shù)的自動(dòng)均壓以及日常管理過程中的工程設(shè)計(jì)信息的全作業(yè)鏈信息化管理方法，開發(fā)“防滅火一張圖”在線展示系統(tǒng)，將各監(jiān)測(cè)指標(biāo)與工程施工信息在圖中進(jìn)行互動(dòng)展示，為智能預(yù)警與輔助調(diào)控奠定基礎(chǔ)。

3.4 應(yīng)急處置

在應(yīng)對(duì)突發(fā)的火災(zāi)事故時(shí)，有效的應(yīng)急處置措施至關(guān)重要。目前的應(yīng)急措施主要來源于預(yù)先編制的應(yīng)急預(yù)案，而礦山地質(zhì)條件復(fù)雜多變，生產(chǎn)環(huán)境封閉，危險(xiǎn)源相態(tài)復(fù)雜，突發(fā)事件一旦發(fā)生，存在應(yīng)急響應(yīng)滯后的情況，甚至難以實(shí)現(xiàn)應(yīng)急決策。雖然可視化情景構(gòu)建技術(shù)近些年在一些生產(chǎn)領(lǐng)域有所應(yīng)用[23]，但是在煤礦礦井火災(zāi)領(lǐng)域應(yīng)用較少，同時(shí)也很少實(shí)現(xiàn)礦井火災(zāi)事故智能應(yīng)急救援、智能化輔助決策、突發(fā)事件及其應(yīng)急處理過程重現(xiàn)、圖像空間證據(jù)搜索、多維度統(tǒng)計(jì)分析等。結(jié)合以上思考，可在以下幾個(gè)方面展開智慧應(yīng)急處置技術(shù)的研究。

(1)礦井火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案和決策知識(shí)庫(kù)開發(fā)。開發(fā)礦井火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案和決策知識(shí)庫(kù)，根據(jù)礦井火災(zāi)評(píng)估和預(yù)警結(jié)果，獲取對(duì)應(yīng)火災(zāi)類型應(yīng)急處置所需的人力、關(guān)鍵設(shè)備和時(shí)間等策略信息；通過對(duì)多元數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，基于結(jié)構(gòu)相似度和屬性相似度進(jìn)行情景匹配與推理決策，自動(dòng)生成事故應(yīng)急決策方案，并實(shí)行分級(jí)響應(yīng)與應(yīng)急處置。

(2)應(yīng)急救援關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究。研究煤火立體蔓延影響因素及空間致災(zāi)特點(diǎn)，結(jié)合災(zāi)害數(shù)據(jù)的融合處理結(jié)果及應(yīng)急救災(zāi)經(jīng)驗(yàn)，建立典型煤火快速救援方法；研發(fā)阻化高位煤火復(fù)燃復(fù)合型防滅火新材料，研究防滅火材料的高效封堵、隔熱及微觀阻化特質(zhì)；研究滅火救援現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)動(dòng)態(tài)智能感知、基于多源信息融合的可視化指揮調(diào)度與決策設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)。

(3)應(yīng)急救援訓(xùn)練智能化研究。從應(yīng)急救援隊(duì)員的能(應(yīng)急處置技能)、勤(日常訓(xùn)練)和體(身體素質(zhì))3個(gè)方面入手研究智能化應(yīng)急救援訓(xùn)練，構(gòu)建應(yīng)急救援隊(duì)員戰(zhàn)前、戰(zhàn)中和戰(zhàn)后應(yīng)急能力評(píng)測(cè)模型，制定身體素質(zhì)測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)、日常訓(xùn)練測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)、技能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)急演練(救援)測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)；研發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)及裝備和知識(shí)培訓(xùn)課程，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)、操作規(guī)程和案例等一體化培訓(xùn)；基于煤礦作業(yè)人員不安全行為、軌跡、生理心理、設(shè)備設(shè)施狀態(tài)等泛場(chǎng)景數(shù)據(jù)及監(jiān)管監(jiān)察政務(wù)平臺(tái)，構(gòu)建多源數(shù)據(jù)融合的礦井本質(zhì)化智能應(yīng)急管理與指揮平臺(tái)。

(4)避災(zāi)路線規(guī)劃研究。研究礦井火災(zāi)時(shí)期人員逃生環(huán)境危險(xiǎn)性指標(biāo)體系；研究火災(zāi)期間人員逃生的緊急性和環(huán)境危險(xiǎn)性，建立人員逃生最優(yōu)路徑選擇模型；基于人員逃生環(huán)境危險(xiǎn)性指標(biāo)體系與逃生最優(yōu)路徑選擇模型搭建避災(zāi)路線規(guī)劃系統(tǒng)，火災(zāi)發(fā)生后即時(shí)分析火災(zāi)情況并聯(lián)動(dòng)聲光信號(hào)提供避災(zāi)路線指引。

(5)模擬仿真與物證溯源技術(shù)研究?；?G、大數(shù)據(jù)、人工智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)，結(jié)合典型重大事故隱患監(jiān)測(cè)信息，區(qū)域應(yīng)急救援裝備、物資、隊(duì)伍應(yīng)急能力與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，研發(fā)礦井火災(zāi)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬仿真與快速智能重構(gòu)平臺(tái)；研究火災(zāi)爆炸產(chǎn)物痕跡微觀與宏觀結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，構(gòu)建火災(zāi)爆炸物證溯源數(shù)據(jù)庫(kù)，研發(fā)煤礦火災(zāi)爆炸事故物證智能匹配溯源分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦火災(zāi)爆炸事故調(diào)查科學(xué)化。

3.5 火區(qū)管理

當(dāng)?shù)V井火災(zāi)發(fā)生后，若不能進(jìn)行直接滅火，或者直接滅火難以達(dá)到理想效果時(shí)，火區(qū)的封閉、監(jiān)測(cè)和火勢(shì)研判主要依賴于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員，但由于火區(qū)封閉復(fù)雜的火源燃燒狀態(tài)和環(huán)境條件，加上取樣分析時(shí)間、數(shù)據(jù)誤差和技術(shù)限制等因素，使得火區(qū)火勢(shì)分析更加困難，一旦判斷失誤啟封或者封閉，會(huì)造成火勢(shì)加劇甚至引起爆炸，威脅人員生命安全[24]。因此，火區(qū)管理應(yīng)結(jié)合智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)火區(qū)進(jìn)行全方位、全周期、全天候、無死角的精確掌控，實(shí)現(xiàn)從“治理”到“智理”，賦能煤礦火區(qū)智能管控。結(jié)合以上要求，可在以下幾個(gè)方面展開火區(qū)智能管理技術(shù)的研究。

(1)火區(qū)信息管理系統(tǒng)研究。研究火區(qū)位置關(guān)系可視化技術(shù)，開發(fā)火區(qū)管理卡片信息化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)火區(qū)的邊界、防火密閉墻位置、歷次發(fā)火點(diǎn)的位置、漏風(fēng)路線、防滅火系統(tǒng)布置、火區(qū)編號(hào)、火區(qū)名稱及發(fā)火時(shí)間等基本信息的無線實(shí)時(shí)更新；能夠?qū)崟r(shí)調(diào)取、更新、歸檔保存火區(qū)基本情況登記表、火區(qū)事故報(bào)告表、火區(qū)灌注滅火材料記錄表及防火墻觀測(cè)記錄表；實(shí)現(xiàn)火區(qū)日常管理過程中的工程信息、火災(zāi)信息等全作業(yè)鏈信息化管理。

(2)火區(qū)自動(dòng)封閉聯(lián)動(dòng)控制研究。研究不同類型礦井火災(zāi)火區(qū)封閉要求及封閉措施，研究火區(qū)封閉順序，研發(fā)監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與火區(qū)自動(dòng)封閉控制的聯(lián)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)封閉區(qū)火災(zāi)、瓦斯爆炸危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)識(shí)別等，自動(dòng)分析評(píng)估火區(qū)封閉效果并生成記錄，及時(shí)聯(lián)動(dòng)控制封閉火區(qū)。

(3)火區(qū)封閉狀態(tài)分析研究。集成高精度CO、CO2、CH4、O2等氣體傳感器、溫度傳感器、壓差傳感器和高清攝像頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)火區(qū)封閉情況進(jìn)行全自動(dòng)檢測(cè)和實(shí)時(shí)無線上傳；實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)火區(qū)內(nèi)空氣溫度、氧氣濃度、危險(xiǎn)氣體濃度、出水溫度等指標(biāo)；研究礦井封閉火區(qū)發(fā)生及演化的特征信息及其趨勢(shì)特性，綜合采用感溫、壓差和氣體等探測(cè)技術(shù)，研究不同類型探測(cè)器組合、排布、連接和數(shù)據(jù)信息傳遞方式，完成設(shè)備、系統(tǒng)和空間跨越；研發(fā)煤礦封閉火區(qū)信息全維感知技術(shù)與裝備，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比判斷，構(gòu)建基于多維數(shù)據(jù)的封閉火區(qū)檢測(cè)方法；基于封閉區(qū)域多參數(shù)時(shí)變規(guī)律，構(gòu)建封閉火區(qū)智慧管控體系。

(4)火區(qū)啟封條件智能判斷處理研究。開發(fā)火區(qū)啟封條件智能判斷處理系統(tǒng)，多參數(shù)多維度分析啟封指標(biāo)達(dá)到啟封要求后自動(dòng)生成啟封申請(qǐng)，上傳取樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)合格后，生成相應(yīng)安全措施；上傳啟封工作報(bào)告或啟封工作計(jì)劃，系統(tǒng)審批檢驗(yàn)合格后聯(lián)動(dòng)火區(qū)自動(dòng)封閉控制裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)火區(qū)的啟封；啟封過程中系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)回風(fēng)流中一氧化碳濃度、甲烷濃度和風(fēng)流溫度，發(fā)現(xiàn)有復(fù)燃現(xiàn)象即停止啟封，重新封閉；系統(tǒng)應(yīng)對(duì)火區(qū)火源位置、發(fā)火原因分析、火區(qū)破壞情況、火災(zāi)后果分析、啟封經(jīng)過、經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)等文件數(shù)據(jù)報(bào)告進(jìn)行自動(dòng)歸檔以供后續(xù)類似事件發(fā)生時(shí)進(jìn)行情景匹配與決策處理。

4 結(jié)論

(1)提出礦井火災(zāi)智能防控概念及建設(shè)目標(biāo)，梳理礦井火災(zāi)防控智能化的構(gòu)建思路，得出礦井火災(zāi)智能化防控需要從“監(jiān)測(cè)—預(yù)測(cè)預(yù)警—防火技術(shù)—應(yīng)急處置—火區(qū)管理”進(jìn)一步深度細(xì)化。

(2)結(jié)合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)技術(shù)，提出礦井火災(zāi)智能防控架構(gòu)體系。以火災(zāi)智能防控為目的，感知?dú)怏w濃度、溫度、聲強(qiáng)、光強(qiáng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度等物理參量為基礎(chǔ)，5G、無線、局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)為橋梁，智能預(yù)測(cè)預(yù)警、災(zāi)情響應(yīng)、聯(lián)動(dòng)控制和智慧管理決策為手段，搭建基于“一張圖”的礦井火災(zāi)智能防控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)地下空間火災(zāi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)“集成化”、要素展現(xiàn)“可視化”、業(yè)務(wù)處置“智能化”和操作軟件“平臺(tái)化”。

(3)基于智慧礦山發(fā)展背景，分析監(jiān)測(cè)監(jiān)控、預(yù)測(cè)預(yù)警、防火技術(shù)、應(yīng)急處置和火區(qū)管理5個(gè)礦井火災(zāi)防控關(guān)鍵環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)，以期為實(shí)現(xiàn)礦井火災(zāi)防控智能化奠定基礎(chǔ)。