田曉艦，田曉波

(1.山西焦煤凌志達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 長治 046606；2.山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046100)

0 引 言

隨著煤礦開采技術(shù)的不斷升級，掘進(jìn)工作面的開采技術(shù)與設(shè)備也在不斷的更新迭代。新的設(shè)備與技術(shù)對工作面監(jiān)測提出了新的要求，需對超循環(huán)作業(yè)、人員違規(guī)、皮帶機(jī)堆煤、空頂作業(yè)等進(jìn)行實時監(jiān)測。傳統(tǒng)的監(jiān)測預(yù)警方法大多依賴人工監(jiān)測，具有誤差率高、實時性差、監(jiān)測預(yù)警過于分散等問題，無法達(dá)到工作面監(jiān)測可視化要求，嚴(yán)重影響企業(yè)安全生產(chǎn)，阻礙企業(yè)安全管理。針對這一現(xiàn)狀，筆者提出了掘進(jìn)工作面智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，以期提高加強(qiáng)掘進(jìn)工作面監(jiān)測自動化、智能化，增強(qiáng)企業(yè)生產(chǎn)安全性與可靠性，提高企業(yè)安全管理能力。

1 掘進(jìn)工作面智能監(jiān)測需求分析

掘進(jìn)工作面智能監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測對象主要為掘進(jìn)工作面生產(chǎn)過程中存在的安全隱患。掘進(jìn)工作面的開采過程為：在掘進(jìn)工作面采用連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行裝煤與割煤的掘進(jìn)施工完成，然后利用梭車將生產(chǎn)出的煤炭運(yùn)輸至破碎機(jī)，破碎機(jī)將煤炭進(jìn)行破碎與轉(zhuǎn)載，再通過帶式輸送機(jī)將破碎機(jī)加工完成的煤炭運(yùn)出[1]。在上述過程中，還需要配備錨桿機(jī)與鏟車等設(shè)備。錨桿機(jī)用于錨桿打眼與安裝，鏟車用于材料運(yùn)輸、設(shè)備移動、巷道清理等工作。掘進(jìn)工作面作業(yè)示意圖如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)工作面作業(yè)示意圖

通過掘進(jìn)工作面作業(yè)流程分析可知，掘進(jìn)工作面作業(yè)主要包括運(yùn)煤、裝煤、割煤、材料設(shè)備運(yùn)輸、支護(hù)等工序，較為容易形成問題的有[2]：①采煤機(jī)掘進(jìn)距離過大，超過規(guī)定距離，使工作面形成空頂，造成頂板事故的發(fā)生；②在空頂區(qū)域存在人員作業(yè)違規(guī)，造成人員設(shè)備損失；③大型設(shè)備作業(yè)區(qū)域之間有設(shè)備作業(yè)，人員違規(guī)進(jìn)入，造成人員傷亡；④皮帶運(yùn)輸巷道等處易發(fā)生堆煤事故，嚴(yán)重影響巷道通風(fēng)，降低作業(yè)效率，提高作業(yè)危險性。

傳統(tǒng)的監(jiān)測方法利用人工進(jìn)行監(jiān)測，弊端甚多，針對上述問題，監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計需要改進(jìn)的重點：①現(xiàn)階段采用雙目測距法對監(jiān)測環(huán)境要求高、實時性差，應(yīng)該選用單目測距法；②在空頂作業(yè)、皮帶機(jī)堆煤以及人員違規(guī)監(jiān)測方面，背景減除法更為適合對靜態(tài)物體進(jìn)行監(jiān)測，故皮帶機(jī)堆煤監(jiān)測改進(jìn)選用背景減除法；③由于光流法在適應(yīng)空頂作業(yè)以及人員違規(guī)監(jiān)測的實際使用環(huán)境過程中實時性較差，系統(tǒng)運(yùn)行有較大延遲現(xiàn)象，故空頂作業(yè)以及人員違規(guī)監(jiān)測選用幀間差分法。

2 掘進(jìn)工作面智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

針對掘進(jìn)工作面作業(yè)過程易出現(xiàn)的問題，文中確定三種方法進(jìn)行針對性監(jiān)測，包括單目測距法、幀間差分法以及背景減除法。其中，單目測距法主要針對超循環(huán)作業(yè)，對采煤機(jī)掘進(jìn)距離進(jìn)行監(jiān)測；幀間差分法主要針對人員違規(guī)與空頂作業(yè)，通過對禁止區(qū)域進(jìn)行人員監(jiān)測，防止人員進(jìn)入危險區(qū)域；背景減除法主要針對皮帶機(jī)堆煤現(xiàn)象，通過對可能發(fā)生堆煤現(xiàn)象的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，判斷是否有堆煤現(xiàn)象發(fā)生，實現(xiàn)皮帶機(jī)堆煤監(jiān)測。

2.1 空頂、超循環(huán)作業(yè)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

單目測距法主要是通過計算所監(jiān)測特征點的移動距離來進(jìn)行采煤機(jī)運(yùn)動距離監(jiān)測分析的。超循環(huán)作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)包括無線信號收發(fā)器、報警器、后臺系統(tǒng)、無線攝像機(jī)等。其具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 空頂、超循環(huán)作業(yè)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1.顯示控制終端 2.服務(wù)器 3.綜合分站 4.無線信號收發(fā)器 5.聲光報警設(shè)備 6.無線攝像儀

通過無線攝像機(jī)對所監(jiān)測的采煤機(jī)進(jìn)行實時圖像監(jiān)測，將圖像傳輸至控制室，實現(xiàn)現(xiàn)場動態(tài)可視化監(jiān)測。系統(tǒng)的控制核心為運(yùn)行穩(wěn)定、性能強(qiáng)大、安全較好的浪潮智能分析服務(wù)器，現(xiàn)場聲光報警使用性能優(yōu)異、抗干擾強(qiáng)、安全可靠的礦用隔爆兼廣播主機(jī)音響。攝像機(jī)采用無線信號收發(fā)器與綜合站進(jìn)行通信，較有線攝像機(jī)更為靈活，提高布置效率。綜合站與收發(fā)器之間采用屏蔽雙絞線通信，可增加信號穩(wěn)定性與抗干擾能力[3]。

空頂作業(yè)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)與超循環(huán)作業(yè)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)所用硬件設(shè)備相同?？枕斪鳂I(yè)的監(jiān)測主要是需要對區(qū)域是否已完成支護(hù)進(jìn)行區(qū)分，當(dāng)工作人員進(jìn)入未進(jìn)行支護(hù)的區(qū)域時需對監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出警報，提醒監(jiān)測人員與進(jìn)入危險區(qū)域人員。攝像機(jī)對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行實時圖像采集，后臺通過相關(guān)算法對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行圖像識別，從而對空頂區(qū)域與安全區(qū)域進(jìn)行區(qū)分，結(jié)合人體識別的方法，最終達(dá)到對空頂區(qū)域危險作業(yè)的監(jiān)測預(yù)警目的。當(dāng)工作人員進(jìn)入空頂區(qū)域時，攝像機(jī)的采集圖像會發(fā)生變化，后臺會依據(jù)采集圖像的算法分析對井下發(fā)出報警指令，提醒進(jìn)入危險區(qū)域人員，同時也會將監(jiān)測信息傳回總控室，在系統(tǒng)內(nèi)形成空頂作業(yè)報警。

2.2 皮帶機(jī)堆煤監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

皮帶機(jī)堆煤監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研究主要是對監(jiān)測系統(tǒng)實時性、可視性以及報警及時性的研究。文中的皮帶機(jī)堆煤監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計主要包括攝像儀、報警器以及后臺服務(wù)器三部分。其具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。對掘進(jìn)工作面進(jìn)行系統(tǒng)分析后，在容易發(fā)生堆煤現(xiàn)象的位置安裝礦用攝像儀并對其進(jìn)行實時圖像監(jiān)測，通過圖像特征來判斷堆煤現(xiàn)象是否發(fā)生。當(dāng)攝像機(jī)的采集圖像在一段時間內(nèi)持續(xù)發(fā)生變化，即采集到的圖像一幀圖像與之前的背景對比發(fā)生變化，即可認(rèn)定為堆煤事故發(fā)生。此時，井下報警器會發(fā)出報警，同時將信息傳輸至總控室，形成報警記錄[4]。

圖3 皮帶機(jī)堆煤監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1.顯示控制終端 2.服務(wù)器 3.綜合分站 4.聲光報警設(shè)備5.礦用本安攝像儀

2.3 人員違規(guī)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

人員違規(guī)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要是解決在掘進(jìn)工作面作業(yè)時工作人員違規(guī)進(jìn)入破碎機(jī)危險區(qū)域時的監(jiān)測預(yù)警。當(dāng)工作人員違規(guī)進(jìn)入或者違規(guī)停留時，應(yīng)及時發(fā)出警報預(yù)警，提醒人員離開，并在總控室形成報警記錄。人員違規(guī)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要由攝像機(jī)、信號收發(fā)器、報警器、位移傳感器以及后臺服務(wù)系統(tǒng)組成，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。在需進(jìn)行監(jiān)測的危險區(qū)安裝礦用攝像頭，實行圖像采集監(jiān)測。當(dāng)掘進(jìn)工作面開始作業(yè)時，需關(guān)閉相關(guān)安全圍欄并在安全圍欄安裝位移傳感器，此時的監(jiān)測系統(tǒng)處于報警狀態(tài)。當(dāng)有工作人員穿越或停留時，攝像機(jī)的采集圖像一幀圖像與背景會發(fā)生變化，判斷有人員進(jìn)入，發(fā)出聲光報警并形成報警記錄。當(dāng)掘進(jìn)工作面未進(jìn)行作業(yè)時，安全圍欄的打開不會造成位移傳感器產(chǎn)生信號，此時允許工作人員通過，圖像采集監(jiān)測也不會發(fā)出警報[5]。

圖4 人員違規(guī)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1.顯示控制終端 2.服務(wù)器 3.綜合分站 4.位移傳感器 5.聲光報警設(shè)備 6.礦用本安攝像儀

3 掘進(jìn)工作面智能監(jiān)測系統(tǒng)實驗

將上述設(shè)計方案應(yīng)用于實際煤礦生產(chǎn)并進(jìn)行相關(guān)實驗后發(fā)現(xiàn)，掘進(jìn)工作面智能監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，在空頂作業(yè)、超循環(huán)作業(yè)、人員違規(guī)以及皮帶機(jī)堆煤監(jiān)測預(yù)警中表現(xiàn)良好，掘進(jìn)工作面智能監(jiān)測系統(tǒng)圖如圖5所示。掘進(jìn)工作面發(fā)生空頂、超循環(huán)作業(yè)、皮帶機(jī)堆煤以及人員違規(guī)等現(xiàn)象后，系統(tǒng)大屏自動顯示違規(guī)操作報警，提醒調(diào)度人員，使人員可作出快速響應(yīng)，保證企業(yè)安全生產(chǎn)。對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行30天監(jiān)測運(yùn)行，具體監(jiān)測運(yùn)行試驗數(shù)據(jù)如表1所列，共報警351次，其中報警與實際不符13次，綜合監(jiān)測預(yù)警準(zhǔn)確率超過95%，符合掘進(jìn)工作面智能監(jiān)測系統(tǒng)要求，可應(yīng)用于實際生產(chǎn)之中。

表1 掘進(jìn)工作面智能監(jiān)測系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)表

圖5 掘進(jìn)工作面智能監(jiān)測系統(tǒng)圖

4 結(jié) 語

傳統(tǒng)的掘進(jìn)工作面監(jiān)測系統(tǒng)主要依靠人力監(jiān)測，已無法滿足工作面系統(tǒng)監(jiān)測的要求，提出了運(yùn)用智能監(jiān)測的方法進(jìn)行工作面智能監(jiān)測設(shè)計方案，對掘進(jìn)工作面較易發(fā)生的空頂、超循環(huán)作業(yè)、皮帶機(jī)堆煤以及人員違規(guī)等現(xiàn)象進(jìn)行分析，并完成對應(yīng)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計。通過試驗，掘進(jìn)工作面智能監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，綜合監(jiān)測預(yù)警準(zhǔn)確率超過95%，符合掘進(jìn)工作面智能監(jiān)測設(shè)計要求。