佘九華 ，屈世甲

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

煤礦安全監(jiān)測包括實(shí)時(shí)安全監(jiān)測/監(jiān)控系統(tǒng)和人工檢測/檢查2 大類，實(shí)時(shí)安全監(jiān)測/監(jiān)控系統(tǒng)通過在井下安裝傳感裝置，利用有線和無線等數(shù)據(jù)傳輸形式，實(shí)時(shí)將監(jiān)測點(diǎn)參數(shù)上傳到上位機(jī)軟件，依托一定的規(guī)則進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警及控制[1-2]，以煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等為代表；人工巡檢/檢查作為與實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)平行的檢測體系，通過井下人員在關(guān)鍵點(diǎn)位的人工檢查和測量，及時(shí)掌握關(guān)鍵參數(shù)和信息[3-4]，以瓦斯巡檢、人工測風(fēng)等工作為代表。就煤礦通風(fēng)監(jiān)測為例，安全監(jiān)控系統(tǒng)與專職通風(fēng)瓦斯監(jiān)測隊(duì)伍形成了通風(fēng)安全數(shù)據(jù)測定的2 個(gè)平行系統(tǒng)，但系統(tǒng)監(jiān)測和人工檢測地點(diǎn)并不準(zhǔn)確相同，監(jiān)測/檢測時(shí)間并未準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)，儀器精度與使用規(guī)范也存在顯著區(qū)別，兩者的測定數(shù)據(jù)有可能顯示出一定的差異。

實(shí)時(shí)監(jiān)測/監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢在于定點(diǎn)連續(xù)監(jiān)控，不留時(shí)間空擋[5]；人工檢測/檢查的優(yōu)勢在基于需要和經(jīng)驗(yàn)的廣泛巡查，不留空間空擋[6]。因此實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)與人工專業(yè)隊(duì)伍形成了煤礦安全關(guān)鍵參數(shù)的雙保險(xiǎn)，互相補(bǔ)充又各有側(cè)重。傳統(tǒng)的人工巡檢是通過人員攜帶檢測報(bào)警裝置及巡檢手冊，將監(jiān)測數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行情況記錄在冊，發(fā)現(xiàn)隱患立即報(bào)告監(jiān)控中心值班領(lǐng)導(dǎo)，按照相關(guān)規(guī)定制定安全技術(shù)措施進(jìn)行處理，將處理結(jié)果備案，做到井上、井下互動(dòng)管理[7-8]?，F(xiàn)階段無論是法律、法規(guī)的要求還是現(xiàn)場安全保障的需要，人工巡檢制度在當(dāng)前階段都不可替代，同時(shí)又大量依靠人工勞動(dòng)，相對發(fā)展滯后，智能礦山背景下人工巡檢如何通過信息化、自動(dòng)化和智能化技術(shù)提升成為人工巡檢面臨的一個(gè)關(guān)鍵難題?，F(xiàn)階段主要存在2 種解決思路：①在條件允許的場合通過巡檢機(jī)器人來替代或者輔助人工巡檢，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率[9]；②利用信息化手段和智能化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)人工巡檢數(shù)據(jù)的信息化處理和多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)處置，提高巡檢工人工作效率[10]，在無法通過巡檢機(jī)器人進(jìn)行巡檢的環(huán)節(jié)和地點(diǎn)輔助人工巡檢。為此，重點(diǎn)討論通過信息化手段和智能化系統(tǒng)對人工巡檢進(jìn)行輔助的方式，以提高安全巡檢效率和典型場景巡檢數(shù)據(jù)可靠性問題。

1 人工安全巡檢典型場景分析

人工安全巡檢包括法規(guī)、規(guī)程規(guī)定的巡檢工作和為了保證日常生產(chǎn)、安全和運(yùn)輸效率所不得不開展的巡檢工作。主要就人工測風(fēng)、井下瓦斯巡檢和安全監(jiān)控系統(tǒng)傳感器標(biāo)校3 個(gè)典型巡檢場景進(jìn)行特征分析。

1.1 人工測風(fēng)

煤礦井下除在規(guī)定位置布置了風(fēng)速、風(fēng)向等測風(fēng)傳感器以外，還必須通過人工巡檢的方式進(jìn)行在關(guān)鍵測風(fēng)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)速測量，以《煤礦安全規(guī)程》2022 版為例[11]，第一百四十條規(guī)定“礦井必須建立測風(fēng)制度，每10 天至少進(jìn)行1 次全面測風(fēng)”，人工測風(fēng)屬于安全巡檢中的典型場景?，F(xiàn)階段人工測風(fēng)大多是利用機(jī)械風(fēng)表在個(gè)測風(fēng)站內(nèi)根據(jù)巷道斷面狀況，采用八線法、六線法或者四線法，每次每測點(diǎn)測定不得少于3 遍，每遍誤差不得超過4%，否則重新測量[12-13]。最終結(jié)果取3 遍的平均值，要求風(fēng)表一定要與風(fēng)流方向垂直且勻速移動(dòng)，測風(fēng)開始前應(yīng)將指針回零，待風(fēng)表運(yùn)轉(zhuǎn)30 s 后，再打開計(jì)數(shù)器開始測量風(fēng)速，每遍測定時(shí)間為60 s，測定結(jié)果及時(shí)上傳至通風(fēng)相關(guān)系統(tǒng)并形成臺(tái)賬[14-15]。

對人工測風(fēng)巡檢工作進(jìn)行分解可以發(fā)現(xiàn)：完整、有效的測風(fēng)需要在指定位置（測風(fēng)站）花費(fèi)一定的時(shí)間測量，計(jì)算測量誤差并做好測量記錄，最終形成巡檢臺(tái)賬，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)按照規(guī)程測量時(shí)間不應(yīng)少于5 min 來預(yù)估；輔助人工測風(fēng)需要一套便攜的記錄、計(jì)算和數(shù)據(jù)上傳裝置，對測風(fēng)數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證后自動(dòng)上傳至地面平臺(tái)形成臺(tái)賬；需要測風(fēng)人員在指定測風(fēng)站進(jìn)行檢測，應(yīng)該借助精確人員定位系統(tǒng)對測風(fēng)員測風(fēng)地點(diǎn)和測風(fēng)的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行判斷，以判定測風(fēng)員是否在要求時(shí)間點(diǎn)、指定測風(fēng)位置進(jìn)行了現(xiàn)場分風(fēng)速測量工作。

1.2 井下瓦斯巡檢

瓦斯巡檢是指瓦斯檢查員按瓦斯巡回路線時(shí)間、地點(diǎn)、人員進(jìn)行人工檢查，《煤礦安全規(guī)程》第一百八十條規(guī)定“礦井必須建立甲烷、二氧化碳和其他有害氣體檢查制度”，要求瓦斯檢查工必須攜帶便攜式光學(xué)甲烷檢測儀和便攜式甲烷檢測報(bào)警儀進(jìn)行巡檢，所有采掘工作面、硐室、使用中的機(jī)電設(shè)備的設(shè)置地點(diǎn)、有人員作業(yè)的地點(diǎn)都應(yīng)當(dāng)納入檢查范圍。瓦斯檢查員要把在檢查過程中發(fā)現(xiàn)的問題、隱患及檢查數(shù)據(jù)及時(shí)向調(diào)度進(jìn)行匯報(bào)，并通知現(xiàn)場工作人員，認(rèn)真填寫班報(bào)，手冊和瓦斯牌板，并在井下完成交接班。瓦斯檢測過程一般是將甲烷檢測儀靠近巷道頂板或者地板20 cm 處，按壓吸氣球5～6 次，取下甲烷檢測儀讀數(shù)，并記錄在手冊上。

對瓦斯巡檢工作進(jìn)行分解可以發(fā)現(xiàn)：①甲烷檢測儀的測量規(guī)范雖然沒有嚴(yán)格的時(shí)間規(guī)定，但是整個(gè)測量過程按照經(jīng)驗(yàn)估算一般不低于2 min，需要利用精確人員定位系統(tǒng)對各個(gè)檢測點(diǎn)測量持續(xù)時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證；②瓦斯巡檢需要瓦斯檢查員按照指定線路在指定時(shí)間內(nèi)完成關(guān)鍵點(diǎn)的氣體測量，并形成記錄和臺(tái)賬，相比較風(fēng)速測量，除關(guān)注測量位置外，還需對巡檢軌跡進(jìn)行記錄和比對，對人員軌跡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和與計(jì)劃路線的一致性進(jìn)行研判。

1.3 甲烷傳感器標(biāo)校

《煤礦安全規(guī)程》第四百九十二條規(guī)定“采用載體催化元件的甲烷傳感器必須使用校準(zhǔn)氣樣和空氣氣樣在設(shè)備設(shè)置地點(diǎn)調(diào)校，每15 天至少1次”，一般是將標(biāo)準(zhǔn)氣樣瓶的流量計(jì)出口用橡膠軟管與傳感器氣室連接，打開減壓閥用小流量向傳感器然后調(diào)節(jié)流量控制閥把流量調(diào)節(jié)到200 mL/min，使其測量值穩(wěn)定，顯示持續(xù)時(shí)間大于90 s，使顯示值與校準(zhǔn)氣濃度值一致[16-17]，若不同則將遙控器對準(zhǔn)傳感器進(jìn)行調(diào)整，直到達(dá)到一致，并做好相應(yīng)的標(biāo)校記錄[18]。

對甲烷傳感器標(biāo)校巡檢工作分解可以發(fā)現(xiàn)：①傳感器標(biāo)校整個(gè)過程的持續(xù)時(shí)間不少于5 min，標(biāo)校位置為傳感器安裝的實(shí)際位置，需要借助人員定位系統(tǒng)對人員是否在指定位置對制定傳感器進(jìn)行標(biāo)校做出判斷；②需要對記錄的標(biāo)校過程和安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行關(guān)聯(lián)判斷，重點(diǎn)判斷標(biāo)校過程中高濃度是否持續(xù)超過90 s，以對標(biāo)校過程的可靠性進(jìn)行綜合研判。

2 煤礦安全巡檢系統(tǒng)及智能輔助分析

基于人工安全巡檢3 個(gè)典型場景分析可知，安全巡檢的智能化提升主要包括2 方面：一方面是解決巡檢效率問題，通過開發(fā)安全巡檢流程信息化系統(tǒng)的研制，輔助巡檢人員進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、傳輸和自動(dòng)生成巡檢臺(tái)賬和牌板，其目的是降低工人工作強(qiáng)度，提高巡檢效率；另一方面是解決巡檢數(shù)據(jù)的可靠性問題，將巡檢工作自身數(shù)據(jù)與精確人員定位、安全監(jiān)控系統(tǒng)等關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的智能研判，對巡檢工作本身的可靠性進(jìn)行輔助研判和安全監(jiān)管，進(jìn)一步提高安全巡檢數(shù)據(jù)的可信度。

2.1 安全巡檢信息化系統(tǒng)

采用信息采集與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)，通過全過程規(guī)范煤礦各類安全巡檢工作流程，采用自動(dòng)留痕手段，實(shí)現(xiàn)安全巡檢工作標(biāo)準(zhǔn)化、安全巡檢行為規(guī)范化、安全巡檢信息無紙化、安全巡檢考核剛性化，促進(jìn)安全巡檢從靜態(tài)管理向動(dòng)態(tài)管理提升，從而有效防止安全巡檢工作中的脫崗、空班和漏檢現(xiàn)象。安全巡檢系統(tǒng)主要分由地面服務(wù)器、傳輸接口和井下礦用本安型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、礦用通信分站、礦用無線基站、礦用顯示屏、礦用手持終端、井下人工檢測或者標(biāo)校裝置、礦用穩(wěn)壓電源、礦用直流穩(wěn)壓電源等組成和語音報(bào)警箱等組成。安全巡檢系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 安全巡檢系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of safety patrol system architecture

安全巡檢人員通過井下人工檢測或者標(biāo)校裝置完成對指定低點(diǎn)的風(fēng)速、氣體測量或者傳感器標(biāo)校以后，通過礦用手持終端填報(bào)檢測數(shù)據(jù)和標(biāo)校過程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集后通過井下無線和環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)上傳，傳輸?shù)降孛娣?wù)器后根據(jù)各場景的實(shí)際需要對數(shù)據(jù)做各種展示與處理，例如生成巡檢班報(bào)表、日報(bào)表、年報(bào)表、考核報(bào)表等。礦用手持終端填報(bào)的檢測數(shù)據(jù)除上傳至服務(wù)器以外，同時(shí)完成部分?jǐn)?shù)據(jù)可靠性研判，對于通過可靠性驗(yàn)證的數(shù)據(jù)按照個(gè)應(yīng)用場景需要通過井下無線或者有線方式同步傳至礦用顯示屏，例如瓦斯巡檢系統(tǒng)能夠自動(dòng)實(shí)時(shí)滾動(dòng)顯示該區(qū)域內(nèi)動(dòng)態(tài)氣體檢測及溫濕度。

2.2 智能分析研判

1）人工測風(fēng)可靠性研判。人工測風(fēng)重點(diǎn)關(guān)注測風(fēng)點(diǎn)位置、測風(fēng)時(shí)間和3 次測風(fēng)數(shù)據(jù)誤差合規(guī)性3 個(gè)指標(biāo)：測風(fēng)位置需通過精確人員定位系統(tǒng)獲取，與測風(fēng)站的實(shí)際位置進(jìn)行對比判斷；測風(fēng)時(shí)間通過測風(fēng)員所在測風(fēng)站停留時(shí)間判斷，均由巡檢服務(wù)器執(zhí)行；3 次測量誤差合規(guī)性通過3 次測風(fēng)輸入值自動(dòng)計(jì)算判斷，由礦用手持終端本地執(zhí)行。人工測風(fēng)場景巡檢數(shù)據(jù)可靠性判斷邏輯如圖2。

圖2 人工測風(fēng)場景巡檢數(shù)據(jù)可靠性判斷邏輯Fig.2 Reliability judgment logic of patrol inspection data in manual wind measurement scenario

2）井下瓦斯巡檢可靠性研判。井下瓦斯巡檢無需對測量數(shù)據(jù)的誤差進(jìn)行判斷，重點(diǎn)關(guān)注巡檢人員的檢測位置、檢測時(shí)間和巡檢軌跡3 方面內(nèi)容，瓦斯巡檢的特殊性需要對巡檢時(shí)間點(diǎn)所在的區(qū)域和巡檢區(qū)域的一致性進(jìn)行比對，在完成巡檢以后要對巡檢線路和巡檢規(guī)劃路線進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，所有工作均由地面服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)。瓦斯巡檢場景數(shù)據(jù)可靠性判斷邏輯如圖3。

圖3 瓦斯巡檢場景數(shù)據(jù)可靠性判斷邏輯Fig.3 Logic for judging the reliability of gas patrol scene data

3）甲烷傳感器標(biāo)?？煽啃匝信?。甲烷傳感器標(biāo)校重點(diǎn)關(guān)注標(biāo)校人員位置和傳感器標(biāo)校狀態(tài)下體積分?jǐn)?shù)是否達(dá)到樣氣體積分?jǐn)?shù)值并持續(xù)時(shí)間符合規(guī)定，其可靠性分析需要關(guān)聯(lián)精確人員定位和安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)來綜合判斷，通過精確人員定位系統(tǒng)對標(biāo)校人員是否出現(xiàn)在標(biāo)校傳感器區(qū)域、是否停留足夠時(shí)間進(jìn)行判斷，通過安全監(jiān)控系統(tǒng)對傳感器標(biāo)校的規(guī)范程度進(jìn)行判斷，所有工作均由地面服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)。甲烷傳感器標(biāo)校場景數(shù)據(jù)可靠性判斷邏輯如圖4。

圖4 甲烷傳感器標(biāo)校場景數(shù)據(jù)可靠性判斷邏輯Fig.4 Methane sensor calibration scene data reliability judgment logic

3 煤礦安全巡檢可靠性分析應(yīng)用

以甲烷傳感器標(biāo)校場景為例，對某綜采工作面甲烷傳感器標(biāo)校過程的可靠性研判方法進(jìn)行驗(yàn)證。綜采工作面共布置有4 個(gè)甲烷傳感器，4 個(gè)人員定位基站，基本覆蓋了工作面區(qū)域的人員位置監(jiān)測，具備了通過安全監(jiān)控系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)對瓦斯標(biāo)校可靠性進(jìn)行研判的基礎(chǔ)。工作面?zhèn)鞲衅鞑贾眉皹?biāo)校巡檢線路如圖5。

圖5 某綜采工作面?zhèn)鞲衅鞑贾檬疽鈭DFig.5 Schematic diagram of sensor layout for a fully mechanized mining face

現(xiàn)場日常標(biāo)校流程一般是巡檢人員攜帶2%的標(biāo)準(zhǔn)氣樣從位置點(diǎn)1 進(jìn)入，在位置2 處對傳感器T3進(jìn)行標(biāo)校，在位置3、位置4 和位置5 處分別對T0、T1和T2進(jìn)行標(biāo)校，標(biāo)校開始前需要輸入標(biāo)校傳感器名稱、標(biāo)校開始時(shí)間和完成時(shí)間，輸入完成后上傳至巡檢服務(wù)器，巡檢系統(tǒng)進(jìn)行有效性判斷。綜采工作面甲烷傳感器標(biāo)校巡檢數(shù)據(jù)表見表1，其中人員位置有精確人員定位系統(tǒng)提供，甲烷體積分?jǐn)?shù)和持續(xù)時(shí)間由安全監(jiān)控系統(tǒng)提供。。

表1 綜采工作面甲烷傳感器標(biāo)校巡檢數(shù)據(jù)表Table 1 Data table of methane sensor calibration and inspection in fully mechanized mining face

該工作面甲烷標(biāo)校的可靠性按照圖4 的研判邏輯進(jìn)行甄別，工作面、回風(fēng)2 處甲烷傳感器標(biāo)校均通過了可靠性判斷，上隅角甲烷傳感器標(biāo)校開始至結(jié)束時(shí)間小于5 min；進(jìn)風(fēng)巷甲烷傳感器達(dá)到樣氣體積分?jǐn)?shù)值持續(xù)時(shí)間未達(dá)到90 s，判斷進(jìn)風(fēng)巷、上隅角2 個(gè)甲烷傳感器標(biāo)校有異常，均需要現(xiàn)場進(jìn)行確認(rèn)說明。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，巡檢人員在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)上隅角甲烷傳感器實(shí)時(shí)體積分?jǐn)?shù)值和工作面?zhèn)鞲衅骷淄闈舛戎祷疽恢?，主觀上認(rèn)為只需要認(rèn)真標(biāo)校1 個(gè)傳感器即可，只對工作面甲烷傳感器使用樣氣按照標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行了標(biāo)校，上隅角甲烷傳感器標(biāo)校是通過甲烷傳感器遙控器進(jìn)入傳感器測試功能模擬標(biāo)校來完成，未按照標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)校流程進(jìn)行操作，跟系統(tǒng)研判結(jié)果一致。進(jìn)風(fēng)巷甲烷傳感器現(xiàn)場人員確實(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行操作，但是在標(biāo)校過程中因工作面突發(fā)狀況需要處理，就主動(dòng)縮短了通氣時(shí)間，標(biāo)校人員考慮到進(jìn)風(fēng)巷甲烷傳感器體積分?jǐn)?shù)基本為0，認(rèn)為沒有必要再次進(jìn)行標(biāo)校，現(xiàn)場情況與系統(tǒng)研判結(jié)果一致。

從判斷邏輯和研判結(jié)果可以看出，該判斷方法目前還不能對所有的未按流程操作進(jìn)行甄別，比如在上隅角標(biāo)校時(shí)候?qū)?biāo)校完成時(shí)間推遲3 min，按照目前的邏輯就不能識(shí)別到未按標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)校流程作業(yè)。但是本文所提出的可靠性研判方法能在一定范圍內(nèi)對未按作業(yè)流程的巡檢過程進(jìn)行自動(dòng)判別，在提高巡檢數(shù)據(jù)可靠性方面邁出了重要一步，后續(xù)研究各典型場景的巡檢特征，通過多系統(tǒng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析不斷豐富研判模型，以對更多的無效巡檢進(jìn)行識(shí)別。

4 結(jié) 語

從《煤礦安全規(guī)程》對人工巡檢的及具體要求和現(xiàn)場安全巡檢的實(shí)際需求入手，對當(dāng)前階段人工安全巡檢工作的必要性進(jìn)行了分析，在智能礦山建設(shè)背景下提出了通過信息化手段和智能化研判對人工巡檢進(jìn)行輔助方式，來提高安全巡檢效率和典型場景巡檢數(shù)據(jù)可靠性問題。通過對人工測風(fēng)巡檢場景、井下瓦斯巡檢場景和甲烷傳感器標(biāo)校巡檢場景的特征分析，提出了安全巡檢信息化系統(tǒng)的架構(gòu)；對應(yīng)3 種典型應(yīng)用場景，利用精確人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)和安全巡檢信息化系統(tǒng)本身的數(shù)據(jù)分別建立了巡檢數(shù)據(jù)可靠性研判模型。

以某綜采工作面甲烷傳感器標(biāo)校巡檢數(shù)據(jù)為例，對進(jìn)風(fēng)巷、上隅角、工作面和回風(fēng)巷4 個(gè)甲烷傳感器的標(biāo)?？煽啃詳?shù)據(jù)進(jìn)行了研判，分析結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際情況高度一致，能夠在一定程度上對安全巡檢的有效性和可信度進(jìn)行提高。