王國法，龐義輝，李 爽，申 凱

(1.中國煤炭科工集團(tuán)有限公司，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013；3.中國礦業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.重慶大學(xué)，重慶 400044；5.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤炭安全穩(wěn)定供給是保障我國能源安全的基石，煤礦安全生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)煤炭安全穩(wěn)定供給的基本前提。我國煤炭以井工煤礦開采為主，其產(chǎn)量占我國煤炭總產(chǎn)量的82%以上。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[1-3]，我國井工煤礦中千米深井的數(shù)量超過60處，涉及生產(chǎn)能力超過1.5億t；沖擊地壓礦井超過140處，主要集中在山東、陜西、山西等產(chǎn)煤大?。幻号c瓦斯突出礦井超過740處，主要集中在貴州、河南、山西等省份；大部分煤礦的賦存煤層具有自然發(fā)火危險(xiǎn)，其中自然發(fā)火嚴(yán)重礦井的數(shù)量占比超過80%。隨著淺部煤炭資源日益枯竭，煤炭資源開發(fā)深度逐年增加，瓦斯、沖擊地壓、頂板災(zāi)害、水害、熱害等災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)加劇[4-5]，給煤礦安全生產(chǎn)帶來極大挑戰(zhàn)。

從20世紀(jì)80年代起，我國大力發(fā)展煤礦綜合機(jī)械化開采，經(jīng)過40多年的發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)了煤礦生產(chǎn)力的顯著提升和安全生產(chǎn)面貌的根本改變。新世紀(jì)以來，煤礦綜合機(jī)械化水平快速提升，信息技術(shù)加速與煤礦開采技術(shù)深度融合，推動(dòng)煤礦由綜合機(jī)械化向智能化的技術(shù)變革。煤礦智能化是實(shí)現(xiàn)我國煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐[6]，通過機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人、智能化少人無人相關(guān)技術(shù)與裝備的廣泛推廣應(yīng)用，將有效降低煤礦工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅減少井下作業(yè)人員數(shù)量，保障煤礦工人的職業(yè)健康。采用智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，對(duì)井下危險(xiǎn)源、危險(xiǎn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)感知與智能分析決策，實(shí)現(xiàn)礦山安全事故的超前預(yù)測(cè)、預(yù)警，將有效減少礦山安全事故的發(fā)生[7-9]。

1 我國煤礦安全技術(shù)進(jìn)步及挑戰(zhàn)

我國井工煤礦安全生產(chǎn)受到頂板、瓦斯、水害、火災(zāi)、沖擊地壓、煤塵等災(zāi)害困擾，煤礦一直堅(jiān)持把安全生產(chǎn)放在第一位。技術(shù)進(jìn)步是提高煤礦安全水平的根本途徑，煤礦綜合機(jī)械化從根本上改變了煤礦安全生產(chǎn)面貌。近年來，隨著科技進(jìn)步及安全生產(chǎn)意識(shí)的提升，我國煤礦安全生產(chǎn)取得了巨大進(jìn)步。截至2020年，我國采煤機(jī)械化程度已經(jīng)達(dá)到78.5%，與2000年相比，煤礦事故數(shù)量、死亡人數(shù)均出現(xiàn)大幅下降，智能化綜采技術(shù)與裝備的推廣應(yīng)用大幅減少了工作面頂板事故的發(fā)生[10](如圖1所示)，極大地促進(jìn)了煤炭產(chǎn)量、生產(chǎn)效率與安全水平的提升，我國大型智能化煤礦已實(shí)現(xiàn)近5年零死亡、全員工效達(dá)到167.76 t/工時(shí)。預(yù)計(jì)“十四五”期間，煤礦采煤機(jī)械化程度將達(dá)到90%左右，掘進(jìn)機(jī)械化程度將達(dá)到75%左右，將建成智能化采掘工作面1 000處以上。

(a)各類事故起數(shù)變化趨勢(shì)

根據(jù)中國應(yīng)急管理部公布的數(shù)據(jù)，2021年我國共發(fā)生各類生產(chǎn)安全事故3.46萬起，死亡2.63萬人；同期，我國原煤產(chǎn)量41.3億t，同比增加5.7%，煤礦發(fā)生安全事故91起，死亡178人，同比減少32起，死亡人數(shù)減少50人，已遠(yuǎn)低于房屋市政工程等工業(yè)領(lǐng)域安全事故數(shù)量及死亡人數(shù)，煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)穩(wěn)定向好。

為了進(jìn)一步提升煤礦安全生產(chǎn)水平，攻克煤礦致災(zāi)機(jī)理及防治等相關(guān)技術(shù)難題，國家在“十三五”期間將“煤礦井下瓦斯防治無人化關(guān)鍵技術(shù)與裝備”“‘互聯(lián)網(wǎng)+’煤礦安全監(jiān)管監(jiān)察關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范”“復(fù)雜地質(zhì)條件煤礦輔助運(yùn)輸機(jī)器人”“煤礦隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素動(dòng)態(tài)智能探測(cè)技術(shù)研究”“千萬噸級(jí)特厚煤層智能化綜放開采關(guān)鍵技術(shù)及示范”“煤礦千米深井圍巖控制及智能開采技術(shù)”“煤礦典型動(dòng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)判識(shí)及監(jiān)控預(yù)警技術(shù)研究”等列入國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，取得了多項(xiàng)階段性創(chuàng)新成果。

1)針對(duì)礦井水害威脅，堅(jiān)持“超前預(yù)測(cè)、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則，研發(fā)應(yīng)用了三維地震勘探、瞬變電磁探測(cè)、音頻電穿透探測(cè)等水源探測(cè)技術(shù)，以及礦井水情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、煤礦水害分析評(píng)價(jià)與超前防治數(shù)字化系統(tǒng)、數(shù)字地震勘探儀、水位遙測(cè)儀等[11-13]，通過采取“防、堵、疏、排、截”的綜合治理措施，大幅降低了水害事故的發(fā)生概率。

2)根據(jù)礦井內(nèi)因火災(zāi)、外因火災(zāi)發(fā)生機(jī)理及防治策略的差異，構(gòu)建了礦井火災(zāi)綜合防治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，研發(fā)應(yīng)用了惰化物質(zhì)和阻燃物質(zhì)防滅火、三相泡沫防滅火、堵漏風(fēng)防滅火、均壓防滅火等技術(shù)。通過融合現(xiàn)有防滅火技術(shù)，引入光纖測(cè)溫、紅外成像等監(jiān)測(cè)感知設(shè)備，在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的加持下，以綜合防控平臺(tái)為應(yīng)用基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析，以及火災(zāi)監(jiān)測(cè)裝置與防滅火裝置的聯(lián)動(dòng)控制，并基于火災(zāi)仿真、應(yīng)急處置等實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)避災(zāi)路線的智能規(guī)劃[14]。

3)針對(duì)礦井瓦斯災(zāi)害防治，在區(qū)域和局部防突措施兩個(gè)“四位一體”突出綜合防治體系基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建了區(qū)域化瓦斯超前治理技術(shù)、裝備體系；研發(fā)了基于激光光譜吸收原理的CH4、CO等危險(xiǎn)氣體高精度傳感器，形成了瓦斯、應(yīng)力、煤體結(jié)構(gòu)等多參量和微震、電磁輻射、聲發(fā)射等多源信息融合的突出危險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了瓦斯災(zāi)害的高精感知和超前預(yù)警；開發(fā)了具備自動(dòng)上下鉆桿與鉆孔、無線遙控操作和智能防卡鉆等功能的井下自動(dòng)化鉆機(jī)，形成了超深定向鉆孔、碎軟煤層氣動(dòng)定向鉆孔等系列定向鉆進(jìn)技術(shù)，推動(dòng)了瓦斯無人化、區(qū)域化防治裝備的進(jìn)步；低滲煤層增透技術(shù)體系逐漸完善，近年來涌現(xiàn)了以超高壓水力割縫、分段水力壓裂技術(shù)為代表的一系列新型水力化增透技術(shù)，以及高壓空氣、液態(tài)二氧化碳相變致裂、液氮凍脹致裂等無水增透技術(shù)，改善了煤層透氣性，大幅提高了瓦斯抽采效率[15]。

4)針對(duì)沖擊地壓防控，構(gòu)建了“區(qū)域先行、局部跟進(jìn)、分區(qū)管理、分類防治”的整體策略，研發(fā)了智能化鉆屑法測(cè)量裝備、一孔多點(diǎn)光纖光柵應(yīng)力傳感器等設(shè)備支撐局部防控工作的安全高效開展；優(yōu)化了微震定位、能量及波形信息反向解釋算法，提高了微震的信息利用水平；開發(fā)了“井—地”信息聯(lián)合的沖擊地壓預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)警結(jié)論在工程場景下的切實(shí)利用；針對(duì)局部防控，開發(fā)了智能化鉆車/機(jī)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程無人化臨危作業(yè)，同時(shí)開發(fā)了包括炸藥爆破、二氧化碳爆破、水力壓裂等系列化的頂板處理技術(shù)，為應(yīng)力源頭的有效切斷提供了豐富的手段支撐；針對(duì)區(qū)域防控，研發(fā)了地面壓裂技術(shù)及井下超長鉆孔技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)區(qū)域應(yīng)力的調(diào)控，強(qiáng)化了對(duì)礦井基礎(chǔ)應(yīng)力環(huán)境的控制能力；在支護(hù)裝備方面，研發(fā)了以抗沖擊錨桿、吸能“O”型棚、吸能液壓支架為主體的“三級(jí)吸能”防沖支護(hù)體系，為防沖工作提供最后一環(huán)的保障。

在煤礦安全管理體系與技術(shù)方面，針對(duì)“想不到、管不住”的難題，相繼提出應(yīng)用了煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控管理體系、安全雙重預(yù)防體系，近幾年又發(fā)展了智能雙重預(yù)防體系，將煤礦感知、災(zāi)害防控、安全生產(chǎn)管理打造為統(tǒng)一的智能安全風(fēng)險(xiǎn)防控平臺(tái)，構(gòu)建了安全大數(shù)據(jù)中心、動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)智能評(píng)估、隱患智能巡檢等關(guān)鍵技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)的智能防控和決策支持。

經(jīng)過多年的研發(fā)實(shí)踐，雖然在煤礦災(zāi)害防治方面取得了階段性成果，但仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。

a.井工煤礦致災(zāi)因素眾多，部分災(zāi)害發(fā)生機(jī)理仍然不清晰。沖擊地壓、突水、煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害在時(shí)空特征上表現(xiàn)出多場耦合和具有周期短、顯現(xiàn)快、破壞大、預(yù)測(cè)難等特征，不同煤層條件的致災(zāi)因素、機(jī)理存在一定差異，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)超前預(yù)測(cè)預(yù)警。

b.煤礦災(zāi)害信息難以實(shí)現(xiàn)全面感知?，F(xiàn)有的煤礦災(zāi)害傳感器多基于離散點(diǎn)模式，通過若干傳感器或傳感器陣列的監(jiān)測(cè)結(jié)果反演整個(gè)區(qū)域的災(zāi)害水平，對(duì)關(guān)鍵區(qū)域、關(guān)鍵地點(diǎn)的監(jiān)測(cè)尚難以滿足精準(zhǔn)、科學(xué)、有效的要求，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量少、質(zhì)量差。

c.數(shù)據(jù)專業(yè)壁壘現(xiàn)象明顯，數(shù)據(jù)融合分析難度大。雖然可以通過智能網(wǎng)關(guān)等技術(shù)解決不同數(shù)據(jù)規(guī)范、數(shù)據(jù)接口導(dǎo)致的數(shù)據(jù)壁壘問題，但因?qū)I(yè)差異和不同歸口部門所產(chǎn)生的“專業(yè)壁壘”成為影響數(shù)據(jù)管理和挖掘、煤礦災(zāi)害智能防治的主要障礙，沖擊地壓、水災(zāi)、火災(zāi)、瓦斯等主要災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)“各自為陣”，難以實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)融合分析的綜合防治。

d.重監(jiān)測(cè)輕防治、重監(jiān)測(cè)輕分析、重監(jiān)測(cè)輕協(xié)同的問題較為明顯。針對(duì)煤礦災(zāi)害的防治措施和安全管理仍停留在以專業(yè)和部門為界限的紙質(zhì)臺(tái)賬或初步信息化階段，進(jìn)行單純的監(jiān)測(cè)、防治和生產(chǎn)，三者相互割裂，在進(jìn)行災(zāi)害聯(lián)合分析時(shí)數(shù)據(jù)無法互相支撐，災(zāi)害防治與生產(chǎn)協(xié)同的智能化聯(lián)合決策和過程管控仍處于空白狀態(tài)。

e.透明地質(zhì)保障技術(shù)嚴(yán)重滯后。煤礦智能化對(duì)安全提出了更高的要求，由預(yù)防重特大事故轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩L(fēng)險(xiǎn)源頭管控，實(shí)現(xiàn)超前感知、超前預(yù)警與超前決策。煤礦災(zāi)害具有突出的地質(zhì)依存性，開采活動(dòng)帶來的地質(zhì)演化是災(zāi)害產(chǎn)生的源頭?，F(xiàn)有透明地質(zhì)保障技術(shù)多是基于鉆孔信息的三維建模，對(duì)動(dòng)態(tài)全域感知、多場信息融合和地質(zhì)超前預(yù)測(cè)技術(shù)仍需加大攻關(guān)力度。

煤礦災(zāi)害防治和安全管理深度融合于開采活動(dòng)的所有環(huán)節(jié)，煤礦智能化安全監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、預(yù)警技術(shù)是在煤礦地質(zhì)、生產(chǎn)、感知、災(zāi)害監(jiān)測(cè)和安全管理等信息有效融合基礎(chǔ)上的安全智能決策與系統(tǒng)自主控制，需構(gòu)建囊括煤礦所有專業(yè)，地質(zhì)、開采活動(dòng)和防災(zāi)治災(zāi)措施在內(nèi)的智能認(rèn)知體系。以機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為代表的“數(shù)據(jù)感知智能”存在數(shù)據(jù)清洗難度大、可解釋性差、分析結(jié)果受數(shù)據(jù)質(zhì)量影響大等問題，需要全方位認(rèn)知煤礦所有生產(chǎn)要素，由“感知智能”跨越到“認(rèn)知智能”，應(yīng)構(gòu)建煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域知識(shí)圖譜，將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)預(yù)警與災(zāi)害機(jī)理預(yù)測(cè)預(yù)警進(jìn)行深度融合，推動(dòng)煤礦安全決策由數(shù)據(jù)規(guī)則層面走向復(fù)雜的知識(shí)判斷和機(jī)理分析，實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)的智能升華。

2 礦井時(shí)空多源信息感知系統(tǒng)

煤礦安全生產(chǎn)需要對(duì)礦井不同系統(tǒng)的人、機(jī)、環(huán)等信息進(jìn)行全面感知，并將各系統(tǒng)的感知信息進(jìn)行深度融合分析，因此應(yīng)構(gòu)建完備的煤礦井下跨系統(tǒng)時(shí)空信息感知體系，形成具有多參量、多尺度、時(shí)空特性的跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)感知策略，為煤礦安全生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1 礦井時(shí)空多源信息感知與互聯(lián)機(jī)制

礦井時(shí)空多源信息感知主要指涵蓋礦井地質(zhì)條件信息、危險(xiǎn)源信息、采動(dòng)空間環(huán)境信息、設(shè)備信息、人員信息等全維度的信息感知，即綜合采用多傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下不同系統(tǒng)信息的全域、實(shí)時(shí)感知。

煤礦井下人、機(jī)、環(huán)等信息感知是進(jìn)行災(zāi)害預(yù)測(cè)、預(yù)警的基礎(chǔ)，致災(zāi)信息的全面、實(shí)時(shí)感知及融合分析預(yù)測(cè)是實(shí)現(xiàn)災(zāi)害防治的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)礦井時(shí)空多源信息感知，建立井下跨系統(tǒng)時(shí)空感知體系總體框架(如圖2所示)，其主要包括感知層、傳輸層、邊緣處理層、數(shù)據(jù)融合層和應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)煤礦井下生產(chǎn)管理系統(tǒng)各個(gè)重要方面的透徹感知、各種感知工具和數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通、底層數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)集成分析和決策的深度智能化。

圖2 煤礦井下跨系統(tǒng)全時(shí)空感知體系總體框架

在獲取煤礦井下生產(chǎn)多參量信息后，可按照數(shù)據(jù)處理的層次，將其具體分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合。數(shù)據(jù)層融合主要根據(jù)數(shù)據(jù)的時(shí)空相關(guān)性去除冗余信息，而特征層和決策層的融合往往與具體的應(yīng)用目標(biāo)密切相關(guān)。

感知數(shù)據(jù)通過有線、無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行不同層次的信息交互與實(shí)時(shí)互聯(lián)。為保障信息傳輸?shù)挠行院涂刂菩盘?hào)的低延時(shí)性，傳輸網(wǎng)絡(luò)需更好地滿足海量數(shù)據(jù)接入和可抵御信號(hào)干擾需求，對(duì)多協(xié)議傳輸網(wǎng)關(guān)可采取多網(wǎng)協(xié)同、高層協(xié)議向下兼容解析等方式完成井下環(huán)網(wǎng)與感知傳輸網(wǎng)絡(luò)的高效通信。

通過引入數(shù)據(jù)邊緣處理層，利用數(shù)據(jù)邊緣處理盒子等以統(tǒng)一時(shí)間戳輪詢方式提取不同生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵參量，將關(guān)鍵信息匯聚于邊緣端，進(jìn)行底層共享和融合分析，快速判斷有利于生產(chǎn)的優(yōu)化決策方案，以及時(shí)應(yīng)對(duì)不同工況環(huán)境的系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動(dòng)。

基于云平臺(tái)的大數(shù)據(jù)分析能力，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，構(gòu)建煤礦大數(shù)據(jù)倉庫；基于微服務(wù)架構(gòu)和人工智能算法構(gòu)建智能數(shù)據(jù)引擎，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯快速組態(tài)化構(gòu)建和智能分析。

2.2 礦井時(shí)空多源信息感知技術(shù)

礦井時(shí)空多源信息感知技術(shù)能夠?qū)?坑)下人、機(jī)、環(huán)等各要素進(jìn)行全面、精細(xì)感知，將相關(guān)數(shù)據(jù)通過4G/5G或?qū)＞W(wǎng)傳輸?shù)街行臄?shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)中臺(tái)，并通過三維GIS、數(shù)字孿生等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，為管理決策提供直觀支持，為其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析等提供數(shù)據(jù)支撐。

煤礦井下信息來源有很多種，如專用設(shè)備探測(cè)、傳感器監(jiān)測(cè)、人員觀測(cè)等，但目前還是以接觸類傳感器(壓力表、傾角傳感器、位移傳感器等)與非接觸類傳感器(超聲探測(cè)傳感器、機(jī)器視覺傳感器等)兩種感知技術(shù)為主[16]。接觸類傳感器需要在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，且需要將不同傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，存在傳感器數(shù)量多、安裝維護(hù)困難、數(shù)據(jù)處理難度大等問題；非接觸類傳感器(如機(jī)器視覺技術(shù))可以利用一個(gè)傳感器對(duì)不同類型的信息進(jìn)行全面感知，具有傳感器數(shù)量少、感知信息豐富、數(shù)據(jù)易處理等顯著優(yōu)點(diǎn)。井下傳感技術(shù)正由接觸式感知向非接觸式感知技術(shù)發(fā)展。

傳統(tǒng)瓦斯監(jiān)測(cè)技術(shù)主要采用瓦斯傳感器(接觸式感知技術(shù))進(jìn)行瓦斯信息的單點(diǎn)監(jiān)測(cè)，基于TDLAS激光檢測(cè)技術(shù)(非接觸式感知)的瓦斯感知技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)瓦斯的大面積全覆蓋監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的風(fēng)速測(cè)量主要通過測(cè)風(fēng)人員手持測(cè)風(fēng)儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，存在測(cè)風(fēng)結(jié)果精度低、以點(diǎn)代面誤差大等問題，采用超聲波時(shí)差法的全斷面風(fēng)速測(cè)量技術(shù)(非接觸式感知)(見圖3)，利用多線多點(diǎn)測(cè)量與巷道斷面擬合積分，可以實(shí)現(xiàn)巷道全斷面風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)向的精確感知。

圖3 超聲時(shí)差法風(fēng)速檢測(cè)技術(shù)

煤礦安全隱患AI視頻技術(shù)以煤礦井下攝像儀的實(shí)時(shí)視頻圖像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，機(jī)器視覺智能識(shí)別和三維測(cè)量技術(shù)為核心，在煤礦安全監(jiān)管監(jiān)察應(yīng)用中，創(chuàng)新監(jiān)管方式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中對(duì)人員違章行為、設(shè)備設(shè)施安全隱患、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)過程的自動(dòng)識(shí)別、報(bào)警、聯(lián)動(dòng)控制、圖片抓拍及錄像，形成報(bào)警記錄，以震懾違章、規(guī)范作業(yè)，防范隱患、提高效率。

不同災(zāi)害類型信息的全面監(jiān)測(cè)及監(jiān)測(cè)信息的融合分析是實(shí)現(xiàn)礦井災(zāi)害防治的關(guān)鍵，在現(xiàn)有技術(shù)下，應(yīng)當(dāng)將接觸類傳感器與非接觸類傳感器進(jìn)行融合應(yīng)用，如采用基于波長調(diào)制和諧波解調(diào)的激光痕量光譜吸收技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)CO、C2H4、C2H2等氣體檢測(cè)的“就地采樣、就地處理、就地測(cè)量”；利用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)部溫度的直接測(cè)量和采空區(qū)自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)的全面實(shí)時(shí)感知。

煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)大數(shù)據(jù)監(jiān)管技術(shù)全面集成煤礦安全管理、安全監(jiān)測(cè)(瓦斯、水、火、頂板、粉塵、沖擊地壓、主通風(fēng)、膠帶運(yùn)輸?shù)?、設(shè)備工況、人員位置、災(zāi)害防治等信息，利用大數(shù)據(jù)手段對(duì)管轄區(qū)域內(nèi)煤礦“人、機(jī)、環(huán)、管”安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全方位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)分析、智能診斷、分級(jí)預(yù)警、定向推送、閉環(huán)管控，實(shí)現(xiàn)煤礦安全分級(jí)智能管控。

另外，具備數(shù)據(jù)預(yù)處理、自校準(zhǔn)、自診斷、自適應(yīng)、雙向通信、智能組態(tài)、信息存儲(chǔ)和記憶、自推演與自學(xué)習(xí)等特性的井下高精度、高可靠智能傳感器技術(shù)裝備仍需攻關(guān)[17]，從而為構(gòu)建集災(zāi)害隱患全面感知、自動(dòng)識(shí)別、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)預(yù)警、協(xié)同管控為一體的礦井智能安控系統(tǒng)奠定感知基礎(chǔ)。

3 礦井全時(shí)空信息反饋安全閉環(huán)管控系統(tǒng)

礦井全時(shí)空信息反饋安全閉環(huán)管控系統(tǒng)是將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)與煤礦災(zāi)害防治技術(shù)進(jìn)行深度融合，形成感知—決策—控制—反饋的閉環(huán)式運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)煤礦災(zāi)害信息的智能感知、災(zāi)害防治策略的自主生成、災(zāi)害防治裝備的智能聯(lián)動(dòng)控制，全面提升礦井災(zāi)害防控系統(tǒng)的安全保障能力。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)分析

根據(jù)煤礦井下致災(zāi)因素發(fā)生機(jī)理，將礦井全時(shí)空信息反饋安全閉環(huán)管控系統(tǒng)細(xì)分為瓦斯災(zāi)害防治、頂板災(zāi)害防治、水災(zāi)防治、火災(zāi)防治、沖擊地壓防治、粉塵災(zāi)害防治等，系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)

基于壓力傳感器、位移傳感器、視頻傳感器、音頻傳感器、速度傳感器、振動(dòng)傳感器等對(duì)井下人、機(jī)、環(huán)等信息進(jìn)行全面感知，感知數(shù)據(jù)通過有線/無線網(wǎng)絡(luò)上傳至邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)或云平臺(tái)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)與清洗。由于受到力學(xué)、物理學(xué)等基礎(chǔ)理論發(fā)展的制約，井下各類災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理尚不十分清晰，為了提高災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警精度，分別采用基于災(zāi)害發(fā)生機(jī)理的理論計(jì)算模型與基于數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng)的災(zāi)害預(yù)測(cè)模型對(duì)可能發(fā)生的災(zāi)害信息進(jìn)行超前預(yù)測(cè)，即通過致災(zāi)因素分析、理論計(jì)算及閾值計(jì)算獲取災(zāi)害發(fā)生的理論計(jì)算結(jié)果，同時(shí)采用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等算法對(duì)災(zāi)害發(fā)生的可能性進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析，通過對(duì)不同預(yù)測(cè)方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行集成方法預(yù)測(cè)，確定煤礦災(zāi)害發(fā)生的最終預(yù)測(cè)結(jié)果，并通過水災(zāi)預(yù)警平臺(tái)、火災(zāi)預(yù)警平臺(tái)、瓦斯災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)、頂板災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)、粉塵災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)、沖擊地壓預(yù)警平臺(tái)等對(duì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域的人員進(jìn)行信息推送及聲光報(bào)警。基于上述預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合煤礦采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等各業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)知識(shí)圖譜對(duì)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)防災(zāi)、治災(zāi)、救災(zāi)。

3.2 礦井全時(shí)空信息反饋安全閉環(huán)管控技術(shù)

礦井全時(shí)空信息反饋安全閉環(huán)管控技術(shù)是在精準(zhǔn)感知災(zāi)害相關(guān)信息的基礎(chǔ)上，建立多層次、多維度、多參量預(yù)警指標(biāo)體系，采用成因機(jī)理和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)互饋的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)方法，進(jìn)行災(zāi)害信息自動(dòng)采集、自主融合、態(tài)勢(shì)研判、智能預(yù)警與協(xié)同響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出、突水、內(nèi)外因火災(zāi)、頂板、沖擊地壓等災(zāi)害在線監(jiān)測(cè)和超前預(yù)警，以及與通風(fēng)、瓦斯抽采、排水、滅火、采掘等系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制，以提升煤礦企業(yè)的防災(zāi)、減災(zāi)能力。全時(shí)空信息反饋安全閉環(huán)管控邏輯架構(gòu)如圖5所示。

圖5 全時(shí)空信息反饋安全閉環(huán)管控邏輯架構(gòu)

1)瓦斯災(zāi)害預(yù)警與智能聯(lián)動(dòng)主要針對(duì)瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等災(zāi)害，能夠動(dòng)態(tài)采集瓦斯災(zāi)害相關(guān)信息，自動(dòng)辨識(shí)瓦斯災(zāi)害前兆特征，評(píng)估瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)瓦斯災(zāi)害進(jìn)行超前預(yù)警和災(zāi)變報(bào)警，自動(dòng)生成解危對(duì)策和應(yīng)急管控對(duì)策，以及避災(zāi)路線，并能與礦井通風(fēng)、瓦斯抽采、人員定位、井下廣播等系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。

瓦斯災(zāi)害多源信息融合預(yù)警能夠通過專業(yè)數(shù)據(jù)接口和配套網(wǎng)絡(luò)化便攜式檢測(cè)設(shè)備，聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)采集瓦斯災(zāi)害相關(guān)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)信息?；谌娓采w瓦斯災(zāi)害主要風(fēng)險(xiǎn)因素的跨尺度、多層次、多參量預(yù)警指標(biāo)體系和具有自學(xué)習(xí)、自調(diào)優(yōu)、原因追溯能力的預(yù)警模型，自動(dòng)辨識(shí)煤與瓦斯突出、瓦斯超限、瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)與預(yù)兆，融合地質(zhì)構(gòu)造、煤層瓦斯、應(yīng)力集中、礦壓、聲—電—瓦斯、措施缺陷、通風(fēng)隱患等多種因素，實(shí)時(shí)評(píng)估瓦斯災(zāi)害危險(xiǎn)性，并通過網(wǎng)站、移動(dòng)APP、短信等多渠道聯(lián)動(dòng)發(fā)布預(yù)警信息。

2)火災(zāi)預(yù)警與智能聯(lián)動(dòng)主要針對(duì)礦井內(nèi)因火災(zāi)與外因火災(zāi)，通過煤礦火災(zāi)專家分析決策系統(tǒng)和內(nèi)外因火災(zāi)智能預(yù)警及聯(lián)動(dòng)控制一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)煤礦典型內(nèi)、外因火災(zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)深度融合，火災(zāi)形勢(shì)自動(dòng)診斷和實(shí)時(shí)報(bào)警，自動(dòng)下達(dá)救災(zāi)決策指令，實(shí)現(xiàn)井下火災(zāi)防控裝備協(xié)調(diào)動(dòng)作、聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。

煤礦火災(zāi)預(yù)警集成平臺(tái)能夠融合束管、光纖測(cè)溫、密閉監(jiān)測(cè)，以及膠帶、電纜、機(jī)電硐室等各種外因火災(zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)信息自動(dòng)采集、集中顯示和報(bào)警功能；能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行火災(zāi)智能預(yù)測(cè)、預(yù)警，并與井下集控系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)與防滅火設(shè)施、設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制；具備設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)異常報(bào)警功能，能夠集成監(jiān)測(cè)設(shè)備和防滅火設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)備工作不正常時(shí)自動(dòng)報(bào)警，并啟動(dòng)現(xiàn)場的語音播報(bào)和信息推送；具有聯(lián)網(wǎng)上傳功能，通過Modbus-RTU或Modbus-TCP/IP將數(shù)據(jù)打包上傳到上級(jí)管理平臺(tái)，可為綜合管控平臺(tái)應(yīng)急救援、模擬仿真等提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3)水災(zāi)預(yù)警與智能聯(lián)動(dòng)主要針對(duì)頂板水、底板水、老空水和地表水等水害，對(duì)礦井水文地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水文參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水質(zhì)水化學(xué)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、頂?shù)装甯呙芏入娮杪蕦?shí)時(shí)動(dòng)態(tài)探測(cè)數(shù)據(jù)、煤巖變形斷裂過程中的微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)一管理和融合分析，準(zhǔn)確識(shí)別突水水源和突水通道，自動(dòng)判識(shí)突水預(yù)兆，超前預(yù)警水災(zāi)危險(xiǎn)，聯(lián)動(dòng)控制排水系統(tǒng)。

礦井水災(zāi)預(yù)警的重點(diǎn)在于提出水害多物理場預(yù)警指標(biāo)，指導(dǎo)礦井水的抽排治理工作。由于不同水體的預(yù)警理論發(fā)展程度不同，需要差異化設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方案與預(yù)警指標(biāo)。對(duì)于具有成熟水害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)理論的底板水、頂板水，在采掘擾動(dòng)條件下，根據(jù)底板水壓、富水性、構(gòu)造密度、斷層斷距，以及頂板冒裂區(qū)、富水區(qū)等參數(shù)與多物理場的耦合關(guān)系，通過微震、電法監(jiān)測(cè)這些參數(shù)的變化特征，確定底板水、頂板水多物理場監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)。

礦井水災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)水位、水壓、水溫和流量等水文參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并利用微震、電法、水化學(xué)等物探、化探手段，探測(cè)充水水源、充水通道、充水強(qiáng)度變化特征，基于礦井突水預(yù)警理論構(gòu)建多物理場預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)礦井水害的多源數(shù)據(jù)耦合預(yù)警。

4)頂板與沖擊地壓災(zāi)害預(yù)警與智能聯(lián)動(dòng)主要用于分析頂板或沖擊地壓災(zāi)害礦井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，挖掘頂板或沖擊地壓災(zāi)害前兆信息，智能劃分危險(xiǎn)區(qū)域和等級(jí)，輔助技術(shù)人員做出災(zāi)害治理決策。

頂板與沖擊地壓災(zāi)害預(yù)警集數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征分析、煤巖失穩(wěn)前兆信息智能識(shí)別、災(zāi)害危險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)警等多種關(guān)鍵技術(shù)為一體，以礦井工作面推進(jìn)度、掘進(jìn)工作面進(jìn)度、煤柱留設(shè)、工作面布置等生產(chǎn)信息，以及煤層賦存、埋深、斷層、褶曲等礦井信息為基礎(chǔ)，利用微震/地音、鉆孔應(yīng)力、錨桿/索應(yīng)力、支架阻力、電磁輻射、鉆屑量、巷道變形量等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，煤炮、片幫、冒頂、錨桿/索失錨(拉斷)等井下事件信息，以及煤層注水、頂板預(yù)裂爆破、煤層爆破、大直徑鉆孔卸壓等卸壓解危信息，建立一套基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的學(xué)習(xí)型分析預(yù)警模型，隨著數(shù)據(jù)總量和災(zāi)害特征信息的增加，通過自身學(xué)習(xí)快速提高沖擊災(zāi)害類型等級(jí)劃分、數(shù)據(jù)演化趨勢(shì)預(yù)判、宏觀風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估水平和災(zāi)害預(yù)警準(zhǔn)確率，形成“一礦一模型、一礦一對(duì)策”的差異化防災(zāi)決策管理體系。

5)煤礦安全態(tài)勢(shì)融合預(yù)警平臺(tái)面向受瓦斯、水、火、頂板和沖擊地壓等多種災(zāi)害威脅的礦井，通過一體化預(yù)警平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多災(zāi)種預(yù)警信息的集中與融合，不同災(zāi)種聯(lián)合分析，礦井安全態(tài)勢(shì)綜合評(píng)判及分區(qū)、分級(jí)預(yù)警，為礦井安全管理提供決策支持。

煤礦安全態(tài)勢(shì)融合預(yù)警平臺(tái)采用統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了瓦斯、水、火、頂板和沖擊地壓等多災(zāi)種數(shù)據(jù)的有效融合；采用可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息的圖形化集成展現(xiàn)；自動(dòng)構(gòu)建不同災(zāi)害、不同參數(shù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)典型特征圖譜，實(shí)現(xiàn)了異常數(shù)據(jù)的自動(dòng)判識(shí)、自動(dòng)鎖定、回溯分析與趨勢(shì)預(yù)測(cè)；基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的煤礦安全態(tài)勢(shì)預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)了煤礦總體安全態(tài)勢(shì)的大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)和分區(qū)、分級(jí)預(yù)警，為礦井安全管理提供決策依據(jù)。

4 安全風(fēng)險(xiǎn)與隱患排查智能化雙重預(yù)防技術(shù)

煤礦智能化雙重預(yù)防體系既體現(xiàn)了以安全風(fēng)險(xiǎn)管控為核心的超前管控、源頭管控思想，又充分利用當(dāng)前在煤礦廣泛應(yīng)用的智能化技術(shù)，解決隱患排查被動(dòng)應(yīng)對(duì)，且隱患層出不窮，難以徹底遏制重大事故等問題。

4.1 智能化雙重預(yù)防體系及其特點(diǎn)

智能化雙重預(yù)防體系是指智能化技術(shù)與安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控、隱患排查、治理驗(yàn)收、信息化建設(shè)、持續(xù)改進(jìn)等核心流程有機(jī)融合，顯著提升風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)管控效率、效果等[18]。智能化雙重預(yù)防體系包括制度體系、保證制度和智能化雙重預(yù)防系統(tǒng)，較原有雙重預(yù)防機(jī)制而言，具有以下四方面特點(diǎn)：

1)安全風(fēng)險(xiǎn)全數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)安全有關(guān)數(shù)據(jù)的全面集成。原有的雙重預(yù)防機(jī)制信息系統(tǒng)只包含風(fēng)險(xiǎn)管控和隱患排查的管理數(shù)據(jù)，缺乏對(duì)傳感器、工業(yè)視頻、災(zāi)害防控等方面數(shù)據(jù)的利用。智能化雙重預(yù)防最大范圍內(nèi)集成了煤礦的安全數(shù)據(jù)，為全時(shí)空、全要素的安全管理提供了基礎(chǔ)。

2)動(dòng)態(tài)評(píng)估安全變化情況，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果超前處置。智能化雙重預(yù)防采用人工智能算法對(duì)采集到的全面安全數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠?qū)γ旱V、工作面、重點(diǎn)區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)變化情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，同時(shí)還能預(yù)測(cè)未來風(fēng)險(xiǎn)變化情況。根據(jù)對(duì)未來的預(yù)測(cè)，提前通知責(zé)任單位處理。

3)隱患排查數(shù)據(jù)來源多樣化，減少對(duì)現(xiàn)場隱患排查的依賴。原有雙重預(yù)防系統(tǒng)的隱患信息主要依賴現(xiàn)場檢查錄入，成為系統(tǒng)落地的一個(gè)關(guān)鍵性障礙。智能化雙重預(yù)防通過各種傳感器、監(jiān)測(cè)儀器、工業(yè)視頻等實(shí)時(shí)監(jiān)控危險(xiǎn)因素的變化情況，一旦出現(xiàn)超出閾值的情況，則立刻向責(zé)任單位示警。

4)對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)管控和隱患排查數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，動(dòng)態(tài)更新風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫。風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫的動(dòng)態(tài)更新是雙重預(yù)防機(jī)制長期有效運(yùn)行的基礎(chǔ)。智能化雙重預(yù)防系統(tǒng)借助人工智能算法，對(duì)各種風(fēng)險(xiǎn)管控和隱患排查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，動(dòng)態(tài)完善風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、管控措施等信息，實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)。

智能化雙重預(yù)防體系是智能化建設(shè)的重要組成部分，也是雙重預(yù)防機(jī)制的發(fā)展方向，從根本上重構(gòu)了煤礦雙重預(yù)防機(jī)制，真正解決了雙重預(yù)防機(jī)制落地的問題。

4.2 智能化雙重預(yù)防體系的風(fēng)險(xiǎn)隱患邏輯

智能化雙重預(yù)防體系極大提升了原有雙重預(yù)防機(jī)制的業(yè)務(wù)流程效率，減少了體系運(yùn)行的內(nèi)部成本。智能化雙重預(yù)防體系邏輯可分為風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與靜態(tài)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)管控、隱患排查治理、持續(xù)改進(jìn)4個(gè)環(huán)節(jié)，如圖6所示。

圖6 智能化雙重預(yù)防體系流程邏輯示意圖

1)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與靜態(tài)評(píng)估。風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與靜態(tài)評(píng)估是雙重預(yù)防機(jī)制的基礎(chǔ)，解決了“管什么、怎么管、誰去管”的問題。智能化雙重預(yù)防能夠根據(jù)煤礦之前的風(fēng)險(xiǎn)管控、隱患排查數(shù)據(jù)，提出需要調(diào)整、新增的風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，提出管控措施完善建議，減少了對(duì)人員經(jīng)驗(yàn)的依賴。

2)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)管控。除了保留原有雙重預(yù)防機(jī)制的現(xiàn)場管控、重大方案管控渠道以外，智能化雙重預(yù)防體系增加了對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)估和預(yù)測(cè)預(yù)警。風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)估充分利用各種與安全有關(guān)的數(shù)據(jù)，得到更加全面、科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，使煤礦能夠提前掌握風(fēng)險(xiǎn)變化趨勢(shì)。同時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)管控還可以根據(jù)對(duì)未來風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的隱患，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的超前管控。

3)隱患排查治理。智能化雙重預(yù)防體系的隱患排查治理充分利用智能化技術(shù)的能力，在對(duì)原有隱患排查模式進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，增加了2個(gè)隱患排查渠道，切實(shí)扎牢了安全的第二道防線。通過井(坑)下精確定位，實(shí)現(xiàn)各種信息與現(xiàn)場單一裝備的互聯(lián)互通，降低了現(xiàn)場工作的復(fù)雜性，提高了現(xiàn)場工作的針對(duì)性；動(dòng)態(tài)監(jiān)控各種與安全相關(guān)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)視頻等數(shù)據(jù)，一旦超出閾值則直接視為出現(xiàn)隱患；利用安全巡檢機(jī)器人、無人機(jī)等智能化設(shè)備，在地面開展遠(yuǎn)程巡檢工作。

4)持續(xù)改進(jìn)。通過對(duì)與煤礦風(fēng)險(xiǎn)、隱患相關(guān)大量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)分析，一方面能夠定期對(duì)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)結(jié)果、管控效果等進(jìn)行分析，動(dòng)態(tài)優(yōu)化管控重點(diǎn)、管控措施，調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等，確保日常雙重預(yù)防工作的有效性；另一方面，通過雙重預(yù)防體系績效分析，對(duì)體系的持續(xù)改進(jìn)提供決策參考。

4.3 智能化雙重預(yù)防關(guān)鍵技術(shù)

智能化雙重預(yù)防的基礎(chǔ)是對(duì)煤礦安全全時(shí)空感知數(shù)據(jù)的深入挖掘，涉及數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、挖掘等一系列關(guān)鍵技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、隱患智能響應(yīng)與治理、安全決策等。

4.3.1 全時(shí)空感知數(shù)據(jù)采集技術(shù)

智能化雙重預(yù)防的數(shù)據(jù)來源涉及“人、機(jī)、環(huán)、管”各個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)與煤礦安全有關(guān)數(shù)據(jù)的全面集成是其重要特征，也是重要優(yōu)勢(shì)。多樣化的數(shù)據(jù)涉及不同的采集技術(shù)：運(yùn)用視頻模式識(shí)別或智能手環(huán)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，采集與人不安全行為有關(guān)的數(shù)據(jù)；運(yùn)用設(shè)備工況監(jiān)控系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，采集與機(jī)器設(shè)備運(yùn)行態(tài)勢(shì)相關(guān)的數(shù)據(jù)；運(yùn)用監(jiān)測(cè)監(jiān)控、探測(cè)設(shè)備、人工錄入等方式，采集有害氣體、風(fēng)速、地壓、溫度、火、頂板等環(huán)境有關(guān)危險(xiǎn)因素屬性數(shù)據(jù)；運(yùn)用人員錄入、井下移動(dòng)設(shè)備感知和多媒體數(shù)據(jù)采集技術(shù)等，采集與管理有關(guān)的數(shù)據(jù)。

4.3.2 全時(shí)空感知數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及預(yù)處理是數(shù)據(jù)挖掘的前提，需要對(duì)采集的各種多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。采用分布式對(duì)象和文件存儲(chǔ)技術(shù)和云平臺(tái)技術(shù)，建立煤礦安全主題數(shù)據(jù)湖，或采用數(shù)據(jù)中臺(tái)技術(shù)、數(shù)據(jù)清洗技術(shù)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，補(bǔ)充缺失數(shù)據(jù)、修正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，滿足上層數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)各種數(shù)據(jù)的需求。

4.3.3 全時(shí)空感知數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

數(shù)據(jù)挖掘是智能化雙重預(yù)防的核心，也是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，如：采用井下精準(zhǔn)定位和機(jī)器視覺技術(shù)，識(shí)別人員所在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的危險(xiǎn)因素和風(fēng)險(xiǎn)，解決風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)不到位的問題；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，實(shí)時(shí)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)管控情況進(jìn)行綜合評(píng)估，提前預(yù)判各主要風(fēng)險(xiǎn)的變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)隱患的超前管控；采用知識(shí)圖譜、文本匹配、關(guān)聯(lián)分析等方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)隱患的智能治理等。隨著這些技術(shù)研究的不斷深入，將進(jìn)一步降低智能化雙重預(yù)防在企業(yè)的應(yīng)用門檻，提升應(yīng)用效果。

5 智能化煤礦安全觀變革

煤礦安全是一個(gè)綜合性的概念，包括地質(zhì)安全、生產(chǎn)安全、供給安全、生態(tài)安全、經(jīng)營安全等。煤礦安全要在安全紅線意識(shí)下，做到各個(gè)安全要素之間的均衡。煤礦開采是與自然環(huán)境做“斗爭”，并不是“本質(zhì)安全”，但通過先進(jìn)的智能化技術(shù)和管理體系，能夠有效地控制生產(chǎn)安全中的風(fēng)險(xiǎn)。

5.1 智能化煤礦全方位安全觀

2014年6月，習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第六次會(huì)議上提出推動(dòng)“能源消費(fèi)革命、能源供給革命、能源技術(shù)革命、能源體制革命”和全方位加強(qiáng)國際合作。在能源革命的背景下，煤炭行業(yè)積極推進(jìn)智能綠色煤礦建設(shè)，促進(jìn)煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，不斷探索綠色低碳、生態(tài)優(yōu)先、智能高效的創(chuàng)新發(fā)展道路，逐步構(gòu)建了全新的煤礦安全觀。

1)智能化建設(shè)升級(jí)，保障煤礦生產(chǎn)安全。隨著智能化建設(shè)推進(jìn)，煤礦生產(chǎn)各環(huán)節(jié)將逐步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、互聯(lián)互通，日常生產(chǎn)將主要依靠智能操控中心、智能技術(shù)支持中心和智能運(yùn)維隊(duì)伍協(xié)作完成，實(shí)現(xiàn)煤礦由“高危生產(chǎn)”向“本質(zhì)安全”轉(zhuǎn)變、由“規(guī)模產(chǎn)量”向“質(zhì)量效益”轉(zhuǎn)變、由“勞動(dòng)密集”向“技術(shù)創(chuàng)新”轉(zhuǎn)變、由“傳統(tǒng)開采”向“智能開采”轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)煤炭行業(yè)的高質(zhì)量安全發(fā)展。煤礦智能化建設(shè)是貫徹落實(shí)“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略的重要舉措，將推進(jìn)煤炭行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)與高質(zhì)量綠色安全發(fā)展。

2)完善煤炭生產(chǎn)供應(yīng)鏈，保障煤炭供給安全。當(dāng)前，我國煤炭企業(yè)主要面臨著生產(chǎn)粗放、產(chǎn)能過剩、資源環(huán)境約束加劇、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理等問題和挑戰(zhàn)。在經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下，能源革命推動(dòng)煤炭行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，促進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量健康發(fā)展，實(shí)現(xiàn)由依靠數(shù)量、規(guī)模、速度、產(chǎn)值擴(kuò)張的粗放型向依靠質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、效益、環(huán)保提升的集約型產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式轉(zhuǎn)變勢(shì)在必行。

3)生產(chǎn)管理綠色智能，工業(yè)能源安全升級(jí)。長期以來，煤炭的大規(guī)模開發(fā)，對(duì)礦區(qū)國土資源、地下水資源、空氣環(huán)境，以及地表水等生態(tài)系統(tǒng)造成了極大破壞。與此同時(shí)，原有煤炭企業(yè)“采、掘、運(yùn)、選”等工藝環(huán)節(jié)的信息化、智能化程度低，人工成本高、生產(chǎn)效率較低。煤炭企業(yè)生產(chǎn)管理應(yīng)向綠色智能方向發(fā)展，推行綠色生產(chǎn)技術(shù)，建設(shè)綠色煤礦；推進(jìn)開采技術(shù)革命，建設(shè)智能化煤礦。綜合推進(jìn)我國煤礦生產(chǎn)管理綠色智能化，維護(hù)煤炭工業(yè)能源安全。

4)工業(yè)法制建設(shè)強(qiáng)化，工業(yè)法制安全推進(jìn)。目前我國煤炭工業(yè)法制建設(shè)仍處于較低水平，距離實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)全面法治的目標(biāo)仍有較大差距。推進(jìn)煤炭工業(yè)法制建設(shè)應(yīng)充分保障我國煤炭工業(yè)的健康發(fā)展，為我國能源革命及煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供強(qiáng)有力的法治環(huán)境;鼓勵(lì)煤炭資源的高效清潔利用，以立法形式促進(jìn)建立資源低碳高效利用的激勵(lì)及懲罰機(jī)制，強(qiáng)化我國煤炭工業(yè)法制建設(shè)，保障煤炭工業(yè)法制安全。

5)統(tǒng)籌煤炭產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)與能源保障安全。煤電在保障我國能源安全方面發(fā)揮基礎(chǔ)兜底作用，在一定時(shí)期內(nèi)其在我國電力結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)性地位仍將保持。煤炭與可再生能源具有良好的互補(bǔ)性，充分利用燃煤發(fā)電的穩(wěn)定性，為可再生能源平抑波動(dòng)提供基底；利用可再生能源的碳中和能力，為燃煤發(fā)電提供碳減排途徑。煤礦充分發(fā)揮地區(qū)優(yōu)勢(shì)，以煤電為核心，與可再生能源在燃燒和化學(xué)轉(zhuǎn)化方面的耦合，與太陽能發(fā)電、風(fēng)電協(xié)同發(fā)展，構(gòu)建多能互補(bǔ)的清潔能源系統(tǒng)，保障能源安全。

6)擺脫污名化，恢復(fù)行業(yè)聲譽(yù)。能源革命對(duì)煤礦信息化、智能化建設(shè)提出更高要求，不斷推進(jìn)人工智能同煤炭產(chǎn)業(yè)深度融合，促使煤炭行業(yè)與其他新能源的有效結(jié)合，使煤礦逐漸釋放沉重的能源供給負(fù)擔(dān)，帶動(dòng)煤炭產(chǎn)業(yè)向高質(zhì)量安全發(fā)展邁進(jìn)。智慧化的煤礦黨建和企業(yè)文化也逐步向著更智能、柔性、人文方向轉(zhuǎn)變，將使煤礦擺脫污名化問題，恢復(fù)行業(yè)聲譽(yù)。

煤礦的安全管理與監(jiān)管呈現(xiàn)橫縱向經(jīng)緯交織，縱向來看，煤礦的安全生產(chǎn)受到國家的監(jiān)察、地方的監(jiān)管，企業(yè)最終負(fù)責(zé)；橫向來看，本著“管生產(chǎn)管安全”的原則，機(jī)電、生產(chǎn)等不同部門之間相互監(jiān)督煤礦整體安全。在能源革命的背景下，煤礦安全管理與煤炭減排緊密貼合，無論是縱向延伸還是橫向拓展，都應(yīng)對(duì)煤炭的碳減排給予重視，保障煤炭工業(yè)監(jiān)管安全。

5.2 煤礦智能化對(duì)安全生產(chǎn)的革命性影響

煤礦智能化是將新一代信息技術(shù)與煤炭開發(fā)技術(shù)進(jìn)行深度融合，煤礦智能化開采技術(shù)對(duì)煤礦生產(chǎn)、管理、監(jiān)管等均產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

1)煤礦智能化對(duì)煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)產(chǎn)生革命性變革。2015年，國家煤礦安全監(jiān)察局提出：通過機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化和智能化建設(shè)來實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的“減人提效”。我國采煤機(jī)械化程度不斷提高，采煤機(jī)械化和智能化的發(fā)展促進(jìn)了煤炭產(chǎn)量的增長，同時(shí)提升了煤礦安全管理水平。

2)智能化對(duì)煤礦企業(yè)的安全管理產(chǎn)生革命性變革。煤礦安全事故的發(fā)生因素中，人的不安全行為是最主要原因，而智能化的發(fā)展減少了井下工作人員數(shù)量，使企業(yè)的人員管理工作相對(duì)輕松。相比傳統(tǒng)的人工過程管理，智能化過程管理不僅節(jié)省人力、物力、財(cái)力，也大大提高了管理效率。

3)智能化對(duì)煤礦企業(yè)安全監(jiān)管產(chǎn)生革命性影響。我國煤礦監(jiān)管監(jiān)察體制的根本落腳點(diǎn)在企業(yè)主體責(zé)任的落實(shí)。智能化的發(fā)展不僅為企業(yè)主體責(zé)任的落實(shí)提供新思路，也為政府對(duì)企業(yè)的安全監(jiān)管監(jiān)察提供重要抓手。

基于新一代信息技術(shù)與煤炭開發(fā)、運(yùn)營、監(jiān)管技術(shù)進(jìn)行深度融合，建立國家級(jí)能源與礦業(yè)領(lǐng)域安全生產(chǎn)智能化平臺(tái)(如圖7所示)，協(xié)同各部門將能源生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)危險(xiǎn)源、高危作業(yè)崗位等信息納入平臺(tái)，進(jìn)行重大工程作業(yè)全流程安全管控，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)、消費(fèi)、利用全流程的智能化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)“無人則安”的能源開發(fā)策略。構(gòu)建基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全感知、監(jiān)測(cè)、預(yù)警、處置及評(píng)估體系，提升能源與礦山企業(yè)安全生產(chǎn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，培育“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”協(xié)同創(chuàng)新模式，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害的智能預(yù)測(cè)預(yù)警、救援快速響應(yīng)、應(yīng)急資源快速配置。

圖7 國家級(jí)能源與礦業(yè)領(lǐng)域安全生產(chǎn)智能化平臺(tái)

5.3 摒棄“百萬噸死亡率”指標(biāo)

我國煤炭行業(yè)長期使用“百萬噸死亡率”作為安全生產(chǎn)指標(biāo)，這一指標(biāo)雖然簡單易于考核，但卻是一個(gè)具有行業(yè)歧視性和黑標(biāo)簽性的指標(biāo)。美國并不使用百萬噸死亡率指標(biāo)，美國的死亡率是按照死亡人數(shù)除以職工數(shù)量來計(jì)算的，與煤炭產(chǎn)量無關(guān)，是不分行業(yè)的。

國內(nèi)學(xué)者用這樣一個(gè)自已算出的美國等國家的百萬噸死亡率與我國的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，強(qiáng)調(diào)我們的落后，這是不科學(xué)的(美國主要是露天開采)，以此污名化我國煤炭行業(yè)形象。

目前，我國的煤礦安全已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，應(yīng)該取消煤礦特有的“百萬噸死亡率”指標(biāo)，而應(yīng)采用各行業(yè)統(tǒng)一的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，強(qiáng)化煤礦智能化安全管理，從根本上提高安全生產(chǎn)水平。