井下巷道掘进安全预警系统的设计研究

秦 丽

（潞安集团高河能源有限公司，山西 长治 047100）

引言

巷道掘进作为煤矿生产的基础，巷道能否安全掘进直接影响煤矿生产[1]。随着矿井安全生产投入不断增加，煤矿安全生产形势得以明显改善，百万吨死亡率呈现逐渐降低趋势[2-3]。矿井对掘进工作面人员监督一般分为远程监督以及现场管理两种方式，但是均需要依赖人工进行判定，不能及时发现不安全行为[4-5]。因此，研究一种智能化掘进工作面安全预警系统，以实现对掘进面常见安全隐患进行监测、提醒，从而达到提高掘进工作面安全管理能力的目的。

1 掘进巷道安全问题分析

通过现场调研发现掘进工作面存在的安全隐患主要有四类，具体为超循环掘进、带式输送机堆煤、空顶作业以及人员进入到危险区域[6-7]。超循环掘进即为综掘机每个循环掘进进尺超过预先设定值。现实中由于矿井掘进任务繁重，掘进人员往往赶超进度，会存在不顾作业规程要求违规超循环掘进的做法，从而造成一定的安全隐患。

煤矿井下严禁空顶作业，而超循环进尺掘进往往会造成空顶作业。在顶板未采取任何支护措施的情况下空顶作业极为容易导致冒顶事故的发生，给掘进工作面人员安全带来威胁。

带式输送机堆煤主要是由于带式输送机运输能力不能满足需要或者带式输送机机头出现故障。带式输送机长时间堆煤不仅会影响正常通风而且通过胶带摩擦散热极其容易引起堆煤自燃，造成井下火灾。

巷道掘进过程中破碎机、掘进机机头位置有大型机械运动，同时操作司机存在一定的视觉盲区，因此，严禁非操作人员进入到上述区域。井下一般采用布置简易围栏、人工监视以及员工相互提醒等方式避免人员进入到危险区。上述掘进工作面安全隐患采用人工监控方式存在一定的漏洞，主要是发现不及时或者无法全天候监测问题，因此，需要一种掘进工作面安全监控预警系统，对掘进工作面存在的安全问题进行全方位实时检测，从而提高掘进工作面的安全保障能力。

2 巷道掘进安全预警系统的设计

2.1 超循环作业安全预警模块

设计的超循环作业预警系统主要是对掘进进尺进行监测，当发现掘进进尺超过预先设定的安全值时即发出报警信息，从而避免出现超循环掘进问题。整个系统结构包括有矿用无线摄像头、声光报警装置、无线信号收发机以及后台分析处理软件等，见图1。

图1 超循环作业安全预警模块结构组成图

矿用无线摄像头用以实时对掘进机工作情况进行监测，后台数据处理软件通过相关算法得到掘进机初次掘进位置，并持续监测掘进机推进距离，从而得到掘进机循环进尺量。当监测到掘进机实际进尺量超过预先设定安全值时即认为掘进机超循环进尺，此时掘进工作面在发出声光报警信号的同时报警值会长传至地面监控中心，并在后台记录超循环作业报警开始时间及持续时间，见下页图2。

2.2 空顶安全预警模块

图2 超循环作业安全预警模块工作流程图

空顶安全预警主要是区分作业人员位于已支护区域或者是未支护区域问题，当监测到作业人员处于未支护区域时即发出声光报警信号。井下掘进巷道设计的空顶作业安全预警模块与超循环作业安全预警模块共用同一套硬件设备。

矿井无线摄像头实时对掘进区域进行监测，后台分析处理程序对已完成支护区域图像进行识别分析，对未支护区域边界进行圈定，然后根据人体识别算法最终对人员是否处于空顶区域进行判定。当作业人员位于空顶区域时摄像机获取到的图像背景出现变化，此时安全预警模块会发出声光报警信号提醒作业人员注意安全，并在后台记录空顶作业报警参数。见图3。

2.3 带式输送机堆煤安全预警模块

设计的带式输送机堆煤安全预警模块主要是对巷道掘进期间带式输送机是否出现堆煤进行判定，主要结构包括有矿用防爆摄像头、后台处理软件以及声光报警装置等，具体硬件结构见图4。

在带式输送机容易出现堆煤的机头位置安装矿井防爆摄像头，实时获取机头位置图像信息，利用以往输送机堆煤前获取到的图像特征来判定输送机机头位置是否出现堆煤。在一定的时间范围内，摄像头获取到的机头图像信息发生明显变化时，即为获取到的最后一帧图像与原有背景图像发明明显变化时即可判定出现堆煤事故。后台处理软件按照预先设定程度发出报警指令，声光报警装置发出信号提示附近作业人员及时对故障进行处理，见图5。

图3 空顶安全预警模块工作流程图

图4 堆煤安全预警模块结构组成

2.4 危险区域安全预警模块

图5 堆煤安全预警模块工作流程图

危险区域安全预警模块的主要功能是对井下掘进工作面危险性进行划分并发现有人员进入到危险区或者在危险区逗留时及时发出预警信息。在非掘进期间有人员通过危险区时安全预警模块发出安全提示。设计的危险区域安全预警模块结构包括有矿用无线摄像头、跑偏开关、声光报警装置、后台处理软件、无线信号收发器等，见图6。

图6 危险区域安全预警模块结构组成图

在预先确定的危险区域内顶板位置安装矿井无线摄像头获取危险区域内实时图形，巷道开始掘进时关闭围栏并在围栏上安装跑偏开关。当有人员打开围栏时跑偏开关会将围栏打开信息传输至后台处理软件，同时无线摄像头获取到的背景图像发生明显变化，即可认为有人员进入到危险区域，声光报警装置发出声光报警信号，并将报警信息传输至地面监控中心。当综掘机停机运行，打开安全围栏后跑偏开关将围栏打开信息传输至后台处理软件，此时声光报警装置发出安全提示。

3 结论

设计的安全预警系统可以在一定程度上弥补了矿井掘进工作面安全管理存在的不足，提高了安全生产的保障能力。现阶段该系统已在山西某矿1805 采面回风巷掘进工作面中进行现场应用，且平稳运行超过6 个月，在系统运行期间共发出各类安全提醒155 次，起到了明显的安全预警作用。