技术与装备推广 | 煤矿灾害智能预警与综合防治系统

我国煤层赋存条件复杂，煤矿灾害频繁发生。煤矿灾害主要类型包括：瓦斯、顶板、水、火、粉尘、冲击地压等。近年来，几乎所有煤矿都安装了用于各类灾害的监测预警系统，不同系统产生的不同类型、结构、来源的数据共存，灾害监测预警信息呈现出明显的“大数据”特征。现阶段煤矿灾害预警分析中海量数据的利用率较低，存在多灾害数据融合分析不足、单灾害数据挖掘分析不够、矿井实际需求分析不到位、监测预警与灾害防治严重脱节等问题。针对上述问题，煤炭科学技术研究院有限公司研发了煤矿灾害智能预警与综合防治系统，该系统综合运用了物联网、大数据分析、云计算、移动互联、机器学习、三维仿真建模等技术手段，采用煤矿“三维一张图”的设计模式，融合矿井多系统、跨业务的地质基础数据，生产治理数据和监测监控数据，构建了煤矿“一图、一库、一网”的灾害监测预警体系，实现煤矿瓦斯、顶板、水、火、粉尘、冲击地压等灾害智能预测预警、风险动态评估、预警信息发布、设备联动控制、灾害模拟仿真、避灾路线规划、防治信息管理、监防信息互馈等。煤矿灾害智能预警与综合防治系统解决了“监测预警—解危治理—效果检验”一系列操作的智能化、网络化难题，完成了煤矿灾害在线发布预警通知、智能推荐解危方法、辅助填报解危措施、自动检验解危效果的防治全过程管理体系建设。煤矿灾害智能预警与综合防治系统如图1所示。

图1　煤矿灾害智能预警与综合防治系统

文章来源：《智能矿山》2023年第12期“技术与装备推广”专栏

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数据是煤矿灾害预警的前提和基础。煤矿灾害的发生和矿井工程地质条件、煤层赋存情况等基础数据，矿井采掘作业、灾害治理施工等生产数据，以及各类型系统监测数据息息相关，灾害预警系统首先要解决“存什么和怎么存”的问题。“存什么”需要明确各类灾害挖掘分析需要的数据类型，以及各类型数据的核心关键字段，据此编制灾害预警数据感知规范并建立灾害预警数据库；“怎么存”需要解决海量、多元、异构数据的灵活存储和高效检索，以及报告、矿图、报表等各类非结构化数据的集成管理。

煤炭科学技术研究院有限公司研发了煤矿灾害数据中台，解决了矿井地质构造、采掘生产数据的采集和存储难题，将监测数据与基础数据、生产数据融合分析，实现生产信息数据化、矿井数据资源化，完成了不同业务系统间数据的共享，打通了数据孤岛，解决了矿井多源异构数据利用率低、治理数据难以数字化的问题。

针对煤矿灾害多业务系统数据时空不一致、垃圾数据种类繁杂、数据编码不统一等问题，研究基于完整性约束、规则、统计和人机结合的数据清洗算法，实现了煤矿灾害数据清洗和有效性分析；开展煤矿基础静态数据、采集数据和监测数据3类数据的实时解析，研究数据特征信息的分布式提取方法，智能判别危险数据、重复数据和错误数据，提高了煤矿灾害数据的治理水平，为灾害智能预警提供了基础数据支撑。

针对煤矿灾害数据的高复杂特征和多元异构特点，从数据中准确地挖掘出煤矿灾害发生的前兆信息是灾害预警成功的关键。通过研究煤矿灾害数据多元离散特征提取方法和关键致灾因素定量化分析方法，包含瓦斯浓度预测、瓦斯涌出特征分析、需风量预测、采空区自然发火预测、周期来压预测、应力集中区预测等数据分析模型，构建煤矿灾害分类分级综合预警指标库和预警模型库，从原始信息、特征信息和决策信息3个数据级处理信息融合问题，根据不同的监测区地质、生产条件，自主优化模型确定相对应的预警规则和参数。

以采掘活动区作为评价主体，采用动静态结合的方法，动态划分危险区域和危险等级，将矿井地质资料及各类灾害风险静态评价结果（如瓦斯地质图、水文地质图、冲击危险区域划分图等）预先导入区域灾害预警模型中，辅以各类监测系统动态监测结果和采集生产信息，实时动态评价矿井各类灾害的风险区域和等级，自动识别不同区域的风险来源。

目前，煤矿灾害各类治理措施信息化水平低，各种台账、报告、报表等尚未实现集成和有效信息管理，通过研究煤矿灾害防治信息类半结构化、非结构化数据的管理方法，实现钻探、抽采、卸压、注惰、降尘等治理措施在线管理，在此基础上开展防治信息与监测信息联合分析方法的研究，揭示防治信息与监测信息之间的互馈机制，利用预警手段指明防治重点区域、联合防治结果评价危险等级、辅助监测方法检验解危效果，实现防治信息与监测信息的相互支撑和有效互馈。

煤矿灾害智能预警与综合防治系统可利用煤矿已建设的通信网络，通过短信、智能矿灯、联控网络等多种方式，实现与井下人员、排水系统、通风系统、喷雾降尘系统和防灭火系统实时互联、智能控制，以及灾前人员的快速撤离、设备的快速联动。可实现灾害风险预测、分析结果与控制系统的智能联动减灾，具备重大安全事件的应急处置管理能力，并依据灾变发展趋势，自动触发联动排水（图2）、灭火与除尘等系统，同时具备灾害风险监测预警、智能分析模拟、矿井灾变状态下避灾路线智能规划等功能。

图2　煤矿水害预警与排水系统联动

煤矿灾害智能预警与综合防治系统在山西天地王坡煤业有限公司、陕西郭家河煤业有限责任公司、国能神东煤炭集团有限责任公司保德煤矿等20座矿井成功应用，助力煤矿智能化示范矿井建设。煤矿灾害智能预警与综合防治系统充分结合煤矿地质条件、生产现状以及主要灾害现状，紧紧围绕着煤矿安全生产实际需求，融合多系统、跨业务灾害监测数据，构建煤矿“一图、一库、一网”灾害监测预警体系，实现了煤矿瓦斯、水、火、顶板、粉尘等灾害智能预测预警、风险动态评估，为矿井灾害监测、危险源预警、灾害超前治理和源头管控提供依据，实现了灾害早发现、早预报、早防治，全面提升矿井灾害防治水平，实现了矿井灾害智能预警与综合防治。