煤矿安全管理智能化建设及发展研究
时间：2023-10-30 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 煤矿安全 ★
煤矿安全管理智能化建设及发展研究
0 引言
煤炭是我国的主体能源和重要工业原料[1]，随着经济的快速发展，煤矿开采技术装备迅速换代升级，从最初的炮采、普采升级到机械化综采、综掘，发展到目前的自动化、智能化开采，煤矿安全基础逐步夯实。煤矿安全形势大为好转，2021年煤炭产量达到41.3亿t、煤矿百万吨死亡率降至0.044。近几年，煤矿安全生产成绩领先一些非煤工业领域[2]，煤矿事故死亡人数在主要行业排名由第2位下降到第6位[3]，改善了煤炭行业的负面形象，这离不开煤矿安全管理的标准化建设和煤矿装备升级、智能化改造。关于煤矿智能化建设和标准化建设，有专家学者进行了大量的研究。王国法等[4-7]提出煤矿智能化3个基本要素装备的自感知、自决策、自执行，给出了煤矿智能化开采的技术内涵及系统架构，并结合薄及中厚煤层无人开采、厚煤层、大采高综采、综放开采和复杂条件下等几种不同模式对智能化开采展开分析，介绍了煤矿智能化标准体系的建设情况，涵盖了安全预控闭环决策和智能化管理模式，介绍了智能化煤矿分类、分级评价指标体系，煤矿井下环境感知及安全管控系统作为安全保障智能巨系统的一部分；袁晓翔等[8]利用球体斜坡力学原理分析了企业安全生产标准化状态的牵引力、支撑力和下滑力；杨昊鹏等[9]建立了基于过程的煤矿安全生产标准化建设实效评价体系；曾发镔等[10]基于瀑布生命周期模型建立了安全生产标准化的双重预防机制App；吴宗之等[11]通过开发“煤矿安全风险管控信息系统”，使煤矿安全生产标准化工作信息化、透明化、网络化，进一步加强了煤矿的安全管理；戚宏亮等[12]通过融合大数据时代理念、方法和技术，探讨大数据下煤矿应急管理标准体系的变化，完善了煤矿应急管理标准体系。
其他专家学者也对煤矿智能化、煤矿安全管理做了大量的研究[13-17]，但大部分智能化煤矿建设研究是围绕技术和装备方面，对煤矿安全生产标准化研究较少。煤矿安全管理的相关研究主要针对安全生产标准化本身、人员行为、双重预防机制等展开，未对智能化煤矿建设情况进行深入结合分析。尽管在开展安全管理时应用了智能化技术，但技术应用的积极性很弱[18]，甚至无法充分发挥智能科技的巨大能力及其影响。因此煤矿在开展生产的过程中需要进一步健全煤矿安全管理智能化建设，以此来提高煤矿安全生产的标准化程度。笔者以此为研究背景，基于煤矿标准化和智能化的发展及现状，探讨煤矿安全生产标准化与智能化互相依托和促进的发展方向。
1 煤矿安全管理体系发展基础
自20世纪60年代提出“质量标准化”以来，“质量标准化是煤矿的命根子”深入人心，作为煤矿安全生产的重要抓手，通过严把毫米关，强调以质量保证安全。20世纪60年代我国煤炭产量约2亿t/a、煤矿事故死亡人数超千人，煤炭供应紧张、安全生产形势严峻，标准化着重抓作业现场工程质量。1986年，煤炭部在全国开展了“质量标准化、安全创水平”活动，目的已由着重抓好采掘工程质量提升到促进安全生产，当年煤炭产量8.7亿t、煤矿事故死亡人数超6千人，安全生产情况依然严峻。2004年，“煤矿安全质量标准化标准及考核评级办法(试行)”的出台，标志着标准化自提出、实施到推进经历40年的发展历程，从初步形成结构框架到成为煤矿工程管理质量、安全生产管理的重要抓手，当年原煤产量19.56亿t、煤矿事故死亡人数约6千人，煤矿安全生产水平有所提高。2017年，煤矿质量标准化引进了安全风险分级管控和事故隐患排查治理双重预防机制，形成了“三位一体”的安全生产标准化基本要求，达标内容也由静态达标转向动态达标、由结果达标转向过程达标、由形式达标转向内在达标，当年原煤产量35.2亿t、煤矿事故死亡人数375人，煤矿安全生产形势大为好转。双重预防机制的引入应用，使得煤矿标准化建设在预防和遏制重大事故发生方面起到了积极作用。
标准化经过不断地完善、改革、创新，2020年煤矿安全生产标准化管理体系开始建设，并颁布实施了《煤矿安全生产标准化管理体系基本要求及评分方法》(以下简称“管理体系”)。管理体系是在原有煤矿标准化建设基础上，参考借鉴一些国际通用安全管理体系方法精髓，引入了理念承诺、规范了责任体系、增加了员工不安全行为管控、强调了员工辨识安全风险，从以往重视煤矿现场转变到煤矿现场和安全管理齐抓共管，构建了持续改进的管理模式。在煤矿安全管理、煤矿装备提升、人员素质生产系统等方面均达到了一个新高度，煤矿标准化建设迈进了新阶段，当年原煤产量39亿t、煤矿事故死亡人数228人。在我国煤矿智能化迅猛发展的大背景下，标准化增加了智能化采煤、掘进技术等标准。标准化发展节点的煤炭产量及安全状况如图1所示。
图1 标准化发展节点的煤炭产量及安全状况
2 煤矿安全管理智能化发展基础
2.1 煤矿智能化的发展研究
煤矿安全管理水平的提高离不开技术装备的进步，煤矿智能化建设是实现安全管理智能化的基础，且智能化建设水平迭代升级很快，大量专家学者和现场工程技术人员针对智能化建设开展研究和应用，也在煤矿安全管理智能化领域进行了探索。陈杰[19]以视频感知为基础，以互联网、现代信息为载体，以AI技术、大数据技术为重要支撑，建立了煤矿人工智能AI平台架构体系，并应用到煤矿实际中，对真实的操纵现场进行了深入挖掘和研究，以煤矿设备状态、人员行为、环境变化等为目标，展开智能感知、深度学习与智能分析，以达到智能预警与控制的目的。陈晓晶[20]设计的“云-边-端”协同的煤炭智能火灾防治架构系统将火灾智能的预警模式、边缘算法、信息收集和防灭火系统等与火灾防治信息技术集成到一起，与国家能源部门和当地政府的验收要求实现了契合，对煤矿企业火灾防治智能化的构建提供了重要参考价值。但整体来看我国煤矿智能化建设仍处于初级阶段，仍存在很多关键技术难以攻破[21-23]。煤矿智能化是煤矿安全生产和人工智能、大数据、云计算等相结合的复杂巨系统[24]，具有涵盖范围广、信息量大、技术更新快等特点。智能化煤矿涵盖大数据处理、AI技术、智能互联装备、云计算等技术，具有对煤矿各系统自感知、自决策、自执行的能力，可为实现煤矿安全管理智能化奠定部分硬件基础。煤矿(井工)智能化建设体系框架构想如图2所示。
图2 煤矿(井工)智能化建设体系框架构想
2.2 煤矿安全管理智能化实现路径
智能化煤矿子系统是感知和执行的主要媒介，也是可见程度最高、需要从采矿技术层面着手解决的方面，主要分为智能采煤子系统、掘进子系统、运输系统、“一通三防”系统、供电排水系统、地测系统、避险系统等，各部分专业独立、数据共享、相互配合、互为支撑。数据传输通道作为智能化煤矿的神经系统，需要尽可能多地感知井下人员、机电设备、环境参数等信息，并实时传输至控制平台、数据中心，且要把控制平台的指令准确及时地发送到各设备，需要达到信号无延迟、不中断。煤矿智能管控驾驶舱可根据井下传输的各类数据进行快速分析、形成决策指令，如采煤机割煤过程中遇到煤层突然变薄的数据反馈，需要及时根据采煤机截割能力、支架参数、顶底板岩性等做出降低采高通过、割顶板通过或其他方式。根据供电设计合理分配用电、准确完成继电保护核算检查和整定等工作，根据作业规程合理分配采掘工作面风量、材料补给等。煤矿安全管理智能化作为煤矿智能化管控驾驶舱的组成部分，可调取并利用智能化煤矿的系统及运行数据，实现设备的一键启停、智能动作、人工干预等功能，结合煤矿大数据中心和自学习功能，力争实现信息反馈智能化。
3 煤矿安全管理智能化发展构想
3.1 煤矿安全管理体系现状及发展需求
2020年颁布实施的煤矿(井工)标准化管理体系涵盖了理念承诺、机构职责、责任制、安全管理制度、人员素质提升、双重预防机制、质量控制(包含采、掘、机、运、通、地测、调度等)和持续改进8个部分，涉及大量的制度、措施、图纸、报告、规程、记录、台账、档案等支撑资料和井下精确到毫米的质量控制管理，需要投入大量的人力资源成本，但煤矿标准化持续改进、动态达标难度较大，部分煤矿达标后稍一懈怠管理水平便急速滑坡，标准化对煤矿安全管理的作用随之减弱。
目前，我国煤矿企业安全管理智能化发展还处在初期，煤矿在开展生产的过程中需要不断提高煤矿安全生产的标准化程度。首先，对日常考评流程进行改进与完善，使煤矿企业的安全生产系统达到智能化程度，保证统计分析工作的顺利推进，切实提升工作效能与质量；其次，建立一个安全生产规范化管理的信息化系统，可以对煤矿生产状况进行监测与控制，找出矿井中的各种安全问题并记录，然后根据这些问题进行深入分析，继而给出相应的改进对策。
3.2 煤矿安全管理智能化构想
在煤矿智能化建设的大环境下，要想建设好煤矿企业安全生产标准管理体系，首先就要提升危险作业全流程监控和管理的智能化水平，在建立井下作业人员管理系统的同时，要主动利用权限控制和定位技术，从而达到对工作人员进行全流程的管理。主动建立一个大数据使用平台，在利用网络和云端技术的前提下，将大数据的功能和作用最大程度地体现出来，在这一进程中，要重视建立与之对应的信息处理平台。要确保煤矿安全生产，最重要的是做好对煤矿安全隐患的排查与治理，使煤矿的安全风险降到最低。
基于当前煤矿智能化建设的大背景，梳理了标准化中部分智能化相关要求，涉及到组织机构明确机电部门自动化信息化的职责、双重预防机制采用信息化管理、鼓励采掘作业智能化等内容，但总体看标准化体系建设中智能化的因素不多。针对煤矿标准化建设，大数据技术和云计算技术均可用于标准化涉及的内业支撑材料，如作业规程、设计、措施、档案管理、风险地图、责任人、问题统计等，AI人工智能技术可用于人员不安全行为的识别与管控、采掘工作面等作业现场的工程质量验收、人员精准培训等，井下机器人可实现固定岗位、危险作业岗位替代等。构想了煤矿标准化智能管控系统的总体思路，如图3所示。
图3 煤矿(井工)安全生产标准化智能管控系统构想
由图3可以看出，系统基于建成的智能化体系，实现了内业资料信息化、智能化处理，PC端、移动端分层级、部门等权限浏览、引用、编辑处理，减少了工作量，同时提高了工作效率；系统实时掌握井下生产状况、存在的问题、灾害治理状况、风险隐患分布等，实时自动分配任务至人员、设备或某个系统；实时监测感知井上下工作环境数据、人员行为识别及监控预警、设备运行信息数据采集等；系统可自动比对标准，生成存在问题及措施、建议模板方案，协助有关人员完成任务、做出决策；系统可对标准化管理体系运行情况、内外部检查问题自动分析，自动生成体系运行报告，指导煤矿持续改进。
安全管理智能化需要建立庞大的数据库，在此基础上运用先进的计算机算法学习有关的法律法规、规程措施、专业技术人员对每类事件的处理方法、对事件的响应、事件后续的整改措施等；实现所有内部业务资料的电子化，并定期进行自检排查内容与有关要求的符合性；内部、外部安全检查的问题自动读取并提出整改方案等，为煤矿安全管理和持续提升提供参考。
4 结论
(1)介绍了煤矿安全管理体系的发展现状和趋势导向，逐步实现煤矿安全管理智能化是大势所趋，煤矿安全管理体系作为智能化建设巨系统中一个子系统，和其他子系统的软硬件均存在关联和交互，涉及大量的内部业务资料和现场数据，需要各子系统、平台之间信息共享、数据融合、高效执行。
(2)结合煤矿安全生产标准化管理体系结构框架和主要内容，基于煤矿智能化建设基础构想了煤矿安全管理及标准化智能管控系统，探讨了煤矿安全生产标准化管理系统的功能要求，安全管理智能管控和标准化管理体系在工作上可互相促进、共同提升。
(3)煤矿安全管理智能化的实现离不开智能化技术的更新升级和标准化管理体系的持续发展，大数据库的建立、数据的使用及传输、设备动作灵敏度及可靠性等是煤矿安全管理智能化关注的重点，煤矿安全管理体系中指标量化和可数据化管理的标准化程度应更高，两者形成合力共同为煤矿安全生产提供坚实支撑。
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Research on the intelligent construction and development of coal mine safety production management
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