精英数智副总经理吴喆峰：基于人工智能技术的煤矿探放水智能监测系统研发及应用

煤矿水害已成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一，是仅次于瓦斯灾害的第二大“杀手”。根据中国煤炭安全生产网数据，我国2000年以来的煤矿事故死亡人数与水害事故死亡人数如图1所示。2000年至今，全国煤矿水害事故共造成4818人死亡，其中近2年煤矿水害呈上升趋势，2020年发生7起水害事故，造成25人死亡。2021年全国煤矿重大事故均为水害事故，共发生4起，造成48人死亡。煤矿水害事故造成的伤亡人数已超过煤矿瓦斯事故，造成较为严重的社会影响与经济损失。

 

 

图1　煤矿事故死亡人数与水害事故死亡人数统计

 

长期以来，对煤矿水害原因的分析多集中在地质因素、技术因素、管理人员的素质等；对煤矿水害防治的研究多集中在水体探测、排放水技术及其进步等；对煤矿水害的预警指标研究多集中在水灾害致因理论、水害预警指标、水害监测指标技术等。矿井水害的分析与评价源于对地质因素的掌握、赋存水体的精准探测与评价，笔者结合国内多起水害事故的实际情况，分析煤矿水害管理方面的原因，构建煤矿探放水智能监测系统，以全程监督煤矿水害防治的整个过程，保障煤矿探放水过程的安全，并通过现场实践进行验证。

 

文章来源：《智能矿山》2023年第10期“智能监控”专栏

作者简介：吴喆峰，现任精英数智科技股份有限公司副总经理、智能矿山BU总工程师

作者单位：精英数智科技股份有限公司

引用格式：吴喆峰，周杰，杜楠.基于人工智能技术的煤矿探放水智能监测系统研发及应用[J].智能矿山，2023，4（10）：66-71.

 

01  煤矿水害事故的原因分析

 

煤矿井下探放水是防止水害事故发生的较为有效措施，也是最后一道屏障，国家行业监管部门对此高度重视，强调安全生产关口前移，并发布了一系列与防治水有关的行政规章和技术标准，如《煤矿安全规程》《煤矿防治水细则》等。上述煤矿防治水害技术管理要求保障了我国煤矿的安全，但煤矿水害并未完全杜绝。究其原因，主要体现在以下7点：

（1）对“有掘必探”缺乏高度认识，存在厌烦和抵触情绪，造成许多矿井漏探、假探，甚至不探。生产单位为降低掘进成本，提高掘进效率而盲目冒进，不按探放水规程与设计要求规范作业，不按钻孔设计角度、数量与深度施工。

（2）大多数兼并重组矿井地质及水文地质专业技术人员短缺，专业技术人员配备有差距，无法对矿井的水害进行系统分析研究，导致对水文地质条件了解不清。专业防治水队伍技术力量薄弱，特殊工种缺乏有针对性的系统培训，专业技能不能满足煤矿防治水的真实需求，从而造成水患的探查和防治不力，导致水害事故较多。

（3）对国家及省、市等地方下发的相关文件疲于应付，其执行的力度仅限从文件到文件，煤矿防治水管理制度尚未真正贯彻执行，特别是井下探放水工作大部分矿井未形成完整的流程和闭环管理。

（4）探放水作业时，钻孔深度、角度依靠现场监钻、验钻人员人工监测，本质上是人管人，可能存在人为漏检、弄虚作假的行为。

（5）部分矿井虽安装了视频监控来监督探水作业，但利用计数器或人工监视、数钻杆等统计打钻深度，需要工作人员长时间的值守，存在较多主观性，存在人情、懈怠、腐败、造假等风险。

（6）部分矿井存在隐蔽致灾因素排查治理不到位的情况，未严格执行《煤矿防治水细则》，且未制定切实有效的隐蔽致灾因素专项治理方案。

（7）行业监管单位监管范围大、监管力量不足，部分监管机构仅限于“颁文件套规程”，即满足形式监察要求，缺乏专业技术指导，不能对煤矿水害隐患起到诊断和监管作用。

综上所述，针对煤矿水灾，国家层面主要集中在相关法规、标准的制定与完善，企业层面重点关注地质条件分析与评价、探测技术进步、防治技术发展等方面。但这些管理制度、技术措施落实不到位，即煤矿水害的探测、防治工程的实施与评价等缺乏针对性的管理保障，这是煤矿水害发生的主要原因。

 

02  煤矿探放水智能监测系统

 

煤矿探放水的过程控制

煤矿探放水过程是一种特殊的工程过程，该过程接受地质构造、水体赋存等基础资料作为输入内容，投入大量的技术人员、管理人员、专家学者等人力资源，占用生产系统、通风系统、排水系统、监测监控系统、探测工程施工设备等大量的物力资源，通过探放水工程施工参数、矿井水排放参数及若干过程节点的跟踪控制，旨在保障煤矿探放水的安全，避免水害事故的发生。基于此，精英数智科技股份有限公司（简称精英数智）研发了基于人工智能技术的煤矿探放水智能监测系统。该系统集煤矿探放水过程的工程设计、计划与执行、工程验收、效果评价等环节于一身，实现了防治水过程的全流程信息化管理。

煤矿防治水过程控制是一种特殊的控制系统，以防治水过程模型分析、过程特征参数及其特点分析为基础，采用适当的方法和手段来实现探放水方案设计、探放水工程施工、水体排放过程的跟踪控制，实现矿井水体预测、技术方案审核、探放水工程施工质量验收、矿井水排放效果评价等节点控制，确保过程处于稳定的受控状态，进而达到预期的煤矿防治水效果。煤矿探放水过程监测流程如图2所示。

 

煤矿探放水智能监测系统组成

 

图2　煤矿探放水过程监测流程

 

（1）系统描述

煤矿探放水智能监测系统采用“云、边、端”部署架构（图3）。云平台包括智能感知云平台、煤矿探放水智能监测系统移动应用、VPN服务等。云端部署采用高并发、低延时的SaaS系统，负责模型的训练、权重管理及云边模型同步。边侧管理平台包括煤矿探放水智能监测系统、智能感知边缘平台、流媒体服务系统、人工智能煤矿钻场推理系统、智能感知嵌入式端计算平台等。煤矿探放水智能监测系统通过人工智能视频采集终端采集井下视频数据，采用人工智能边缘计算服务器对视频数据进行智能分析、推理，向业务系统输出识别结果。

 

图3　煤矿探放水智能监测系统应用架构

 

端侧主要通过本安摄像机采集现场视频数据，并上传至人工智能视频采集终端，通过防爆智能手机终端接收汇报信息，井下作业全过程通过App实现井下的交互操作，完全脱离地面人员的协助配合，提高工作效率的同时规范了探水作业人员的操作。

（2）探测钻孔设计与审核

在探测钻孔设计阶段利用人工智能算法和三维布孔工具，地测技术人员仅需要在辅助设计图上拖动几条线段，线段一端连接在辅助设计图上的钻探位置，另一端的位置由设计人员拖动确认，在设计图中线段可以认定为钻孔，设计人员拖动的一端即终孔位置。设计人员拖动线段后，结合设计图比例尺，智能计算出钻孔实时孔深、钻孔与巷道中心孔的水平夹角、钻孔与巷道中心孔的垂直夹角、钻孔终孔位置与中心孔的水平间距、钻孔终孔位置与中心孔的垂直间距等辅助设计参数。

同时需要了解巷道的高度、宽度、上覆煤层与下覆煤层的间距和厚度、工作面的方位角，倾角、两帮的帮距和超前距，在此基础上设计出不同钻探目的的钻孔。设计完成后，可以添加新的钻孔进行设计，或进行保存确认。

通过自动计算的数据，结合巷道的方位角，倾角信息，可以快速得出钻孔设计的方位角、倾角、孔深等关键参数。精准实现探放水钻孔的布置，实时输出科学有效的钻孔参数（图4）。探测钻孔的智能化设计满足煤矿防治水关于钻孔设计的相关技术参数要求，避免了因技术人员专业素质、水平层次不齐导致探放水设计缺陷，解决了依靠人为主观判断等管理难题，为钻探设计工作提供技术保障。

 

图4　探测钻孔的智能化辅助设计演示

 

探测钻孔智能化设计完成后，地测科科长通过在线系统审核，总工程师组织审定，实现探放水探测设计环节的节点控制。

（3）计划与执行

计划阶段以电子化方式通过网络将探水作业任务下发至施工人员手机端，执行技术交底制度。执行阶段井下探水作业人员可通过矿用手机接收本次作业任务，查看钻孔设计参数和井下作业视频。打钻前，煤矿探放水监测系统智能判断钻孔角度是否满足设计要求，由事后验证变成事前判断，有效规范工人作业，提高钻孔质量。当井下作业人员发现突透水征兆时，系统将提供一键撤离功能，可智能生成井下撤离路线图，指导作业人员撤离至安全区域。

打钻过程无需地面人员协助配合，利用人工智能等成熟的自主学习、机器视觉算法技术，自动识别探放水作业过程中的钻机类型、钻机行动轨迹、作业人员姿态、钻孔数量、钻孔角度、钻孔深度、钻杆钻进速度等钻孔数据（图5）。

 

图5　探测钻孔施工数据的智能辨识

 

钻孔施工过程全程无感运行，杜绝施工人员谎报进度、违章操作、打假孔等危及安全的事件发生，确保钻孔准确性和钻探工程质量。

（4）工程验收

煤矿探放水监测系统依据探放水设计、汇报信息、智能识别结果等数据形成验收意见，相关领导依次审核完成最终验收（图6）。“云、边、端”技术架构可保证验收人员不受时间、地域限制，远程实时监钻验钻，确保探放水钻孔工程施工的质量，落实探放水措施。

 

图6　探测钻孔工程的便捷验收

 

探放水工程的整个施工过程都有明确的视频资料、智能识别资料，大量的资料可以相互印证，保障探放水钻孔工程的真实、有效，实现探放水工程的施工验收节点控制。

（5）水害综合评价与排水效果评价

煤矿探放水智能监测系统利用人工智能、大数据技术分析钻探作业过程数据，通过钻孔测井分析仪获取孔内岩性、孔内窥镜和钻孔轨迹数据，自然伽马测井仪采集煤岩中的伽马强度值绘制出伽马曲线，定量分析地层的岩石、划分岩性生成钻孔柱状图。通过钻孔轨迹数据生成探水作业覆盖区域，对探测区域的水害进行综合评价，并进一步辅助探放水作业设计及生产分析。

煤矿放水作业指施工放水作业工程，施工完成后的放水要遵循一系列的要求，这部分工作同样依据图2的模式来实现。不同的是，放水过程需要对放水量进行过程跟踪，放水达到要求后要对最终的放水效果进行评价。

通过标准化作业流程、网络化作业过程、智能化有效监督，探放水智能监测系统规范了探放水作业全过程的跟踪管理，解决了探放水作业过程中作业不规范、监管不透明、依靠大量人员人为主观判断等管理难题，保障了防治水措施真正落实，提高了防治水工作的科技水平，凸显了人工智能技术在煤矿防治水管理方面的优势和必要性。

 

03  煤矿探放水智能监测系统的应用

 

煤矿探放水智能监测系统已在山西省得到广泛应用。2020年山西介休鑫峪沟煤业有限公司发生“4.28”透水事故，为当地煤矿水害防治敲响了警钟，同年6月12日，晋中市应急管理局、晋中市地方煤矿安全监督管理局、介休市应急局、介休市地方煤矿安全监督管理局高度重视，出台了一系列管理措施，并针对全市辖区内带压矿井多、突水危险性大的实际情况，与精英数智合作，推动建设了煤矿水害防治智能监察系统，如图7所示。

 

图7　煤矿探放水智能监测系统的应用

 

煤矿探放水智能监测系统实现了煤矿防治水安全作业的远程监管，为安全监管、事后追溯、科学决策提供了直观、可靠的手段和证据，使监管部门由事故分析转变为事前预警和监督，降低了监管人员工作强度，从全面跟踪到重点监管，为扭转介休市煤矿防治水工作被动局面奠定了基础。截至目前，通过应用煤矿探放水智能监测系统共进行了845次探水，其中见水6次，见空30次，见岩202次，气体异常1次，共239次异常，体现了人工智能技术在煤矿防治水管理方面的优势和必要性，遏制了水害事故的再次发生。

煤矿探放水智能监测系统在晋能控股集团有限公司的成功应用也获得了良好的经济效益与社会效益。以山西长治王庄煤业为例，在减员增效方面，该矿每天零点班在3个掘进工作面进行钻探作业，系统上线前，由地测科、安全科、探水队、掘进队4个部门对探水作业进行现场联合验收；系统上线后，由井下验收变为地面验收，每个探水点可减少2名验钻人员，全年可节省120万元的人工费用。在安全保障方面，煤矿探放水智能监测系统上线以来，已成功探测到采空区6次，其中2次遇水，安全排放老空积水共计11万m3，成功避免了煤矿透水事故的发生。煤矿探放水智能监测系统保障了探放水工作的真实、规范、高效，实现防治水过程的科学化、信息化与制度化。

同时，煤矿探放水智能监测系统可通过联网上传至政府监管部门，使其对辖区所有煤矿的井下探放水作业“尽收眼底”，精准实施红线监管，更好地保障探放水监管得到落实。

 

04  结论

 

（1）煤矿防治水过程控制是一种特殊的监测系统，通过探放水方案设计、探放水工程施工、水体排放过程的跟踪，实现矿井水体预测、技术方案审核、探放水工程施工质量验收、矿井水排放效果评价等节点控制，确保排放水过程处于受控状态。

（2）基于人工智能技术研发的煤矿探放水智能监测系统，集探放水工程设计、计划与执行、工程验收、效果评价等全部环节于一身，通过标准化作业流程、网络化作业过程、智能化有效监督，规范探放水作业全过程的跟踪管理，保障了探放水过程的安全有效，也能为安全监管、事后追溯、科学决策提供直观、可靠的手段和证据。

 

来源：智能矿山杂志