“创刊50周年”专辑丨周福宝教授：矿井密闭全生命周期安全风险监测预警

一

研究背景

     矿井密闭构筑在采空区与相连巷道之间起到封闭采空区，将毒害气体、水隔离于通风系统之外，并防止人员进入的作用，是采空区与通风系统之间的安全屏障。然而，煤矿井下密闭数量的不断增加使得密闭管理越来越困难，已成为矿井潜在重大风险。密闭与密闭采空区灾害事故的发生大多是因为缺乏对密闭的有效管理，无法准确掌握密闭的服役状态，难以对密闭的异常风险指标及时作出预警。加强煤矿井下各类密闭的安全管理，实现密闭从设计、施工、运行维护到报废全生命周期的安全监测是防止封闭采空区风险失控的重要途径。

二

基于物联网的密闭全生命周期管理

1、 矿井密闭全生命周期管理的关键理论和模型

     矿井密闭全生命周期管理的内涵是指应用物联网（IoT）技术的感知手段，使井下密闭与矿井IoT建立互联互通的渠道，集成矿井密闭从设计、施工、运行维护到报废全生命周期的数据信息，同时对密闭的状态作出安全评估和风险预警，为通风系统内的密闭提供一个有效的静态信息管理、动态信息监测和风险智能预警平台，提升矿井密闭安全管控水平。

     矿井密闭全生命周期管理应基于IoT+人工智能（AI）+云平台（CP）的大数据策略，构建“云+边+端”的总体部署架构，将密闭安全管控智慧平台作为安全风险先验知识与信息技术融合的载体。针对密闭单元，使用IoT平台连接密闭数字化监测、应急控制等边缘设备，实现密闭全生命周期管理透明化与毫秒级物联体验；以密闭信息演化征兆及边缘计算为核心，部署移动端、边缘计算机等现场终端集成应用，满足密闭服役状态在线预测与超前预警适配；在智慧云端，以多源融合信息为基础数据，以数字孪生模型为核心，实时直观重构矿井分布式密闭的虚拟现实场景及其全生命周期演化特征，从而实现数字赋能，推动智慧矿山建设。

     矿井密闭全生命周期智慧管理体系建设需要多领域交叉学科的理论支撑与协同应用，主要包括安全风险理论、多物理场论、信息论、AI理论等，在其实现的可行技术路径上，需要首先构建密闭环境多源演化信息的物理-数字驱动模型、密闭多源感知信息的异构数据融合模型、密闭异常边缘检测与分级智能预警模型、密闭全生命周期应急智能决策与协同防控模型等关键模型。

2、矿井密闭全生命周期安全风险监测预警系统物理架构

     矿井密闭全生命周期安全风险监测预警系统主要包含密闭信息感知、数据传输、数据存储分析和显示终端等。系统可利用移动式密闭巡检仪读取设置于密闭上的标志码，对主要监测参数进行现场巡检，亦可通过无线基站、工业以太环网上传至服务器，实现巡检数据的存储与发布。同时，通过巡检仪扫描密闭标志码的方式还可快速查询密闭静态属性信息。部署于地面的服务器根据现场实时监测到的密闭环境参数信息，结合预置的密闭风险预警模型，实现对密闭及密闭区风险的自主评估和智能预警。

3、矿井密闭全生命周期安全风险监测预警系统功能架构

     利用IoT编码规则对全矿井密闭、密闭监测传感器进行唯一性编码，建立各密闭之间、各传感器监测点之间的关联关系，实时展示密闭的静态属性信息和密闭环境参数信息，并融合封闭采空区风险辨识预警模型，基于大数据分析实现密闭风险的超前研判和智能预警。结合相关规范、标准的要求，实现密闭巡检的计划编制、任务指派、巡检记录、运行维护处理等功能，进而实现矿井密闭全生命周期管理，为封闭区的风险分析和预警提供支持。矿井密闭全生命周期安全风险监测预警系统功能架构

三

密闭监测管理的关键技术与装备

     针对现有密闭环境信息实时监测系统复杂、安装维护工作量大的实际情况，笔者所在团队优选了前端敏感元件，优化设计了集成电路系统和传感器外壳，研制出一种多参数一体化、满足密闭置入式便捷安装的集甲烷、一氧化碳、氧气、乙烯、绝压、差压、温度监测功能于一体的密闭环境信息感知IoT传感器。为与密闭环境信息监测IoT传感器配套，开发了集数据显示、分析和环网接入功能于一体的密闭在线监测系统主机。

     利用研发的密闭多参数一体化监测传感器和配套主机，提出了监测传感器密闭置入式便捷安装方法，构建了密闭安全风险监测预警系统，实现了矿井密闭动态信息精准在线感知。

引用格式

周福宝，时国庆，王雁鸣，等. 矿井密闭全生命周期安全风险监测预警[J]. 工矿自动化，2023，49(6)：48-56.

ZHOU Fubao, SHI Guoqing, WANG Yanming, et al. Safety risks monitoring and warning throughout the full lifecycle of mine air stopping[J]. Journal of Mine Automation，2023，49(6)：48-56.

作者联系方式