基于爆炸声音识别的煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知方法研究

分析了煤矿瓦斯和煤尘爆炸特征：气体浓度发生突变;环境温度迅速升高;空气压力突然升高;产生火球和烟尘;产生较强的红外和紫外辐射;产生爆炸冲击波和火焰波;产生爆炸音。基于爆炸声音感知煤矿瓦斯和煤尘爆炸具有以下优点：(1)爆炸冲击波和火焰波衰减快,传播距离近;声波衰减慢,传播距离远。远离爆源的矿用拾音设备可用于煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知。(2)与基于气体浓度和温度等传感器的煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知方法相比,具有响应速度快的优点。(3)与基于视频图像的煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知方法相比,具有不受粉尘、光照、遮挡等影响的优点。(4)矿用拾音设备成本低、易安装。(5)声音传播距离远,受巷道和分支影响小。(6)声音处理速度快,可在短时间内从各种声音信号中快速识别瓦斯和煤尘爆炸声音。提出了基于爆炸声音识别的煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知方法：利用麦克风阵列拾音器采集监测区域的声音信号,经过归一化、分帧、添加类别标签等预处理后,提取声音信号特征,将特征输入到统计分类器中进行训练,建立煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别模型;实时采集监测区域的声音信号,将提取的声音信号特征输入训练完成的煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别模型中,判断是否为煤...     

基于彩色图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法

分析了冲击地压和煤与瓦斯突出发生时抛出煤岩的图像特征：(1)冲击地压和煤与瓦斯突出发生时抛出的煤岩主要是黑色,但煤矿井下设备一般不是黑色,因此,可利用非黑色矿用设备作为背景,采用彩色摄像机识别煤岩。(2)正常落煤速度、采煤机和掘进机等设备移动速度、井下人员和车辆移动速度远小于冲击地压和煤与瓦斯突出发生时抛出的煤岩速度,因此,可根据速度特征,排除正常落煤、采煤机和掘进机等设备移动、井下人员和车辆移动的干扰。(3)瓦斯和煤尘爆炸也会造成巷道中物体短时速度较高,并伴有高亮,但冲击地压和煤与瓦斯突出不会产生高亮,因此,可根据图像平均亮度,排除瓦斯和煤尘爆炸的干扰。提出了彩色摄像机设置方法：掘进工作面摄像机宜设置在掘进巷道顶板或掘进巷道两帮靠近顶板位置;回采工作面摄像机宜设置在液压支架顶部。提出了基于彩色图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法：(1)在掘进巷道顶板或掘进巷道两帮靠近顶板位置、回采工作面液压支架顶部,以非黑色矿用设备为背景,设置具有补光灯的彩色摄像机。(2)监测识别彩色图像颜色是否发生较大变化。(3)若图像颜色发生较大变化,则进行图像平均亮度识别,否则继续监测识别图像颜色变化...     

煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法研究

提出了基于温度的冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法:使用红外热像仪等监测物体温度,使用甲烷传感器监测环境甲烷浓度;当物体温度高于煤矿井下环境温度和已暴露煤岩温度,并且高于环境温度和已暴露煤岩温度的物体数量较多、体积和面积较大,则判定发生冲击地压、煤与瓦斯突出、矿井火灾或瓦斯和煤尘爆炸事故;进一步判别高温物体温度,若大于设定阈值,则判定发生矿井火灾或瓦斯和煤尘爆炸事故,反之,则判定发生冲击地压或煤与瓦斯突出事故;进一步分析甲烷浓度变化,若甲烷浓度迅速升高,则判定发生煤与瓦斯突出事故,反之,则判定发生冲击地压事故。提出了基于速度的冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法:使用激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、双目视觉摄像机等监测物体移动速度,使用甲烷传感器监测环境甲烷浓度;当物体移动速度不小于设定阈值时,则判定发生冲击地压、煤与瓦斯突出或瓦斯和煤尘爆炸事故;进一步判别速度异常物体的数量、体积和面积,若速度异常物体的数量较少、体积和面积较小,则判定发生瓦斯和煤尘爆炸事故,若速度异常物体的数量较多、体积和面积较大,则判定发生冲击地压或煤与瓦斯突出事故;进一步分析甲烷浓度变化,若甲烷浓度迅速升高,则判定发生煤与瓦斯突出事故,反之,则判定发生冲击地压事故。提出了多信息融合的冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警及灾源判定方法:监测并融合温度、速度、加速度、掩埋深度、声音、气压、风速、风向、粉尘、甲烷浓度、设备状态、微震、地音、应力、红外辐射、电磁辐射、图像等多种信息,感知冲击地压和煤与瓦斯突出;通过不同位置参数变化的幅度、先后时序关系及传感器损坏情况,判定灾源。     

煤与瓦斯突出报警方法

分析得出近10年煤矿重特大瓦斯事故起数和死亡人数分别占煤矿重特大事故起数和死亡人数的62.3%和66.5%。提出了用于煤与瓦斯突出报警的甲烷、风速、风向等传感器布置方法。提出了基于煤矿安全监控系统的煤与瓦斯突出报警方法,即监测和分析甲烷浓度、风向、风速、传感器故障等,在出现以下情况时发出声光报警信号,切断煤矿井下全部非本质安全电气设备电源,撤出煤矿井下作业人员:甲烷浓度迅速增高或超过报警浓度,且风速不低于正常值;甲烷浓度迅速增高或超过报警浓度,进风巷风流逆转;进风巷甲烷浓度迅速增高或超过报警浓度等。     

电气火源引起的特别重大瓦斯爆炸事故案例分析

分析了死亡76人的新华区四矿"9.8"特别重大瓦斯爆炸事故原因:201掘进巷因201机巷顶板垮落造成其局部通风机停风,积聚了大量高浓度瓦斯;违章送风造成瓦斯浓度达到爆炸界限;201掘进巷煤电钻电缆失爆引起瓦斯爆炸;煤尘参与了爆炸。总结了事故教训:该矿通风管理混乱,巷道断面小,煤尘大,风门漏风严重,突出矿井串联通风;该矿采用木支护方式,顶板垮落严重;该矿机电管理混乱,井下电缆多处破皮,电气设备失爆,不按规定维护煤电钻综合保护装置;该矿不执行瓦斯电、风电闭锁的规定;局部通风机无专用电源,无备用通风机;该矿安全监控系统中的传感器数量远远低于有关标准和规程要求,安装地点不当,使用方法不正确;当安全监控系统报警时,不是采取停电、撤人等安全措施,而是将传感器拔脱,躲避监管。最后指出必须从通风、监控、抽采、供电、防爆、防尘、防火、爆破、避险等多方面综合防治瓦斯。     

基于视频图像的瓦斯和煤尘爆炸感知报警及爆源判定方法

分析了瓦斯和煤尘爆炸视频图像特征:爆炸火球通常呈红色,亮度高、温度高,辐射较强的红外线和紫外线,火球面积迅速扩大;火焰锋面的面积、亮度、颜色、形状、辐射强度等不断变化;烟尘的面积、颜色、形状等不断变化;有物体快速移动和变形。提出了基于可见光视频图像、近红外视频图像、远红外视频图像、紫外视频图像的瓦斯和煤尘爆炸感知报警及爆源判定方法:根据高亮区域亮度及其变化率、高亮区域面积及其变化率、图像形状及变化、图像颜色及变化,辨识瓦斯和煤尘爆炸;通过不同地点摄像机采集的图像变化及变化先后时间关系、摄像机损坏的时序关系,判定爆源。提出了可见光视频图像、近红外视频图像、远红外视频图像、紫外视频图像、O_2、CO_2、CO、温度、声音、震动、气压、风速、风向、烟雾、粉尘等多信息融合的瓦斯和煤尘爆炸感知报警及爆源判定方法,减小火灾、巷道灯、矿灯、车灯、红色衣物、机电设备发热、电气设备和电缆故障放电、煤与瓦斯突出、冲击地压、顶板大面积冒落、水灾、爆破作业、工作面落煤、煤炭转载和运输等对瓦斯和煤尘爆炸辨识的影响。     

瓦斯综合防治方法研究

统计分析了煤矿瓦斯事故中死亡人数占煤矿事故死亡人数的比例:我国一次死亡10人以上重特大瓦斯事故死亡人数占69.5%,一次死亡百人以上重特大瓦斯事故死亡人数占65.4%,国外一次死亡30人以上重特大瓦斯事故死亡人数占95.3%;分析了瓦斯事故发生的原因,指出瓦斯爆炸事故是可以避免的,进而提出了通风、监控、抽采(抽放)、供电、防爆、防尘、防火、爆破、避险等综合防治瓦斯的方法,并阐述了煤矿安全监控系统在瓦斯防治中的作用。     

煤矿电气安全关键技术研究

分析了2005—2009年全国重特大瓦斯爆炸事故的火源,得出了由电气火源引爆瓦斯事故最多且达48.1%的结论,并分析了矿用电气设备的安全性能,提出了矿用电气设备的使用场所及安全要求:(1)煤矿监控、通信、控制、信号等弱电系统和设备应优选本质安全型电气设备,设备之间传输的信号必须是本质安全型信号;(2)大功率电气设备应优选隔爆型电气设备,隔爆型电气设备宜将接线腔与主腔分腔布置;(3)当瓦斯浓度达到爆炸浓度时严禁开关特殊型矿灯;(4)低瓦斯矿井井底车场等非爆炸性环境宜选用矿用防爆型电气设备;(5)煤与瓦斯突出矿井严禁使用架线电机车和矿用一般型电气设备;(6)井下电气设备的欠压保护和失压保护应有延时措施,减少局部通风机停电次数;(7)井下排水设备宜选用大功率潜水泵;(8)开关等电气设备应设置在全风压进风处,若不能满足,必须设置甲烷传感器,并具备甲烷超限断电闭锁功能。文章对提高煤矿电气安全性、避免或减少瓦斯爆炸和淹井等事故发生具有指导作用。     

煤矿事故分析与煤矿大数据和物联网

按事故类别分析了2004—2013年全国煤矿事故:顶板、瓦斯、运输、水害、机电、爆破、火灾等事故起数和死亡人数占比分别为52.7%和36.8%,11.3%和29.7%,16.9%和11.3%,3.1%和8.1%,4.1%和2.5%,2.7%和1.9%,0.4%和1.9%;顶板事故起数和死亡人数最多;瓦斯事故起数居第3位,死亡人数居第2位,但2005年和2013年死亡人数最多;运输事故起数居第2位,死亡人数居第3位;煤矿各类事故起数和死亡人数均大幅下降;瓦斯和顶板事故起数占比明显下降,但运输和机电事故起数占比有所上升,需进一步加强运输和机电事故防治。探讨了大数据在煤与瓦斯突出、冲击地压、水害、火灾等事故预警,煤矿重大关键设备故障诊断,煤炭需求和价格预测等方面的应用。探讨了物联网在矿用安全标志准用产品管控、煤矿重大关键设备管控与远程维护、煤矿设备材料管控、防碰撞、持证上岗与专人操作管控等方面的应用。     

煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知报警与爆源判定方法研究

分析了煤矿瓦斯和煤尘爆炸特征:空气中O2浓度迅速降低,CO2和CO等有毒有害气体浓度迅速升高;环境温度迅速升高,空气压力迅速增大后回落;产生较强的红外和紫外辐射;产生高温、高压、高速的爆炸冲击波和火焰锋面;产生爆炸音和震动;产生大量烟雾和粉尘;风速迅速增大后回落,风流反向;巷道垮塌、机电设备移动和损坏;造成大量人员伤亡。提出了气体(O2,CO2,CO)浓度、温度、声音、震动、气压、风速、风向、烟雾、粉尘、红外线、紫外线、图像等多信息融合的煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知报警与爆源判定方法:通过多参数变化,辨识瓦斯和煤尘爆炸;通过不同位置参数变化幅度、变化的先后时序关系和传感器损坏情况,判定爆源。提出了传感器防护与设置方法:传感器应采用流线形或圆弧形外壳,传感器外壳应采用耐高温、防火、隔热材料;传感器应设置在巷道顶部中央;采煤工作面和掘进工作面应设置传感器,传感器应设置在距工作面10～15m处;每一段巷道(没有分支)中部应设置传感器。提出了电缆和光缆防护与设置方法:应采用铠装电缆和光缆,电缆和光缆应具有阻燃、耐高温、抗冲击等性能;电缆和光缆应埋入巷帮和底板的夹角处;电缆和光缆也可引入压风管,用压风管防护。     

煤与瓦斯突出预测的随机森林模型

煤与瓦斯突出是煤矿开采过程中主要的动力灾害之一,针对煤与瓦斯突出等级预测问题,提高突出预测的准确率,选取最大主应力、瓦斯压力、瓦斯含量、顶板岩性、距断裂距离、煤层厚度、开采垂深、绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量9个影响因素作为煤与瓦斯突出等级预测的评价指标,同时对相关程度较高的评价指标进行因子分析,提取公共因子,用随机森林算法进行训练预测,建立了基于因子分析的煤与瓦斯突出预测的随机森林模型。通过煤矿实测19组煤与瓦斯突出的数据作为训练样本数据集进行模型的训练,5组数据作为该预测模型的测试数据,进行煤与瓦斯突出预测,同时通过其他预测模型预测结果的对比,验证了随机森林算法在煤与瓦斯突出预测中具有较高的准确度。     

煤矿监控新技术与新装备

分析了2004—2013年全国煤炭产量、事故总量、百万吨死亡率和重特大事故变化情况:煤炭产量平均每年增长1.94亿t,事故起数平均每年减少337起,死亡人数平均每年减少551人,百万吨死亡率平均每年减少0.310。提出了低瓦斯和高瓦斯矿井宜选用热催化矿用甲烷传感器;煤(岩)与瓦斯突出矿井宜选用矿用激光甲烷传感器;回采工作面上隅角、掘进工作面、高冒地点、采掘设备、运输设备等宜采用矿用无线传感器,并通过无线输电解决矿用无线传感器供电问题;救护队超前有害气体探测、采空区气体探测、高冒顶板等人员不便到达的地点气体探测宜采用矿用气体遥测传感器;传感器自动调零适用于便携式气体检测仪和无线传感器。提出矿用分布式光纤测温系统监测采空区火灾的轴向布置和蛇形布置方法;煤矿井下胶带、电缆和电气设备火灾监测宜采用矿用分布式光纤测温系统。提出自动化采煤宜采用基于采煤模型的记忆割煤、远程控制方法;带式输送机节能控制宜选用激光胶带秤;矿井供电系统宜采用矿用光纤纵差保护和光纤闭锁综合防越级跳闸系统。     

基于主成分分析法的煤矿安全事故原因统计

以2001—2011年煤矿安全事故发生频次为例,应用主成分分析法得到煤矿安全事故原因的第1、第2主成分,进一步分析得出煤矿安全事故主要是由冒顶事故和机械事故引起。分析结果表明,主成分分析法对煤矿安全设施规划有一定的指导作用。     

煤与瓦斯突出联网系统的应用研究

介绍了煤与瓦斯突出联网系统的总体结构和联网数据的形成。该系统通过分析和计算各矿井的煤质结构、地压活动范围和瓦斯倍率的密切关系,得出判断煤与瓦斯突出事故的综合分析指标,以预测与防治事故的发生。实际应用表明,该系统实现了对煤与瓦斯突出的预测功能。     

基于灰色关联熵的煤与瓦斯突出概率神经网络预测模型*

煤与瓦斯突出是严重威胁矿井安全生产的重大自然灾害之一。为解决煤与瓦斯突出影响因素、突出危险性关联预测问题,在综合分析煤与瓦斯突出影响因素的基础上,利用灰色关联熵理论分析影响因素与突出危险性的关联度,得到各影响因素的权重及关联度排序,并结合概率神经网络（PNN）原理,构建基于灰色关联熵的煤与瓦斯突出PNN预测模型。用煤与瓦斯突出样本数据,对影响因素加权的PNN模型进行训练和测试。结果表明：用灰色关联熵分析可获得影响因素与突出危险性的关系,量化输入变量的重要性;瓦斯放散初速度、开采深度对于煤与瓦斯突出危险性的影响程度最大,可重点对瓦斯放散初速度、开采深度进行预处理以产生更为理想的预测效果;该预测模型能更好地考虑影响因素对突出危险性的综合影响,改善煤与瓦斯突出危险性预测的准确性。     

《煤矿安全规程》监控、通信与监视修订意见

提出了《煤矿安全规程》修订应增加矿井移动通信、广播通信、视频监视、人员定位、煤炭产量监测、矿井火灾监控、矿山压力监测、水文监测、远程监控等内容。提出了严禁矿井监控系统与视频监视系统共用信道;矿井有线调度通信系统的电缆必须专用;主干网络应采用具有冗余功能的千兆或千兆以上矿用以太光网络;矿井移动设备和无线接入等应优选WiFi、ZigBee、4G等技术。提出了煤矿安全监控系统和矿井有线调度通信系统等的关键光缆和电缆应分设两条,从不同的井筒或一个井筒的不同位置进入井下;系统光缆和电缆应具有防护措施;底鼓不严重的矿井,系统光缆和电缆应埋入巷道底板与巷帮夹角处。提出了煤矿安全监控系统应具有主要通风机监控、瓦斯抽采监控功能;具有呼吸尘浓度、总粉尘浓度实时在线监测功能;具有风向监测功能;具有瓦斯变化率等分析功能;具有煤与瓦斯突出报警功能;高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井应选用全量程和高低浓度甲烷传感器,优选激光或红外甲烷传感器;采用载体催化元件的甲烷传感器、便携式甲烷检测报警仪等甲烷检测设备,必须定期使用校准气样和空气气样调校,每15d至少调校1次;甲烷超限断电功能每15d至少测试1次;高瓦斯和煤(岩)与瓦斯突出矿井的采煤工作面,必须在上隅角设置甲烷传感器,报警浓度为1.0%CH4,断电浓度为1.5%CH4,复电浓度为1.0%CH4等。     

煤矿事故特点与煤矿通信、人员定位及监视新技术

分析了2009—2013年全国煤矿较大及以上瓦斯、水害和顶板事故特点:发生在采掘工作面事故最多,事故起数和死亡人数分别占78.54%和78.80%。提出移动通信、广播通信、救灾通信系统不宜用作矿井应急通信系统;矿井透地通信系统可用作矿井应急通信系统,但性价比低。提出将矿用有线调度通信系统用作矿井应急通信系统,具有性价比高的优点:将电缆埋入巷帮与底板夹角处;将井下电话机设置在硐室内,并加强防护;减少电缆接头,提高电缆接续的防水性能。分析了煤矿井下"智慧线"通信存在的问题:无中继传输距离短;本质安全型防爆制约供电距离;不能用于大容量主干传输;易发生短路等故障;外护套不耐爆等。