淮河能源控股集团信息管理中心 张龙旗 董少周 孙冰——《基于多源数据融合的煤矿安全灾害穿透式监管模式研究》

 

该文荣获2025年中国煤炭经济研究优秀论文二等奖

 

 

摘要：针对大型煤炭企业传统安全风险监管模式存在的实时预警能力不足、多源数据融合困难、动态响应滞后等问题，提出了一种基于多源数据融合的煤矿安全灾害穿透式监管模式。通过构建“一个平台、多系统集成、数据互联互通”的综合管控体系，实现多源数据融合、动态分析预警、流程一体化管控。整合本土8对矿井和西部3对矿井的瓦斯、CO、围岩移动、锚索杆应力、井下人员定位、水位、水压、涌水量、微震、钻机开停、束管监测、馈电异常、机电自动化等13+种矿井灾害数据；分析各个矿区的传感器数据及预警规则，过滤干扰信息；搭建一体化流程，分级管控，构建完善的灾害预警机制。基于上述架构设计开发的安全灾害预警综合管控平台已在集团下属矿井成功应用。实践表明，该平台通过穿透式监管解决了基层矿井安全信息上报不畅、数据不真实等现象，显著提升了预警时效性与响应能力，高效承载大规模预警信息处理，并依托智能化分析技术实现了极高的预警准确度，为保障煤矿安全生产提供了强有力的智能化支撑。

 

关键词：多源数据融合 煤矿灾害预警 综合管控体系 穿透式监管 数据驱动决策

 

一、引言

煤炭对我国国民经济增长起到举足轻重的作用，2024年我国原煤产能47.8亿吨，同比增长1.2%。中国工程院预测到2050年我国煤炭产能仍能达到34亿吨，煤炭消费量占能源消费总量的50%左右，煤炭在今后相当长一段时间仍是我国的能源主体[1-2]。近年来，随着开采深度增加和地质条件日趋复杂，煤矿面临的瓦斯、水害、火灾、顶板、冲击地压等灾害威胁日益严峻，多灾种耦合致灾机理复杂，传统的单一灾害分散管理模式已难以适应现代煤矿安全生产需求。特别是在大型煤炭企业集团，下属矿井众多，各矿井安全监控系统来自不同厂家，数据标准不一、信息传递滞后、管理各自为政等问题突出，严重制约了企业层面的统一管控和科学决策。

党的二十大报告明确提出“推进国家安全体系和能力现代化”，对煤矿安全生产提出了更高要求。煤炭企业面临着安全管理系统繁多、数据标准不一、预警信息分散等诸多挑战。在此背景下，如何运用现代信息技术，打破信息孤岛，实现多灾害数据的深度融合和统一管控，构建科学高效的安全管理新模式，成为煤炭企业亟待解决的重大课题[3-4]。

本研究基于淮河能源控股集团各矿井实践，深入分析多源数据融合的煤矿穿透式安全管理模式的实践成效，对于解决煤炭企业安全管理、数字化转型具有重要的理论与实践意义。

二、       煤矿灾害管理模式分析

鉴于我国的特定国情，煤矿开采主要面临顶板事故、火灾、粉尘与瓦斯爆炸以及冲击地压等典型灾害风险[5]。目前，多数煤矿企业已建立了较为完善的灾害监测系统，能够采集灾害记录、来源、成因等多维度数据[6]。单耀[7]等利用大数据、云计算、仿真分析等手段,融合原有矿井基础地质数据、生产数据、监测数据,完成对灾害的预警及风险设备防控联动,及时发布预警信息;段瑞威[8]基于知识图谱构建包含风险知识获取、动态隐患提取、风险动态管控的煤矿安全风险管控方法；孙书伟[9]等综合多源数据信息监测，构建多维、多基、一体化监测预警体系，基于多源监测信息开发露天矿边坡灾害可视化预警平台，实现矿区灾害的大范围辨识与监测预警。

虽然多数煤矿企业灾害监测系统已具备较为完善的预警体系，但对于大型煤炭企业而言现有系统仍存在显著不足[10-11]：

（一）“信息孤岛”现象严重

长期以来，煤矿企业在安全管理信息化建设中普遍存在“重建设、轻集成”的问题。各矿井根据自身需求，分别建设了安全监控、人员定位、水文监测、顶板压力、束管监测等多个系统，这些系统往往采用不同的技术标准和数据格式。以淮河能源控股集团为例，其下属本土8对矿井和西部3对矿井涉及54个安全生产相关系统，数据结构各异，通信协议不同，形成了一个个相互独立的“信息孤岛”。

（二）管理模式落后

传统的煤矿安全管理模式主要表现为三个特征：一是被动式管理，即“出了事故抓安全”，缺乏主动预防和超前治理的理念；二是分散式管理，各矿井、各部门各管一摊，缺乏统一协调和系统思维；三是经验式决策，主要依靠管理人员的个人经验进行判断和决策，缺乏数据支撑和科学分析。被动式管理导致安全隐患不能及时发现和处理；分散式管理造成各部门之间信息不畅、协同不力，面对复杂的多灾害耦合情况往往应对失措；经验式决策在面对新情况、新问题时往往失效，且因人而异，缺乏科学性和一致性。

（三）预警机制不完善

传统的预警机制存在信息传递滞后、预警标准不统一、缺乏闭环管理等问题。以瓦斯预警为例，各矿井的瓦斯监控系统独立运行，预警信息通过短信猫发送给相关人员。但由于缺乏统一管理，经常出现短信延迟、漏发、错发等情况。同时，预警信息发出后，处置过程和结果无法有效追踪，管理层难以掌握预警处置的真实情况。这种“只发不管”的预警模式，严重影响了预警系统的实际效能。

针对大型煤炭企业各个矿井间信息孤立、预警标准不一、管理模式分散的问题，本文以淮河能源控股集团为例，精准构建“一个平台、多系统集成、数据互联互通”的综合管控体系，实现“动态实时、穿透可视、统一流程、分级管控、信息闭环”的管理目标。

三、安全灾害预警综合管控平台的构建

平台建设采用"硬件网络+软件平台"的一体化架构，通过分布式硬件部署和模块化软件开发，构建了覆盖多灾种、多矿井的综合管控体系。

图1 安全灾害预警综合管控平台架构图

（一）硬件网络搭建

平台采用"边缘计算+中心管控"的分布式硬件架构，由矿端数据采集下位机、集团环网传输系统、5G物联网通信模块（移动/联通）、云MAS预警平台、集团上位机服务器群以及双数据库存储系统等核心组件构成。

图2：安全灾害预警综合管控平台数据采集架构

平台将预警指标计算和触发机制部署在矿端下位机，即使在集团环网中断的极端情况下，预警短信仍可通过5G物联网卡调用云MAS平台正常发送，确保预警信息的可靠推送。

集团端上位机作为矿端数据采集系统的管理中枢，负责接收多源监测数据、下发配置指令、实时监控下位机运行状态；矿端下位机采用双机热备架构，承担传感器定义信息采集、实时监测数据采集、预警阈值计算与触发、网络中断应急保障等核心功能。

（二）软件平台开发

1.多源数据统一采集与管理

系统摒弃传统文件上传方式，采用底层数据库直连技术，实现对54个安全生产系统、14个厂家设备的统一数据采集。涵盖瓦斯、CO、围岩移动、锚索杆应力、井下人员定位、水位、水压、涌水量、微震、钻机开停、束管监测、馈电异常、机电自动化等13+种矿井灾害数据的实时获取。

数据采集频率优化至5秒间隔，较传统30秒周期提升了预警响应速度。系统建立了涵盖13类灾害数据的统一标准体系，包括数据格式、通信协议、报警阈值、展示规范等，为多源异构数据的融合处理提供了基础保障。

图3：安全灾害预警综合管控平台界面

2.智能预警分析与计算

平台建立了基于阈值判断、趋势分析和逻辑推理相结合的多层次预警机制。针对不同灾害类型开发了差异化的预警算法模型。

瓦斯监测方面，平台将巷道断面瓦斯浓度变化视为时间连续函数。在采样间隔Δt内，通过线性插值近似浓度曲线，采用梯形法则计算该时段涌出气体体积[12]：

               (1)

其中，C1，C2为相邻时刻的瓦斯浓度监测值（单位：%）；Q为巷道实时风量（单位：m³/min）；Δt为数据采集时间间隔（平台优化为5秒，即Δt=1/12分钟）。

平台通过几何分割法将涌出量分解为正常涌出量和异常涌出量，实现了瓦斯涌出的精细化量化分析。

图4：瓦斯涌出量分割模型

板矿压监测创新开发了逻辑预警算法，除传统阈值预警外，通过分析围岩移动和锚杆应力的日变化率、周变化趋势等时序特征，能够更敏感地识别顶板稳定性的细微变化。当日变化率超过设定阈值或连续7日累计变化超过安全范围时，系统自动触发逻辑预警。

图5：矿压顶板分析预警

水文监测针对不同含水层建立了差异化预警标准。C₃Ⅲ组、奥陶系灰岩4小时下降0.5m即触发蓝色预警，而C₃I组需下降1m。微震监测通过能量、频次、深度等多维度参数的综合分析，实现对底板突水风险的早期识别。

图6：水文监测预警

3.分级预警管控系统

基于风险等级和灾害类型建立了统一的分级预警体系，制定了《矿井灾害预警标准及处置》，覆盖瓦斯、防火、顶板、水害、人员定位、机电自动化等方面的预警标准和处置流程。

以瓦斯预警为例：三级预警（采掘工作面达到矿规定值）推送至矿级管理人员；二级预警（T₁、T₂≥0.6%，T₀≥0.8%）触发集团部门介入；一级预警（T₁、T₂≥0.8%，T₀≥1.0%）直达集团高层领导。每个级别对应不同的推送范围和处置程序，实现了差异化的风险响应机制。

系统创新实施了"清单+闭环"的预警管理模式，每条预警从产生、推送、确认到处置完成形成完整的管理闭环，确保预警处置的规范性和可追溯性。预警触发后，在发送预警短信的同时，将详细监测数据同步推送至淮河能源APP，管理人员可实时查看传感器监测状况、预警详情、历史曲线、周边传感器状态等关键信息，矿井查明原因后，集团管理人员可在APP查看预警原因和处置措施，实现了预警处置的全程可视化管理。

图7：移动端分级预警管控

4.业务流程管控系统

建立了传感器全生命周期管理体系，涵盖新增、删除、调校、断线等业务的标准化审批流程。系统通过智能分析识别异常调校行为，对传感器调校周期、断线处理、设备故障等关键环节实现全程监控。

特别针对馈电异常这一重大安全隐患，系统实现了异常状态的实时采集和智能识别，倒逼矿井及时查明故障原因、制定防范措施，显著提升了安全监控系统的稳定性。

5.多业务融合应用系统

平台实现了安全监控、人员定位、风险管控、防突监管、束管防火等多系统的深度融合。系统集成防突监管模块，涵盖防突监管情况、预测情况等关键业务，实现了对工作面Smax、K1/q、钻孔情况、平均回风瓦斯浓度、进尺情况等专业技术指标的系统化管理。现场技术人员可直接通过防爆手机进行数据填报，同时平台通过实时统计钻机开机时间、开机率等运行参数，实现了防突作业全过程的动态监管，显著提升了防突监管工作的时效性和准确性。平台同时集成了束管监测系统，实现各矿井束管监测数据的统一采集和管理。通过对CO、C2H4、C2H2、O2等关键气体指标的实时监测，为防火预警和防突辅助分析提供重要数据支撑，进一步完善了井下安全风险的全方位管控。此外平台还开发了基于精确定位的风险信息主动推送功能，通过实时分析人员定位数据与风险防控系统的关联，当作业人员进入预设风险区域时自动推送相关安全风信息，实现了从"人找风险"到"风险找人"的管理模式转变。

图8：防突监管/束管监测/钻机开停/风险推送

图9：人员定位分析预警

移动端应用集成了平台全部核心功能，支持实时预警接收、多维数据查询、业务流程审批等操作，为管理人员提供了随时随地的移动化管控手段。

图10：移动端界面

四、系统应用成效分析

基于淮河能源控股集团多源数据融合安全监管平台的运行实践，从技术性能、管理变革、经济效益三个维度深入分析系统应用成效。

（一）技术性能提升

平台运行后，关键技术指标实现了显著提升。预警响应速度提升6倍，数据采集周期从30秒缩短至5秒。多源异构数据融合能力得到验证，54个安全生产系统、14个厂家设备实现无缝集成，成功实现瓦斯、CO、围岩移动、锚索杆应力、井下人员定位、水位、水压、涌水量、微震、钻机开停、束管监测、馈电异常、机电自动化等13+种矿井灾害数据的实时获取。平台运行稳定性良好，系统可用率保持在99.5%以上，即使在集团环网中断的极端情况下，5G物联网通信模块仍能确保预警信息的可靠推送。

表1 安全灾害预警综合管控平台与其他平台对比

（二）管理变革成效

平台实施带来了管理理念和管理方式的深刻变革。在预警管理方面，"清单+闭环"管理模式的实施确保了预警处置的全程可追溯，预警处置及时率从原来的85%提升至98%以上。分级预警体系的建立使得不同风险等级得到相应层级的关注和处置，管理资源配置更加合理，高层领导接收的无效预警减少70%。

管理效率实现质的飞跃。集团管理人员获取各矿井安全信息的时间从原来的2小时缩短至实时获取，决策响应时间平均缩短60%。移动化管控手段的应用使得管理人员现场处置指导效率提升3倍以上，"掌上可管"真正成为现实。

安全管控能力显著增强。平台运行三个月来累计预警24万余条，所有预警均得到及时有效处置，未发生因预警延误导致的安全事故。风险识别覆盖面实现全方位提升，通过多系统数据关联分析发现的潜在耦合风险均得到提前处置。人员定位与风险预警的融合实现了"风险找人"的精准推送，作业人员风险感知能力和避险成功率明显提升。

穿透式管控体系的建立彻底改变了以往信息不对称的状况。集团总部对11对矿井的实时管控能力显著增强，通过数据穿透发现并督促整改各类管理漏洞和操作不规范行为，基层安全管理规范性和执行力得到有效提升。

（三）经济效益分析

直接经济效益方面，通信成本降低80%以上，年节省通信费用约20万元。统一平台建设避免重复投资，年节省硬件软件采购及运维成本超过500万元。系统运维人员较分散建设模式减少60%，人力成本年节约约180万元。

间接经济效益更为显著。管理效率的大幅提升使得安全管理投入产出比明显改善，管理人员工作效率平均提升40%以上。预警准确率和处置及时率的提升有效降低了安全事故风险，虽难以直接量化，但在保障生产连续性、避免事故损失、维护企业声誉等方面产生的价值巨大。

应急响应能力的增强缩短了异常情况处置时间，减少了因安全隐患导致的停产损失。资源配置优化和管理流程简化进一步提升了整体运营效率，为企业创造了可观的管理价值。

五、结语

本研究围绕大型煤炭企业安全风险监管模式中存在海量监测数据利用率低、多源异构数据融合困难、预警与应急处置脱节等问题，提出了一种多源数据融合的煤矿安全灾害穿透式监管模式。以淮河能源控股集团为工程背景，构建了"一个平台、多系统集成、数据互联互通"的煤矿安全综合管控体系。通过整合本土及西部矿区11对矿井的瓦斯、CO、围岩移动、锚索杆应力、井下人员定位、水位、水压、涌水量、微震、钻机开停、束管监测、馈电异常、机电自动化等多源异构数据，建立了覆盖13+安全监测指标的标准化数据采集网络；通过构建分级响应机制和闭环管理流程，形成了"监测-预警-处置-反馈"的全链条管控模式。实践表明，该平台显著提升了煤矿安全监管效能，为破解煤矿安全监管中的"信息孤岛"和"响应滞后"难题提供了有效解决方案，为煤炭行业数字化转型和智能化升级提供了重要实践参考。

 

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