0.   引言

随着矿井服务年限的不断增长，井下开采遗留的大量采空区成为水、火和瓦斯等灾害事故的温床。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。然而部分煤矿由于疏于管理，这一安全屏障频遭突破。2013年3月吉林省吉煤集团通化矿业集团公司八宝煤业公司−416采区4164东工作面上区段采空区密闭漏风，诱发煤炭自然发火，引起采空区瓦斯爆炸，造成36人遇难、12人受伤^[1]；2018年12月山东裕隆矿业集团有限公司唐阳煤矿230综放工作面密闭漏风引起煤自燃，诱发采空区气体爆炸，冲垮密闭，造成3人遇难、3人受伤^[2]。与密闭相关的安全风险增加，逐步引起行业的重视。

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。目前，矿井密闭管理的信息化、智能化水平普遍偏低，具体体现在2个方面：① 密闭的静态属性信息缺失，如一些老旧密闭的厚度、施工工艺、施工日期、承建单位与责任人等信息。② 密闭的动态监测信息记录不及时、分析不全面，人工日常监测仍然是密闭的主要监测手段，人工监测工作量大、监测频次低、时效性差，极易导致采空区火、瓦斯、水害等风险的漏判、误判。科学提出适用于矿井密闭服役期的静态属性信息管理、动态信息监测和密闭风险智能分析方法，基于先进数字技术开发软硬件系统与装备，实现矿井密闭全生命周期的安全管控，对降低密闭风险、提升矿井安全生产水平具有重要意义。

1.   矿井密闭管控技术现状分析

1.1   矿井密闭的分类及特征

从密闭的受力情况和功能角度，煤矿井下密闭分为普通密闭、防爆密闭与防水密闭^[3]。其中，普通密闭主要承受地压与自重，用于一般场合。防爆密闭能承受一定爆炸压力和冲击波，用于有瓦斯、煤尘爆炸危险的场合，要求在一定条件的爆炸冲击动力下，既不会被破坏，也不会变形，或者虽然变形但不丧失其最初的机械性能和气密性^[4-5]。防水密闭能承受较大静水压力，用于需堵水的场合^[6]。

从服务期长短的角度，煤矿井下密闭可分为临时密闭和永久密闭。临时密闭是指发生火灾时，为了紧急切断风流控制火势或缩封火区，用木板、帆布等轻便材料建造的简易密闭。永久密闭则是为了长期封堵漏风，封闭防火或封闭灭火，用砖、石、水泥等不燃性耐久材料建造的坚固密闭。根据用途不同，永久密闭又可分为工作面回采结束后的挡风墙，进风巷与回风巷之间联络道的挡风墙，釆空区、旧巷的防火墙，火区的防爆墙等。

按照构筑密闭的材料和结构差异，可将密闭分为木板密闭、砖墙密闭、条石、混凝土密闭等。

为确保密闭的质量，《煤矿安全规程》《煤矿防灭火细则》等标准规范对密闭质量作了相应要求。对于服务期长的永久密闭，明确要求周边应掏槽，且墙体与煤岩接实，四周有不少于0.1 m的裙边，周边及围岩不漏风；距离密闭施工位置5 m范围内应支护完好，无片帮、漏顶、杂物、积水和淤泥；如果密闭内有水，应设有反水池或者反水管；采空区密闭应设有观测孔、措施孔，且在孔口设置阀门或者带有水封结构等^[7-9]。一些典型的采空区密闭设计要求：内外均采用砖混墙，外墙加混凝土，内外砖混墙间充黄土，总厚度不小于5.5 m；内外砖混墙厚度不小于0.5 m，且四周掏槽深度不小于0.5 m，与煤帮连接的要见实煤，若顶板为岩石，则顶槽深度不小于0.3 m且要见实岩；内外砖混墙间充填黄土厚度不小于3.5 m，要求充满充实，外砖混墙加1 m厚混凝土。

在密闭的施工工艺和验收标准方面，还没有国家或行业统一的标准，多数煤矿企业根据矿压条件、煤层地质情况和密闭功能等，以实现密闭基本功能为目标，选择合适的密闭施工工艺，确定合理的质量标准。但无论密闭的种类、施工标准如何，煤矿密闭首先应起到隔离和封闭作用，必须满足《煤矿安全规程》和相关规范的基本要求：一是要具有一定稳定性，可抵抗一定的冲击力；二是必须采用不燃性材料构筑，尽可能做到严密不漏风。

1.2   矿井密闭的监测与管控

1.2.1   矿井密闭静态属性信息管理

矿井密闭施工工艺、设计参数、构筑材料、功能、构筑时间、施工单位、监理单位、验收单位、负责人等属性信息是密闭的重要基础数据，这些信息数据一旦确定，一般不再发生改变，可将其归纳为密闭的静态属性信息。掌握密闭静态属性信息，对提升密闭的服务质量、运维效率、监测和风险识别水平都具有重要意义。目前，针对密闭静态属性信息的管理，最常用的手段是“密闭台账”，即通过纸质的台账来记录密闭编号、位置、功能性质、施工日期、责任人、图纸等基本属性信息，有时密封区的特征信息也包含在其中，如封闭区的开采工艺、丢煤情况、灌浆、自然发火或透水的历史等。

煤矿井下开采范围大，随着密闭构筑越来越多，以人工记录和手工编号的传统方式管理密闭，逐渐暴露出台账易损坏和丢失、记录更新慢、信息难共享、监管成本高、标记可篡改、责任难追究等弊端。

1.2.2   矿井密闭动态信息监测与管理

矿井密闭的动态信息指密闭内外温度、湿度、气体、水、压力及密闭的完整性、有无裂缝等信息，这些信息受通风条件、矿压作用等影响在整个服务期会发生动态变化，并且这些信息及其变化规律能够反映密闭区风险的大小。为此，《煤矿安全规程》等明确要求，针对矿井永久性密闭，必须对一些风险指标信息进行监测巡检。

人工监测巡检是获取密闭动态信息的主要手段。目前，密闭内外气体信息大多是采用人工取样分析的方法进行巡检，用于气体类别和浓度分析的常规方法主要有气体鉴定管法、气相色谱法和吸收光谱法^[10-11]；密闭内外差压大多是通过人工读取U型水柱计进行监测^[12]；对密闭是否破碎、有无裂缝等服役状态的监测，主要依赖人工抵进观察来识别判断；监测信息数据常采用手抄牌匾和纸质台账等方法记录。“台账式”“牌匾式”等传统的密闭监测和数据管理方法不具备数据实时监测分析功能，信息获取效率低，有时甚至造成关键信息的遗漏，并且信息的存档和管理困难。密闭的人工监测巡检方法落后，难以满足智能化矿山建设的需求。

在密闭与采空区动态信息监测方面，山东科技大学^[13]开发了采空区及密闭空间的气体浓度场三维实时监测系统，采用便携式气体检测装置，在人不接触气体或者人不进入密闭空间的情况下，用激光检测气体浓度，实现对气体三维分布规律的实时监控。吴响等^[14]设计了基于无线传感器网络的采空区环境信息实时监测系统，对采空区瓦斯浓度、一氧化碳浓度、温度等进行实时监测，通过无线与有线相结合的传输方式，最终将数据传送到煤矿地面的监控中心，当出现故障或者危险时能及时预警并处理。中煤科工集团重庆研究院有限公司^[15]开发了一种采空区气体原位监测装置，通过在靠近采空区处布置多种气体监测装置，实现采空区自然发火关键特征气体就近实时监测。枣庄矿业（集团）付村煤业有限公司利用KJ990−F煤矿井下火情监测分站，经微型气泵连接密闭出气管，采集分析密闭内一氧化碳浓度、氧气浓度、二氧化碳浓度、甲烷浓度、压力和温度6种数据，构建了密闭在线监测系统，为密闭的安全管理提供了参考。刘旭^[16]构建了Y型通风系统内临时密闭的在线监测系统，在密闭和瓦斯抽放管路之间安装内置一氧化碳、瓦斯、温度、氧气、正负压传感器的检测管（图1），实时对采集的数据进行上传分析，保障安全回采。

图  1  煤矿密闭监测气样监测管布置

Figure  1.  Layout of gas sample monitoring pipes for air stopping in coal mines

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目前煤矿密闭信息的监测主要以人工检测、手抄牌匾式记录为主。虽然已经开发了一些密闭实时在线监测技术，但现有的技术装备还存在明显不足：① 监测传感器集成化程度不高，针对不同的灾害特征指标分别布设传感器，监测系统十分复杂，非常不利于现场安装和维护。② 大多密闭在线监测系统都是将密闭内气样通过负压采样泵抽出后进行分析，通过该方式获取的密闭内温度数据失真，也不便于同时监测密闭内部压力及内外差压，不能全面反映密闭环境信息。

2.   基于物联网的密闭全生命周期管理

2020年3月，国家发展改革委、国家能源局等八部委联合印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确要求“提升煤矿智能化基础能力”。密闭作为矿井通风系统的重要基础设施，无论是静态属性信息管理还是动态信息监测，目前应用的方法都十分落后，与国家对智能化矿山建设的要求差距明显。

2.1   基于物联网的装备全生命周期管理技术发展趋势

全生命周期管理概念最初由美国审计总署在1933年提出，20世纪70年代开始在日本和英国不断普及。1999年，美国政府提出各州设备采购项目必须要求提供相应的资产全生命周期管理（Life Cycle Asset Management，LCAM）报告，尤其是在核及军事等高风险领域及对设备质量标准要求相对严格的领域。随着物联网（Internet of Things，IoT）技术的发展，石油、交通、医疗等行业已将IoT技术用于与人身健康和财产安全相关的产品及装备上，实施全过程物证溯源管控，实现对关键装备、关键设施全生命周期的监管^[17]。R. G. Sangeetha等^[18]提出一种基于IoT的新型远程电动汽车电池全生命周期监测管理系统，实时监测电池的电压电平，实现电池异常监测分析。何为^[19]提出了蓄电池全生命周期管理概念，应用射频识别、传感等新一代信息技术，基于IoT框架建立了全方面、多功能的蓄电池全生命周期监控系统。周军华等^[20]设计了基于IoT技术的医疗设备全生命周期管理系统，为医院管理系统、设备维护保养和设备数据分析节省了时间和人力，提高了工作效率。袁锋超^[21]设计了基于IoT技术的输变电设备全生命周期管理系统，该系统由电子标签、现场监控测量装置和管理软件组成，通过管理软件实现对输变电设备的实时监控，提高了电力资产运行的透明度和数据的完整性，充分发挥了电力设备的使用效能。煤炭行业也开展了设备全生命周期管理的探索和尝试。徐鹏^[22]指出了智能矿山建设、管理的特点及存在的问题和难点，详细阐述了IoT技术在矿山设备全生命周期管理中的应用及配套的矿井无线网络建设方案。刘振华等^[23]设计了基于IoT的煤矿机电设备智能管理平台，实时采集煤矿机电设备运行数据，实现了设备运行状况实时展示、故障分级报警、故障快速定位及设备间协同控制。崔希国等^[24]设计了煤矿设备巡检系统，物理架构如图2所示，该系统实现了矿井设备巡检人员履职、设备巡检记录、设备异常缺陷分析、井下设备分布及流转等精细化管理，减少了机电事故，降低了设备管理成本，有助于提高设备利用效率。

图  2  煤矿设备巡检系统物理架构

Figure  2.  Physical architecture of coal mine equipment inspection system

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基于IoT技术的设备、设施全生命周期管理理念已被广泛应用于各行业，提升了重要基础设施、关键技术装备的管控效率，取得了良好的效果。针对矿井密闭传统管理方法的不足，为提升矿井密闭管控的智能化水平，有效降低因疏于管理而诱发的安全风险，有必要开展矿井密闭全生命周期安全管控理论与技术的探索与实践。

2.2   密闭全生命周期管理的关键理论与智能方法

矿井密闭全生命周期管理的内涵是指应用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。

根据上述定义，矿井密闭全生命周期管理应基于IoT+人工智能（Artificial Intelligence，AI）+云平台（Cloud Platform，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。

需要指出的是，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。

1） 密闭环境多源演化信息的物理−数字驱动模型。针对密闭服役期间采空区内漏风、自燃、瓦斯、水、冲击动力等多灾害孕育过程，应用事故致因理论，分析多源灾害成因与耦合致灾机理，采用可靠性与风险评价方法建立各类密闭灾害致灾风险性的分级指标体系，结合矿井通风理论与网络解算技术，分析复杂矿井密闭系统内灾变扩散定量预测与致灾过程时空演化特征，综合多维度理论与模型，基于物理驱动神经网络构建密闭全生命周期多灾害演进的物理−数字驱动模型。

2） 密闭多源感知信息的异构数据融合模型。面向密闭精准监控，集成矿山智慧物联、数物融合、虚拟现实等先进数字模型，基于知识经验、物理机理、结构特性、行为规则、多源数据与应用场景融合自洽方法，构建虚实交互、多层级、图模化的密闭场景全生命周期数字孪生体。根据信息熵等理论提出基于一体化感知的密闭多源异构数据融合方法，构建多变量灰色异构波动序列预测模型。提取密闭采空区灾害地质因子、生产因子等关键数据，与致灾共性因子、个性因子、交互因子形成映射，提出致灾多源异构数据协同融合与权重修正策略，形成密闭全生命周期安全信息多源异构数据协同迭代及链生演变模式。

3） 密闭异常边缘检测与分级智能预警模型。基于边缘计算构建密闭监控与决策架构， 密闭安全风险多源数据融合处理、衍生分析、模型建立和预案生成的边缘协同算法，以及面向多源异构数据的智能分类识别与预测模型。采用深度学习Embedding向量稠密化模型进行海量数据治理，面向边缘实时计算，采用嵌入式现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）+卷积神经网络（Convolutional Neural Networks，CNN）构建网络剪枝与量化同步压缩方法，以提取关键信息。结合仿生智能原理，构建基于Hadoop的分布式K−means聚类算法，实现密闭边缘监测大数据分析与风险分级预警。基于系统级联失效理论与蒙特卡罗模型等，建立全生命周期矿井密闭系统级联失效概率与安全态势辨识方法，形成密闭服役风险态势快速研判与智能预警体系。

4） 密闭全生命周期应急智能决策与协同防控模型。建立密闭风险灾害防控知识库、策略库和决策库，根据智能决策理论方法，采用贝叶斯网络等进行决策参数的概率推理与模拟强化学习。形成专家决策和AI技术协同的应急联动控制策略及密闭安全风险管控预案智能生成与动态优化方法。采用 Kafka+Flink 架构和WebGL引擎，融合多源传感器数据，搭载矿井密闭状态最优估计、模拟仿真、预案生成等算法模型，建立密闭全生命周期智能监控平台，实现全面感知、实时互联、报告决策、自主学习、动态预测、协同控制。基于B/S模式，建立支持实时数据处理和分布式计算的微服务架构及密闭微服务全生命周期安全风险监测预警系统，以支持数字孪生、AI分析、灾害预警、系统仿真、灾变预案、应急调度、数据管理，实现密闭服役周期内监测数据融合与智能决策的一体化运行。

2.3   密闭全生命周期安全风险监测预警系统物理架构设计

矿井密闭全生命周期安全风险监测预警物理架构如图3所示。该系统主要包含密闭信息感知设备、数据传输设备、数据存储分析设备和显示终端等。对煤矿井下的密闭，尤其是服务周期长、风险高的密闭，采用甲烷、氧气、一氧化碳、温度、差压传感器和视频摄像机实时采集密闭环境信息参数，通过矿井工业以太环网将数据上传至服务器，利用数据处理终端对采集到的数据进行处理、存储与发布。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，对上述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。

图  3  矿井密闭全生命周期安全风险监测预警系统物理架构

Figure  3.  Physical architecture of safety risk monitoring and early warning system for the full lifecycle of air stopping

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2.4   密闭全生命周期安全风险监测预警系统功能架构设计

矿井密闭全生命周期安全风险监测预警系统功能架构如图4所示。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。

图  4  矿井密闭全生命周期安全风险监测预警系统功能架构

Figure  4.  Functional architecture of safety risk monitoring and early warning system for the full lifecycle of air stopping

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1） 密闭基础信息管理模块。用户权限：对矿领导、密闭管理员、巡检人员、维修人员等不同岗位人员进行权限配置。密闭静态信息库：将密闭管理涉及的属性信息数据同步导入密闭管理系统，包括密闭的施工工艺、设计参数、构筑材料、功能、构筑时间、施工单位、监理单位、验收单位、负责人等属性信息和封闭区煤层开采工艺、丢煤情况、灌浆、发火/突水等特征信息。无源标志库：存储巡检人员身份、区域地点等信息。数据字典：对矿井密闭监测与智能预警系统传感器类型等数据的数据项、数据结构、数据存储、处理逻辑等进行定义和描述。

2） 密闭动态信息在线监测模块。集成管理：实现煤矿密闭监测监控系统底层基础信息的管理，包括密闭的类型、编号、名称及数据接入方式等。监测点配置：自动读取密闭监测传感器的配置表，对各传感器监测点信息及关系进行配置。就地展示：将获取的密闭动态信息以LED屏或数码管等方式就地显示，替代传统的人工牌匾式数据展示。集控中心展示：将获取的密闭动态信息通过矿井工业环网传输至地面集控中心，在集控中心大屏显示。分级报警：根据预置的密闭环境参数报警阈值，在监测指标超限时通过语音、消息推送等方式进行点对点提醒。联动控制：与注氮、均压等密闭风险管控系统关联，实现异常时期的风险联动管控。

3） 密闭人工巡检模块。人工巡检模块是密闭动态信息监测模块的有效补充。巡检计划：根据动态信息监测数据异常、传感器可靠性等情况，制定巡检周期及任务计划。工单管理：根据密闭异常信息，以工单方式进行任务派单，以工作流、消息提醒等方式督促按期完成任务。日常巡检：利用密闭巡检装备定期就地获取密闭周边气体、压力、温湿度等环境信息，并与动态监测信息比对，确保动态信息实时监测模块工作正常。故障处理：密闭动态信息监测系统传感器、传输设备及网络发生故障后，提示维护人员及时处理。

4） 密闭数据综合应用模块。数据存储：存储密闭动态监测信息和静态属性信息。数据分析：对多种类密闭动态信息进行分析，输出历史数据曲线图，自动生成密闭电子台账等。风险预警：根据监测系统获取的单个或多个密闭的实时动态信息，融合预置的密闭区风险预警模型，对密闭可能存在的风险进行智能预警。运维计划：根据系统对密闭动态信息监测海量数据的分析，在判定风险的基础上提供密闭运维方案。

3.   密闭监测管理的关键技术与装备

3.1   密闭环境信息感知IoT传感器

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、绝对压力、差压、温度监测功能于一体的密闭环境信息感知IoT传感器（图5）。传感器外壳为直径63 mm的圆柱体，长度为230 mm，可通过密闭预留观测孔置入密闭内部，实现对密闭内环境信息的原位监测；采用本安电路设计，满足煤矿井下防爆要求；既可与专用的监测主机配合使用，实现数据显示与灾害智能分析，又可与通用数码管显示屏和LED屏配套，实现数据就地显示，还可与井下分站相连，实现数据传输；气样采集前端采用烧结网滤芯进行过滤，滤除大于10 μm 的煤尘，并防止出现水汽冷凝，起到对内部元器件的保护作用，延长传感器寿命。传感器主要技术指标见表1。

图  5  密闭环境信息感知IoT传感器

Figure  5.  IoT sensor for environment information monitoring of air stopping

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表  1  传感器的主要技术指标

Table  1.  Main technical indicators of sensors

参数名称	量程	误差
甲烷体积分数	0～10%	±6%
一氧化碳 体积分数	0～0.1%	±5%
氧气体积分数	0～25%	±3%
差压	−1 000～1 000 Pa	±1%
绝对压力	0～2000 hPa	±1%
温度	0～80 ℃	±0.5 ℃

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为提升传感器的可靠性，结合传感器使用场景，研究分析安装位置、安装形式等对各环境参数测试精度的影响。通过实验室实验和现场考察，分析密闭环境信息感知IoT传感器在不同温度、不同湿度、不同粉尘环境下的可靠性及精度变化规律，构建密闭环境信息感知IoT传感器精度的自校正模型，确立传感器在不同使用环境下的校准和更换周期，形成可靠的运维保障制度，实现密闭信息在线监测系统的长期高可靠性运行。

3.2   密闭在线监测系统主机

为与密闭环境信息感知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，如图6所示。主机配套液晶显示屏，可现场就近显示传感器获取的密闭环境信息；具备数据分析处理与图形化展示功能，能够绘制密闭内气体、温度、差压等信息的历史曲线；兼顾环网接入器功能，接入器符合IEEE802.3，IEEE802.3u 标准，支持全双工/半双工、MDI/MDI–X自适应传输；具备串口设备（RS485）联网功能，所有输出信号均为本质安全型，指标均满足煤矿井下防爆要求；具有电源、通信状态指示功能，以及故障自诊断和警示功能。

图  6  密闭环境信息监测系统主机

Figure  6.  Air stopping internal environmentinformation monitoring system host

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3.3   密闭安全风险监测预警系统

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。密闭安全风险监测预警系统安装方式如图7所示。对矿井高风险密闭与周边采空区，基于对密闭与破碎煤柱区域气体、压力的多点、多元信息监测，分析机械风压、大气压变化条件下采空区煤自燃气体和瓦斯气体流场变化规律，获得煤自燃、瓦斯等灾害演化特性与密闭内外环境参数之间的映射关系库，通过深度学习算法挖掘采空区灾害各指标参量之间的内在关系，构建基于采空区周边多点、多元数据融合的采空区风险判定数学模型，开发密闭采空区风险辨识预警算法及软件，实现矿井密闭全生命周期安全监测与风险智能预警。

图  7  密闭安全风险监测预警系统安装方式

1−监测主机；2−感压管；3−预埋套管；4−多参数一体化传感器；5−航空插头；6−电缆套管（连接杆）；7−管帽；8−矿用防爆电缆。

Figure  7.  Installation method of air stopping risk monitoring and warning system

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4.   结语

煤矿井下不断增加的采空区是矿井生产过程中面临的重大风险源，做好密闭管控对降低采空区风险意义重大。现阶段“台账式”“牌匾式”的密闭管控方式难以适应密闭精细化管控需求，与目前矿井智能化建设要求不相适应。对此，阐释了密闭全生命周期智能管控的理念，指明基于IoT+ AI+ CP的大数据策略与集成云边端架构的密闭安全风险监测预警总体建设路径，设计了密闭全生命周期安全风险监测预警系统的物理架构和功能框架，研发了小型多参数一体化、可置入式便捷安装的密闭环境信息感知IoT传感器和配套的智能化主机，提出了密闭风险的早期感知与监测预警方法，是提升矿井密闭安全管控水平的有益探索。