吳 寧，吳廣平

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727303)

0 引言

王國法等[1]基于我國礦產(chǎn)資源開發(fā)現(xiàn)狀，分析了智慧礦山建設(shè)的必要性、建設(shè)理念與內(nèi)涵，闡述了現(xiàn)階段智慧礦山建設(shè)存在的關(guān)鍵共性難題，確定了我國智慧礦山建設(shè)的近期、中期、遠(yuǎn)期目標(biāo)。智能化開采系統(tǒng)將多種技術(shù)應(yīng)用于綜采工作面，實現(xiàn)在采煤機自動化控制，確保各設(shè)備協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運行，將工人從工作面解放出來，降低工人的勞動強度。陜西黃陵二號煤礦有限公司井田總面積為351.94 km2，地質(zhì)儲量 9.45億t，可采儲量 6.4億t，全礦井煤層平均厚度為3.39 m。礦井核定生產(chǎn)能力800萬t/a。礦井采用斜井開拓方式，單一水平開采。生產(chǎn)格局為“一井兩區(qū)、一區(qū)一面”。黃陵二號井現(xiàn)有智能綜采系統(tǒng)基本完善，綜采工作面雖具有三機一架遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)，但感知能力不足，不能實時感知人、物、環(huán)的變化；需要改造視頻系統(tǒng)等場景識別，并為超前支架與工作面協(xié)同推進(jìn)、多工作面協(xié)同規(guī)劃開采提供安全數(shù)據(jù)支撐；面對二號煤礦的復(fù)雜地質(zhì)條件，在工作面智能化高效開采過程中，缺乏基于煤層賦存條件的安全環(huán)境、開采策略的預(yù)測、預(yù)判、預(yù)控能力，安全生產(chǎn)水平亟待提高。根據(jù)采煤工作面地質(zhì)和工藝設(shè)計工作面環(huán)網(wǎng)，搭建傳感數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)測，空間環(huán)境模型和控制硬件環(huán)境，實現(xiàn)在井下順槽和地面對開采設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程集中自動化控制，可視化監(jiān)測、自主化協(xié)同管控，將人從采場解放出來，采場少人化、遠(yuǎn)程監(jiān)控、人—機—環(huán)自動感知，在安全管控的前提下，達(dá)到各開采設(shè)備協(xié)同、連續(xù)、高效、安全的自主開采[2-5]。

1 智慧礦山系統(tǒng)目標(biāo)

根據(jù)智能化煤礦分類、分級技術(shù)條件與評價以及礦業(yè)公司整體布局規(guī)劃，礦井按照Ⅱ類高級智能化水平建設(shè)[6-10]。圍繞煤礦安全生產(chǎn)，利用先進(jìn)的科技力量，通過對現(xiàn)有技術(shù)和裝備進(jìn)行全面升級，大力推進(jìn)智能系統(tǒng)、智能裝備的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，全面提升公司智能化水平。結(jié)合礦井現(xiàn)狀，對礦井現(xiàn)有工業(yè)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行升級改造，建設(shè)井下、地面無線通信網(wǎng)絡(luò)，建立礦井自有數(shù)據(jù)中心，搭建智能綜合管控平臺。提升地質(zhì)勘探系統(tǒng)，建立礦井云GIS平臺，礦井生產(chǎn)結(jié)合數(shù)據(jù)庫，具有地質(zhì)數(shù)據(jù)推演、地質(zhì)建模、地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化等功能。加強智能綜采、快掘系統(tǒng)的常態(tài)化應(yīng)用，加強變頻技術(shù)、工作面機器人等應(yīng)用。主運輸系統(tǒng)、變電所和水泵房等生產(chǎn)輔助系統(tǒng)繼續(xù)保持“無人值守、有人巡視”的運行模式，并充分利用巡檢機器人技術(shù)服務(wù)礦井生產(chǎn)。加強通風(fēng)與壓風(fēng)系統(tǒng)智能化技術(shù)應(yīng)用，在通風(fēng)阻力解算、通風(fēng)設(shè)施控制、瓦斯抽采智能監(jiān)測等系統(tǒng)上投入新技術(shù)，加強智能化建設(shè)工作。選煤廠需在原有自動化水平上繼續(xù)提升，建設(shè)3D可視化系統(tǒng)、設(shè)備健康診斷等。在智慧園區(qū)與經(jīng)營管理系統(tǒng)方面較弱，需提升園區(qū)智能化建設(shè)水平。智慧礦山系統(tǒng)技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

2 智慧礦山模塊現(xiàn)狀

2.1 智能化采煤現(xiàn)狀

礦井首個大采高智能化綜采工作面項目于2017年5月開始安裝調(diào)試，12月通過驗收。該工作面智能化程度高，實現(xiàn)遠(yuǎn)程常態(tài)化采煤，具備在順槽監(jiān)控中心和地面監(jiān)控中心對設(shè)備集中控制，實現(xiàn)工作面各設(shè)備協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運行。

礦井現(xiàn)有智能化綜采成套裝備4套，2用2備。實現(xiàn)“以工作面自動控制為主、監(jiān)控中心遠(yuǎn)程干預(yù)為輔”的自動化生產(chǎn)模式，同時探索出了一套完整的大采高煤層自動化采煤工藝和流程，應(yīng)用效果良好。截至 2020年12月底累計回采5個工作面，生產(chǎn)效率大幅提升，工效由原來的136 t/工增至216 t/工，生產(chǎn)能力由原來450萬t/年提升至600萬t/年。

2.2 快速掘進(jìn)現(xiàn)狀

礦井共有2套快掘裝備，第1套快掘裝備于2019年1月在地面進(jìn)行了組裝調(diào)試，2月在井下組裝調(diào)試并運行，經(jīng)過7個月工業(yè)性試驗，實現(xiàn)月最大掘進(jìn)進(jìn)尺680 m。通過使用掘錨一體機、錨護(hù)轉(zhuǎn)載破碎一體機、可彎曲膠帶機、邁步式自移機尾、通風(fēng)除塵系統(tǒng)等設(shè)備，實現(xiàn)全寬斷面快速掘進(jìn)、掘—支—錨—運平行作業(yè)、遠(yuǎn)距離遙控操作，大幅提高了掘進(jìn)效率。

第2套快掘裝備于2020年12月到貨，2021年1月下井安裝調(diào)試，目前正處于試生產(chǎn)階段。主要由雙錨掘進(jìn)機、邁步支架、跨騎式四臂錨索鉆車、可彎曲膠帶機、邁步機尾、自移設(shè)備列車等組成。

2套快掘裝備在配套時均未配備遠(yuǎn)程集控中心，不具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，2020年底，第1套快掘系統(tǒng)搭建順槽、地面集控中心，不具備自主導(dǎo)航、自適應(yīng)截割行走、設(shè)備三維模型構(gòu)建等功能，需在原設(shè)備基礎(chǔ)上升級改造。

2.3 生產(chǎn)輔助系統(tǒng)現(xiàn)狀

二號煤礦以打造“智能礦井、智慧礦區(qū)”為愿景目標(biāo)，并按照“總體規(guī)劃、分步實施、突出重點、持續(xù)發(fā)展”的建設(shè)原則，有序推進(jìn)生產(chǎn)輔助系統(tǒng)遠(yuǎn)程集控建設(shè)。現(xiàn)已建設(shè)完成38項生產(chǎn)輔助遠(yuǎn)程集控及17套巡檢機器人，生產(chǎn)輔助系統(tǒng)全面實現(xiàn)“無人值守、有人巡視”。

2.4 信息化現(xiàn)狀

礦井于2018年搭建了全礦井的萬兆以太環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)各生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時傳輸、整合接入。按照“一個平臺、兩級數(shù)據(jù)、三級應(yīng)用”的系統(tǒng)架構(gòu)、基于“一張圖”的管理理念，建設(shè)了安全生產(chǎn)信息共享平臺，該平臺涵蓋采掘、通風(fēng)、機電、調(diào)度等各個專業(yè)及各個安全生產(chǎn)環(huán)節(jié)，打通了大量分散、孤立的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動傳輸、協(xié)同共享，解決了智能化礦井安全生產(chǎn)信息化管理的關(guān)鍵技術(shù)問題，為“智能礦井”建設(shè)奠定了堅實基礎(chǔ)。

隨著智能礦井、智慧礦山建設(shè)和信息化技術(shù)的高速發(fā)展，特別是隨著5G、高清智能AI視頻等新技術(shù)的應(yīng)用，礦井信息化基礎(chǔ)建設(shè)在礦井無線通信網(wǎng)絡(luò)、礦端數(shù)據(jù)中心、智能綜合管控平臺等方面仍需建設(shè)完善。

2.5 選煤廠現(xiàn)狀

礦井選煤廠于2007年建設(shè)，2008年正式投產(chǎn)，設(shè)計理念為國際領(lǐng)先、國內(nèi)一流，主要工藝設(shè)備全部選用進(jìn)口，其他輔助洗選設(shè)備選用國內(nèi)知名廠家，原煤、主洗、煤泥處理三大生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備可實現(xiàn)遠(yuǎn)程集控，地銷裝車系統(tǒng)和鐵路裝車系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化操作；配電室所有大型設(shè)備都配有過流、堵轉(zhuǎn)、漏電、過壓等保護(hù)；皮帶設(shè)有語音提示，且對異常設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)節(jié)、報警等；2018年改造增加自動化平煤系統(tǒng)。選煤廠具備一定的自動化水平，但在3D可視化系統(tǒng)、設(shè)備智能診斷與管理系統(tǒng)、灰分在線監(jiān)測、智能管控系統(tǒng)、智能采制化等方面仍需升級改造。

3 智能化升級路徑

3.1 信息基礎(chǔ)設(shè)施

礦井無線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)：利用4G/5G及WiFi技術(shù)建設(shè)井下無線通信系統(tǒng)，實現(xiàn)井下無線通信網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，滿足系統(tǒng)各類視頻、語音、數(shù)據(jù)等傳輸要求，并實現(xiàn)工業(yè)控制與視頻監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位、應(yīng)急廣播等系統(tǒng)分鏈路運行。

網(wǎng)絡(luò)安全保障：針對礦井現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)安全現(xiàn)狀，利用自主建設(shè)的一套網(wǎng)絡(luò)安全保障系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)入侵監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)行為管控、網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)等功能。

3.2 智能地質(zhì)保障系統(tǒng)

建立無人機地質(zhì)勘探系統(tǒng)：利用現(xiàn)有無人機設(shè)備，建立一套無人機地質(zhì)勘探系統(tǒng)，實現(xiàn)影像資料自動采集、分析、上傳。

建立礦井云GIS平臺：將現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫資源進(jìn)行整合、升級改造，構(gòu)建空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，形成一個礦井云GIS平臺。實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)分類存儲、分析、共享與更新，能夠?qū)崿F(xiàn)煤層厚度、頂?shù)装遒x存變化自動演算、自動生成巷道平剖面圖。

3.3 智能掘進(jìn)系統(tǒng)

智能掘進(jìn)設(shè)備升級及管控平臺建設(shè)方案為在掘進(jìn)機加裝各類傳感器、執(zhí)行器與控制器，加裝自動定位及導(dǎo)向功能，實現(xiàn)單系統(tǒng)、設(shè)備自動控制，實現(xiàn)自適應(yīng)截割與行走；建設(shè)遠(yuǎn)程集控平臺，基于GIS平臺構(gòu)建三維地質(zhì)模型；構(gòu)建掘進(jìn)機等設(shè)備模型。掘進(jìn)設(shè)備具備自動導(dǎo)航、自主截割功能。鉆錨裝置具備自動鋪網(wǎng)、自動定位、自動鉆孔、自動注錨固劑、自動錨固錨桿(索)等功能。運輸設(shè)備具備智能轉(zhuǎn)載運輸功能。工作面有井下、地面集控中心，具備三維建模、一鍵啟停、遠(yuǎn)程操控功能，工作面實現(xiàn)高效智能協(xié)同作業(yè)。

3.4 智能開采系統(tǒng)

采用地質(zhì)探測與建模技術(shù)、“CT”切片技術(shù)、空間導(dǎo)航定位技術(shù)等構(gòu)建高精度智能開采截割模型；利用可“預(yù)測、預(yù)判、預(yù)控”的綜采大數(shù)據(jù)智能分析決策平臺，實現(xiàn)智能精準(zhǔn)開采，由傳統(tǒng)的機械化采煤方式向三維空間感知、智能規(guī)劃和自主規(guī)劃截割的技術(shù)跨越。

液壓支架實現(xiàn)支架跟機噴霧、跟機移架、跟機推溜控制等功能。以電液控計算機主畫面和工作面視頻畫面為輔助手段，通過支架遠(yuǎn)程操作臺實現(xiàn)對液壓支架的遠(yuǎn)程干預(yù)控制。規(guī)劃控制功能包括液壓支架單架推溜、降架、拉架、升架，成組移架、成組推溜等動作。液壓支架智能規(guī)劃控制啟停。

采煤機具備智能化規(guī)劃截割自動運行功能。依據(jù)采煤機主機系統(tǒng)及工作面視頻，通過操作采煤機遠(yuǎn)程操作臺實現(xiàn)對采煤機的遠(yuǎn)程控制，包括采煤機滾筒升、降、左牽、右牽、加速、減速、急停等動作和采煤機規(guī)劃割煤功能啟停。

3.5 智能主煤流運輸系統(tǒng)

利用在一部膠帶機加裝煤流量監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)礦井煤流量智能監(jiān)測。通過建設(shè)智能感知、智能決策、自動執(zhí)行的全礦井煤流智能運輸系統(tǒng)，實現(xiàn)帶式輸送機聯(lián)鎖遠(yuǎn)程集中控制；具備語音預(yù)警功能和集控、就地控制模式，固定崗位設(shè)置可視化監(jiān)控；實現(xiàn)給煤機智能控制，智能集中潤滑，油脂在線監(jiān)測，鋼絲繩芯帶面無損檢測。

3.6 智能輔助運輸系統(tǒng)

利用建設(shè)的一套基于4G/5G及UWB技術(shù)的無軌膠輪車管理系統(tǒng)，解決車輛精確定位、車載通信等問題，實現(xiàn)車輛的智能調(diào)度、測速、超速告警、行車安全監(jiān)控、紅綠燈管控、拐彎預(yù)警、對講等功能。

無軌膠輪物料車運輸實現(xiàn)無人駕駛。通過建立編碼體系，實現(xiàn)物資的集裝化，能和礦井的倉儲管理系統(tǒng)無縫對接，實現(xiàn)物資運送全過程信息化閉環(huán)管控并且實現(xiàn)物資的裝卸全自動化。

3.7 智能通風(fēng)與壓風(fēng)系統(tǒng)

智能通風(fēng)系統(tǒng)：完善礦井3D通風(fēng)立體示意圖，建設(shè)智能通風(fēng)系統(tǒng)?？梢詫崿F(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)實時監(jiān)測仿真和數(shù)據(jù)共享，對井下瓦斯?jié)舛?、風(fēng)壓、風(fēng)速、風(fēng)量等參數(shù)進(jìn)行智能監(jiān)測、自動分析、異常辨識及智能預(yù)警，對風(fēng)量及風(fēng)速進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，對瓦斯超限區(qū)域避災(zāi)路線進(jìn)行規(guī)劃，實現(xiàn)無人值守及遠(yuǎn)程集中控制。

壓風(fēng)系統(tǒng)升級改造：通過完善系統(tǒng)各類傳感器，實現(xiàn)壓風(fēng)自救裝置與環(huán)境監(jiān)測結(jié)果智能聯(lián)動功能，系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)、故障記錄具備自動分析、存儲功能。

3.8 智能供電與供排水系統(tǒng)

智能供電系統(tǒng)升級改造：通過對現(xiàn)有供電系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，實現(xiàn)防越級跳閘保護(hù)功能、實現(xiàn)電纜夾層、電纜溝火災(zāi)自動報警功能、實現(xiàn)電力監(jiān)控分析功能。

供排水系統(tǒng)升級改造：通過對現(xiàn)有水泵房集控系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，一是實現(xiàn)單臺水泵出水量、真空度、管路流量、水壓、流速等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測；二是實現(xiàn)供排水管線與設(shè)備故障分析診斷及預(yù)警功能；三是在井下主要水倉建設(shè)智能機器人，實現(xiàn)水倉智能清泥。

3.9 智能監(jiān)控系統(tǒng)

智能監(jiān)控系統(tǒng)：通過與礦井監(jiān)控系統(tǒng)連接，建設(shè)智能抽采、智能防塵、火災(zāi)監(jiān)測、水害智能仿真系統(tǒng)。并通過綜采工作面各監(jiān)測設(shè)備的聯(lián)動自動形成抽采系統(tǒng)優(yōu)化方案，實現(xiàn)采煤機與粉塵傳感器、防滅火設(shè)施進(jìn)行聯(lián)動控制，實現(xiàn)與排水系統(tǒng)的智能聯(lián)動。最后根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行智能預(yù)測、預(yù)警、預(yù)判。

礦山壓力監(jiān)測分析與預(yù)警平臺：建立統(tǒng)一的礦壓數(shù)據(jù)分析、監(jiān)控和預(yù)警平臺，實現(xiàn)礦壓監(jiān)測統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享。

3.10 智能洗選系統(tǒng)

設(shè)備智能診斷管理及3D可視化系統(tǒng)：一是完善設(shè)備健康診斷功能，能夠?qū)υO(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測及預(yù)警；二是建立3D可視化系統(tǒng)，以三維立體的形式顯示選煤廠內(nèi)的場景結(jié)構(gòu)、設(shè)備布局，并設(shè)置完善的視頻感知、安全監(jiān)測系統(tǒng)，對入選原煤雜物、人員不安全行為、設(shè)備危險運行狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測，并實現(xiàn)智能預(yù)測、預(yù)警。

選煤廠智能選矸系統(tǒng)：采用智能識別方法，實現(xiàn)針對不同的煤質(zhì)特征建立與之相適應(yīng)的分析模型，通過大數(shù)據(jù)分析，對煤與矸石進(jìn)行數(shù)字化識別，最終通過智能干選系統(tǒng)將矸石排出，實現(xiàn)煤與矸石精確分離。

3.11 智慧園區(qū)與經(jīng)營管理系統(tǒng)

智能保障系統(tǒng)：通過建設(shè)礦區(qū)智能保障系統(tǒng)，實現(xiàn)智能安防、智能車輛管理、智能路燈、智能門禁閘機、智能供熱、智能洗浴、智能信息發(fā)布等功能。

標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)管理及培訓(xùn)系統(tǒng)：通過建設(shè)一套基于VR技術(shù)、無線通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)管理及培訓(xùn)系統(tǒng)，實現(xiàn)班組崗位標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程的精確推送，實現(xiàn)對班組成員的自動考核，根據(jù)考核結(jié)果自動制定針對性培訓(xùn)、學(xué)習(xí)計劃，實現(xiàn)班組管理信息的移動互聯(lián)。

4 應(yīng)用效果

黃陵二號井升級與改造后，突破傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)路線，通過預(yù)先建立工作面地質(zhì)模型和設(shè)備融合的大數(shù)據(jù)開采模型，結(jié)合增強感知和精準(zhǔn)控制實現(xiàn)全工作面一個生產(chǎn)班常態(tài)化無人干預(yù)連續(xù)推進(jìn)，全工作面已經(jīng)全部實現(xiàn)規(guī)劃截割，綜采工作面較傳統(tǒng)機械化采煤減員40%～80%，生產(chǎn)效率提高30%以上。掘進(jìn)工作面減少現(xiàn)場作業(yè)人員30%～50%，掘進(jìn)效率提高90%以上。得益于先進(jìn)的智能化設(shè)備、云計算及5G技術(shù)，礦井各個部門生產(chǎn)效率大大提高，運維成本降低，工人安全得到更好保障，勞動強度降低明顯。

5 結(jié)語

(1)依據(jù)黃陵二號井智能化現(xiàn)狀，提出對開采、掘進(jìn)、通風(fēng)等各礦山子系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，通過利用地質(zhì)寫實、物探、鉆探數(shù)據(jù)，建立智能開采工作面的三維可視化透明動態(tài)地質(zhì)模型，建立煤礦生產(chǎn)的大數(shù)據(jù)智能分析決策平臺，實現(xiàn)了對設(shè)備的精準(zhǔn)控制、故障自診斷以及對生產(chǎn)工藝的智能決策，最終實現(xiàn)無人化智能開采。

(2)文中提出的黃陵二號井升級與改造方案的實施應(yīng)用，不僅能推動煤炭產(chǎn)業(yè)技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級，同時也進(jìn)一步促進(jìn)“減人、提效”的實現(xiàn)，達(dá)到了工作面自動化生產(chǎn)、少人化操作、提升產(chǎn)量，產(chǎn)生切實的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

(3)經(jīng)濟(jì)效益方面實現(xiàn)了工作面減人增效和生產(chǎn)效益大幅提高，具體表現(xiàn)為將減少采煤工作面惡劣環(huán)境下操作人員的數(shù)量、改善回采工作面的安全生產(chǎn)條件、降低操作工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率，在同等的地質(zhì)、生產(chǎn)技術(shù)條件下提高產(chǎn)量、提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益、滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源的需求。

(4)社會效益方面實現(xiàn)了綜采成套裝備智能化控制系統(tǒng)核心技術(shù)的突破，大幅提升了綜采成套裝備的智能化水平，帶動了我國在煤機裝備自動化、智能化方面的整體技術(shù)進(jìn)步，為建設(shè)大型現(xiàn)代化礦井提供了保障，有力推動了我國煤炭工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。