华阳一矿智能化煤矿建设设计_郭德华.pdf

2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月华阳一矿位于山西省阳泉市西北部，井田位于山西省沁水煤田的北部。井田东西走向长1 4.5k m，南北倾斜宽9.8k m，井田面积8 3.6 1 26k m2。许可开采1 5号煤层，核定能力为7.5M t/a。目前煤炭行业处于“需求增速放缓期、过剩产能和库存消化期、环境制约强化期、结构调整攻坚期”，煤炭行业必须不失时机地变化与改革，促进转型升级1-3。以云计算、物联网、大数据为代表的新一代信息技术与传统煤炭行业融合创新，从而促成煤矿迈入“智能化”阶段，促使传统煤炭行业转型升级4-5。华阳一矿现有无线网络存在掉线、丢包等现象，数据传输可靠性差，各子系统智能化水平不高。进行智能化煤矿建设，实现井下4 G 网络全覆盖，5 G网络覆盖井下关键部位，为将来人工智能、工业物联网等技术在智能化煤矿的深度融合提供有力支撑6-7。1智能化建设的原则及条件1.1建设的原则根据华阳一矿实际情况和安全生产工作需求，在建设过程中，需要遵循以下原则8-9：a)先进性与成熟性原则。整体技术水平国际领先，5 1 0a不落后，1 0年内不被淘汰。b)安全性与稳定性原则。必须充分考虑安全性与稳定性原则。c)实用性与易用性原则。充分考虑发展的需要来确定系统规模。d)可视性与可控性原则。在信息或数据共享方面，应着力打通“信息壁垒”，遵循以监控为主的指导思想，建立监控层内各子系统间、控制层与信息层间信息互联互通和高度共享机制。e)可互联与可共享原则。系统架构设计应采用高效的数据传输技术，并提供实时数据服务。f)可扩展与可开发原则。在符合当前通用标准的前提下，系统应能提供各种层次的不同类型的接口，实现全矿范围内各个生产过程的自动化子系统数据综合集成接入和融合。1.2建设的条件依据山西省能源局的要求，山西省煤矿智能化建设评定分为智能化煤矿、智能化掘进工作面和智能化综采工作面三个项目，等级分为初级、中级、高级三个。所应达到的具体要求为：初级，智能化建设评定总得分不低于6 0分；中级，智能化建设评定总得分不低于7 0分；高级，智能化建设评定总得分不低于8 5分。结合华阳一矿智能化建设现状进行自评，全矿井智能化煤矿得分5 3.3 7分，智能化掘进工作面得分4 7.7 0分，智能化综采工作面得分5 4.1 0分。目前，矿井智能化建收稿日期：2022-09-20作者简介：郭德华，1981年生，男，山东济宁人，助理工程师，主要从事煤矿自动化及信息化研究。华阳一矿智能化煤矿建设设计郭德华（国网能源新疆准东煤电有限公司，新疆 昌吉8 3 1 8 0 0）摘要：为了提高煤炭资源开采的效率和安全性，华阳一矿开始了煤矿智能化建设。介绍了华阳一矿的智能化建设情况，主要包括智能化建设的原则及条件、智能化煤矿信息基础设施和综合保障系统。在建成智能化煤矿后，煤矿固定场所无人值守，关键环节由机器人替代，采煤工作面减人6 0%，入井人员人数减少1 0%2 0%。所研究内容可以为煤矿智能化建设提供一定的参考。关键词：煤矿；智能化建设；信息基础设施；综合保障系统中图分类号：T D 2 1 2文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-0 8 0 2-(2 0 2 3)0 3-0 1 9 9-0 4Intelligent Coal Mine Construction Design of Huayang No.1 Coal MineGUO Dehua(State Grid Energy Xinjiang Zhundong Coal Electricity Co.,Ltd.,Changji 831800,Xinjiang,China)Abstract:In order to improve the efficiency and safety of coal mining,Huayang No.1 Coal Mine started the intelligentconstruction of coal mines.This paper introduced the intelligent construction of Huayang No.1 Coal Mine,mainly including theprinciples and conditions of intelligent construction,intelligent coal mine information infrastructure and comprehensive securitysystem.After the completion of the intelligent coal mine,the fixed places of the coal mine are unattended,and the key links arereplaced by robots,the number of people in the coal mining face is reduced by 60%,and the number of people entering the mineis reduced by 10%-20%.It can provide a certain reference for the intelligent construction of coal mines.Key words:coal mine;intelligent construction;information infrastructure;comprehensive security system（总第2 1 0期）实践运用1 9 9 DOI:10.16643/ki.14-1360/td.2023.03.0142 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月设尚未达到初级标准，因此需对矿井薄弱环节进行升级建设。由于掘进系统及综采系统智能化建设由集团公司统一考虑，本设计不涉及，掘进系统暂按7 0分（中级）估算，综采系统暂按7 5分（中级）估算。本次设计建设完成后预计全矿井智能化建设得分7 5.2 0分，达到中级标准。2智能化煤矿信息基础设施2.1无线融合通信系统华阳一矿已建成万兆工业环网，地面信息网现部署2台中兴核心交换机，5台万兆主干交换机，1 6台千兆汇聚交换机。井下工业以太环网，2台赫斯曼核心交换机，7台赫斯曼万兆主干交换机，1 7台千兆汇聚交换机，形成多条子环路。华阳一矿目前使用的W i-F i移动通信系统，是无线基站在工业环网基础上的延伸，移动通信终端功能较简单。由于W i-F i信号定向覆盖范围小和穿透性差，在井下实现全覆盖较为困难；W i-F i基站间切换容易出现掉线、丢包等现象，导致数据传输可靠性差、语音通信不连续的情况较为普遍。目前万兆环网无法满足智能矿山数据传输需求，需要整体提升网络处理能力。因此，华阳一矿提出以5 G 无线通信、切片分组承载网技术为智能化煤矿建设信息网络基础（见图1），实现煤炭开采智能化变革。此次建设的4 G+5 G 覆盖方式，既能满足煤矿生产调度的无线通信需求，同时高带宽、低时延的5 G 网络建设又能满足生产控制的要求，可以有效解决控制、传感、延时、低功耗、机器人的应用问题，拉动总体煤机水平的提升。另外，智能化综合管控平台是本次建设的重点，智能化煤矿必须具备有采集和控制功能的平台，在充分利用一张图的基础上，增加实时数据库，增加对主要系统的控制。图 1 无线电通信系统拓扑图2.2智能化综合管控平台智能化综合管控平台由实时历史数据库、平台软件以及配套组件组成，将煤矿生产过程控制、环境安全监测、人员与车辆定位、地理信息系统（G e o g ra p h icIn fo rm a tio nS y s te m，G IS）、视频监视与通信调度等多类子系统通过现代信息和通信技术进行数据集成、功能集成和业务集成，在一个统一的平台上实现多系统间的可视调度、智能协调联动和综合信息展示1 0-1 2。智能化综合管控平台业务架构是在统一的标准、规范及安全运维保障体系下，按分层设计模式，分为应用层、数据服务层、基础设施层和设备感知层4个层次，具体技术架构如图2所示。网络出口办公网工业环网5G核心网信息网核心SPN二中央SPN 核心SPN 核心5G 切片分组工业承载网SPN吴家掌SPN红简沟SPN三中央SPN一中央SPN阳坡堰一中央十一采区十四采区5G BBU十四采区高抽高抽丈八四高抽丈八三高抽十三采区红筒沟北冀四部皮带十二采区西高抽丈八三辅助南翼西大巷头部通风环网核心私有云计算中心APT安全态势感知平台管控平台数据中心互联网集团公司运营商承载网运营商 UPF50SPN.切片分组网；UPF.用户面功能；APT.高级持续性威胁；BBU.室内基带处理单元。2 0 0 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月图 2 智能化综合管控平台架构图3综合保障系统3.1通风系统华阳一矿分别在南翼、张华沟、高家沟、吴家掌、阳坡堰共部署5对主要通风设备。除南翼主通风机站外，其他现有主通风机站均已完成集控系统改造，采用K J1 0 3 6矿井主通风监控系统，实现对主通风机运行监测及控制功能，能够满足主通风机运行工况的全面监测监控需求。井下局部通风机具备远程监测功能，能够实现双风机、双电源自动切换，同时能够根据环境监测结果实现风电闭锁、瓦斯电闭锁等功能。通过升级改造部分主通风机和井下风门的集控系统，采集通风地点各类通风参数，建设矿井通风监控平台，可实现对通风设备的集中远程控制及故障诊断分析，有效保障通风系统安全可靠运行，减少岗位值守人员。对南翼主要通风机站现有的2台对旋轴流通风机的集控系统进行自动化改造。在原有主通风机在线监测系统基础上进行升级改造，改造后的系统集主通风机及其附属设备的监测监控、全厂区视频监视、关键区域门禁管控以及向上级调度平台实现数据上传、W e b发布等功能于一体，能够满足通风机站对主通风机运行工况的全面监测监控需求。对8 1 4 0 4综采工作面、8 1 3 0 5综采工作面、S 8 3 0 4综采工作面东3个综采工作面的风门控制系统进行改造。每套风门配置1台矿用隔爆兼本安型风门监控装置主机，新增2对红外对射传感器，2台本安型电磁阀及1套气动系统，结合现有的语音灯光告警装置和开闭状态传感器，将采集信号通过工业环网传输到地面控制室，实现单套风门的远程自动控制，以及根据其他监测数据进行联动控制。通过采集各通风机站、井下风门及局部通风机的监测数据，在机电调度中心部署通风监控平台软件，初步建设矿井智能通风系统，实现对通风设备的集中远程控制及故障诊断分析。将各通风系统监控数据接入矿井智能化综合管控平台，实现在管控平台进行远程监测。3.2排水系统华阳一矿在副立井井底车场附近建有中央水泵房，安装有4台主排水泵，负担全矿井的主排水任务。现有监控系统具备完善的传感器及保护装置，可实现有人巡检、无人值守功能。采区排水设备未安装智能排水监测监控设备，不具备基于固定作业点的水压、水位情况，智能控制开机台数、时间，优先运行高性能水泵的智能抽排功能，未实现控制水泵轮流工作与适时启动备用泵抽排的功能，不具备水量负荷调控及管网调配功能，以及与矿井水文监测系统联动功能。在5处采区固定排水点加装智能排水监测监控设备，在每个排水点设置1套自动控制系统，压力传感器、流量传感器、液位计、摄像仪、电动阀门等设施。完善现有排水控制系统，并升级现有排水系统软件，实现根据水文监测数据智能联动矿井排水系统，从而构建全矿井智能排水在线监测监控系统，实现排水系统在智能综合管控平台的远程监控功能。3.3压风系统华阳一矿建有吴家掌、张华沟、阳坡堰、高家沟、广场共5个压风机站，共1 9台空压机，提供井下风动设备用风及人员压风自救系统用风。目前，压风机站郭德华：华阳一矿智能化煤矿建设设计统一体系结构统一标准体系应用层数据服务层基础设施层设备感知层PC 桌面门户大屏展示门户移动门户智慧煤矿综合管控平台统一安全认证统一管理运维安全生产协同管理（MES）采区接续智能规划