黄陵一号煤矿智能矿井建设探索与实践_薛国华.pdf

Journal of Intelligent Mine2023 年第 1 期252023 1杂志官网：智能化矿井建设内容陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿（简称黄陵一号煤矿）严格按照公司智能化矿井建设任务及要求，对照智能化煤矿验收管理办法（试行）文件标准及相关规定，按照“健全系统、完善功能、改造升级、确保一流”的总体思路，通过与王国法院士团队沟通合作，坚持“先井下、后地面，先生产、后辅助”的建设方针，黄陵一号煤矿2021年初组建了11个智能化建设专班，合计28个建设项目，现已全部完成建设，项目累计投资6.3亿元左右，主要建设内容如下：信息基础设施黄陵一号煤矿信息基础建设包含通信网络、黄陵一号煤矿智能矿井建设探索与实践 薛国华 张玉良 宋焘 王飞 姚鑫数据中心与服务、综合管控平台3大板块。（1）通信网络通过采用中兴通讯股份有限公司等国产一线品牌，全面升级自主可控技术与装备的通信网络。矿井主干网络采用冗余环形结构，井下、地面分别布设10万兆、万兆、千兆3组环网，形成控制千兆、监测万兆、视频10万兆分链路组网传输模式，实现了网络流量及网络拓扑自动生成功能的智能网络管理，全面提升了机器视觉、语音识别、高采样频率大体量数据上行带宽；与中兴通讯股份有限公司、中国联通、陕西智引科技有限公司研究建设5G通信技术矿井应用，融合4G、WiFi 形成井上井下泛在感知网络全覆盖,数据传输形成立体式综合性网络架构（图1），综合承载井下语音通信、数据传输、视频监测、人员定位信息等共网传输，不断推动5G+矿山物联系统建设。Journal of Intelligent Mine2023 年第 1 期Intelligent Demonstration Mines智能示范矿井26Intelligent Demonstration Mines智能示范矿井（2）数据中心与服务黄陵一号煤矿与技术研发单位合作建成以智能矿井数据中心为主、AI+NOSA数据中心为辅的智能煤矿大数据服务中心（图2），利用超融合设备组成私有云及华为云，形成智能矿井混合云，具备非结构化和结构化数据存储能力，结合公司云端形成异地灾备配置功能；数据服务端建设数据中台，形成数据资产管控体系和数据治理系统，通过建立统一标准规范的数据体系，规范主数据、数据索引格式、元数据格式、数据表结构等，完善数据质量管理组织架构，制定规范的数据质量改善流程，形成数据应用场景的数据质量管理闭环，实现了矿井业务过程数字化；通过数据平台沉淀，不断丰富矿井模型和知识库，形成了矿井顶层平台应用综合承载。（3）综合管控平台根据集团公司“2+2+N”智能化建设整体架构，黄陵一号煤矿与设备厂商合作建立煤矿智能化综合管控平台（图3），基于大数据服务中心综合承载，通过统一主数据标准、统一数据接口标准、统一系统入口标准、统一GIS图形标准“四统一”，利用云计算、协同GIS、数字孪生、智能识别、大数据等信息化前沿技术，对煤矿监测、控制、通信等系统的统一管理，实现了煤矿地质勘探、巷道掘进、煤炭开采、通风排水、供水供电、安全防控等系统数据融合、分析决策和联动控制；业务系统实图1 井下通信模拟图2 地面数据中心图3 智能综合管控云平台Journal of Intelligent Mine2023 年第 1 期272023 1杂志官网：现了多部门、多专业、多管理层面的数据集中应用、交互共享和决策支持；融合安全生产、经营管理、生态环保、智慧民生等管理系统，实现了全要素集中共享分析、智慧决策，达到矿井从检修模式向生产模式的一键切换，生产全过程协同控制，真正实现了“智能化系统、系统智能化”。地质保障系统黄陵一号煤矿基于GIS空间数据库动态构建煤矿透明地质模型(图4)，实现了从数据处理、数据更新、可视化、空间分析等方面的二三维一体化模型，并基于随掘地震实时动态监测系统和智能工作面地质模型动态更新技术，构建采掘工作面动态更新的高精度地质模型，实现了工作面内异常构造体动态智能探测。另外，采用4DGIS技术对采、掘、机、运、通各专业子系统及工业广场建筑进行精细化仿真建模，并基于统一的GIS平台将煤矿安全、生产、经营等数据进行融合呈现，实现了全矿井“监测、控制、管理”的一体化管控和可视化巡检。掘进系统2021年，自主研发了“掘锚机+锚运转载机+智能快速自移机尾”的半煤岩巷道智能快速掘进机器人系统，配置的“惯导+数字式全站仪”精准定位系统可实现数据远程传输及监控、联机启停、智能截割、设备状态感知和调整、自主定位导航等，进一步提升了掘进作业的智能化水平。这项成果的成功实施开启了智能掘进技术在高瓦斯矿井中厚煤层应用的先河，破解了高瓦斯矿井、中厚煤层、复杂地质条件下智能快速掘进难题，实现了掘、支、运平行作业，提高了巷道掘进速度和单进水平。2022年，黄陵一号煤矿与山西天地煤机装备有限公司合作研发了“掘锚一体机+锚运转载机+桥式转载机+自移机尾+履带运输车+抓管机器人”成套智能快速掘进装备（图5），掘锚机装配6臂钻机对掘进工作面顶板、侧帮锚杆进行快速支护；锚运转载机搭载4臂钻机，对剩余顶锚、帮锚进行永久支护；利用履带运输车+抓管机可完成管路自动机械化安装；智能控制系统配备惯性导航、数字式全站仪、激光测距等高精尖传感器，融合应用5G网络、电液控制等技术，实现了实时红外高清视频监控、设备状态感知、一键启动、自主导航定位、故障自诊断等功能，全面提升了巷道掘进速度和智能化水平。采煤系统2014年，黄陵一号煤矿在全国范围内率先完成较薄煤层全国产装备智能化开采技术研究与应用，首创了地面远程操控采煤模式，整体技术达到国际领先水平，实现了从“0”到“1”的突破，填补了我国煤矿智能化无人综采技术的空白。2015年，完成首个中厚煤层智能化工作面建图4 透明地质保障系统界面图5 智能快速掘进装备28Intelligent Demonstration Mines智能示范矿井设，实现了地面采煤作业的常态化，至此黄陵一号煤矿井下所有工作面均实现智能化开采，形成了薄煤层到中厚煤层智能化开采技术应用的全覆盖。2019年，在智能开采技术成功实践的基础上，黄陵一号煤矿积极探索研究基于动态地质模型大数据融合迭代规划控制策略的智能开采技术，通过综合探测技术获取工作面地质数据（图6），建立高精度三维地质模型，应用惯性导航和激光雷达等实时监测数据，对开采模型进行动态修正，首创了基于“CT”切片技术的精准控制方法，根据生产进程进行实时切片、生成截割曲线，指导采煤机生产，采煤机按照大数据智能分析决策中心下发的规划截割模型进行自主截割，无需人工干预截割过程，实现了从传统“记忆截割、远程干预1.0”向“自主截割、无人干预3.0”的技术跨越，相关技术成果于2020年9月通过中国煤炭工业协会科技成果鉴定，达到国际领先水平，目前该技术已在黄陵一号煤矿所有采煤工作面推广应用。主煤流运输系统黄陵一号煤矿主运输系统采用带式输送机接力运输原煤，地面远程集中控制开停机，主运输系统监控系统齐全完好（图7）。通过煤流监测系统、视频监控系统与原有的地面集中控制系统的高度融合，实现了顺煤流启动、智能调速、重点部位实时监测等功能；建设全矿井主煤流运输巡检机器人系统，实时采集巡检现场的图像、声音、温度、气体、异物识别等数据，并将数据进行智能筛选、分析，实现了设备运行实时监视和故障超前预判、预警等功能；利用AI+NOSA智能风险管控系统，在主运输机头、机尾处均装设电子警戒围栏，对人员违规穿越输送带、进入设备旋转部位等行为进行实时语音报警、现场联动停机等。辅助运输系统黄陵一号煤矿辅助运输系统采用无轨胶轮车运输，通过实施基于4G通信的矿井车辆管理及人员定位系统建设（图8），以精确定位技术为基础，以辅助运输系统安全管控为目标，以车载智能终端为控制核心，将4G+5G通信、无线WiFi技术与井下信号灯、智能调度、GIS地理信息和人员定位管理系统相融合，实现了运行车辆的实时跟踪、定位、通信，达到车辆可视化管理和高效调配，提高了车辆运行效率，让井下“打车”成为现实；同时搭配车辆危险驾驶、特殊运行路段、红绿灯语音报警功能，辅助驾驶员规范驾驶，实现了辅助运输系统智能、高效、安全运行。通风与压风系统黄陵一号煤矿智能通风控制系统（图9）主要由通风智能感知监测系统、高效全自动测风系统、风量远程定量调控风窗系统、远程自动控制风门系统、智能通风应急指挥系统和矿井通风智能分析决图6 综采工作面透明地质大数据中心界面图7 输送带运输线智能管理平台Journal of Intelligent Mine2023 年第 1 期292023 1杂志官网：策与控制系统等组成，可实现对用风点的需风量实时进行计算，通风状态的三维动态可视化自动呈现及通风系统故障诊断与预测预警，基于监测数据对通风系统实时进行网络解算和风量调整方案的动态决策，主扇的一键倒机，风量、风压、温度、湿度及设备运行参数实时监测，过车风门和关键通风节点的风窗地面远程控制等功能。智能通风控制系统的建设有效提高了矿井在通风安全领域全系统、全时段、全面关联信息的实时汇集、分析、规律提取与预警水平。供电与供排水系统通过利用矿井现有的信息管控平台，对生产辅助系统进行完善，供电监控系统（图10）可以实现对井下变电所的供电参数监控、智能定值计算与检验、防越级跳闸、电能计量管理（能耗分析、峰平谷电量统计等）、电能质量监测、变电所视频联动、实现高压操作票及智能高压开关设备的顺序控制功能，对重要区段（地面到井下中央变电所及采区变电所）的电力电缆进行测温和电缆温度过高预警、火灾自动探测预警、门禁控制系统管理等功能；主排水系统（图11）可实现对井下水泵房内各水泵的远程启停控制、智能抽排、自动匹配排水设备，自动选择合理排水方式、避峰填谷智能运行、在线监测主排水系统工序能耗、负荷和管网调控及故障分析诊断与预警等功能；同时在变电所、主排水泵建设机器人巡检系统，实时采集巡检现场的数据，可实现“无人值守、无人巡检”的目标。安全监控系统黄陵一号煤矿针对矿井瓦斯、水灾、火灾、顶板等灾害建立了安全监测监控系统，融合应用一体化通信系统、矿压监测系统、水文监测系统、束管监测系统、光纤测温系统、AI+NOSA智能风险图8 车辆调度管理系统界面图9 智能通风管控平台图10 智能供电系统界面图11 智能排水系统界面30Intelligent Demonstration Mines智能示范矿井管控系统，实现了对各类灾害的实时监测、预警及统计分析；通过智能综合管控平台实现了全矿井人员、车辆及各类灾害的信息共享、数据监测与计算分析，为调度指挥及应急救援提供了技术保障，并融合安全风险分级管控和隐患排查治理双重预防机制、各类监测监控系统，形成综合多种灾害监测数据的融合共享，实现了煤矿安全态势的动态评估、预测、预警；整体提升了应急救援工作管理及指挥能力，根据灾害监测预警、综合评估结果，自动调用应急救援预案和避灾路线，实现了应急救援辅助指挥功能。各类安全监控系统界面分别如图12图16所示。智能化园区与经营管理系统自2020年以来，黄陵一号煤矿对调度指挥中心进行多次优化升级，不断融合智能子系统，按照主调、分控布局形成了矿井智能调度指挥控制“一张网”。结合智能综合管控平台，建设智能调度坐席系统，形成了综合决策（图17）、智能采掘、安全管理、灾害防治、智能巡检、园区安防等9个功能区，集智能化指挥、调度、管控、办公、培训、展示等功能为一体，实现了对井上井下各系统的统一协调管控。持续优化园区建设，完善经营管理系统。一是完善智慧路灯、智能安防、智慧灌溉，增加了矿图12 智能地质保障系统 图16 AI+NOSA智能风险管控系统图17 综合决策系统图13 智能火灾系统图14 自动喷雾系统 图15 AI视频监控系统Journal of Intelligent Mine2023 年第 1 期312023 1杂志官网：区LED大屏；二是建设智能化会议室，实现会议预约、无纸化会议等功能；三是为职工配备智能单兵装备（智能矿帽），完善矿工健康管理体系，实现了矿工入井生命信息实时监测；四是通过集团西煤云仓平台