裕源煤礦數(shù)字化礦井的構(gòu)建

趙承繼

（山西煤鋼聯(lián)正智煤化有限公司，山西 臨汾 041200）

引言

山西煤鋼聯(lián)正智煤化有限公司裕源煤礦（全文簡稱裕源煤礦）位于臨汾市蒲縣蒲城鎮(zhèn)刁口村，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為每年1.20Mt，以主立井、副立井、回風立井共3個井筒開發(fā)全井田。全井田以＋638m一個主水平開采2號煤和＋565m一個輔助水平開采10號煤，2號煤為特低灰－高灰以低灰為主的、特低硫－高硫以低硫為主的特高發(fā)熱值的焦煤，10號煤為特低灰－高灰以中灰為主的、高硫、特高發(fā)熱值的瘦煤和焦煤，屬高瓦斯礦井。

數(shù)字化礦井就是將煤礦的信息數(shù)字化、模擬化，按照三維模型將礦井的地形地貌、水文地質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)儲量分布、開拓開采方式等形成一個煤礦整體數(shù)據(jù)模型，同時嵌入礦山開發(fā)與運行各大生產(chǎn)系統(tǒng)的信息，應(yīng)用計算機控制技術(shù)、管理決策技術(shù)、生產(chǎn)過程智能化控制技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，把整個煤礦的開發(fā)規(guī)劃、計劃、生產(chǎn)、安全、監(jiān)測等集為一體。系統(tǒng)反映礦井的真實情況，從而提高礦山資源利用水平、礦山企業(yè)生產(chǎn)運作效率和礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)水平，同時還增強了礦山企業(yè)的競爭力，得到快速穩(wěn)定的可持續(xù)發(fā)展。

裕源煤礦數(shù)字化礦井構(gòu)建基于礦井地質(zhì)構(gòu)造、開拓開采、生產(chǎn)系統(tǒng)、安全監(jiān)測監(jiān)控、安全避險系統(tǒng)、設(shè)備管理、生產(chǎn)調(diào)度、綜合自動化辦公，應(yīng)用總線形式集為一體，涵蓋礦井生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控、安全避險監(jiān)控、三維地理信息為一體的調(diào)度指揮中心系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)指揮、在線監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)警預(yù)報、設(shè)備自動化運行及管理、成本控制等功能。數(shù)字化礦井基本由以下幾個功能板塊子站構(gòu)成［1］。

1 地形地質(zhì)狀況

礦山地面地形地貌及井下地質(zhì)構(gòu)造依托地質(zhì)勘測形成三維GIS綜合信息平臺，建立的復(fù)合地質(zhì)數(shù)據(jù)庫和礦井真三維空間地質(zhì)模型，對井田范圍內(nèi)地形情況模擬三維顯示，根據(jù)鉆孔分布狀況，模擬顯示井田內(nèi)不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)、煤炭地質(zhì)儲量與分布、煤層賦存情況，顯示煤炭開采深度、頂板、底板巖層結(jié)構(gòu)，斷層、裂隙、陷落柱等推斷分布等；同時根據(jù)物探等地質(zhì)測試手段結(jié)果建立數(shù)據(jù)庫，自動標識水文、地下水及特別巖層構(gòu)造狀況，動態(tài)模擬地質(zhì)變化、采掘過程、運輸過程。

2 礦井開拓與開采

根據(jù)礦井開采設(shè)計，礦井井筒布置、開拓、工作面布置、開采銜接順序、關(guān)鍵工藝控制點等應(yīng)用組態(tài)軟件在三維信息平臺上實時再現(xiàn)礦井的真實面貌。同時根據(jù)采、掘工作面位置傳感器的變化而顯示逐步推進的進尺。巷道巖層頂、底板的支護分析與狀況，頂板壓力監(jiān)測及其他監(jiān)測手段輔助于其中。

3 礦井生產(chǎn)過程綜合自動化

目前礦井生產(chǎn)系統(tǒng)中主要設(shè)備運行監(jiān)測監(jiān)控絕大部分是分立運行、互不聯(lián)系的孤立系統(tǒng)，比如通風系統(tǒng)只顯示主通風機的運行狀況，沒有井下局部通風機的狀況；供電只建設(shè)地面主變電站和井下中央變電所的電力監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)，而不能全面反應(yīng)礦井的整體電力變化，不能滿足電力調(diào)度與負荷調(diào)整的需求等。所以利用現(xiàn)場總線控制技術(shù)、DCS集散控制系統(tǒng)及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)把礦井通風、排水、供電、壓風、瓦斯抽采、供水、主運輸提升、輔助運輸信集閉系統(tǒng)、通信及綜采、綜掘等各系統(tǒng)通過開發(fā)數(shù)據(jù)接口上傳或下達各子系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)，形成一個統(tǒng)一的實時歷史數(shù)據(jù)庫管控一體化平臺，從此實現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，同時通過相應(yīng)的通信接口將各生產(chǎn)對象的數(shù)據(jù)采集，作為整個生產(chǎn)控制信息集成的基礎(chǔ)。采集的井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)及地面各控制系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)擬采用工業(yè)以太網(wǎng)前沿傳輸技術(shù)，傳遞到相應(yīng)的中央服務(wù)器或根據(jù)區(qū)域劃分的應(yīng)用服務(wù)器，實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度管理［2］。

礦井生產(chǎn)過程控制主要包括以下子系統(tǒng)：綜采工作面監(jiān)控主要實現(xiàn)采煤機、刮板輸送機等所有生產(chǎn)設(shè)備的集中控制、液壓支架自動電液控制、頂板壓力監(jiān)測，控制信號及視頻監(jiān)控信號上傳到現(xiàn)場總線服務(wù)器；掘進工作面、開拓巷工作面進尺與設(shè)備運行狀況應(yīng)用工業(yè)視頻監(jiān)控與位置傳感系統(tǒng)把實時畫面、運行狀況經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳輸回中央服務(wù)器；主運輸皮帶機和主立井提升監(jiān)控系統(tǒng)通過采用現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)對各順槽皮帶機、主井皮帶機、煤倉給煤機和煤庫煤位集中監(jiān)控、主井提升機自動運行，結(jié)合工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)和信號通信系統(tǒng)，實現(xiàn)主運輸系統(tǒng)集中控制，并將系統(tǒng)內(nèi)的信息送至現(xiàn)場總線服務(wù)器；副立井提升與井下防爆蓄電池機車構(gòu)成的輔助運輸系統(tǒng)采用信集閉系統(tǒng)及自動定位系統(tǒng)，實時顯示副井罐籠運行位置及運行狀況；礦井通風系統(tǒng)把所有通風設(shè)施運行參數(shù)、工藝運行數(shù)據(jù)、及通風設(shè)施狀況經(jīng)視頻信號和數(shù)據(jù)信號傳輸回數(shù)據(jù)總線服務(wù)器；礦井井下中央水泵房實現(xiàn)無人值守，根據(jù)吸水井水位、水位上升速率等檢測計算值判斷礦井涌水量，自動控制開、關(guān)電動閘閥，啟、停、調(diào)節(jié)水泵運行頻率以及自動判斷啟、停臺數(shù)；根據(jù)給定的電力避峰填谷時間段實現(xiàn)節(jié)能運行；根據(jù)輪換工作原則，自動實現(xiàn)水泵的輪換運行，避免單臺水泵長期運行導致故障；壓風系統(tǒng)自動運行，并將運行狀況及輸送風量及壓力狀況傳輸于信息服務(wù)器；瓦斯抽采系統(tǒng)運行監(jiān)控［3］。

礦井生產(chǎn)過程控制子系統(tǒng)獨立運行，設(shè)置權(quán)限工程師站，便于維護與檢測，但將各個控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)送入一個統(tǒng)一的實時歷史數(shù)據(jù)庫管控一體化平臺，從此可實現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，構(gòu)建數(shù)據(jù)倉庫；采用自動控制系統(tǒng)采集現(xiàn)場各生產(chǎn)參數(shù)，對現(xiàn)場設(shè)備和參數(shù)進行監(jiān)控；采集井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)及地面各控制系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)采用工業(yè)以太網(wǎng)前沿傳輸技術(shù)，傳遞到相應(yīng)服務(wù)器，實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度和公司總體管理。

4 安全避險系統(tǒng)與災(zāi)害檢測監(jiān)控預(yù)報系統(tǒng)

煤礦六大安全避險系統(tǒng)包括檢測監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、井下緊急避險系統(tǒng)、礦井壓風自救系統(tǒng)、礦井供水施救系統(tǒng)和通訊聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)。根據(jù)安全規(guī)程要求完善各系統(tǒng)，并開發(fā)預(yù)警與報警界面，將礦井各系統(tǒng)預(yù)警與報警進行設(shè)置，能夠可靠地建立安全信息預(yù)警，防范事故的發(fā)生。要求監(jiān)測系統(tǒng)準確、及時報警，而且根據(jù)瓦斯、水害、粉塵、防滅火等災(zāi)害不同性質(zhì)，確定監(jiān)測系統(tǒng)傳感器優(yōu)化設(shè)置參數(shù)，包括傳感器的類型、數(shù)量、布置間距、位置、報警限設(shè)置等，并根據(jù)不同種類傳感器的特性和災(zāi)害發(fā)生的規(guī)律，開發(fā)辨別災(zāi)害誤報、錯報的技術(shù)，提高礦井災(zāi)害預(yù)警及時性和可靠性。

5 數(shù)據(jù)庫與設(shè)備圖標鏈接的建立

機電設(shè)備是礦井安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，保證設(shè)備的運行完好是根本，加強設(shè)備的基礎(chǔ)管理至關(guān)重要。建立設(shè)備電子信息，囊括技術(shù)檔案、運行與檢修履歷、檢修周期、潤滑記錄、備品備件的倉儲、廠家技術(shù)服務(wù)支撐等。建立設(shè)備管理信息數(shù)據(jù)庫，并與礦井三維模型對應(yīng)鏈接，實時掌握設(shè)備基本情況，實時提醒設(shè)備檢修周期及檢定周期，保證設(shè)備安全可靠穩(wěn)定運行。

6 辦公OA系統(tǒng)

礦井生產(chǎn)與經(jīng)營管理信息傳輸、流程審批、上傳下達由辦公自動化實現(xiàn)。產(chǎn)品產(chǎn)量監(jiān)控、煤質(zhì)檢驗、銷售管理等均實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理，實時產(chǎn)生數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表，并融于OA系統(tǒng)。

7 結(jié)語

總之，通過數(shù)字化礦井綜合構(gòu)建，裕源煤礦生產(chǎn)、安全、經(jīng)營、管理與生產(chǎn)要素實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、模型化、可視化、集約化、科學化，使礦井實現(xiàn)安全、高效、低耗的局面，提高抗災(zāi)能力與核心競爭力。

［1］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦安全規(guī)程［S］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2011：10－13.

［2］ 鄒湘軍，孫健，何漢武，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的演變發(fā)展與展望［J］.系統(tǒng)仿真學報，2004，16（9）：1 905－1 909.

［3］ 毛善君，熊偉.煤礦虛擬環(huán)境系統(tǒng)的整體設(shè)計與初步實現(xiàn)［J］.煤炭學報，2005，30（5）：571－575.