三維虛擬礦井技術(shù)在礦井自動(dòng)化管理中的應(yīng)用

王尊營

(彬縣煤炭有限責(zé)任公司，陜西 彬縣 713500)

0 引言

三維虛擬礦井是一項(xiàng)集物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)、信息管理技術(shù)于一體的礦井生產(chǎn)安全管理平臺(tái)。該平臺(tái)以3D動(dòng)畫的形式展示煤礦井下環(huán)境、安全、生產(chǎn)等方面信息，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)管理井下生產(chǎn)子系統(tǒng)，遠(yuǎn)程管控井下設(shè)備，從而達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

三維虛擬礦井，以當(dāng)前最先進(jìn)的人工智能思想為指導(dǎo)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和建模技術(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)構(gòu)建井上、井下虛擬環(huán)境，接入井下所有管理子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與共享，將礦井實(shí)時(shí)情況動(dòng)畫展示，更大程度地方便了對(duì)整個(gè)礦井的人與物的遠(yuǎn)程管理，對(duì)當(dāng)前國際國內(nèi)自動(dòng)化礦井的建設(shè)有良好的指導(dǎo)意義。

1 三維虛擬礦井實(shí)施背景與建設(shè)原理

1.1 三維虛擬礦井實(shí)施背景

2006年，彬縣煤炭有限責(zé)任公司(以下簡稱“彬煤公司”)利用自有技術(shù)完成了下溝煤礦300萬t綜合機(jī)械化技改工程，把下溝煤礦建成了陜西省地方煤礦中第一個(gè)年產(chǎn)300萬t的大型現(xiàn)代化礦井，成功探索出了地方能源企業(yè)工業(yè)化發(fā)展新思路、新模式。

2013年，彬煤公司為了響應(yīng)黨的十八大報(bào)告精神，推進(jìn)企業(yè)信息化與工業(yè)深度融合，建設(shè)“數(shù)字型、安全型、效益型、創(chuàng)新型、環(huán)保型、學(xué)習(xí)型”六型為特征的安全生產(chǎn)礦井。彬煤公司決定投資4 000余萬元，工期4年，建設(shè)以三維虛擬礦井為核心的數(shù)字化礦山應(yīng)用管理系統(tǒng)，有效連通各個(gè)信息孤島，全面匯聚礦井大數(shù)據(jù)，建設(shè)集團(tuán)信息化集中管控的數(shù)字化、智慧化礦井。

1.2 三維虛擬礦井系統(tǒng)建設(shè)原理

三維虛擬礦井系統(tǒng)采用3D顯示技術(shù)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展現(xiàn)整個(gè)礦井及礦井中的設(shè)備、人、環(huán)境數(shù)據(jù)，通過射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將井下人、物、設(shè)備相連，進(jìn)行信息交換與數(shù)據(jù)共享，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井設(shè)備的智能化識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控、管理。利用數(shù)據(jù)庫全面記錄數(shù)據(jù)的變化，形成礦井管理的大數(shù)據(jù)。

2 三維虛擬礦井系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

2.1 礦井安全生產(chǎn)總體狀態(tài)查詢

礦井采掘工程實(shí)時(shí)查詢：通過三維視圖可以直觀地了解當(dāng)前礦井采掘工程狀態(tài)，即各井巷的位置、各回采工作面的位置、各掘進(jìn)工作面的位置、煤層的開采情況、井上下位置關(guān)系等，形成一張三維立體的采掘工程圖。

生產(chǎn)系統(tǒng)的查詢：通過選擇“通風(fēng)、運(yùn)輸、安全路線、排水、壓風(fēng)”等系統(tǒng)進(jìn)行查詢。實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前所選系統(tǒng)的運(yùn)行線路布置狀況，例如，通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)方向及路線，動(dòng)畫演示每個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行。

安全監(jiān)測狀態(tài)查詢：通過系統(tǒng)查看礦井各個(gè)生產(chǎn)位置的瓦斯、一氧化碳、溫度、風(fēng)速等實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，掌握礦井安全狀態(tài)。

2.2 井巷參數(shù)化建模與可視化

根據(jù)巷道導(dǎo)向點(diǎn)三維坐標(biāo)、巷道斷面形狀和尺寸等參數(shù)可以自動(dòng)生成巷道三維模型，能自動(dòng)處理巷道交叉點(diǎn)的開口與聯(lián)接，展現(xiàn)巷道的實(shí)際紋理。

2.3 回采工作面、掘進(jìn)工作面三維可視化

井下設(shè)備三維可視化管理，包括采煤機(jī)的移動(dòng)、采煤滾筒旋轉(zhuǎn)、滾筒搖臂升降動(dòng)畫；液壓支架按組移架、升降、收擋板動(dòng)畫；刮板運(yùn)輸機(jī)的滿載空載運(yùn)輸、彎曲推移動(dòng)畫；轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)煤動(dòng)畫；膠帶運(yùn)輸機(jī)滿載空載運(yùn)行動(dòng)畫，這些動(dòng)畫相互協(xié)作共同將回采、掘進(jìn)工藝真實(shí)地展示出來。

2.4 實(shí)時(shí)安全監(jiān)測與三維可視化

三維虛擬礦井系統(tǒng)與礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等井下管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)全面對(duì)接，實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)共享，消除信息孤島，形成了井下實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)，并在三維場景中展示出來。

2.5 遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制

三維虛擬礦井系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程控制單個(gè)設(shè)備或一組設(shè)備的開停等操作，如遠(yuǎn)程開停膠帶運(yùn)輸機(jī)、水泵、回采工作面設(shè)備等。

2.6 巖(煤)層三維建模與可視化

巖(煤)層的制作，能根據(jù)地測系統(tǒng)的巖(煤)層鉆孔數(shù)據(jù)、煤層地板等高線和等厚線，自動(dòng)生成煤(巖)層三維體，可以圈定無煤區(qū)域(燒蝕區(qū)、陷落柱、沖刷區(qū)等)，將其從煤層中挖除。

2.7 礦井安全事故模擬

水災(zāi)模擬：模擬礦井發(fā)生透水時(shí)，隨著水位不斷上升，巷道被逐步淹沒的過程。隨時(shí)查詢?cè)谌我馑簧舷锏辣谎蜎]，未被淹沒以及巷道部分被淹沒等情況，為救災(zāi)方案的制定提供迅速、直觀的決策支持。

火災(zāi)模擬：模擬礦井發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)產(chǎn)生的有毒煙霧和氣體在巷道中的蔓延擴(kuò)散過程?？呻S時(shí)查詢巷道存在有毒或無毒煙霧，從而為救災(zāi)方案的制定提供迅速、直觀的決策支持。

爆炸沖擊波模擬：模擬礦井發(fā)生爆炸或瓦斯突出時(shí)，所產(chǎn)生的沖擊波在巷道中的擴(kuò)散過程。在模擬時(shí)，用戶可以指定沖擊波的運(yùn)動(dòng)速度、沖擊波的最大破壞距離等參數(shù)。

危險(xiǎn)預(yù)警：在系統(tǒng)中建立危險(xiǎn)源庫，如斷層、高瓦斯區(qū)域、老窯、含水層、揭煤點(diǎn)等，當(dāng)掘進(jìn)或回采到距離危險(xiǎn)源規(guī)定的距離時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警，提醒生產(chǎn)中可能存在的危險(xiǎn)，方便做好準(zhǔn)備措施，從而達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

2.8 設(shè)備管理與可視化

根據(jù)模型庫自動(dòng)構(gòu)建各種設(shè)備(如采煤機(jī)、風(fēng)門、液壓支架和安全監(jiān)測分站等)三維模型，對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，管理者還可以在系統(tǒng)中設(shè)置設(shè)備開停控制監(jiān)控變量，配置設(shè)備浮動(dòng)標(biāo)簽的顯示信息，對(duì)設(shè)備增加各類屬性值，方便管理。

2.9 生產(chǎn)線路設(shè)置

實(shí)時(shí)展現(xiàn)和模擬礦井生產(chǎn)中具有流動(dòng)特征的生產(chǎn)活動(dòng)，如通風(fēng)、排水、運(yùn)輸、避災(zāi)路線等。在三維場景中以動(dòng)畫的方式顯示該生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行方式。例如，系統(tǒng)可以與通風(fēng)設(shè)施如風(fēng)門、風(fēng)橋、風(fēng)機(jī)等設(shè)施一起構(gòu)成立體通風(fēng)示意圖，方便觀察到生產(chǎn)線路的運(yùn)行動(dòng)畫。

2.10 漫游飛行

在系統(tǒng)中設(shè)置井上、井下飛行路線，觀察者將沿著設(shè)置的飛行路線，指定的速度，在井下漫游，巡檢礦井安全情況。

2.11 地面工業(yè)廣場三維可視化

建立地面工業(yè)廣場的三維模型，包括廣場地面、辦公樓、宿舍、煤倉、棧橋、倉庫、車間、綠化景觀等建筑和設(shè)施。

3 三維虛擬礦井建設(shè)取得的成效

3.1 數(shù)據(jù)共享，精準(zhǔn)決策

通過建設(shè)數(shù)字化礦井，消除信息孤島，數(shù)據(jù)共享，增強(qiáng)了信息化與工業(yè)化深度融合，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)業(yè)務(wù)流程再造，經(jīng)營管理上了新臺(tái)階，大幅提升了工作效率，提高了公司經(jīng)營管理決策水平，增強(qiáng)了企業(yè)核心競爭力。

3.2 完善了數(shù)字礦山體系，安全生產(chǎn)有序開展

安全生產(chǎn)，人命關(guān)天。通過建設(shè)數(shù)字化礦山，礦井安全狀況和安全管理水平持續(xù)保持良性發(fā)展，特別是通過建設(shè)三維虛擬化礦井，達(dá)到了無需下井亦可掌握礦井實(shí)時(shí)安全與生產(chǎn)信息的目的，使礦井管理智慧化、圖形化、數(shù)字化，對(duì)安全生產(chǎn)工作的進(jìn)行起到了保障作用。

3.3 信息化融入日常管理，經(jīng)濟(jì)效益快速攀升

數(shù)字化礦山系統(tǒng)運(yùn)行以來有力地推動(dòng)了公司工作效率全面提升，節(jié)省了管理協(xié)調(diào)時(shí)間，使日常業(yè)務(wù)辦理更輕松簡單，節(jié)約了費(fèi)用，提升了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。與建設(shè)系統(tǒng)前相比較，2016年彬煤公司多項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)取得了可喜的成績，企業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值48.45億元，實(shí)現(xiàn)銷售收入58.55億元，實(shí)現(xiàn)利稅總額11.29億元。彬煤公司在中國煤炭工業(yè)百強(qiáng)排名從66名上升至46位，中國民企500強(qiáng)中排260位，居陜西民營企業(yè)第4位，咸陽市第1位。

4 結(jié)語

彬煤公司三維虛擬礦井系統(tǒng)的實(shí)施，使礦井安全狀況和生產(chǎn)管理水平得到了極大提升。三維虛擬化礦井系統(tǒng)更直觀地顯示監(jiān)測井下的通風(fēng)、人員、地質(zhì)、水文等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，達(dá)到了無需下井亦可掌握礦井實(shí)時(shí)安全與生產(chǎn)信息的目的，為全面管理礦井安全生產(chǎn)，做出正確決策提供了科學(xué)依據(jù)，使礦井管理達(dá)到了數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化、智慧化，為安全生產(chǎn)提供了保障。近年來，彬煤公司得益于三維虛擬礦井系統(tǒng)建設(shè)的有效實(shí)施，下溝煤礦先后榮獲全國生產(chǎn)先進(jìn)煤礦、國家特級(jí)安全高產(chǎn)高效礦井、國家一級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化礦井，連續(xù)多年被省市縣評(píng)為安全生產(chǎn)先進(jìn)單位。