智慧煤礦的建設(shè)路徑探討

李偉建

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著信息化和工業(yè)化的進(jìn)一步深入融合，特別是人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)都在向著智能化的新方向發(fā)展[1-2]。我國煤礦信息化和自動(dòng)化水平還有進(jìn)一步提高的空間，煤礦生產(chǎn)的各子系統(tǒng)之間還是相互獨(dú)立的，雖然各子系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息尚未進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，還缺乏對子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)的“智慧大腦”。

在大數(shù)據(jù)的時(shí)代，智慧礦山的建設(shè)以各種各樣的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，這就需要解決信息的精準(zhǔn)有效采集、數(shù)據(jù)的快速傳輸、數(shù)據(jù)的可視化展示，最后實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行和煤礦的智能化服務(wù)[3-5]。我國高端綜采技術(shù)與裝備研發(fā)取得了較快速的發(fā)展，取得大批重要成果，極大提升了我國煤炭行業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化程度，降低了百萬噸死亡率。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，煤炭行業(yè)的生產(chǎn)方式也由粗放的生產(chǎn)向著集約化、精細(xì)化和智能化的方向轉(zhuǎn)變，智慧礦山建設(shè)成為煤炭行業(yè)發(fā)展必然趨勢。2016年，國家發(fā)展改革委和國家能源局印發(fā)了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030年)》，文件要求到2030年實(shí)現(xiàn)煤炭智能化開采，重點(diǎn)煤礦區(qū)基本實(shí)現(xiàn)工作面無人化，全國煤礦采煤機(jī)械化程度達(dá)到95%以上。國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局提出的“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”科技強(qiáng)安專項(xiàng)行動(dòng)中，也將煤炭智能化開采技術(shù)列為重點(diǎn)研究方向[6-8]。因此，加強(qiáng)智慧礦山建設(shè)是煤炭行業(yè)實(shí)現(xiàn)安全、高效、智能、綠色生產(chǎn)的必然要求。

1 智慧煤礦建設(shè)的目標(biāo)

智慧煤礦就是要在煤礦數(shù)字化的基礎(chǔ)上，通過信息的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)采集、網(wǎng)絡(luò)化高速傳輸、規(guī)范化集成，實(shí)現(xiàn)信息的可視化展現(xiàn)、設(shè)備的自動(dòng)化操作和生產(chǎn)的智能化服務(wù)，實(shí)現(xiàn)煤礦的綠色、高效開采。隨著礦井綜合信息化和自動(dòng)化的不斷推進(jìn)，智慧煤礦的建設(shè)將使我國煤炭行業(yè)發(fā)生根本性變革，很多危險(xiǎn)的工作將由機(jī)器人代替人工去完成，依托信息化、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化、人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)提升和改造傳統(tǒng)采礦業(yè)，不斷開創(chuàng)安全、高效、綠色和可持續(xù)的智慧煤礦發(fā)展新模式。

智慧煤礦建設(shè)第一階段的目標(biāo)是初步實(shí)現(xiàn)采、掘、運(yùn)主要環(huán)節(jié)的自動(dòng)化運(yùn)行和智能化決策。第二階段將多個(gè)子系統(tǒng)互聯(lián)起來，構(gòu)建多系統(tǒng)融合的智慧礦山架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)綜采、運(yùn)輸?shù)认到y(tǒng)的區(qū)域化自動(dòng)運(yùn)行和智能決策。第三階段將建成全礦區(qū)、多系統(tǒng)集成、多產(chǎn)業(yè)鏈的智慧礦山體系，全面實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)、各系統(tǒng)的數(shù)字化精準(zhǔn)實(shí)時(shí)采集、高速實(shí)時(shí)傳輸、數(shù)據(jù)虛擬化展現(xiàn)，采、掘、運(yùn)、通、選等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動(dòng)運(yùn)行和智能決策[9]。

2 智慧煤礦建設(shè)的措施

目前，我國已建成一批以智能化開采和數(shù)字化信息化管理系統(tǒng)為標(biāo)志的先進(jìn)煤礦，煤礦智能化開采和煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已取得了重要進(jìn)展。但是，由于煤礦開采條件的復(fù)雜性和多樣性，智能化工作面還遠(yuǎn)沒有達(dá)到理想效果，智慧煤礦建設(shè)還處于初級起步階段，需要從以下6個(gè)方面進(jìn)行深入探討，如圖1所示。

圖1 智慧礦山建設(shè)主要措施

2.1 制定相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

智慧礦山是兩化深度融合的必然產(chǎn)物，智慧礦山的建設(shè)涉及到諸多行業(yè)、部門和企業(yè)，是一個(gè)不同步發(fā)展的漸進(jìn)性過程，跨領(lǐng)域、跨部門的協(xié)作成為必然。為探尋智慧礦山的最佳解決方案，要打破行業(yè)壁壘，集合高校、行業(yè)協(xié)會(huì)、研究院所、廠商、煤礦等為主體，開展產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新，制定必要的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范。優(yōu)先制定頂層設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，主要包括智慧煤礦指標(biāo)體系及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、智慧煤礦架構(gòu)及數(shù)據(jù)交互規(guī)范、智慧煤礦智能決策平臺(tái)及架構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范等[10-11]。

2.2 透明工作面建設(shè)

在常規(guī)地質(zhì)勘探結(jié)果基礎(chǔ)上，以槽波探測、井下鉆探、地質(zhì)雷達(dá)、圖像攝像地質(zhì)測繪、電磁波CT等精細(xì)工程物探結(jié)果和巷道激光掃描數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)，構(gòu)建初始三維地質(zhì)模型，以煤巖識別等數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。另外，融合綜采設(shè)備位置、姿態(tài)和環(huán)境狀態(tài)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)形成動(dòng)態(tài)透明工作面，以虛擬現(xiàn)實(shí)的方式進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操控。透明工作面建設(shè)流程如圖2所示。

圖2 透明工作面建設(shè)流程

2.3 一張圖建設(shè)

運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)和數(shù)字化手段，建立一套基于網(wǎng)絡(luò)GIS服務(wù)平臺(tái)模式的在線協(xié)同生產(chǎn)技術(shù)管理信息系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)各礦井生產(chǎn)技術(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化、安全化、流程化管理，搭建起生產(chǎn)技術(shù)的信息交流平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)煤礦地質(zhì)、通風(fēng)、測量、生產(chǎn)、機(jī)電的圖形、文件、報(bào)表等專業(yè)資料的科學(xué)集成與充分共享，支持與現(xiàn)有文件格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，大大提高煤礦生產(chǎn)技術(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)管理的能力。建立精準(zhǔn)地質(zhì)信息系統(tǒng)，構(gòu)建礦井三維精細(xì)地質(zhì)模型。

2.4 智能化煤礦裝備研發(fā)

智能化煤礦裝備的研發(fā)是實(shí)現(xiàn)智慧煤礦的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”科技行動(dòng)目標(biāo)的保障。要實(shí)現(xiàn)煤炭的智慧化開采，需要對智能化綜采裝備進(jìn)行深入的研究，除了對供電、運(yùn)輸、排水、通風(fēng)、壓風(fēng)、瓦斯抽放、洗選等輔助系統(tǒng)的改造升級，實(shí)現(xiàn)輔助系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化集中控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人，還要實(shí)現(xiàn)順槽支護(hù)自動(dòng)化，工作面采煤智能化。重點(diǎn)開展工作面智能化超前支護(hù)裝備及輔助作業(yè)平臺(tái)、無人工作面巡檢機(jī)器人、基于多信息融合的煤巖界面實(shí)時(shí)識別技術(shù)與裝備、智能化快速掘進(jìn)系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)判、無煤柱沿空留巷技術(shù)、瓦斯精準(zhǔn)抽采、慣性導(dǎo)航控制技術(shù)、巷道支護(hù)等專項(xiàng)研究[12-14]。通過對各裝備機(jī)身增加環(huán)境、位置、姿態(tài)等傳感器件，并加裝執(zhí)行元件，與其他各子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)模型，實(shí)現(xiàn)智能定位、防碰撞檢測、運(yùn)行速度調(diào)節(jié)、故障預(yù)警、聯(lián)動(dòng)閉鎖控制。

2.5 大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)

大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)的現(xiàn)狀及目標(biāo)：我國煤炭行業(yè)的大數(shù)據(jù)目前尚處在探索階段，要實(shí)現(xiàn)成熟應(yīng)用還有很長的路要走。但是，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，大量傳感器將被應(yīng)用，必將產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的規(guī)模效應(yīng)給存儲(chǔ)、管理及分析帶來了挑戰(zhàn)。根據(jù)一張圖協(xié)同管理系統(tǒng)，結(jié)合礦區(qū)實(shí)際，完成可視化大數(shù)據(jù)平臺(tái)方案的頂層設(shè)計(jì)，開展數(shù)據(jù)集成平臺(tái)的研發(fā)工作，實(shí)現(xiàn)各礦井信息化、自動(dòng)化和智能化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成。包括建設(shè)可視化大數(shù)據(jù)平臺(tái)，建成公司級大數(shù)據(jù)指揮調(diào)度中心，直觀展示各礦井的安全生產(chǎn)運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)公司對各礦井的統(tǒng)一調(diào)度管理，深入挖掘各類數(shù)據(jù)間隱藏的內(nèi)外部關(guān)系，總結(jié)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的規(guī)律，為公司安全管理、經(jīng)營決策等提供數(shù)據(jù)支持和建議[15-18]。

信息化、自動(dòng)化和智能化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成：對各礦井已建成的系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、分布式存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)定向同步、數(shù)據(jù)庫集群管理等技術(shù)，在確保不影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集成和同步。對于新建、升級和改造的系統(tǒng)必須嚴(yán)格按照公司信息化系統(tǒng)建設(shè)體系標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，規(guī)范數(shù)據(jù)格式，為可視化大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

可視化大數(shù)據(jù)平臺(tái)：采用可視化、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、Web Service等技術(shù)，建設(shè)可視化大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對信息化、自動(dòng)化和智能化系統(tǒng)的充分集成。通過平臺(tái)數(shù)據(jù)倉庫對各系統(tǒng)數(shù)據(jù)按照制定算法進(jìn)行計(jì)算和分析，對未來安全生產(chǎn)和安全的發(fā)展以及可能遇到的問題進(jìn)行預(yù)測(實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量預(yù)測、成本預(yù)測、井下環(huán)境預(yù)警等)，為安全管理、決策、預(yù)警等提供數(shù)據(jù)支撐。

2.6 智慧決策應(yīng)用開發(fā)

充分利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和知識，為煤礦生產(chǎn)和管理提供有效信息。通過綜合分析各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，開展煤礦機(jī)械設(shè)備狀態(tài)檢測、剩余壽命評價(jià)以及預(yù)測維修。建立完善的災(zāi)害監(jiān)控和預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)，對瓦斯、水害、火災(zāi)、沖擊地壓等事故進(jìn)行防控。

3 結(jié)語

智慧煤礦建設(shè)是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要經(jīng)過漫長的發(fā)展過程，需要各級部門和各單位達(dá)成共識，通力協(xié)作。智慧煤礦的建設(shè)，必須在制定相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，用好各種新技術(shù)，研發(fā)智能化裝備，構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺(tái)，探索智慧決策應(yīng)用模型。智慧煤礦的發(fā)展必將改變現(xiàn)有的開采方式，不斷開創(chuàng)綠色、高效和可持續(xù)的煤炭發(fā)展新局面。