豹子溝煤業(yè)數(shù)字化礦山建設(shè)實踐研究

王常軍

（山煤國際能源集團煤業(yè)分公司蒲縣豹子溝煤業(yè)，山西 臨汾 041000）

1 工程概況

山煤國際能源集團股份有限公司煤業(yè)分公司蒲縣豹子溝煤業(yè)井田面積為11.188 6 km2，可采儲量8762 萬t，設(shè)計生產(chǎn)能力90 萬t/a，當前主采二1 煤。豹子溝煤業(yè)主產(chǎn)肥煤，是焦化業(yè)的必要煤種，肥煤加熱時產(chǎn)生大量的膠質(zhì)體，能夠生產(chǎn)出強度高的焦炭。豹子溝煤業(yè)是一個資源整和礦井，在推進煤礦高效開采的同時，也對煤礦進行了全面的數(shù)字化自動化建設(shè)，力爭實現(xiàn)數(shù)字化礦山。該礦主要完善了礦井數(shù)據(jù)、語音、視頻、控制的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，將礦井各自動化子系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)路手段采集到統(tǒng)一平臺，完成了礦井綜合自動化建設(shè)，構(gòu)建安全生產(chǎn)運營中心，實現(xiàn)對礦井各類安全、生產(chǎn)實時監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、展示與綜合分析，并應(yīng)用專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)和專家分析決震模塊，形成豹子溝煤業(yè)數(shù)字化信息安全管控系統(tǒng)。

2 豹子溝煤業(yè)數(shù)字化礦山建設(shè)實踐

豹子溝煤業(yè)數(shù)字化礦山建設(shè)圍繞提升企業(yè)“三個水平”（安全水平、自動化水平、管理水平）、提高企業(yè)核心競爭力的目標進行建設(shè)，實現(xiàn)礦井固定區(qū)域生產(chǎn)現(xiàn)場的“無人值守，有人巡視”，移動區(qū)域生產(chǎn)現(xiàn)場的“少人值守，有人巡視”，提升礦井安全與生產(chǎn)管理信息化和決策科學(xué)化水平，達到管、控、監(jiān)一體化及減員增效的目的。豹子溝煤業(yè)在兼顧煤礦已有的設(shè)備、設(shè)施及系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，按照數(shù)字化礦山建設(shè)工程模型，建設(shè)萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為傳輸主干網(wǎng)的統(tǒng)一網(wǎng)平臺、私有云數(shù)據(jù)平臺、安全生產(chǎn)管控層、三維可視化平臺等。

2.1 網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)

豹子溝煤業(yè)高速工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的建設(shè)遵循高速化、標準化、安全可靠、易擴充升級的原則進行設(shè)計，同時充分考慮該煤礦總體規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的現(xiàn)狀，建設(shè)覆蓋地面、井下的萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，在核心層采用萬兆工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，通過萬兆鏈路將各環(huán)網(wǎng)的交換設(shè)備鏈接到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心層次，同時具備高冗余性能。

網(wǎng)絡(luò)平臺的建設(shè)中，采用了KJJ32 礦用本安型環(huán)網(wǎng)接入器和KJJ18 礦用本安型萬兆環(huán)網(wǎng)接入器，為豹子溝煤業(yè)數(shù)字化礦山的主要網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供了核心設(shè)備。在網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)中應(yīng)用了基于礦用無源光網(wǎng)絡(luò)GEPON技術(shù)的數(shù)字化礦山井下骨干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，該系統(tǒng)成本低，帶寬可動態(tài)分配，組網(wǎng)靈活，易于擴展，適合于綜合傳輸視頻、數(shù)據(jù)、語音等信息，用作全礦井綜合自動化系統(tǒng)的高速主干傳輸。

2.2 私有云數(shù)據(jù)平臺中心建設(shè)

豹子溝煤業(yè)目前有幾十個監(jiān)測監(jiān)控、生產(chǎn)自動化、經(jīng)營管理系統(tǒng)，而且隨著企業(yè)信息化水平的逐步提升，后續(xù)還需建設(shè)眾多的系統(tǒng)，需要采購服務(wù)器、存儲設(shè)備，操作系統(tǒng)越來越多，且需要專業(yè)的人員進行管理，每部署一套系統(tǒng)，就要增加一臺服務(wù)器，一臺服務(wù)器只為一臺系統(tǒng)服務(wù)，服務(wù)器CPU內(nèi)存等硬件資源的使用率可能10%都不到，嚴重造成了資源浪費。云計算管理技術(shù)可有效解決豹子溝煤業(yè)公司信息服務(wù)方面存在的上述問題。針對豹子溝煤業(yè)的情況，進行了私有云數(shù)據(jù)平臺中心的建設(shè)，主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)中心云一體機部署、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署、私有云平臺軟件部署調(diào)試，需要集成到安全生產(chǎn)管理平臺、三維可視化平臺中系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。

私有云數(shù)據(jù)平臺中心的建設(shè)還包括建設(shè)統(tǒng)一的操作運行管理平臺，能夠?qū)υ品?wù)進行端到端自動化部署，同時快速響應(yīng)資源調(diào)度與業(yè)務(wù)變更的服務(wù)需求。在設(shè)計時采用的集中統(tǒng)一的云計算運行管理模式，以統(tǒng)一集中的方式進行數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)的運行管理，云的操作管理平臺能夠?qū)τ嬎恪⒋鎯?、網(wǎng)絡(luò)進行整合，在用戶操作平面上形成單一的界面，在邏輯結(jié)構(gòu)、運行結(jié)構(gòu)上很清晰，管理層次少。

2.3 安全生產(chǎn)管控層建設(shè)

安全生產(chǎn)管控層是數(shù)字化礦山建設(shè)的重要組成部分，處于控制層的核心地位，向下連接設(shè)備層，向上連接信息應(yīng)用層。豹子溝煤業(yè)安全生產(chǎn)管控層建設(shè)情況：在安全生產(chǎn)管控層中集成綜采監(jiān)控系統(tǒng)、帶式輸送機運輸監(jiān)控系統(tǒng)、供電監(jiān)控系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、4G 通信系統(tǒng)，利用ABB 的80xA 軟件平臺及EOW-x3 操作臺構(gòu)建煤流、電力分控中心，進行面向生產(chǎn)部門的專業(yè)管控。

安全生產(chǎn)管控層系統(tǒng)集成方式有兩種：一是OPC 方式，包括：綜采監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)；二是ABB 的VIP 協(xié)議，包括；安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

煤流分控中心建設(shè)在地面調(diào)度室，用以實現(xiàn)主煤流輸送機的遠程監(jiān)測監(jiān)控功能。分控中心主要由地面調(diào)度指揮平臺及底層單機控制系統(tǒng)組成。

電力分控中心采用三層結(jié)構(gòu)，主要由監(jiān)控中心站、變電所監(jiān)控站、終端開關(guān)等設(shè)備組成，在井下以電力監(jiān)站為核心，以萬兆環(huán)網(wǎng)為通信平臺，增加變電所門禁功能、視頻聯(lián)動功能、語音報警功能、環(huán)境閉鎖功能，配合后臺軟件，將變電所的就地操作和供電信息管理完全轉(zhuǎn)移至地面電力分控中心，實現(xiàn)井下變電所無人值守，充分發(fā)揮煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)的“五遙四聯(lián)動”功能，以提高井下電網(wǎng)的可靠性，大幅度提升供電管理的工作效率和信息化程度，縮短故障排除時間。

2.4 三維可視化平臺建設(shè)

三維可視化礦山平臺實現(xiàn)從上游礦井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)認知采集處理、中游二三維可視化展示分析，到下游信息發(fā)布共享和增值應(yīng)用的全息過程覆蓋，為數(shù)字化礦山建設(shè)提供從設(shè)計、運行、實時監(jiān)測、過程控制到管彈的一體化、一站式產(chǎn)品。

豹子溝煤業(yè)三維可視化平臺建設(shè)應(yīng)用煤科總院北京研究院研發(fā)的煤礦數(shù)字化礦山綜合管理平臺。在該平臺中實現(xiàn)礦區(qū)的信息三維可視化、井上下三維可視化、礦山地質(zhì)體三維可視化；集成安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、產(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)、通信聯(lián)將系統(tǒng)（4G 通信，井下電話、井下擴播系統(tǒng)）、綜采監(jiān)控系統(tǒng)、主通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)、副井提升監(jiān)控系統(tǒng)、供電監(jiān)控系統(tǒng)、帶式輸送機運輸監(jiān)控系統(tǒng)、洗煤廠監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)上述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)動態(tài)監(jiān)測與三維可視化，并進行數(shù)據(jù)的增值利用。通過三維可視化平臺，再現(xiàn)了綜采放頂煤、煤流運輸?shù)裙に囘^程。通過實時動態(tài)采集多系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行融合分析，結(jié)合井下實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與巷道空間拓撲的避災(zāi)線路，實現(xiàn)了實時動態(tài)規(guī)劃與發(fā)布功能；實現(xiàn)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警分析和各類風(fēng)險信息跟蹤，對礦山企業(yè)危險源、隱患、事故等信息的定位記錄和管理；并在突發(fā)事件下為決策者提供全面的應(yīng)急決策信息支持，最大程度降低發(fā)生事故的概率和減少事故所造成的損失。

3 數(shù)字化礦山建設(shè)效果分析

豹子溝煤業(yè)數(shù)字化礦山建設(shè)后，通過井下高速工業(yè)環(huán)網(wǎng)，井下控制、監(jiān)測信息傳輸實時、可靠；各專業(yè)分控中心系統(tǒng)的建設(shè)，提升了采、掘、機、運、通等系統(tǒng)的集中管控水平，實現(xiàn)減人增效，提高設(shè)備運轉(zhuǎn)效率，節(jié)約能源；私有云數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，可進行大數(shù)據(jù)挖掘與分析，進行數(shù)據(jù)增值利用；三維可視化平臺的建設(shè)，實現(xiàn)了礦區(qū)地理信息三維可視化、礦山地質(zhì)體三維可視化、井上下三維可視化、安全生產(chǎn)可視化監(jiān)測預(yù)警等，實現(xiàn)了礦山安全、高效生產(chǎn)。以下主要是從減人增效、提升安全、加強管理三方面進行分析。

（1）減人增效。數(shù)字化礦山的建設(shè)實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動化，所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益首先體現(xiàn)在減人增效、降低成本方面，最為突出的有生產(chǎn)、通風(fēng)、機電、運輸?shù)葘I(yè)，減少礦井機電設(shè)備的崗位工（操作司機），實現(xiàn)“有人巡檢，無人值守”，由原來“坐崗”變成“巡崗”，減少部分人員。

（2）提升安全。數(shù)字化礦山建成后，實現(xiàn)在地面集中監(jiān)測監(jiān)控，減少井下工作人員數(shù)量，降低井下工作人員傷亡的可能性。在生產(chǎn)之前，根據(jù)勘探數(shù)據(jù)模型模擬真三維環(huán)境下的礦床和其地質(zhì)、水文環(huán)境，井進行空間預(yù)測和不確定性分析，在此基礎(chǔ)上進行開拓設(shè)計，再根據(jù)生產(chǎn)過程中信息進行動態(tài)調(diào)整，優(yōu)化采掘設(shè)計，最大限度提升生產(chǎn)時的安全。實時監(jiān)測礦山生產(chǎn)工況，及時發(fā)現(xiàn)危險信號，實時進行多因素綜合分析和系統(tǒng)評估，當危險臨近或發(fā)生意外事故時，可以立即進行預(yù)警、報警并自動提示相關(guān)的應(yīng)急預(yù)案，最大限度減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

（3）加強管理。通過網(wǎng)絡(luò)、手持終端等方式及時將安全生產(chǎn)信息，日常辦公業(yè)務(wù)進行推送提醒，提高辦公效率，深化了無紙化辦公。通過專業(yè)化管理，提高管理部門礦井生產(chǎn)的服務(wù)質(zhì)量和管理水平；通過對在線設(shè)備運行數(shù)據(jù)及維修計劃、產(chǎn)運銷數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、井下物流運輸與物資購消耗管理等企業(yè)經(jīng)營管理數(shù)據(jù)與現(xiàn)場過程動態(tài)數(shù)據(jù)融合分析，提升了企業(yè)生產(chǎn)過程的精細化管理。

4 總結(jié)

隨著信息化及自動化、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展及行業(yè)應(yīng)用，數(shù)字化礦山在保障礦山本質(zhì)安全、高效開采、綠色生態(tài)、高度集約化，實現(xiàn)礦井災(zāi)害綜合防控、采礦自動智能化、安全監(jiān)管全息可視、運營決策分析等方面起到了積極作用。本文以山煤國際能源集團煤業(yè)分公司蒲縣豹子溝煤業(yè)為研究對象，進行了數(shù)字化礦山建設(shè)的實踐應(yīng)用研究，實踐應(yīng)用效果理想。數(shù)字化礦山建設(shè)后，提升了采、掘、機、運、通等系統(tǒng)的集中管控水平，實現(xiàn)減人增效，提高設(shè)備運轉(zhuǎn)效率，節(jié)約能源；可進行大數(shù)據(jù)挖掘與分析；可實現(xiàn)礦區(qū)地理信息三維可視化、礦山地質(zhì)體三維可視化、井上下三維可視化、安全生產(chǎn)可視化監(jiān)測預(yù)警等，實現(xiàn)了礦山安全、高效生產(chǎn)。