龍王溝煤礦智能化系統(tǒng)在智慧礦山建設(shè)中的研究與應(yīng)用

文/代業(yè)濱

隨著國家環(huán)境保護(hù)力度的加大和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，倒逼煤炭產(chǎn)業(yè)必須走綠色智能的清潔化生產(chǎn)之路。近年來，國源礦業(yè)開發(fā)公司加快了智能化礦山建設(shè)步伐，在智能煤炭開采、高效快速掘進(jìn)、智能通風(fēng)、智能排水、視頻調(diào)速及智能供配電系統(tǒng)等方面取得了實(shí)質(zhì)性突破。國源公司龍王溝煤礦作為全國71處智能化煤礦試點(diǎn)之一被國家能源局、國家煤礦安全監(jiān)察局成功納入智能化示范煤礦建設(shè)目錄，標(biāo)志著國源公司智慧礦山建設(shè)進(jìn)入引領(lǐng)階段。

一、龍王溝煤礦智能化系統(tǒng)介紹

龍王溝煤礦的智能化系統(tǒng)可分為智能采煤系統(tǒng)、智能掘錨一體機(jī)、智能通防系統(tǒng)、智能供排水系統(tǒng)、主運(yùn)輸膠帶輸送機(jī)智能視頻調(diào)速系統(tǒng)、智能供配電系統(tǒng)六個(gè)方面，各系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，智能化礦山建設(shè)成效顯著。

1.智能采煤系統(tǒng)

龍王溝煤礦61617工作面采用德國瑪珂基于高精度陀螺儀慣性導(dǎo)航技術(shù)和采煤機(jī)外置式射頻精準(zhǔn)定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工作面智能采煤和地面調(diào)度室遠(yuǎn)程一鍵啟停集中控制功能，目前已實(shí)現(xiàn)該工作面配置5人智能采煤常態(tài)化運(yùn)行。

在采煤機(jī)選擇方面。61617工作面配置美國久益采煤機(jī)，具備智能割煤、自動(dòng)往返、滾筒換向、自動(dòng)掃底進(jìn)刀、運(yùn)行工況及姿態(tài)監(jiān)測(cè)、機(jī)載無線遙控、三角煤機(jī)架協(xié)同控制截割、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、故障診斷分析、環(huán)境安全瓦斯聯(lián)動(dòng)控制功能。

在電液系統(tǒng)控制方面。61617工作面配置德國瑪珂PM32電液控制系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架、自動(dòng)補(bǔ)液、自動(dòng)反沖洗、自動(dòng)噴霧降塵、移架報(bào)警、收伸護(hù)幫、自動(dòng)推溜、成組程序化拉后溜、時(shí)序自動(dòng)放煤，前后刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、集中泵站及順槽皮帶遠(yuǎn)程集中控制等功能，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)采煤機(jī)、液壓支架、三機(jī)、泵站、順槽皮帶等各類技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)。

在定位方面。采煤機(jī)具有位置精確定位，應(yīng)用慣性導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合四維地理信息系統(tǒng)煤層賦存曲線，實(shí)現(xiàn)采煤軌跡自動(dòng)生成的記憶割煤功能；采煤機(jī)通過高精度陀螺儀設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)位置、姿態(tài)的準(zhǔn)確檢測(cè)，描繪出采煤機(jī)沿工作面方向及工作面推進(jìn)方向的曲線數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面刮板運(yùn)輸機(jī)直線度檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)工作面刮板機(jī)自動(dòng)調(diào)直與修正功能；61617工作面還具有初次來壓和周期來壓監(jiān)測(cè)和預(yù)警、工作面人員位置精準(zhǔn)定位功能。

在監(jiān)控系統(tǒng)方面。工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)在工作面、轉(zhuǎn)載點(diǎn)、超前支架等重點(diǎn)位置，實(shí)時(shí)顯示工作面視頻，并進(jìn)行跟機(jī)旋轉(zhuǎn)和視頻畫面切換功能。

在數(shù)據(jù)傳輸方面。工作面工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，通過控制器、電源箱、耦合器、節(jié)點(diǎn)交換機(jī)、礦用光纜等，形成工作面以太環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速實(shí)時(shí)傳輸，通過交換機(jī)劃分VLAN，實(shí)現(xiàn)工作面數(shù)據(jù)流和視頻等信息隔離，保證重要數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)安全。

此外，為了降低采煤工作面人員勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)安全高效智能化工作面，結(jié)合放煤工藝流程與德國瑪珂合作，并進(jìn)行深入技術(shù)交流，目前已把多輪順序智能放煤程序編制完成，準(zhǔn)備進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。

2.智能掘錨一體機(jī)應(yīng)用

龍王溝煤礦已成功應(yīng)用智能化掘錨一體機(jī)煤巷快速掘進(jìn)裝備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遙控器操作、全斷面截割、鍵盤式操控錨桿機(jī)、自動(dòng)噴霧除塵、工作面環(huán)境智能監(jiān)測(cè)分析等功能，實(shí)現(xiàn)了掘、支、錨、運(yùn)、破一體化連續(xù)平行作業(yè)和掘進(jìn)工作面安全、高效、快速掘進(jìn)。

掘進(jìn)系統(tǒng)。具有坡度追蹤、全斷面截割等功能，具備完善的傳感器、執(zhí)行器及控制器，能實(shí)現(xiàn)單系統(tǒng)或單設(shè)備的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、工況在線監(jiān)測(cè)、故障診斷功能。

支護(hù)系統(tǒng)。具有自動(dòng)確定錨護(hù)位置等，實(shí)現(xiàn)工況在線監(jiān)測(cè)及故障診斷、錨固質(zhì)量自檢驗(yàn)等功能。

錨桿系統(tǒng)。配備機(jī)載頂部錨桿機(jī)和幫部錨桿機(jī)，頂錨桿機(jī)應(yīng)用鍵盤式操控錨桿機(jī)，可顯示扭距、鉆進(jìn)方位、鉆箱位置等參數(shù)，具備頂板臨時(shí)支護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)錨桿作業(yè)流程自動(dòng)化。

運(yùn)輸設(shè)備。轉(zhuǎn)載機(jī)組具備過載保護(hù)功能，帶式輸送機(jī)機(jī)尾具備自移和張力自動(dòng)控制功能。

除塵噴霧系統(tǒng)。配備新型濕式除塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，具備較強(qiáng)的除塵、降塵能力，可有效降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境粉塵濃度。

3.智能通防系統(tǒng)

龍王溝煤礦智能通防系統(tǒng)取得一定成效。目前主通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無人值守在線監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)顯示電流、電壓、功率、風(fēng)量、負(fù)壓、溫度、振動(dòng)等運(yùn)行參數(shù)，超限時(shí)報(bào)警。通過遠(yuǎn)程控制調(diào)整頻率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)整；采用AFM型風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)、風(fēng)門等運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，具備一鍵啟動(dòng)、一鍵調(diào)風(fēng)、一鍵倒機(jī)、一鍵反風(fēng)、故障自動(dòng)切換功能。

局部通風(fēng)機(jī)設(shè)備開停已實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、主備風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換，并配備性能可靠的低噪音局部通風(fēng)機(jī)，局部通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，煤及半煤巷局部通風(fēng)機(jī)具備調(diào)速功能。

為適應(yīng)智能礦山建設(shè)發(fā)展需求，逐步實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感知、故障智能診斷、災(zāi)害智能預(yù)警、安全智能管控和災(zāi)變智能應(yīng)急控制，提高了礦井通風(fēng)自動(dòng)化、信息化和智能化水平。目前，正在開展智能通風(fēng)建設(shè)工作，階段性實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井風(fēng)阻、風(fēng)量、風(fēng)壓等參數(shù)的智能感知，對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)阻力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與解算；實(shí)現(xiàn)主要地點(diǎn)風(fēng)門和風(fēng)窗自動(dòng)和半自動(dòng)開關(guān)；通過智能通風(fēng)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分風(fēng)解算、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)解算及災(zāi)變狀態(tài)下風(fēng)流模擬仿真，能夠進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化、風(fēng)速傳感器和調(diào)節(jié)設(shè)施的優(yōu)化布置以及可測(cè)性和可控性評(píng)價(jià)。

4.智能供排水系統(tǒng)

通過建設(shè)智能供排水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井供排水系統(tǒng)的智能聯(lián)動(dòng)控制，動(dòng)態(tài)預(yù)警分析，供排水量智能平衡控制，還可實(shí)現(xiàn)礦井強(qiáng)排系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、主排水系統(tǒng)、水文系統(tǒng)的智能聯(lián)動(dòng)、預(yù)警分析和災(zāi)害期間的應(yīng)急管理，達(dá)到智慧化排水的目標(biāo)。

智能供排水系統(tǒng)已具備井下主要排水泵房實(shí)現(xiàn)無人值守、遠(yuǎn)程數(shù)字傳輸、地面集中可視化監(jiān)控。并具備兩種可靠的抽真空及風(fēng)水射流引水裝置及雙水位雙報(bào)警功能，具有遠(yuǎn)程、就地自動(dòng)、手動(dòng)三種控制方式，實(shí)現(xiàn)了多系統(tǒng)的智能聯(lián)動(dòng)和預(yù)警分析功能。智能供排水系統(tǒng)根據(jù)水倉水位高低和用水量的變化進(jìn)行自動(dòng)起泵、自動(dòng)調(diào)節(jié)排水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，自動(dòng)切換排水管路，在線檢測(cè)主排水系統(tǒng)工序能耗，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)水泵自動(dòng)輪換和自檢功能。

龍王溝煤礦通過建設(shè)智能供排水系統(tǒng)，提高了排水效率，降低了設(shè)備故障，取消了崗位人員，降低了人工成本，實(shí)現(xiàn)了礦井無人少人的目標(biāo)。

5.主運(yùn)輸膠帶輸送機(jī)智能視頻調(diào)速系統(tǒng)

通過智能視頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)主運(yùn)輸膠帶輸送機(jī)煤流智能啟停、智能調(diào)速、智能異物識(shí)別等功能；實(shí)現(xiàn)煤流大提速、煤流小降速，降低了皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)能耗，減少了運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)備磨損，達(dá)到了延長設(shè)備壽命的目的。

智能視頻調(diào)速系統(tǒng)具備各類運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)采集顯示、自動(dòng)分析判斷、異常報(bào)警停機(jī)、異物智能識(shí)別、自動(dòng)啟停皮帶、遠(yuǎn)程集中控制等功能，實(shí)現(xiàn)根據(jù)煤流大小、方向、煤倉煤位進(jìn)行煤流均衡自動(dòng)控制的目標(biāo)。通過主運(yùn)輸系統(tǒng)地面遠(yuǎn)程集中控制，機(jī)器人巡檢代替人巡檢，達(dá)到了無人少人高產(chǎn)增效的目標(biāo)，

6.智能供配電系統(tǒng)

智能配電系統(tǒng)的應(yīng)用，使主要機(jī)電硐室實(shí)現(xiàn)無人值守，配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高（低）壓電氣設(shè)備遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)、遙視信息在線監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸和可視化監(jiān)控。

智能配電系統(tǒng)具備防誤操作及遠(yuǎn)程閉鎖，各變電所實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控及智能調(diào)度、數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行監(jiān)視、智能告警、故障錄波分析、防越級(jí)跳閘、自動(dòng)故障定位等功能。此外，還具備峰谷電能計(jì)量、能耗統(tǒng)計(jì)、在線電能質(zhì)量分析、絕緣監(jiān)測(cè)功能。

二、龍王溝煤礦智能化系統(tǒng)的應(yīng)用效果

龍王溝煤礦統(tǒng)籌規(guī)劃，從多角度進(jìn)行智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)，全力打造智慧綠色安全的一流礦山。

1.踐行綠色發(fā)展理念，推進(jìn)了節(jié)能減排工作

龍王溝煤礦通過建設(shè)四維地理信息系統(tǒng)，利用鉆探數(shù)據(jù)地質(zhì)體連續(xù)建模技術(shù)，在內(nèi)蒙古自治區(qū)率先建成了首個(gè)透明化可視礦山系統(tǒng)，助力礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)修復(fù)工作；全面開展TDS智能化煤矸分離系統(tǒng)建設(shè)，利用分離矸石回填采空區(qū)或用于井巷地坪施工，提高了資源回收率，減緩了地面沉降，實(shí)現(xiàn)了矸石零排放；構(gòu)建礦井水潔凈高效智能化循環(huán)利用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了礦井水零排放；利用智慧礦山管理系統(tǒng)，通過對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)智能化管控，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)礦井各系統(tǒng)能耗，分析制定節(jié)能降耗措施，實(shí)現(xiàn)了能源高效利用和低碳發(fā)展；大力推進(jìn)礦井節(jié)能降耗工作，在礦井110KV主供電系統(tǒng)上，應(yīng)用無功補(bǔ)償新技術(shù)和新產(chǎn)品，使系統(tǒng)功率因數(shù)由原來的0.7提高到0.9以上；在主煤流系統(tǒng)、主通風(fēng)系統(tǒng)、井下供液系統(tǒng)等主要系統(tǒng)全面推廣應(yīng)用變頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤流速度、風(fēng)機(jī)功率、供液泵功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，全年累計(jì)節(jié)省電量230萬度以上。

2.加強(qiáng)私有云系統(tǒng)建設(shè)，營造了良好的網(wǎng)絡(luò)安全環(huán)境

智慧礦山系統(tǒng)建設(shè)離不開數(shù)據(jù)保障和網(wǎng)絡(luò)安全保障，面對(duì)復(fù)雜的外部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和海量智慧礦山數(shù)據(jù)，建設(shè)一套高可靠的網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)中心尤為重要。龍王溝煤礦于2019年建成智慧礦山私有云系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了虛擬集群系統(tǒng)、物理存儲(chǔ)系統(tǒng)、Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、備份一體機(jī)系統(tǒng)，采用了業(yè)界先進(jìn)的虛擬化集群技術(shù)和存儲(chǔ)雙活技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了主系統(tǒng)發(fā)生故障后備系統(tǒng)的自動(dòng)接管業(yè)務(wù)以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的負(fù)載均衡，保障了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。同時(shí)建成網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)感知平臺(tái)、日志審計(jì)平臺(tái)、上網(wǎng)行為等網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和防護(hù)內(nèi)外網(wǎng)攻擊和系統(tǒng)非法訪問，嚴(yán)格按照“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”的原則開展網(wǎng)絡(luò)防護(hù)體系建設(shè)，成功阻斷防御了勒索病毒、蠕蟲等各類病毒木馬攻擊，為礦井的安全生產(chǎn)和智能化系統(tǒng)建設(shè)提供了良好的網(wǎng)絡(luò)安全環(huán)境。

3.加強(qiáng)透明礦山建設(shè)，提高了三維地質(zhì)模型精度

龍王溝煤礦利用四維地理信息系統(tǒng)，通過井上下鉆孔數(shù)據(jù)、探煤數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)等，應(yīng)用槽波探測(cè)、定向鉆探、超前鉆探、地球物理探測(cè)等技術(shù)，高質(zhì)量完成了61610、61617工作面連續(xù)地質(zhì)體建模和井田范圍內(nèi)連續(xù)地質(zhì)體建模，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首家連續(xù)60多層連續(xù)地質(zhì)體建模，為建設(shè)智慧透明礦山、實(shí)現(xiàn)工作面智能透明開采提供了基礎(chǔ)保障。同時(shí)，開展智慧礦山三維組態(tài)系統(tǒng)建設(shè)，完成了井上下三維虛擬場(chǎng)景的搭建，建立了供水、通風(fēng)、運(yùn)輸、避災(zāi)線路模型及各種三維漫游場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井的生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)過程、設(shè)備分布、工藝流程、巷道分布、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌握，達(dá)到井上下透明化管理的目的。

三、結(jié)語

龍王溝煤礦在現(xiàn)有的智慧礦山基礎(chǔ)上重點(diǎn)建設(shè)煤礦智慧大腦和智慧礦山大數(shù)據(jù)平臺(tái)，積極借鑒其他智慧礦山建設(shè)的優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)和做法，加強(qiáng)智能化系統(tǒng)協(xié)同管控體系建設(shè)。積極將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、智能裝備等與現(xiàn)代煤炭開發(fā)利用深度融合。在5G+智能透明開采、高效快速掘進(jìn)、遠(yuǎn)程故障診斷、數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用等方面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新突破，實(shí)現(xiàn)煤礦開拓、采掘、運(yùn)輸、通風(fēng)、洗選、安全保障、經(jīng)營管理等過程的智慧化運(yùn)行，打造了國內(nèi)一流智能化示范礦井。

采煤工作面