貴州新田煤礦智能化建設(shè)探索新路徑

聶建華 宋永灤

貴州豫能投資有限公司新田煤礦自2020年底成為全國首批智能化建設(shè)示范煤礦以來，通過積極探索和創(chuàng)新創(chuàng)造，走出了一條瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重礦井煤礦智能化建設(shè)之路、探索之路、示范之路。

頂層設(shè)計謀新篇

新田煤礦隸屬于貴州豫能投資有限公司，位于素有“水西門戶、貴筑藩屏，黔中腹地、省府咽喉”之稱的畢節(jié)黔西市下轄的甘棠鎮(zhèn)，是貴州省實施“西電東送”重要戰(zhàn)略的重點配套煤礦。

井田面積約35.92平方公里，設(shè)計規(guī)模120萬噸/年，屬煤與瓦斯突出礦井，主采煤層為4#煤和9#煤，煤層瓦斯含量達(dá)24.98m3/t，瓦斯壓力達(dá)2.94Mpa，與貴州地區(qū)其他煤礦一樣，瓦斯災(zāi)害是新田煤礦安全生產(chǎn)的主要制約因素。

煤礦智能化是一個多專業(yè)復(fù)合性較強的系統(tǒng)工程，新田煤礦先后到河南、山東、內(nèi)蒙古等地區(qū)考察，與中國礦業(yè)大學(xué)、山東科技大學(xué)等高等院校學(xué)習(xí)交流。在貴州省能源局及相關(guān)專家的多次幫助指導(dǎo)下，新田煤礦明確了智能煤礦關(guān)鍵技術(shù)要達(dá)到“國際領(lǐng)先、國內(nèi)一流”的總體建設(shè)要求，要實現(xiàn)“設(shè)備智能運行、工程智能設(shè)計、災(zāi)害智能預(yù)警、生產(chǎn)智能決策”的具體目標(biāo)，要達(dá)到“安全高效、減人提效”的最終效果。

科學(xué)施策抓落實

2018年3月，根據(jù)貴州省《貴州省煤礦智能機械化升級改造建設(shè)與驗收暫行辦法》要求，新田煤礦建成了輔助系統(tǒng)智能化，裝備了2個智能化綜采工作面，完成了4個工作面智能化采煤，建成了2個智能化綜掘工作面。

2021年5月，新田煤礦召開了全面智能化建設(shè)啟動大會，把新田煤礦智能化建設(shè)項目確定為貴州豫能、新田煤礦的“一把手”工程，成立了從貴州豫能到礦井的兩個專班小組。

一年多來，新田煤礦以模塊化設(shè)計、分層式展示為主線，建成了可自定義配置，數(shù)據(jù)共享的綜合智能化平臺。包含智能化輔助系統(tǒng)、智能化采掘系統(tǒng)、智能化經(jīng)營管理系統(tǒng)、智能化調(diào)度系統(tǒng)、智能化安全管控系統(tǒng)、智能化協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)、智能化通防系統(tǒng)等七大模塊，集成了50余個子系統(tǒng)。

1.智能化輔助系統(tǒng)：包含主煤流運輸、供配電、通風(fēng)等13個子系統(tǒng)，所有系統(tǒng)均通過5G/F5G網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)匯入實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、安全管控和高效傳輸。

其中，主煤流運輸系統(tǒng)在5G傳輸基礎(chǔ)上實現(xiàn)了機器人+智能AI識別系統(tǒng)+鋼絲繩在線專家診斷系統(tǒng)+皮帶保護系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)的融合，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制、全方位監(jiān)控、本質(zhì)安全管理；智能供電系統(tǒng)在5G基礎(chǔ)上利用機器人+智能AI識別技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備現(xiàn)場超高清視頻、語音、紅外成像等數(shù)據(jù)的實時回傳及設(shè)備運行故障的超前預(yù)判、預(yù)警功能，真正實現(xiàn)了無人值守。

2.智能化采掘系統(tǒng)：包含智能化綜采和智能化綜掘子系統(tǒng)。

其中，智能化綜采工作面具備集控中心對綜采工作面所有設(shè)備一鍵啟停功能，實現(xiàn)了采煤機射頻精確定位、記憶截割、液壓支架跟機移架、三機聯(lián)動控制功能，生產(chǎn)期間以記憶截割為主、人工干預(yù)為輔的智能化采煤方式，同時配備18個智能AI識別攝像儀，對工作面整個系統(tǒng)實現(xiàn)全方位安全監(jiān)控。智能化綜掘工作面實現(xiàn)了就地遙控控制、井下風(fēng)門外集控室遠(yuǎn)程控制和地面集控中心遠(yuǎn)程控制，掘進工作面記憶截割、運輸成套設(shè)備“一鍵啟停”；裝備了鐳射導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)了掘進機的自動定位、定向、定姿功能；綜掘機后方、各個轉(zhuǎn)載點配備了智能AI識別攝像儀，人員接近設(shè)備運行危險區(qū)域具備智能識別與報警功能。

3.智能化經(jīng)營管理系統(tǒng)：包含OA辦公、經(jīng)營管理、設(shè)備管理、生產(chǎn)計劃動態(tài)調(diào)控等8個子系統(tǒng)；實現(xiàn)各種公文、物資管理、成本管理、安全管理等日常辦公的流程化、精細(xì)化管理。

4.智能化調(diào)度系統(tǒng)：包含綜合調(diào)度指揮、應(yīng)急廣播、調(diào)度通信等5個子系統(tǒng)，實現(xiàn)了井上下透明管控、全方位調(diào)度指揮管控。

5.智能化安全管控系統(tǒng)：通過構(gòu)建瓦斯災(zāi)害防治、水害防治、火災(zāi)防治、頂板災(zāi)害防治、粉塵災(zāi)害防治系統(tǒng)，實現(xiàn)了五大災(zāi)害的精準(zhǔn)管控。

瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)是基于4DGIS建設(shè)的瓦斯災(zāi)害預(yù)警與防治決策支持子系統(tǒng)，融合了微震系統(tǒng)、礦壓監(jiān)測系統(tǒng)、地應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)等關(guān)鍵參數(shù)并進行綜合分析，實現(xiàn)地應(yīng)力分布、工作面瓦斯涌出量預(yù)計、煤層瓦斯壓力和瓦斯含量反演、工作面煤層抗壓參數(shù)反演等實時計算，并結(jié)合煤與瓦斯突出災(zāi)害的發(fā)生機理和演化規(guī)律，實現(xiàn)煤與瓦斯突出事故的精準(zhǔn)預(yù)警。達(dá)到了瓦斯災(zāi)害治理的“專家型”支持系統(tǒng)。

水害防治系統(tǒng)集礦井水文數(shù)據(jù)采集、處理、預(yù)警、輔助決策于一體，實現(xiàn)了水害檢測和排水系統(tǒng)的聯(lián)動功能；火災(zāi)防治系統(tǒng)對井下自燃火災(zāi)氣體中的CO、CH4、O2、CO2、C2H4等氣體進行精確監(jiān)測分析，實現(xiàn)對煤礦自燃火災(zāi)的預(yù)警預(yù)報；頂板災(zāi)害防治系統(tǒng)實現(xiàn)對綜采、掘進工作面的壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時自動上傳和分析，并能預(yù)測與預(yù)警；粉塵防治系統(tǒng)實現(xiàn)對各個轉(zhuǎn)載點和工作面粉塵檢測和自動降塵的目的。

6.智能化協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)：包含采礦協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)、輸配電地理信息系統(tǒng)、智能通風(fēng)設(shè)計系統(tǒng)等軟件系統(tǒng)。

智能化協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)以4DGIS為核心，以地質(zhì)保障為基礎(chǔ)，由礦井地質(zhì)數(shù)據(jù)聯(lián)動，實現(xiàn)數(shù)據(jù)成圖、由圖建庫、圖庫雙向查詢、2DGIS與 3DGIS相互轉(zhuǎn)換等功能。其中采礦協(xié)同設(shè)計實現(xiàn)自動快速生成多種設(shè)計方案以供工程技術(shù)人員優(yōu)選；輸配電地理信息軟件根據(jù)礦井巷道實際長度進行電纜、設(shè)備選型和短路電流、繼電保護定值計算，關(guān)聯(lián)電力監(jiān)控系統(tǒng)在三維場景下實時監(jiān)測電力設(shè)備運行狀態(tài)；智能通風(fēng)設(shè)計根據(jù)井下通風(fēng)系統(tǒng)情況快速生成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖、通風(fēng)動態(tài)模擬展示、風(fēng)網(wǎng)解算和定點調(diào)風(fēng)快速計算。實現(xiàn)了煤礦設(shè)計由人工制圖、cad制圖向數(shù)據(jù)自動生圖的歷史性變革。

7.智能化通防系統(tǒng)：包含智能通風(fēng)、智能防塵等5個子系統(tǒng)。

該系統(tǒng)以4DGIS為基礎(chǔ)，實現(xiàn)在二三維場景下展現(xiàn)礦井的通風(fēng)系統(tǒng)布置，井上下通風(fēng)機運行狀態(tài)的監(jiān)測，通風(fēng)設(shè)施一鍵控制，系統(tǒng)無縫對接風(fēng)速、風(fēng)阻、風(fēng)量等監(jiān)測數(shù)據(jù)，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可測性、可控性、可靠性、合理性的綜合評價，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)實時解算；通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)調(diào)優(yōu)控和井下巷道需風(fēng)量預(yù)測，關(guān)聯(lián)防塵系統(tǒng)進行防塵監(jiān)測；自動生成避災(zāi)路線并進行三維仿真展示。達(dá)到了礦井通風(fēng)管理的“專家型”支持系統(tǒng)。

碩果累累見成效

通過新田煤礦工程技術(shù)人員的不懈努力和國內(nèi)多家高端煤礦智能設(shè)備和煤礦智能技術(shù)的融合，新田煤礦智能現(xiàn)象無處不在：員工入井有了智能手機，固定場所無人值守、機器人巡檢成為現(xiàn)實，智能掘進、智能采煤讓一線員工走進控制室，遠(yuǎn)離危險場所。5G、F5、WiFi網(wǎng)絡(luò)和AI攝像儀、UWB精準(zhǔn)人員定位讓安全管理、調(diào)度指揮更高效、更精準(zhǔn)；先進的地質(zhì)保障技術(shù)、瓦斯模態(tài)趨勢分析技術(shù)、多源瓦斯突出預(yù)警技術(shù)和基于4DGIS的智能通風(fēng)管理系統(tǒng)，對瓦斯的精準(zhǔn)防治提供了更多的智能支持。先進的透明礦山技術(shù)、二維與三維的實時轉(zhuǎn)換技術(shù)，實現(xiàn)了礦井由平面向立體，由看圖向看空間的管理。基于4DGIS的數(shù)據(jù)生圖軟件，讓工程技術(shù)人員擺脫了復(fù)雜的工程計算、現(xiàn)場測量、繪圖制圖和編制關(guān)鍵技術(shù)報告，大量工作電腦替代了人腦。

2021年6月，成功揭榜貴州省科技榜單“5G+智能AI識別系統(tǒng)”；2020年7月，新田煤礦1901智能化工作面月產(chǎn)量突破10萬噸；2021年6月新田煤礦智能化操作員參加第21屆全國煤炭行業(yè)礦山智能化建設(shè)技能競賽，獲得銅獎；2022年5月，新田煤礦“智能化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用”進行了由中國工程院院士參加的技術(shù)鑒定，得到了“總體達(dá)到了國際先進水平，其中在動態(tài)地質(zhì)保障和透明地質(zhì)智能信息建模方法方面具有國際領(lǐng)先水平”的鑒定結(jié)論。

經(jīng)過積極探索和不懈努力，新田煤礦智能化建設(shè)取得顯著經(jīng)濟效益和社會效益。

1.安全保障能力顯著提升。智能化礦山投入常態(tài)化運行后，實現(xiàn)了系統(tǒng)間跨專業(yè)聯(lián)動、超限值聯(lián)動，各系統(tǒng)在災(zāi)害面前應(yīng)急而動，采掘頭面瓦斯異常超前預(yù)警、主通風(fēng)機故障自動倒臺保證通風(fēng)、水位上漲主排水泵自動輪詢啟動等，大大提升了礦井安全保障能力。

2. “減人增效”目標(biāo)明顯。礦井從開展智能化建設(shè)以來，實現(xiàn)固定崗位工減員79人，采煤工作面減員59人，機掘工作面減員27人，每年減少人工工資投入約1400萬元/年。智能化綜采工作面投入常態(tài)化運行后，原煤產(chǎn)量由原來的60萬噸/年提升至120萬噸/年，直接經(jīng)濟收入增收3.6億元。

3.數(shù)據(jù)資源實現(xiàn)共享。打破了專業(yè)間信息孤島技術(shù)壁壘，實現(xiàn)了礦井所有數(shù)據(jù)資源的共享，只要一個專業(yè)數(shù)據(jù)更新礦井與之相關(guān)的內(nèi)容隨之更新，系統(tǒng)之間實現(xiàn)應(yīng)急聯(lián)動，打破了系統(tǒng)之間的管理壁壘，提升了礦井的安全管理水平。

4.智能化運行管理常態(tài)化。一是新田煤礦智能化礦山建設(shè)之初，礦井成立了智能化小組，吸納了各專業(yè)本科以上學(xué)歷人員50余人全程參與到智能化建設(shè)中來，邊學(xué)邊干，解決了很多生產(chǎn)難題。如大學(xué)生智能化采煤班通過遠(yuǎn)程操作為主、人工干預(yù)為輔的智能化采煤法打開了疫情期間人員少、產(chǎn)量低的生產(chǎn)不利局面；智能化礦山小組利用井下鉆孔數(shù)據(jù)進行地質(zhì)建模準(zhǔn)確預(yù)測了1404工作面地質(zhì)構(gòu)造情況，為工作面科學(xué)組織生產(chǎn)、及時調(diào)整俯仰采割煤、順利通過斷層、保證連續(xù)生產(chǎn)提供依據(jù)；智能化礦山小組利用供電設(shè)計軟件科學(xué)組織系統(tǒng)設(shè)計和校驗，合理選配供電設(shè)備，為供電系統(tǒng)安全運行提供依據(jù)等，這些活生生的例子科學(xué)詮釋了智能化就是先進生產(chǎn)力，就是助推煤礦轉(zhuǎn)型升級的必由之路。二是礦井制定了智能化使用管理制度，每月考核，每月兌現(xiàn)，激勵全體員工積極學(xué)習(xí)智能化技術(shù)、主動應(yīng)用智能化系統(tǒng)，實現(xiàn)了建成系統(tǒng)常態(tài)化運行，同時在使用中發(fā)現(xiàn)問題、主動解決問題，為下一步完善智能化系統(tǒng)打好了基礎(chǔ)。

5.實現(xiàn)礦井透明化、集成化管理。通過建設(shè)透明地質(zhì)、瓦斯災(zāi)害預(yù)警、智能通風(fēng)、智能調(diào)度等智能化系統(tǒng)，將礦井巷道布置、地質(zhì)構(gòu)造分布、瓦斯賦存、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵系統(tǒng)運行、人員分布的真實情況通過大屏一覽無余，不用下井就能實時掌握井下的生產(chǎn)情況。同時對各系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)的處理與分析，為礦井管理人員更科學(xué)、更高效組織礦井生產(chǎn)提供了決策依據(jù)。

展望未來不停步

站在煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的新起點，踏上智能化煤礦建設(shè)新征程，新田煤礦將搶抓國發(fā)【2022】2號文件支持貴州建設(shè)新型綜合能源基地，提升能源安全保障能力新機遇，以建設(shè)智能化礦山為不竭動力，將在煤礦數(shù)字孿生、機器人、災(zāi)害趨勢預(yù)測、生產(chǎn)經(jīng)營智能決策等技術(shù)上不斷探索，真正把煤礦從“藍(lán)領(lǐng)”向“白領(lǐng)”轉(zhuǎn)變，從“勞動密集型”向“技術(shù)密集型”轉(zhuǎn)變，破解“招工難、招生難”等困局，在煤礦智能化建設(shè)上做好示范引領(lǐng)，為貴州建設(shè)大型煤炭儲配基地，打造西南地區(qū)煤炭保供中心，實現(xiàn)新型工業(yè)化作出新貢獻(xiàn)。