孔莊煤礦智能化礦井建設(shè)頂層設(shè)計研究

摘要：隨著現(xiàn)代信息管理技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)等新科技在煤礦開采領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，促進了煤炭開采的協(xié)同、高效化發(fā)展。本文通過研究高新技術(shù)，結(jié)合政策文件及現(xiàn)場實地考察后，對孔莊煤礦智能化礦井建設(shè)頂層結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，在此基礎(chǔ)上了解智能化礦井的基本架構(gòu)和發(fā)展方式，結(jié)合孔莊煤礦特征、工作制度和設(shè)計生產(chǎn)能力，針對智能化煤礦頂層設(shè)計提出了合理化建議，有助于整理煤礦開采階段各生產(chǎn)要素的變化規(guī)律，使一系列工程措施更加適合井下特殊的作業(yè)環(huán)境，制定出多元化、智能化的礦井頂層設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：孔莊煤礦;智能化礦井;頂層設(shè)計;研究分析

一、概述

2020年國家針對煤礦智能化發(fā)展提出了有關(guān)政策文獻《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，有利于我國煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，進一步滿足煤礦產(chǎn)業(yè)信息化改革的根本需求。文件中提及智能化煤礦的建設(shè)標準：建成不同模式的智能化礦井，實現(xiàn)煤礦開拓性設(shè)計，具有穩(wěn)定的地質(zhì)保障，提高煤礦智能化礦井生產(chǎn)的安全性，加強各開采環(huán)節(jié)間的信息傳輸，融入自動化技術(shù)，減少礦井挖掘中工作人員與資金的投入，綜采工作面內(nèi)只需要安排必要的業(yè)務(wù)人員，井下和露天煤礦等崗位區(qū)域可以采用遠程監(jiān)控技術(shù)進行管理，達到無人值守的安全生產(chǎn)標準。隨著國家能源局《智能化煤礦驗收管理辦法（試行）》的發(fā)布，智能化礦井建設(shè)的方向和要求也更為清晰，為確?？浊f煤礦智能化礦井建設(shè)頂層設(shè)計合理性，需要建立與孔莊煤礦實際情況相契合的頂層設(shè)計分析模型，以現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ)整合豐富的數(shù)據(jù)資源，深度剖析礦井建設(shè)的實際方案，解決孔莊煤礦智能化礦井建設(shè)存在的主要問題。在此基礎(chǔ)上，通過規(guī)劃孔莊煤礦的智能化礦井建設(shè)頂層設(shè)計，強化對煤礦開采過程的全面管理，依靠科技的創(chuàng)新與應(yīng)用降低煤炭生產(chǎn)風險，為煤礦工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

二、孔莊煤礦建設(shè)現(xiàn)狀

孔莊煤礦目前建立了比較完善的信息化系統(tǒng)，在基礎(chǔ)設(shè)施、自動化、信息化方面具備一定的智能化建設(shè)基礎(chǔ)，根據(jù)《江蘇省智能化煤礦驗收辦法（試行）》和《智能化煤礦驗收辦法（試行）》國能發(fā)煤炭規(guī)〔2021〕69 號文件要求，目前孔莊煤礦未達到江蘇煤礦智能化及國家智能化礦井建設(shè)初級要求。

依據(jù)《中煤集團智能化工作面專項規(guī)劃（2019-2023年）》及《智能化煤礦分類分級評價指標體系》內(nèi)部評測標準，目前孔莊煤礦智能開采系統(tǒng)、智能主煤流運輸系統(tǒng)、智能輔助運輸系統(tǒng)、智能通風與壓風系統(tǒng)、智能供電與給排水系統(tǒng)、智能安全監(jiān)控系統(tǒng)、智慧園區(qū)與經(jīng)營管理系統(tǒng)均未完全達到驗收標準。

三、孔莊煤礦智能化礦井建設(shè)頂層設(shè)計原則

（一）標準化原則

通過頂層設(shè)計模型構(gòu)建進行系統(tǒng)分析，制定孔莊煤礦礦井智能化建設(shè)標準，并在統(tǒng)一標準的指導(dǎo)下整合現(xiàn)有的智能化設(shè)備，實現(xiàn)對煤炭開采流程的自動化監(jiān)測。利用信息化軟件實現(xiàn)龐大數(shù)據(jù)資源的分析與整理，加強對生產(chǎn)流程、經(jīng)營流程的全面監(jiān)管，達成數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)之間的集成化發(fā)展，在礦井智能化建設(shè)階段通過信息共享提高礦井智能化建設(shè)質(zhì)量。

（二）實用性原則

在礦產(chǎn)開采階段選擇合適的管理技術(shù)和應(yīng)用產(chǎn)品，只有實現(xiàn)對豐富智能化資源的有效整合，才能夠充分發(fā)揮出管理系統(tǒng)所具有的應(yīng)用價值，在智能化綜采系統(tǒng)設(shè)計階段不斷調(diào)整業(yè)務(wù)流程，制定出科學(xué)合理的開采措施，做好智能化設(shè)備的更新與維護工作。

（三）整體性原則

充分發(fā)揮出智能化設(shè)備的集成性作用，拓展管理系統(tǒng)的應(yīng)用功能，營造一個穩(wěn)定性、安全性的開采環(huán)境。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等新型科技的支撐下，探究礦井日常作業(yè)的生產(chǎn)管理需求，并制定出針對各項應(yīng)急突發(fā)事件的應(yīng)急救援措施，在平臺建設(shè)階段融入智能化系統(tǒng)的應(yīng)用功能，落實現(xiàn)代化發(fā)展原則。

（四）安全性原則

智能化礦井建設(shè)采用自動化網(wǎng)絡(luò)防御手段，有效預(yù)防非授權(quán)用戶訪問，并合理規(guī)劃操作人員的管理權(quán)限，只有確保龐大數(shù)據(jù)信息的穩(wěn)定傳輸，才能夠精準地下達工作指令。利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享模塊了解井下作業(yè)情況，采購的智能化設(shè)備要符合煤礦安全生產(chǎn)標準，具有基本的安全防盜功能，并通過網(wǎng)絡(luò)軟件的有效應(yīng)用，開展一系列安全保密措施，為智能化、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行創(chuàng)造良好環(huán)境。

四、孔莊煤礦智能化礦井建設(shè)頂層設(shè)計建設(shè)內(nèi)容

（一）建設(shè)內(nèi)容

孔莊煤礦智能化礦山建設(shè)內(nèi)容從架構(gòu)上包括：信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、地質(zhì)保障系統(tǒng)、開采系統(tǒng)、主煤流運輸系統(tǒng)、輔助運輸系統(tǒng)、通風與壓風系統(tǒng)、供電與給排水系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、智慧園區(qū)與經(jīng)營管理。通過對孔莊煤礦信息化現(xiàn)狀和需求調(diào)研分析，結(jié)合中煤集團、國家和行業(yè)相關(guān)標準規(guī)范，具體建設(shè)內(nèi)容按照“統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施”原則，根據(jù)礦井安全生產(chǎn)緊急需求程度，分階段建設(shè)。

（二）建設(shè)路線

根據(jù)國家智能化煤礦建設(shè)指南，將智能化煤礦建設(shè)分為以下3個階段：

1.建立智能化礦山系統(tǒng)，運用遠程監(jiān)管技術(shù)實現(xiàn)“礦井作業(yè)無人化”，保證單個系統(tǒng)崗位的智能化管理;一些大型的礦山企業(yè)已基本達到這一發(fā)展階段;

2.建立智能化礦山架構(gòu)，運用人工智能技術(shù)實現(xiàn)“作業(yè)流程無人化”，保證煤礦開采、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的智能化、協(xié)同性發(fā)展;

3.建立礦區(qū)智能化礦山體系，運用計算機技術(shù)實現(xiàn)“作業(yè)全程的無人化”，保證煤礦開采、礦井通風、煤礦分選等環(huán)節(jié)的智能化、協(xié)同性發(fā)展。

五、系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

孔莊煤礦智能礦山項目總體架構(gòu)采用基于中煤工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，以統(tǒng)一標準規(guī)范、統(tǒng)一信息安全保障為基礎(chǔ)，按照“1234建設(shè)思路：一個中臺（智慧中臺）、兩類集成（IT系統(tǒng)集成和OT系統(tǒng)集成）、三種應(yīng)用（智能生產(chǎn)過程控制域、智能生產(chǎn)協(xié)同管理域和智能生產(chǎn)決策域）、四類主題（安全、高效、綠色、智能）”，實現(xiàn)IT系統(tǒng)和OT系統(tǒng)的深度融合，從下往上依次為智能設(shè)備感知層、基礎(chǔ)設(shè)施層、智能樞紐層、智能應(yīng)用層。

（二）子系統(tǒng)組成

1.地質(zhì)保障系統(tǒng)

孔莊煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)，首先應(yīng)構(gòu)建統(tǒng)一的綜合地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫，在煤礦生產(chǎn)前將豐富的地質(zhì)信息整合到一起，實現(xiàn)對海量的數(shù)據(jù)的高效管理與開發(fā)，并隨時像有關(guān)部門提供參考數(shù)據(jù);運用信息技術(shù)建立高精度的地質(zhì)分析模型，通過調(diào)整后的準確參數(shù)真實反應(yīng)出礦井的地質(zhì)情況，最后，在數(shù)據(jù)融合應(yīng)用方面，建設(shè)地質(zhì)大數(shù)據(jù)云平臺，具備數(shù)據(jù)分類、分析、處理等基本功能，數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)模塊間互聯(lián)互通。

2.智能掘進系統(tǒng)

智能掘進系統(tǒng)規(guī)劃，結(jié)合孔莊煤礦掘進工作面建設(shè)情況，在建設(shè)完善智能超前探測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過增補相應(yīng)的自動化系統(tǒng)功能和設(shè)備，構(gòu)建包括智能化掘錨機設(shè)備、掘進設(shè)備導(dǎo)航和定位截割系統(tǒng)、掘進工作面遠程集控平臺，實現(xiàn)掘進機井下遠程控制和工作面設(shè)備集中監(jiān)測控制。構(gòu)建多機協(xié)同控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)，在發(fā)生設(shè)備故障的第一時間進行位置精確監(jiān)測，由工作人員制定安全防護方案，保證設(shè)備間的智能化、協(xié)同式運行。

3.智能采煤系統(tǒng)

智能采煤系統(tǒng)包括：遠程視頻監(jiān)控模塊、實時語音通信模塊、采煤機自動控制模塊等，實現(xiàn)設(shè)備的遠程集控管理、采煤機在工作面環(huán)境下的可靠通訊和工作面視頻、語音、數(shù)據(jù)信息的遠程傳輸。通過智能視頻識別和大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)相關(guān)設(shè)備姿態(tài)識別，故障提前預(yù)警，實現(xiàn)各設(shè)備協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運行，將工人從工作面解放出來，實現(xiàn)工作面少人化。如圖3所示。

4.智能主煤流運輸系統(tǒng)

主運輸智能煤流監(jiān)控系統(tǒng)融合可編程控制器自動化控制、機器人巡檢、專家智能決策系統(tǒng)、產(chǎn)量均衡控制、手機APP、永磁電機和變頻器等多種先進的智能化控制技術(shù)，建設(shè)一套適合礦井實際情況的智能煤流監(jiān)控系統(tǒng)。實現(xiàn)基于煤流產(chǎn)量均衡策略、音視頻聯(lián)動控制、故障診斷與預(yù)警的主煤流運輸智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)順/逆煤流全自動順序智能控制，實時監(jiān)測帶式輸送機的工作參數(shù)，實現(xiàn)長距離主煤流運輸無人值守，安全高效運行。

5.智能輔助運輸系統(tǒng)

孔莊煤礦智能輔助運輸，，建設(shè)具有智能規(guī)劃、任務(wù)分配功能的輔助車輛智能調(diào)度管理系統(tǒng)，逐步實現(xiàn)物料運輸、人員運輸?shù)容o助運輸車輛的智能管控、智能規(guī)劃路徑與智能調(diào)度，提升輔運管控能力。

6.智能通風與壓風系統(tǒng)

智能通風與壓風方面，對標國家智能化煤礦驗收辦法，主要智能通風方面存在較大差距。建設(shè)方案著重規(guī)劃智能通風系統(tǒng)，使孔莊礦能達到建設(shè)要求。

7.智能供電排水系統(tǒng)

通過完善孔莊煤礦智能化供電排水系統(tǒng)，使孔莊礦達到建設(shè)要求。如圖4所示：

8.智能安全監(jiān)控系統(tǒng)

在智能安全監(jiān)控方面，主要從兩個方面展開，一方面是監(jiān)測預(yù)警，針對煤礦安全監(jiān)控數(shù)據(jù)、人員定位、火災(zāi)、水害、頂板災(zāi)害等內(nèi)容，實現(xiàn)綜合防控預(yù)警系統(tǒng)。另一方面是應(yīng)急聯(lián)動系統(tǒng)，可依據(jù)災(zāi)變發(fā)展趨勢，自動觸發(fā)排水、滅火與除塵等系統(tǒng)，同時具備應(yīng)急救援指揮模塊、應(yīng)急問題分析模塊、礦井災(zāi)變避難路線規(guī)劃等智能化功能模塊。

9.智慧園區(qū)智能化園區(qū)與經(jīng)營管理系統(tǒng)

智慧園區(qū)與經(jīng)營管理系統(tǒng)以安全、實用、綠色、節(jié)約、智能為建設(shè)理念，以物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)為平臺核心能力。運用大數(shù)據(jù)技術(shù)的存儲、管理、分析功能，為煤礦企業(yè)的統(tǒng)一管理提供參考依據(jù);全面提高企業(yè)的綜合服務(wù)質(zhì)量、降低企業(yè)運營過程中的成本投入。

六、關(guān)鍵亮點

1.基于礦山物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬化技術(shù)，對生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)執(zhí)行、生產(chǎn)過程控制等多個環(huán)節(jié)信息進行有效整合，實現(xiàn)基于市場需求、環(huán)境安全狀態(tài)、設(shè)備健康狀態(tài)、物資配備、員工配備情況的生產(chǎn)目標動態(tài)分解、生產(chǎn)任務(wù)自動排程、安全生產(chǎn)全流程自適應(yīng)控制與實時反饋，實現(xiàn)少人或無人作業(yè)。

2.智能化礦井建設(shè)以云計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)為核心，嚴格遵守行業(yè)、公司制定的礦井安全生產(chǎn)規(guī)范，發(fā)揮出綜合自動化系統(tǒng)的功能作用、在線監(jiān)測礦井的工作環(huán)境、采集隱患數(shù)據(jù)、事故數(shù)據(jù)、人員三違數(shù)據(jù)等動靜態(tài)數(shù)據(jù)，利用動態(tài)三維地質(zhì)模型，輸入各類虛擬參數(shù)建立礦井模擬平臺，展示與煤礦安全生產(chǎn)相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)自動進行數(shù)據(jù)分析與推理，對比歷史數(shù)據(jù)中的標準數(shù)值，診斷礦井是否處于安全狀態(tài)。

七、結(jié)束語

綜上所述，孔莊煤礦智能化礦井建設(shè)的頂層設(shè)計通過更新傳統(tǒng)的礦井單位管理理念，調(diào)整內(nèi)部技術(shù)組織架構(gòu)，整理分析海量數(shù)據(jù)資源，加強高素質(zhì)智能化人才培養(yǎng)等多種方式來建設(shè)智慧化礦山。結(jié)合我國智能化煤礦分類技術(shù)評價標準，提出智能化礦井建設(shè)的協(xié)同管理方案，通過人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等新興科技在煤礦開采過程中的有效應(yīng)用，打造智能化管理系統(tǒng)。實現(xiàn)對礦井工作流程的動態(tài)化監(jiān)管，利用實時互聯(lián)技術(shù)為礦井建設(shè)提供安全保障，充分發(fā)揮數(shù)字化驅(qū)動的工作效應(yīng)，優(yōu)化工程實施路徑，制定出標準化工業(yè)體系管理模式。

作者單位：李培征" " 李尊鋒" " 葛行才" " 吳本良" " 陳巖" " 大屯煤電（集團）有限責任公司孔莊煤礦

參" 考" 文" 獻

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