基于信息化融合的智慧礦山建設研究

王琰濤 張 帥

（兗礦能源集團股份有限公司，山東 鄒城 273500）

1 工程概況

兗礦能源集團濟寧三號煤礦坐落在濟寧市郊區(qū)微山湖畔，井田位于濟寧東部煤田南部，井田南北走向長10 km，東西傾斜寬10～13 km，面積大約110 km2。礦井地質儲量8.8 億t，工業(yè)儲量8 億t，可采儲量5.3 億t，設計生產能力500 萬t/a。礦井屬低瓦斯礦井，各煤層均有煤塵爆炸危險性，均有自然發(fā)火傾向。井田平均地溫梯度為2.44 ℃/100 m，屬地溫正常區(qū)。

2 基于信息化融合的智慧礦山建設的思路分析

根據(jù)濟寧三號煤礦綜合自動化系統(tǒng)現(xiàn)狀，通過信息化升級融合，以“安全監(jiān)控實時化，過程控制自動化”為目標，構建全礦井統(tǒng)一、穩(wěn)定、共享、高效的智慧管控平臺，以原煤生產為主線，對“采、掘、機、運、通、人、財、物、產、供、銷、地測、瓦斯、防治水”等主要安全生產、經營環(huán)節(jié)，進行多因素全流程的集中、協(xié)同，優(yōu)化控制與智能運行，以GIS“一張圖”為依托，以大屏、PC 和移動終端為載體，服務于煤礦安全生產，具有立體化展示、協(xié)同辦公、超前預測、智能報警與聯(lián)動、應急救援與指揮、智能決策與分析功能，構成面向礦井安全、生產、經營及調度指揮的綜合性智慧管控平臺。

主要從智能采煤工作面的構建、智能化掘進工作面的構建、工業(yè)控制安全系統(tǒng)的構建、安全生產智慧管控平臺的構建四個方面進行闡述[1-2]。

3 基于信息化的智能化工作面的構建

3.1 智能化采煤工作面的構建

濟寧三號煤礦智能化采煤工作面由井下井上集控中心、工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能乳化液泵站、支架電液控制系統(tǒng)、三機設備集中控制系統(tǒng)、工作面及地面語音通信系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、采煤機控制及慣性導航系統(tǒng)組成。通過由以太網液壓支架控制器組成的工作面以太網數(shù)據(jù)傳輸平臺，將各子系統(tǒng)集成到工控自動化平臺上。

（1）MG500/1130-MD3 型采煤機配有DSP 電控系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制，裝配有18 種精確傳感器，實現(xiàn)姿態(tài)感知、采高、位置數(shù)據(jù)等采集功能，實現(xiàn)截割電機、牽引電機的遠程啟停及牽引電機換向、加減速、搖臂升降調節(jié)等功能。安裝的高精度慣性導航裝置可實現(xiàn)采煤機三維定位及工作面自動找直功能。

（2）ZY6800-16/35D 型電液控型液壓支架及ZE0704 型電液控制系統(tǒng)，支架配備有控制器、電磁換向閥組、人員精確定位器、報警三色燈和7 個監(jiān)測傳感器等輔助設備，能實現(xiàn)人員精確定位、聲光報警以及支架姿態(tài)感知功能。每6 臺支架配置1個云臺攝像儀，實現(xiàn)工作面視頻自動跟機監(jiān)視、人員動態(tài)捕捉、語音實時通信和視頻圖像采集功能。電液控制系統(tǒng)可根據(jù)采煤機位置自動完成支架伸收護幫、移架等操作，能夠實現(xiàn)自動補壓。支架安裝有自動噴霧裝置，可實現(xiàn)自動降塵作業(yè)。

（3）SGZ800/2×700 型 刮 板 輸 送 機 配 有37DCD 型工況監(jiān)測系統(tǒng)，由KXJ127 型控制器構成的監(jiān)測主站和監(jiān)測分站、液控系統(tǒng)及各傳感器等組成，能夠實現(xiàn)刮板輸送機關鍵零部件運行參數(shù)的在線監(jiān)測，實現(xiàn)刮板輸送機機尾伸縮的手動和自動控制功能。

（4）BRW500/31.5 型變頻一體機乳化泵，實現(xiàn)終采線外遠距高供液布置。乳化泵保障系統(tǒng)采用凈化水裝置、乳化液自動配比裝置、自動高壓反沖洗過濾裝置以及回液過濾站，設備狀態(tài)能夠實時監(jiān)控，實現(xiàn)自動化操作。

（5）地面集控中心配備2 臺主機、2 臺Web服務器、4 臺32 英寸顯示器，顯示采煤機、液壓支架等運行工況。裝配采煤機、支架和三機泵站操縱臺，通過主機軟件實施對井下采煤機、液壓支架和三機泵站的啟停、監(jiān)控等操作。井下順槽集控中心配備2 臺控制器、6 臺21.5 英寸顯示器，與地面集控中心同步顯示運行工況，實施啟停、監(jiān)控與操作功能。建立可語音通信的視頻監(jiān)控，實現(xiàn)對工作面設備全覆蓋以及固定轉載點視頻監(jiān)控功能，并能根據(jù)采煤機運動實現(xiàn)視頻自動跟機功能。支持Web 訪問功能，通過智能礦山手機app 軟件實時查詢信息。

整套設備實現(xiàn)采煤機和液壓支架遠程操作，整個工作面設備實現(xiàn)順序啟動、一健啟停，具備運輸轉載機、機組電纜、輸送帶尾自移集控，煤流鐵器清理集中控制，煤倉煤位連鎖控制等多項自動化拉制功能。

3.2 智能化掘進工作面的構建

濟寧三號煤礦211 采區(qū)軌道下山智能化掘進工作面構建以掘進機自主截割、帶式輸送機機尾自移、遠程可視化監(jiān)控為基礎，以機械化支護及輔助運輸為助力的整套智能化綜掘系統(tǒng)，具有以下功能及優(yōu)勢。

（1）智能化掘進機及自移式帶式輸送機機尾均具備本機操作、離機視距操作、離機超視距操作及地面集控操作功能，可通過遙控器一鍵啟停掘進機、帶式輸送機自移機尾。

（2）實現(xiàn)四種模式截割及機尾一健自移。掘進機裝備慣性導航及三維掃描成像系統(tǒng)，根據(jù)不同的工況，選擇不同的截割模式，實現(xiàn)機器決策為主、人工干預為輔的遠程可視化斷面成形控制。通過設定循環(huán)進尺和步距，實現(xiàn)帶式輸送機機尾一鍵自移。

（3）做到人員本安生產及闖入預警停機。專用操作硐室及地面集控中心均可遠程遙控操作工作面設備，體現(xiàn)了無人則安的理念，實現(xiàn)了本質安全型生產。同時，設備安裝人員安全管控系統(tǒng)，做到人員誤入、闖入預警及停機，切實保證人員安全。

（4）利用輸助運輸及機械化支護提高工效。順槽安裝蓄電池單軌吊及液壓錨桿鉆車，解決工作面機械化支護及后配套輔助運輸問題，減輕職工勞動強度，降低噪聲危害，提高支護效率及物料運輸效率。

（5）通過多數(shù)據(jù)實時監(jiān)測傳輸預測指導生產。實時監(jiān)測掘進機的工況性能，可提供故障預警、原因查找、解決方案。

4 工業(yè)控制安全系統(tǒng)的構建

互聯(lián)網出口安全域具備外網攻擊防護、互聯(lián)網審計等整體安全防護模塊，包括從L2～L7 的整體安全防護、互聯(lián)網訪問日志審計，解決了業(yè)務系統(tǒng)將來面臨的安全防護困擾、違法違規(guī)等問題。

部署1 臺第二代防火墻，滿足安全控制要求。針對邊界進行隔離和訪問控制，保護內部網絡，從L2～L7 層對攻擊進行防護，實現(xiàn)對入侵事件的監(jiān)控、阻斷，保護整體網絡各個安全域免受外網惡意攻擊。部署1 臺上網行為管理設備，用來合規(guī)審計、流量管控和應用管控，保障業(yè)務帶寬和業(yè)務正常訪問。

在核心業(yè)務區(qū)邊界網橋部署1 臺第二代防火墻，做邊界隔離防御和訪問控制，同時開啟IPS 和WAF模塊，實現(xiàn)流量雙向防護，檢測內網僵尸主機，抵御病毒、木馬、DDOS 等攻擊行為，針對黑客攻擊鏈所有環(huán)節(jié)均可持續(xù)檢測，實現(xiàn)L2～L7 安全檢測與防護。部署數(shù)據(jù)庫審計系統(tǒng)和終端安全檢測與響應軟件，能夠提供虛擬機的東西向防護、主機訪問控制、主機入侵防范、主機殺毒等功能。

針對辦公網和工控網之間設置數(shù)據(jù)交換區(qū)，分別部署1 臺工業(yè)防火墻和1 臺工業(yè)網閘，邊界安全隔離設備功能包括應用代理、文件交換、數(shù)據(jù)庫同步、視頻交換、視頻點播、Web 代理等，使用戶可以在網絡隔離的同時做適度的數(shù)據(jù)交換，解決網絡隔離與數(shù)據(jù)交換的問題，部署于辦公網與工業(yè)網路邊界。

5 安全生產智慧管控平臺的構建

濟寧三號煤礦采用最新空間信息、大數(shù)據(jù)、計算機網絡、分布式協(xié)同“一張圖”等技術，構建了煤礦一體化管控的新型安全生產智慧管控平臺。平臺通過將煤炭業(yè)務基礎數(shù)據(jù)標準化、業(yè)務流程標準化，實現(xiàn)煤礦業(yè)務數(shù)據(jù)在礦井內部以及礦井到集團公司的橫向、縱向流通，形成安全生產信息共享平臺。建立基于大數(shù)據(jù)的煤礦安全生產智能診斷模型，實現(xiàn)安全生產管理的協(xié)同調度、集中管控及科學決策。

（1）通過“圖形+生產過程+環(huán)境+感知+業(yè)務+視頻”數(shù)據(jù)的有效關聯(lián)挖掘和處理，圖文并茂地展現(xiàn)安全生產狀況和綜合生產態(tài)勢，實時掌握礦井安全、生產、管理等多方面的整體態(tài)勢，實現(xiàn)對礦井安全生產的智能輔助決策、調度指揮、即時管控。

（2）GIS 平面“一張圖”以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎，實現(xiàn)一張圖的礦區(qū)導航、跨平臺看圖，協(xié)同在線更新等功能，將圖形、感知、生產過程、視頻、業(yè)務等各類安全生產信息高度集成、集中展示、統(tǒng)一管控，從而可以做到以圖管量、以圖管礦、以圖救災。

（3）采用組件式開發(fā)技術和統(tǒng)一的GIS 平臺，實現(xiàn)了地測、采礦、機電、通風、安全、監(jiān)測、調度管理等專業(yè)功能的組件化管理，可依據(jù)需求進行調整。

（4）實現(xiàn)多部門、多專業(yè)、多層面空間業(yè)務數(shù)據(jù)、機電設備運行狀態(tài)實時數(shù)據(jù)的集成與可視化展示，使遠程可視化井下實時巡查成為現(xiàn)實，為智能工作面提供數(shù)據(jù)基底，為智能開采及智能掘進遠程可視化控制系統(tǒng)服務。

6 效果分析

兗礦能源集團濟寧三號煤礦進行了基于信息化融合的智慧礦山建設，實現(xiàn)了煤礦生產過程中的智能感知、信息及數(shù)據(jù)融合分析，遠程集中控制、聯(lián)動預警、視頻人工智能應用分析，并提供決策支持，進一步完善了過程自動化、綜合調度指揮等功能，有效提升了礦井的管理水平和生產效率。

信息化智慧礦山系統(tǒng)的建設，實現(xiàn)了煤礦井下變電所、泵房、壓風機房、主井提升機房、主運輸帶式輸送機全自動、無人化運行，累計減少崗位工人112 人，每年可減少工資投入約880 萬元，安全性、可靠性、經濟性效果顯著，實現(xiàn)了少人、無人的目標，達到了少人則安的效果。同時，利用手機app 軟件移動辦公、學習等功能，實現(xiàn)了無紙化辦公，提升了礦井形象。