七五煤業(yè)智能礦山建設(shè)的實踐研究

李彭波 鄧海賓

（山東能源棗礦集團七五煤業(yè)公司，山東 棗莊 277000）

煤礦生產(chǎn)中面臨著水、火、煤塵、瓦斯、頂板等災(zāi)害，給煤礦的安全管理工作帶來了很大的隱患。隨著各項技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用于煤礦井下的技術(shù)也在不斷更新，煤礦智能化發(fā)展成了煤礦發(fā)展的必然趨勢。將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、機器人智能裝備等與現(xiàn)代煤炭開發(fā)利用深度融合，建設(shè)煤礦智能化協(xié)同控制系統(tǒng)[1-2]，實現(xiàn)煤礦各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能化運行，對實現(xiàn)井下少人化和無人化作業(yè)具有積極的推動作用。

1 工程概況

山東能源棗礦集團七五煤業(yè)公司位于山東省濟寧市微山縣歡城鎮(zhèn)南，井田呈不規(guī)則分布，井田南北長約7.70 km，東西寬約7.50 km，面積46.192 9 km2，開采深度標高-50～ -1000 m，工業(yè)儲量3.2 億t，年設(shè)計生產(chǎn)能力60 萬t，主采3上煤層。

七五煤業(yè)數(shù)字礦山創(chuàng)新應(yīng)用“一個平臺，兩個系統(tǒng)”，實現(xiàn)了煤礦各系統(tǒng)的融合與聯(lián)動，消除了信息孤島，實現(xiàn)了采掘、機運、“一通三防”、分選、裝車等各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與遠程集中控制。數(shù)據(jù)采集點超過7 萬個，將礦井生產(chǎn)狀態(tài)與信息化進行全面融合，為實現(xiàn)煤礦的轉(zhuǎn)型發(fā)展開辟了新路徑，為推動煤礦智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。

2 搭建井下萬兆環(huán)網(wǎng)

網(wǎng)絡(luò)作為煤礦智能化發(fā)展的中框神經(jīng)，是實現(xiàn)煤礦各系統(tǒng)聯(lián)動、各設(shè)備協(xié)同的基礎(chǔ)。根據(jù)七五煤業(yè)的開拓方式以及采掘布局，搭建井下萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)，以萬兆交換機為節(jié)點，實現(xiàn)井下各工作面的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。智能礦山建設(shè)的方向應(yīng)為“化繁為簡”，盡可能實現(xiàn)設(shè)備集成與多網(wǎng)融合，能滿足智能礦山設(shè)備接入點多、接入面廣、接入形式多樣等特點。礦井“一網(wǎng)一站”配合萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)的融合，具有無線通信、精確定位、WiFi 覆蓋以及多業(yè)務(wù)、多接口接入功能，簡化了礦并通信網(wǎng)絡(luò)和線纜敷設(shè)網(wǎng)絡(luò)，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時降低了運行維護難度，為智能礦山的發(fā)展提供了重要保障。

3 建設(shè)智能化管控系統(tǒng)

煤礦地面的智能化管控系統(tǒng)作為煤礦調(diào)度指揮的核心，同時兼顧集成展示和遠端控制功能，既展示了煤礦井下設(shè)備的實時運行狀態(tài)，也實現(xiàn)了遠程集中控制。

七五煤業(yè)搭建了智能化管控平臺，實現(xiàn)了跨系統(tǒng)融合和聯(lián)動控制，實現(xiàn)了設(shè)備信息的橫向連接和縱向貫通，橫向?qū)崿F(xiàn)多系統(tǒng)的信息交互，縱向?qū)崿F(xiàn)了跨系統(tǒng)的統(tǒng)一控制；同時也為煤礦實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析提供了平臺，對實時數(shù)據(jù)進行存儲，從而進一步提高煤礦各系統(tǒng)的整合性和關(guān)聯(lián)性，為煤礦智能化提升提供了保障。七五煤業(yè)分別搭建智能一體化生產(chǎn)控制系統(tǒng)和生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)了控制功能與執(zhí)行功能，兩系統(tǒng)基于一個平臺，打破了信息壁壘，解決了數(shù)據(jù)共享不及時的問題。

綜合智能一體化生產(chǎn)控制系統(tǒng)，主要應(yīng)用于控制層，按系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備信息的采集上傳，設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，改變了“上傳下達”的傳統(tǒng)調(diào)度模式，提升了調(diào)度的管控能力；系統(tǒng)本身具備報警聯(lián)動、趨勢分析與遠程監(jiān)控等功能，實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的初步分析，很大程度上解決了人為判斷的工作量，對實現(xiàn)礦井無人值守和智能調(diào)度提供了探索。

綜合智能一體化生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，將七五煤業(yè)各業(yè)務(wù)管理流程進行固化，以實現(xiàn)電子化辦公和線上審批為主，提升了便捷性和高效性。生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)了生產(chǎn)、機電、調(diào)度、“一通三防”、綜合分析、能耗管理等功能模塊的集成，具有數(shù)據(jù)共享與自動統(tǒng)計等功能，為管理者提供了數(shù)據(jù)支撐和管理依據(jù)。

4 智能化實踐成果

4.1 智能化綜采工作面

七五煤業(yè)綜采工作面地質(zhì)條件較好，煤層相對穩(wěn)定且近水平，在探索綜采智能化的實踐中，主要建設(shè)目標是在傳統(tǒng)記憶割煤的基礎(chǔ)上，應(yīng)用多種、大量的傳感器，盡可能地代替人工跟機，實現(xiàn)設(shè)備自身的穩(wěn)定運行。對于地質(zhì)條件較好的煤層，工作過程中突發(fā)情況較少，煤機割煤以平緩過渡為主，在綜采數(shù)據(jù)中心增加AI 算法，通過對截割歷史數(shù)據(jù)分析，判斷煤層變化趨勢，通過對鄰架、鄰刀等數(shù)據(jù)對比，以及對傳感器實時數(shù)據(jù)進行AI 分析，應(yīng)用分析結(jié)果反向控制煤機自主運行，很大程度上可實現(xiàn)煤機截割的平穩(wěn)過渡。煤機與支架的自主運行能力提高，綜采控制方式逐漸由就地操作向跟機監(jiān)護以及遠程監(jiān)護運行轉(zhuǎn)變，形成了“自主預(yù)測、局部干預(yù)、遠程控制”的割煤新模式。

4.2 掘進運輸系統(tǒng)智能化

七五煤業(yè)公司的掘進智能化發(fā)展，以掘進運輸系統(tǒng)為起點，投用掘進長運距單點永磁變頻驅(qū)動膠帶機，以固定設(shè)備遠程控制、移動設(shè)備聯(lián)動控制為主，實現(xiàn)了膠帶機的遠程集中控制以及梭車、破碎機的聯(lián)動控制；通過視頻分析與智能保護等手段，提高對膠帶機固定設(shè)備的監(jiān)護能力，取消了固定崗位，由此開始了連掘智能化的探索。

4.3 主運系統(tǒng)無人值守

主運系統(tǒng)作為煤流運輸?shù)暮诵?，遠程集中控制技術(shù)已趨于成熟，主運設(shè)備相對固定不變，為實現(xiàn)主運系統(tǒng)無人值守提供了便利條件。主運系統(tǒng)無人值守的重點在于對主運系統(tǒng)本身的檢測以及對外物損傷的及時判別和控制。巡檢機器人的逐步成熟，完全可代替人工巡檢，設(shè)備的監(jiān)護可通過檢測與識別技術(shù)實現(xiàn)，如設(shè)備在線點檢、鋼絲繩無損監(jiān)測、防縱向撕裂技術(shù)、膠帶機防滅火技術(shù)以及智能視頻識別技術(shù)等。相較而言，主運系統(tǒng)實現(xiàn)無人值守已逐步趨于成熟。

4.4 供電系統(tǒng)智能化

供電系統(tǒng)智能化主要以實現(xiàn)高低壓設(shè)備智能控制和高可靠性為主，通過實現(xiàn)高壓設(shè)備的“五遙”功能以及防越級跳閘，實現(xiàn)高壓供電的穩(wěn)定；低壓設(shè)備的遠控與持續(xù)可控性需要依托于網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，并通過配備后備電源的方式，實現(xiàn)斷電可控，確保送電功能的實時有效。對于固定的變電所宜采用軌道式或輪式機器人，根據(jù)需要搭載各類型傳感器，實現(xiàn)代替人工巡檢，具備固定供配電場所無人值守和定位巡檢。對于供電線路，宜采用感溫類、檢測類或智能視頻等技術(shù)，實現(xiàn)防滅火功能，提高系統(tǒng)可靠性。

4.5 礦井排水系統(tǒng)智能化

礦井排水系統(tǒng)智能化需要建立多系統(tǒng)集成的排水模型，將地表水、裂隙水以及老空水等多種補充水源情況通過探測數(shù)據(jù)建立供給水導(dǎo)向趨勢模型，同時將采集、中轉(zhuǎn)、處理等過程和工藝建立聯(lián)動關(guān)系，通過水位、水質(zhì)變化，實現(xiàn)自主運行和關(guān)聯(lián)控制。七五煤業(yè)建立了基于水量、水質(zhì)與設(shè)備能力的均衡排水模型，將地面污水處理廠處理能力與排水泵進行關(guān)聯(lián)，輔以管路自動切換功能以保證污水處理質(zhì)量，提高礦井排水能力，避免環(huán)保事件發(fā)生。

4.6 礦山的綠色轉(zhuǎn)型

礦山的綠色開采也依托于煤礦的智能化發(fā)展，需要智能化技術(shù)作為支撐。七五煤業(yè)于2018 年投用的全國首套純水支架，通過改變綜采液壓設(shè)備的介質(zhì)，將難降解的乳化液更換為純水，再解決密封自潤滑、油缸的防銹等問題。該套系統(tǒng)成功回采兩個綜采工作面，環(huán)保效益顯著，是建設(shè)綠色礦山的有益實踐。利用新型熱管系統(tǒng)取代燃煤鍋爐，將礦井回風(fēng)流中的低溫?zé)犰释ㄟ^工質(zhì)相變進行回收；通過間壁換熱實現(xiàn)氣氣直換方式提取乏風(fēng)熱能交換給礦井新風(fēng)，將礦井新風(fēng)由室外溫度加熱到所需溫度（不低于2 ℃），以保障礦井井筒冬季生產(chǎn)安全，并帶來了環(huán)保效益。

4.7 輔助裝備智能化提升

目前七五煤業(yè)首次投用巷道巡檢機器人，通過搭載的各類傳感器與視頻智能分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了巷道巡視、多氣體采集以及異常狀態(tài)報警等功能，同時也將進一步探索圍巖變化分析以及巷道其他裝備的智能識別分析等功能，進一步代替人工巡視，提高了礦井巷道安全系數(shù)。

對輔助類裝備的自動化提升，對降低員工勞動強度、提高工作效率有重要意義，如巷道修復(fù)車、掏槽機器人以及履帶式液壓自動鉆機等，代替人工使用風(fēng)動工具作業(yè)，提高安全系數(shù)的同時，改變了作業(yè)模式。同時應(yīng)用多種單兵作戰(zhàn)裝備，如智能礦燈、智能防爆終端和智能安全帽等裝備，輔助提高礦井安全管理能力。

5 智能化礦井關(guān)鍵技術(shù)

5.1 建設(shè)智能化管控平臺

七五煤業(yè)基于現(xiàn)有生產(chǎn)控制平臺存在的問題，進一步開發(fā)了融合大數(shù)據(jù)、智能分析等技術(shù)的智能化管控平臺，充分利用采集的多源異構(gòu)的海量數(shù)據(jù)，充分挖掘數(shù)據(jù)價值，利用平臺既可以實現(xiàn)遠程的集中控制，又可以實現(xiàn)檢修任務(wù)的自動編制以及指導(dǎo)檢修。該智能化管控平臺將具有更豐富的接口和數(shù)據(jù)處理能力、異常診斷能力以及故障處理能力，改變傳統(tǒng)的檢修與運行模式，變被動搶修為主動維護，提高設(shè)備有效運行時間。

5.2 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

（1）礦井5G 技術(shù)的應(yīng)用。七五煤業(yè)5G 技術(shù)的應(yīng)用，加快了該煤礦無人化進程，將煤礦井下的重要系統(tǒng)通過5G 實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，具有低延時、大帶寬、高可靠性和高速率的特點。

（2）慣性導(dǎo)航技術(shù)。七五煤業(yè)慣性導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用對實現(xiàn)綜采工作面調(diào)直以及掘進自動化具有重要意義，輔助激光雷達、定位以及激光識別等技術(shù)，為自動掘進技術(shù)的突破提供了方向。

（3）智能視頻分析技術(shù)。七五煤業(yè)智能視頻分析技術(shù)在煤量檢測、電子圍欄和異常狀態(tài)檢測等方面得到廣泛應(yīng)用。

6 結(jié)語

對山東能源棗礦集團七五煤業(yè)智能礦山建設(shè)的探索實踐從搭建井下萬兆環(huán)網(wǎng)、建設(shè)智能化管控系統(tǒng)、智能化實踐成果、智能化礦井關(guān)鍵技術(shù)四方面進行了分析，通過智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展解決了該煤礦安全管理、綠色發(fā)展以及高效運行的問題，應(yīng)用效果理想。但該礦在智能礦山建設(shè)過程中同時存在技能型人才缺乏、智能化裝備不足等問題，期待后續(xù)進一步完善。