趙承繼

（山西煤鋼聯(lián)正智煤化有限公司，山西 臨汾 041200）

引言

山西煤鋼聯(lián)正智煤化有限公司裕源煤礦（全文簡(jiǎn)稱裕源煤礦）位于臨汾市蒲縣蒲城鎮(zhèn)刁口村，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為每年1.20Mt，以主立井、副立井、回風(fēng)立井共3個(gè)井筒開(kāi)發(fā)全井田。全井田以＋638m一個(gè)主水平開(kāi)采2號(hào)煤和＋565m一個(gè)輔助水平開(kāi)采10號(hào)煤，2號(hào)煤為特低灰－高灰以低灰為主的、特低硫－高硫以低硫?yàn)橹鞯奶馗甙l(fā)熱值的焦煤，10號(hào)煤為特低灰－高灰以中灰為主的、高硫、特高發(fā)熱值的瘦煤和焦煤，屬高瓦斯礦井。

數(shù)字化礦井就是將煤礦的信息數(shù)字化、模擬化，按照三維模型將礦井的地形地貌、水文地質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)儲(chǔ)量分布、開(kāi)拓開(kāi)采方式等形成一個(gè)煤礦整體數(shù)據(jù)模型，同時(shí)嵌入礦山開(kāi)發(fā)與運(yùn)行各大生產(chǎn)系統(tǒng)的信息，應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、管理決策技術(shù)、生產(chǎn)過(guò)程智能化控制技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，把整個(gè)煤礦的開(kāi)發(fā)規(guī)劃、計(jì)劃、生產(chǎn)、安全、監(jiān)測(cè)等集為一體。系統(tǒng)反映礦井的真實(shí)情況，從而提高礦山資源利用水平、礦山企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作效率和礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)水平，同時(shí)還增強(qiáng)了礦山企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，得到快速穩(wěn)定的可持續(xù)發(fā)展。

裕源煤礦數(shù)字化礦井構(gòu)建基于礦井地質(zhì)構(gòu)造、開(kāi)拓開(kāi)采、生產(chǎn)系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控、安全避險(xiǎn)系統(tǒng)、設(shè)備管理、生產(chǎn)調(diào)度、綜合自動(dòng)化辦公，應(yīng)用總線形式集為一體，涵蓋礦井生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控、安全避險(xiǎn)監(jiān)控、三維地理信息為一體的調(diào)度指揮中心系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)指揮、在線監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)、設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行及管理、成本控制等功能。數(shù)字化礦井基本由以下幾個(gè)功能板塊子站構(gòu)成［1］。

1 地形地質(zhì)狀況

礦山地面地形地貌及井下地質(zhì)構(gòu)造依托地質(zhì)勘測(cè)形成三維GIS綜合信息平臺(tái)，建立的復(fù)合地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)和礦井真三維空間地質(zhì)模型，對(duì)井田范圍內(nèi)地形情況模擬三維顯示，根據(jù)鉆孔分布狀況，模擬顯示井田內(nèi)不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)、煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量與分布、煤層賦存情況，顯示煤炭開(kāi)采深度、頂板、底板巖層結(jié)構(gòu)，斷層、裂隙、陷落柱等推斷分布等；同時(shí)根據(jù)物探等地質(zhì)測(cè)試手段結(jié)果建立數(shù)據(jù)庫(kù)，自動(dòng)標(biāo)識(shí)水文、地下水及特別巖層構(gòu)造狀況，動(dòng)態(tài)模擬地質(zhì)變化、采掘過(guò)程、運(yùn)輸過(guò)程。

2 礦井開(kāi)拓與開(kāi)采

根據(jù)礦井開(kāi)采設(shè)計(jì)，礦井井筒布置、開(kāi)拓、工作面布置、開(kāi)采銜接順序、關(guān)鍵工藝控制點(diǎn)等應(yīng)用組態(tài)軟件在三維信息平臺(tái)上實(shí)時(shí)再現(xiàn)礦井的真實(shí)面貌。同時(shí)根據(jù)采、掘工作面位置傳感器的變化而顯示逐步推進(jìn)的進(jìn)尺。巷道巖層頂、底板的支護(hù)分析與狀況，頂板壓力監(jiān)測(cè)及其他監(jiān)測(cè)手段輔助于其中。

3 礦井生產(chǎn)過(guò)程綜合自動(dòng)化

目前礦井生產(chǎn)系統(tǒng)中主要設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控絕大部分是分立運(yùn)行、互不聯(lián)系的孤立系統(tǒng)，比如通風(fēng)系統(tǒng)只顯示主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況，沒(méi)有井下局部通風(fēng)機(jī)的狀況；供電只建設(shè)地面主變電站和井下中央變電所的電力監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)，而不能全面反應(yīng)礦井的整體電力變化，不能滿足電力調(diào)度與負(fù)荷調(diào)整的需求等。所以利用現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)、DCS集散控制系統(tǒng)及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)把礦井通風(fēng)、排水、供電、壓風(fēng)、瓦斯抽采、供水、主運(yùn)輸提升、輔助運(yùn)輸信集閉系統(tǒng)、通信及綜采、綜掘等各系統(tǒng)通過(guò)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)接口上傳或下達(dá)各子系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，形成一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)管控一體化平臺(tái)，從此實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，同時(shí)通過(guò)相應(yīng)的通信接口將各生產(chǎn)對(duì)象的數(shù)據(jù)采集，作為整個(gè)生產(chǎn)控制信息集成的基礎(chǔ)。采集的井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)及地面各控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)擬采用工業(yè)以太網(wǎng)前沿傳輸技術(shù)，傳遞到相應(yīng)的中央服務(wù)器或根據(jù)區(qū)域劃分的應(yīng)用服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度管理［2］。

礦井生產(chǎn)過(guò)程控制主要包括以下子系統(tǒng)：綜采工作面監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等所有生產(chǎn)設(shè)備的集中控制、液壓支架自動(dòng)電液控制、頂板壓力監(jiān)測(cè)，控制信號(hào)及視頻監(jiān)控信號(hào)上傳到現(xiàn)場(chǎng)總線服務(wù)器；掘進(jìn)工作面、開(kāi)拓巷工作面進(jìn)尺與設(shè)備運(yùn)行狀況應(yīng)用工業(yè)視頻監(jiān)控與位置傳感系統(tǒng)把實(shí)時(shí)畫(huà)面、運(yùn)行狀況經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳輸回中央服務(wù)器；主運(yùn)輸皮帶機(jī)和主立井提升監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各順槽皮帶機(jī)、主井皮帶機(jī)、煤倉(cāng)給煤機(jī)和煤庫(kù)煤位集中監(jiān)控、主井提升機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，結(jié)合工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)和信號(hào)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主運(yùn)輸系統(tǒng)集中控制，并將系統(tǒng)內(nèi)的信息送至現(xiàn)場(chǎng)總線服務(wù)器；副立井提升與井下防爆蓄電池機(jī)車構(gòu)成的輔助運(yùn)輸系統(tǒng)采用信集閉系統(tǒng)及自動(dòng)定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示副井罐籠運(yùn)行位置及運(yùn)行狀況；礦井通風(fēng)系統(tǒng)把所有通風(fēng)設(shè)施運(yùn)行參數(shù)、工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)、及通風(fēng)設(shè)施狀況經(jīng)視頻信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸回?cái)?shù)據(jù)總線服務(wù)器；礦井井下中央水泵房實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，根據(jù)吸水井水位、水位上升速率等檢測(cè)計(jì)算值判斷礦井涌水量，自動(dòng)控制開(kāi)、關(guān)電動(dòng)閘閥，啟、停、調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行頻率以及自動(dòng)判斷啟、停臺(tái)數(shù)；根據(jù)給定的電力避峰填谷時(shí)間段實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行；根據(jù)輪換工作原則，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水泵的輪換運(yùn)行，避免單臺(tái)水泵長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致故障；壓風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，并將運(yùn)行狀況及輸送風(fēng)量及壓力狀況傳輸于信息服務(wù)器；瓦斯抽采系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控［3］。

礦井生產(chǎn)過(guò)程控制子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，設(shè)置權(quán)限工程師站，便于維護(hù)與檢測(cè)，但將各個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)送入一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)管控一體化平臺(tái)，從此可實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，構(gòu)建數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)；采用自動(dòng)控制系統(tǒng)采集現(xiàn)場(chǎng)各生產(chǎn)參數(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控；采集井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)及地面各控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用工業(yè)以太網(wǎng)前沿傳輸技術(shù)，傳遞到相應(yīng)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度和公司總體管理。

4 安全避險(xiǎn)系統(tǒng)與災(zāi)害檢測(cè)監(jiān)控預(yù)報(bào)系統(tǒng)

煤礦六大安全避險(xiǎn)系統(tǒng)包括檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)、礦井壓風(fēng)自救系統(tǒng)、礦井供水施救系統(tǒng)和通訊聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)。根據(jù)安全規(guī)程要求完善各系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)預(yù)警與報(bào)警界面，將礦井各系統(tǒng)預(yù)警與報(bào)警進(jìn)行設(shè)置，能夠可靠地建立安全信息預(yù)警，防范事故的發(fā)生。要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確、及時(shí)報(bào)警，而且根據(jù)瓦斯、水害、粉塵、防滅火等災(zāi)害不同性質(zhì)，確定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器優(yōu)化設(shè)置參數(shù)，包括傳感器的類型、數(shù)量、布置間距、位置、報(bào)警限設(shè)置等，并根據(jù)不同種類傳感器的特性和災(zāi)害發(fā)生的規(guī)律，開(kāi)發(fā)辨別災(zāi)害誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)的技術(shù)，提高礦井災(zāi)害預(yù)警及時(shí)性和可靠性。

5 數(shù)據(jù)庫(kù)與設(shè)備圖標(biāo)鏈接的建立

機(jī)電設(shè)備是礦井安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，保證設(shè)備的運(yùn)行完好是根本，加強(qiáng)設(shè)備的基礎(chǔ)管理至關(guān)重要。建立設(shè)備電子信息，囊括技術(shù)檔案、運(yùn)行與檢修履歷、檢修周期、潤(rùn)滑記錄、備品備件的倉(cāng)儲(chǔ)、廠家技術(shù)服務(wù)支撐等。建立設(shè)備管理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，并與礦井三維模型對(duì)應(yīng)鏈接，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備基本情況，實(shí)時(shí)提醒設(shè)備檢修周期及檢定周期，保證設(shè)備安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

6 辦公OA系統(tǒng)

礦井生產(chǎn)與經(jīng)營(yíng)管理信息傳輸、流程審批、上傳下達(dá)由辦公自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)品產(chǎn)量監(jiān)控、煤質(zhì)檢驗(yàn)、銷售管理等均實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理，實(shí)時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表，并融于OA系統(tǒng)。

7 結(jié)語(yǔ)

總之，通過(guò)數(shù)字化礦井綜合構(gòu)建，裕源煤礦生產(chǎn)、安全、經(jīng)營(yíng)、管理與生產(chǎn)要素實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、模型化、可視化、集約化、科學(xué)化，使礦井實(shí)現(xiàn)安全、高效、低耗的局面，提高抗災(zāi)能力與核心競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］ 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦安全規(guī)程［S］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2011：10－13.

［2］ 鄒湘軍，孫健，何漢武，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的演變發(fā)展與展望［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004，16（9）：1 905－1 909.

［3］ 毛善君，熊偉.煤礦虛擬環(huán)境系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)與初步實(shí)現(xiàn)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2005，30（5）：571－575.