文/陳 卓

智能礦山是我國重點(diǎn)培育發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一。河南能源義煤公司耿村煤礦在國家推動煤炭安全建設(shè)的大背景下，大力開展智能礦山綜合自動化系統(tǒng)建設(shè)。系統(tǒng)覆蓋智能礦山生產(chǎn)系統(tǒng)、安全監(jiān)測和應(yīng)急調(diào)度指揮等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)現(xiàn)場的各類動態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線采集和高速傳輸，為煤礦井下安全生產(chǎn)過程的監(jiān)測、控制和跟蹤管理，以及生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)管理等方面提供了有效的科技支撐，保證了安全管理實(shí)時(shí)化、系統(tǒng)化、科學(xué)化。

一、實(shí)施智能礦山建設(shè)的背景和意義

隨著煤礦安全生產(chǎn)新技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，礦井安全生產(chǎn)綜合監(jiān)控已向智能化方向發(fā)展。開展智能礦山綜合自動化系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)，符合《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》關(guān)于“安全生產(chǎn)”的戰(zhàn)略目標(biāo)。煤炭企業(yè)在生產(chǎn)過程中，不僅要對采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、液壓支架、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、輸送機(jī)等大型設(shè)備的工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，還要對礦山壓力、瓦斯、一氧化碳、煤塵等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。目前，實(shí)現(xiàn)礦山智能化、無人化的核心技術(shù)與瓶頸問題，是煤礦主要生產(chǎn)系統(tǒng)的智能控制與安全監(jiān)測大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)研究與相關(guān)產(chǎn)品的研制。智能礦山綜合自動化系統(tǒng)的建設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)智能礦山主要生產(chǎn)系統(tǒng)（綜采工作面、主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)）智能集中控制；實(shí)現(xiàn)主要生產(chǎn)區(qū)域人員精確定位管理；實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，綜采工作面、主運(yùn)輸巷道等關(guān)鍵生產(chǎn)場所安全監(jiān)測與重大災(zāi)害預(yù)警；實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合通信、智能化調(diào)度。

耿村煤礦綜合智能化總體改造力求保證未來投資與已有的投資高效整合，真正為耿村煤礦提高生產(chǎn)的安全性和生產(chǎn)效率打下一個良好的基礎(chǔ)。項(xiàng)目的實(shí)施將填補(bǔ)耿村煤礦主要生產(chǎn)系統(tǒng)和裝備自動化集中控制等領(lǐng)域的研究與應(yīng)用空白，對探索煤礦無人化、少人化開采，提高煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)水平具有重大意義。

二、主要做法

1.主要研究及開發(fā)的內(nèi)容

（1）研發(fā)智能礦山生產(chǎn)與安全一體化綜合自動化平臺，包括礦山生產(chǎn)系統(tǒng)智能控制、安全大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測等多個子系統(tǒng)。

（2）研發(fā)綜采工作面生產(chǎn)設(shè)備控制子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作面生產(chǎn)及配套設(shè)備協(xié)同工作、集中控制、故障診斷。

（3）研發(fā)主煤流運(yùn)輸自動化控制子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)順/逆煤流全自動順序集中控制、故障診斷、音視頻聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)無人值守。

（4）研發(fā)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測平臺，實(shí)現(xiàn)礦山主要生產(chǎn)設(shè)備、人員以及環(huán)境安全實(shí)時(shí)監(jiān)測。

（5）研發(fā)多網(wǎng)融合通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井異構(gòu)通信系統(tǒng)互聯(lián)互通、統(tǒng)一調(diào)度指揮。

2.實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

（1）基于物聯(lián)網(wǎng)的智能礦山模型理論體系。提出基于物聯(lián)網(wǎng)的智能礦山理論模型，建立智能礦山三層平臺綜合自動化系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)體系和智慧礦山多協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次模型。

（2）基于物聯(lián)網(wǎng)的智能礦山安全生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)全覆蓋傳輸平臺體系。開發(fā)建立了100/1000/10000Mbps工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+WiFi+CAN現(xiàn)場總線全覆蓋網(wǎng)絡(luò)傳輸體系，實(shí)現(xiàn)礦山各種自動化及監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)的接入和信息共享。

（3）礦井寬帶無線通信支撐平臺。本項(xiàng)目研究礦山復(fù)雜環(huán)境條件下，高效、動態(tài)、靈活的組網(wǎng)與實(shí)時(shí)可靠的信息傳輸關(guān)鍵技術(shù)，研究自組織與新型礦山地下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)多跳組網(wǎng)技術(shù)，給出有效的覆蓋和連通性保持及障礙物避免算法，實(shí)現(xiàn)快速自組織重構(gòu)的抗毀路由技術(shù)和自適應(yīng)物理層訪問技術(shù)。依托高速工業(yè)以太網(wǎng)，建立礦山冗余、有重構(gòu)能力的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的救災(zāi)應(yīng)急系統(tǒng)平臺。

（4）智能礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)及接入關(guān)鍵技術(shù)的研究。研究基于IP的煤礦融合通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦調(diào)度通信的革新和升級換代。礦井安全生產(chǎn)自動化監(jiān)控各子系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對井上/下運(yùn)輸、四大運(yùn)轉(zhuǎn)（通風(fēng)、壓風(fēng)、提升、排水）、井下供電等礦井各安全生產(chǎn)環(huán)節(jié)的“遙測、遙信和遙控”。開發(fā)流媒體信息傳輸及控制技術(shù)，研制了礦井?dāng)?shù)字化圖像監(jiān)視系統(tǒng)及數(shù)字音視頻一體化攝像儀等設(shè)備，解決了礦井上/下之間的遠(yuǎn)程圖像、圖形交互傳輸與控制技術(shù)。

（5）智能礦山綜合監(jiān)控信息集成軟件系統(tǒng)。構(gòu)建三層平臺，以安全生產(chǎn)、自動化等信息系統(tǒng)為其子系統(tǒng)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流和管理信息流等各子系統(tǒng)集成統(tǒng)一的信息平臺。通過企業(yè)內(nèi)部計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，基于分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了各子系統(tǒng)的無縫集成和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Web瀏覽。

（6）預(yù)警及應(yīng)急救援系統(tǒng)。煤礦受瓦斯、煤塵、水災(zāi)、火災(zāi)、頂板、地溫、沖擊地壓等災(zāi)害威脅，關(guān)口前移，做好事故的預(yù)防是關(guān)鍵。開發(fā)預(yù)警及應(yīng)急救援系統(tǒng)，若一旦發(fā)生事故，可以最大限度地減少事故造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

（7）礦井融合擴(kuò)播通訊及聯(lián)動系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以安全、可靠、先進(jìn)為原則，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在安全生產(chǎn)指揮調(diào)度中心對井下所有區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視和控制，做到無通訊盲區(qū)。

3.采取的技術(shù)路線及關(guān)鍵技術(shù)

（1）提出智能礦山綜合自動化理論模型。建立智慧礦山綜合自動化系統(tǒng)平臺三層結(jié)構(gòu)體系。三層結(jié)構(gòu)體系包括感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 智能礦山網(wǎng)絡(luò)模型

（2）開發(fā)綜合自動化平臺。綜合自動化平臺以信息集成為核心，有效整合各種資源信息，從總體角度對礦山信息進(jìn)行調(diào)度管理。采用分布式的系統(tǒng)架構(gòu)，建立數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)表示三層應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)。

（3）進(jìn)行智能礦山自動化系統(tǒng)和接入技術(shù)的研究及關(guān)鍵裝置的開發(fā)。依托現(xiàn)有的綜合自動化子系統(tǒng)，相關(guān)開發(fā)系統(tǒng)主要包括：①采掘設(shè)備遙測遙控技術(shù)研究和開發(fā)；②礦井自組織無線傳感網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究和開發(fā)；③煤礦井下人員管理與救援支持系統(tǒng)研究和開發(fā)；④網(wǎng)絡(luò)化的煤礦井下風(fēng)網(wǎng)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)；⑤煤礦井下斜巷絞車軌道運(yùn)輸遠(yuǎn)程安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)研究和開發(fā)；⑥煤礦應(yīng)急救援廣播與播音通信系統(tǒng)開發(fā)；⑦流媒體信息傳輸及控制技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)；⑧多功能綜合接入網(wǎng)關(guān)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了礦井安全生產(chǎn)綜合監(jiān)控與聯(lián)動控制。

建立了基于物聯(lián)網(wǎng)模式的礦山綜合自動化技術(shù)體系，促進(jìn)了耿村煤礦采礦技術(shù)向可視化、智能化、自動化方向發(fā)展。

（4）自主研發(fā)智能化監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)平臺。實(shí)現(xiàn)煤礦井上/下人員、設(shè)備和環(huán)境的實(shí)時(shí)、安全、高效的協(xié)同管理和綜合監(jiān)控，提升了煤礦安全監(jiān)控智能化水平，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害預(yù)警、安全生產(chǎn)、無人/少人開采的智慧模式。

三、效益預(yù)測分析

1.直接效益

智能礦山綜合自動化系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用，提高了勞動生產(chǎn)率。項(xiàng)目實(shí)施后，預(yù)計(jì)可使耿村煤礦生產(chǎn)能力提高2.5%以上，按目前的產(chǎn)量360萬噸/年計(jì)算，每年至少可以多生產(chǎn)原煤9萬噸，按每噸300元計(jì)算，可增效2700萬元。同時(shí)，該系統(tǒng)建成后，可減少約40人，按2021年度煤礦人均工資4.0萬元計(jì)算，每年可節(jié)約工資及其他福利約160萬元。

2.間接效益

智能礦山綜合自動化系統(tǒng)的建設(shè)，不僅使得煤礦生產(chǎn)效率大幅度提升，亦使工程的施工質(zhì)量、人員的正規(guī)操作等方面得到了顯著改善，而且降低了企業(yè)安全管理成本，為井下安全生產(chǎn)管理提供了實(shí)時(shí)、可靠的技術(shù)保證，能夠適應(yīng)煤礦安全工作新形勢的需要。