王琰濤 張 帥

（兗礦能源集團(tuán)股份有限公司，山東 鄒城 273500）

1 工程概況

兗礦能源集團(tuán)濟(jì)寧三號(hào)煤礦坐落在濟(jì)寧市郊區(qū)微山湖畔，井田位于濟(jì)寧東部煤田南部，井田南北走向長(zhǎng)10 km，東西傾斜寬10～13 km，面積大約110 km2。礦井地質(zhì)儲(chǔ)量8.8 億t，工業(yè)儲(chǔ)量8 億t，可采儲(chǔ)量5.3 億t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力500 萬(wàn)t/a。礦井屬低瓦斯礦井，各煤層均有煤塵爆炸危險(xiǎn)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(shè)的思路分析

根據(jù)濟(jì)寧三號(hào)煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)狀，通過(guò)信息化升級(jí)融合，以“安全監(jiān)控實(shí)時(shí)化，過(guò)程控制自動(dòng)化”為目標(biāo)，構(gòu)建全礦井統(tǒng)一、穩(wěn)定、共享、高效的智慧管控平臺(tái)，以原煤生產(chǎn)為主線，對(duì)“采、掘、機(jī)、運(yùn)、通、人、財(cái)、物、產(chǎn)、供、銷、地測(cè)、瓦斯、防治水”等主要安全生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)環(huán)節(jié)，進(jìn)行多因素全流程的集中、協(xié)同，優(yōu)化控制與智能運(yùn)行，以GIS“一張圖”為依托，以大屏、PC 和移動(dòng)終端為載體，服務(wù)于煤礦安全生產(chǎn)，具有立體化展示、協(xié)同辦公、超前預(yù)測(cè)、智能報(bào)警與聯(lián)動(dòng)、應(yīng)急救援與指揮、智能決策與分析功能，構(gòu)成面向礦井安全、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)及調(diào)度指揮的綜合性智慧管控平臺(tái)。

主要從智能采煤工作面的構(gòu)建、智能化掘進(jìn)工作面的構(gòu)建、工業(yè)控制安全系統(tǒng)的構(gòu)建、安全生產(chǎn)智慧管控平臺(tái)的構(gòu)建四個(gè)方面進(jìn)行闡述[1-2]。

3 基于信息化的智能化工作面的構(gòu)建

3.1 智能化采煤工作面的構(gòu)建

濟(jì)寧三號(hào)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(jī)設(shè)備集中控制系統(tǒng)、工作面及地面語(yǔ)音通信系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、采煤機(jī)控制及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成。通過(guò)由以太網(wǎng)液壓支架控制器組成的工作面以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，將各子系統(tǒng)集成到工控自動(dòng)化平臺(tái)上。

（1）MG500/1130-MD3 型采煤機(jī)配有DSP 電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，裝配有18 種精確傳感器，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)感知、采高、位置數(shù)據(jù)等采集功能，實(shí)現(xiàn)截割電機(jī)、牽引電機(jī)的遠(yuǎn)程啟停及牽引電機(jī)換向、加減速、搖臂升降調(diào)節(jié)等功能。安裝的高精度慣性導(dǎo)航裝置可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)三維定位及工作面自動(dòng)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(bào)警三色燈和7 個(gè)監(jiān)測(cè)傳感器等輔助設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)人員精確定位、聲光報(bào)警以及支架姿態(tài)感知功能。每6 臺(tái)支架配置1個(gè)云臺(tái)攝像儀，實(shí)現(xiàn)工作面視頻自動(dòng)跟機(jī)監(jiān)視、人員動(dòng)態(tài)捕捉、語(yǔ)音實(shí)時(shí)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(jī)位置自動(dòng)完成支架伸收護(hù)幫、移架等操作，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)壓。支架安裝有自動(dòng)噴霧裝置，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)降塵作業(yè)。

（3）SGZ800/2×700 型 刮 板 輸 送 機(jī) 配 有37DCD 型工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由KXJ127 型控制器構(gòu)成的監(jiān)測(cè)主站和監(jiān)測(cè)分站、液控系統(tǒng)及各傳感器等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)刮板輸送機(jī)關(guān)鍵零部件運(yùn)行參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)機(jī)尾伸縮的手動(dòng)和自動(dòng)控制功能。

（4）BRW500/31.5 型變頻一體機(jī)乳化泵，實(shí)現(xiàn)終采線外遠(yuǎn)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(dòng)配比裝置、自動(dòng)高壓反沖洗過(guò)濾裝置以及回液過(guò)濾站，設(shè)備狀態(tài)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。

（5）地面集控中心配備2 臺(tái)主機(jī)、2 臺(tái)Web服務(wù)器、4 臺(tái)32 英寸顯示器，顯示采煤機(jī)、液壓支架等運(yùn)行工況。裝配采煤機(jī)、支架和三機(jī)泵站操縱臺(tái)，通過(guò)主機(jī)軟件實(shí)施對(duì)井下采煤機(jī)、液壓支架和三機(jī)泵站的啟停、監(jiān)控等操作。井下順槽集控中心配備2 臺(tái)控制器、6 臺(tái)21.5 英寸顯示器，與地面集控中心同步顯示運(yùn)行工況，實(shí)施啟停、監(jiān)控與操作功能。建立可語(yǔ)音通信的視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面設(shè)備全覆蓋以及固定轉(zhuǎn)載點(diǎn)視頻監(jiān)控功能，并能根據(jù)采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)視頻自動(dòng)跟機(jī)功能。支持Web 訪問(wèn)功能，通過(guò)智能礦山手機(jī)app 軟件實(shí)時(shí)查詢信息。

整套設(shè)備實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)和液壓支架遠(yuǎn)程操作，整個(gè)工作面設(shè)備實(shí)現(xiàn)順序啟動(dòng)、一健啟停，具備運(yùn)輸轉(zhuǎn)載機(jī)、機(jī)組電纜、輸送帶尾自移集控，煤流鐵器清理集中控制，煤倉(cāng)煤位連鎖控制等多項(xiàng)自動(dòng)化拉制功能。

3.2 智能化掘進(jìn)工作面的構(gòu)建

濟(jì)寧三號(hào)煤礦211 采區(qū)軌道下山智能化掘進(jìn)工作面構(gòu)建以掘進(jìn)機(jī)自主截割、帶式輸送機(jī)機(jī)尾自移、遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控為基礎(chǔ)，以機(jī)械化支護(hù)及輔助運(yùn)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(shì)。

（1）智能化掘進(jìn)機(jī)及自移式帶式輸送機(jī)機(jī)尾均具備本機(jī)操作、離機(jī)視距操作、離機(jī)超視距操作及地面集控操作功能，可通過(guò)遙控器一鍵啟停掘進(jìn)機(jī)、帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾。

（2）實(shí)現(xiàn)四種模式截割及機(jī)尾一健自移。掘進(jìn)機(jī)裝備慣性導(dǎo)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(shí)現(xiàn)機(jī)器決策為主、人工干預(yù)為輔的遠(yuǎn)程可視化斷面成形控制。通過(guò)設(shè)定循環(huán)進(jìn)尺和步距，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)機(jī)尾一鍵自移。

（3）做到人員本安生產(chǎn)及闖入預(yù)警停機(jī)。專用操作硐室及地面集控中心均可遠(yuǎn)程遙控操作工作面設(shè)備，體現(xiàn)了無(wú)人則安的理念，實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)安全型生產(chǎn)。同時(shí)，設(shè)備安裝人員安全管控系統(tǒng)，做到人員誤入、闖入預(yù)警及停機(jī)，切實(shí)保證人員安全。

（4）利用輸助運(yùn)輸及機(jī)械化支護(hù)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(jī)械化支護(hù)及后配套輔助運(yùn)輸問(wèn)題，減輕職工勞動(dòng)強(qiáng)度，降低噪聲危害，提高支護(hù)效率及物料運(yùn)輸效率。

（5）通過(guò)多數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳輸預(yù)測(cè)指導(dǎo)生產(chǎn)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)的工況性能，可提供故障預(yù)警、原因查找、解決方案。

4 工業(yè)控制安全系統(tǒng)的構(gòu)建

互聯(lián)網(wǎng)出口安全域具備外網(wǎng)攻擊防護(hù)、互聯(lián)網(wǎng)審計(jì)等整體安全防護(hù)模塊，包括從L2～L7 的整體安全防護(hù)、互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)日志審計(jì)，解決了業(yè)務(wù)系統(tǒng)將來(lái)面臨的安全防護(hù)困擾、違法違規(guī)等問(wèn)題。

部署1 臺(tái)第二代防火墻，滿足安全控制要求。針對(duì)邊界進(jìn)行隔離和訪問(wèn)控制，保護(hù)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，從L2～L7 層對(duì)攻擊進(jìn)行防護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)入侵事件的監(jiān)控、阻斷，保護(hù)整體網(wǎng)絡(luò)各個(gè)安全域免受外網(wǎng)惡意攻擊。部署1 臺(tái)上網(wǎng)行為管理設(shè)備，用來(lái)合規(guī)審計(jì)、流量管控和應(yīng)用管控，保障業(yè)務(wù)帶寬和業(yè)務(wù)正常訪問(wèn)。

在核心業(yè)務(wù)區(qū)邊界網(wǎng)橋部署1 臺(tái)第二代防火墻，做邊界隔離防御和訪問(wèn)控制，同時(shí)開啟IPS 和WAF模塊，實(shí)現(xiàn)流量雙向防護(hù)，檢測(cè)內(nèi)網(wǎng)僵尸主機(jī)，抵御病毒、木馬、DDOS 等攻擊行為，針對(duì)黑客攻擊鏈所有環(huán)節(jié)均可持續(xù)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)L2～L7 安全檢測(cè)與防護(hù)。部署數(shù)據(jù)庫(kù)審計(jì)系統(tǒng)和終端安全檢測(cè)與響應(yīng)軟件，能夠提供虛擬機(jī)的東西向防護(hù)、主機(jī)訪問(wèn)控制、主機(jī)入侵防范、主機(jī)殺毒等功能。

針對(duì)辦公網(wǎng)和工控網(wǎng)之間設(shè)置數(shù)據(jù)交換區(qū)，分別部署1 臺(tái)工業(yè)防火墻和1 臺(tái)工業(yè)網(wǎng)閘，邊界安全隔離設(shè)備功能包括應(yīng)用代理、文件交換、數(shù)據(jù)庫(kù)同步、視頻交換、視頻點(diǎn)播、Web 代理等，使用戶可以在網(wǎng)絡(luò)隔離的同時(shí)做適度的數(shù)據(jù)交換，解決網(wǎng)絡(luò)隔離與數(shù)據(jù)交換的問(wèn)題，部署于辦公網(wǎng)與工業(yè)網(wǎng)路邊界。

5 安全生產(chǎn)智慧管控平臺(tái)的構(gòu)建

濟(jì)寧三號(hào)煤礦采用最新空間信息、大數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、分布式協(xié)同“一張圖”等技術(shù)，構(gòu)建了煤礦一體化管控的新型安全生產(chǎn)智慧管控平臺(tái)。平臺(tái)通過(guò)將煤炭業(yè)務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)煤礦業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在礦井內(nèi)部以及礦井到集團(tuán)公司的橫向、縱向流通，形成安全生產(chǎn)信息共享平臺(tái)。建立基于大數(shù)據(jù)的煤礦安全生產(chǎn)智能診斷模型，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)管理的協(xié)同調(diào)度、集中管控及科學(xué)決策。

（1）通過(guò)“圖形+生產(chǎn)過(guò)程+環(huán)境+感知+業(yè)務(wù)+視頻”數(shù)據(jù)的有效關(guān)聯(lián)挖掘和處理，圖文并茂地展現(xiàn)安全生產(chǎn)狀況和綜合生產(chǎn)態(tài)勢(shì)，實(shí)時(shí)掌握礦井安全、生產(chǎn)、管理等多方面的整體態(tài)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井安全生產(chǎn)的智能輔助決策、調(diào)度指揮、即時(shí)管控。

（2）GIS 平面“一張圖”以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)一張圖的礦區(qū)導(dǎo)航、跨平臺(tái)看圖，協(xié)同在線更新等功能，將圖形、感知、生產(chǎn)過(guò)程、視頻、業(yè)務(wù)等各類安全生產(chǎn)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(zāi)。

（3）采用組件式開發(fā)技術(shù)和統(tǒng)一的GIS 平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了地測(cè)、采礦、機(jī)電、通風(fēng)、安全、監(jiān)測(cè)、調(diào)度管理等專業(yè)功能的組件化管理，可依據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整。

（4）實(shí)現(xiàn)多部門、多專業(yè)、多層面空間業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的集成與可視化展示，使遠(yuǎn)程可視化井下實(shí)時(shí)巡查成為現(xiàn)實(shí)，為智能工作面提供數(shù)據(jù)基底，為智能開采及智能掘進(jìn)遠(yuǎn)程可視化控制系統(tǒng)服務(wù)。

6 效果分析

兗礦能源集團(tuán)濟(jì)寧三號(hào)煤礦進(jìn)行了基于信息化融合的智慧礦山建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的智能感知、信息及數(shù)據(jù)融合分析，遠(yuǎn)程集中控制、聯(lián)動(dòng)預(yù)警、視頻人工智能應(yīng)用分析，并提供決策支持，進(jìn)一步完善了過(guò)程自動(dòng)化、綜合調(diào)度指揮等功能，有效提升了礦井的管理水平和生產(chǎn)效率。

信息化智慧礦山系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下變電所、泵房、壓風(fēng)機(jī)房、主井提升機(jī)房、主運(yùn)輸帶式輸送機(jī)全自動(dòng)、無(wú)人化運(yùn)行，累計(jì)減少崗位工人112 人，每年可減少工資投入約880 萬(wàn)元，安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性效果顯著，實(shí)現(xiàn)了少人、無(wú)人的目標(biāo)，達(dá)到了少人則安的效果。同時(shí)，利用手機(jī)app 軟件移動(dòng)辦公、學(xué)習(xí)等功能，實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化辦公，提升了礦井形象。