李彭波 鄧海賓

（山東能源棗礦集團(tuán)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(jī)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(shí)現(xiàn)煤礦各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能化運(yùn)行，對實(shí)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(tuán)七五煤業(yè)公司位于山東省濟(jì)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(biāo)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(shí)現(xiàn)了煤礦各系統(tǒng)的融合與聯(lián)動，消除了信息孤島，實(shí)現(xiàn)了采掘、機(jī)運(yùn)、“一通三防”、分選、裝車等各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程集中控制。數(shù)據(jù)采集點(diǎn)超過7 萬個，將礦井生產(chǎn)狀態(tài)與信息化進(jìn)行全面融合，為實(shí)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(shí)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(shí)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(jī)為節(jié)點(diǎn)，實(shí)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(shí)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(diǎn)多、接入面廣、接入形式多樣等特點(diǎn)。礦井“一網(wǎng)一站”配合萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)，實(shí)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(yùn)行維護(hù)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(yuǎn)端控制功能，既展示了煤礦井下設(shè)備的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，也實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程集中控制。

七五煤業(yè)搭建了智能化管控平臺，實(shí)現(xiàn)了跨系統(tǒng)融合和聯(lián)動控制，實(shí)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(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析提供了平臺，對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，從而進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的采集上傳，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控，改變了“上傳下達(dá)”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(yuǎn)程監(jiān)控等功能，實(shí)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(shí)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(jìn)行固化，以實(shí)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(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)、機(jī)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(shí)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(shí)踐中，主要建設(shè)目標(biāo)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(jī)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自身的穩(wěn)定運(yùn)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(jī)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(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行AI 分析，應(yīng)用分析結(jié)果反向控制煤機(jī)自主運(yùn)行，很大程度上可實(shí)現(xiàn)煤機(jī)截割的平穩(wěn)過渡。煤機(jī)與支架的自主運(yùn)行能力提高，綜采控制方式逐漸由就地操作向跟機(jī)監(jiān)護(hù)以及遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)運(yùn)行轉(zhuǎn)變，形成了“自主預(yù)測、局部干預(yù)、遠(yuǎn)程控制”的割煤新模式。

4.2 掘進(jìn)運(yùn)輸系統(tǒng)智能化

七五煤業(yè)公司的掘進(jìn)智能化發(fā)展，以掘進(jìn)運(yùn)輸系統(tǒng)為起點(diǎn)，投用掘進(jìn)長運(yùn)距單點(diǎn)永磁變頻驅(qū)動膠帶機(jī)，以固定設(shè)備遠(yuǎn)程控制、移動設(shè)備聯(lián)動控制為主，實(shí)現(xiàn)了膠帶機(jī)的遠(yuǎn)程集中控制以及梭車、破碎機(jī)的聯(lián)動控制；通過視頻分析與智能保護(hù)等手段，提高對膠帶機(jī)固定設(shè)備的監(jiān)護(hù)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(yùn)系統(tǒng)無人值守

主運(yùn)系統(tǒng)作為煤流運(yùn)輸?shù)暮诵?，遠(yuǎn)程集中控制技術(shù)已趨于成熟，主運(yùn)設(shè)備相對固定不變，為實(shí)現(xiàn)主運(yùn)系統(tǒng)無人值守提供了便利條件。主運(yùn)系統(tǒng)無人值守的重點(diǎn)在于對主運(yùn)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(jī)器人的逐步成熟，完全可代替人工巡檢，設(shè)備的監(jiān)護(hù)可通過檢測與識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如設(shè)備在線點(diǎn)檢、鋼絲繩無損監(jiān)測、防縱向撕裂技術(shù)、膠帶機(jī)防滅火技術(shù)以及智能視頻識別技術(shù)等。相較而言，主運(yùn)系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)高低壓設(shè)備智能控制和高可靠性為主，通過實(shí)現(xiàn)高壓設(shè)備的“五遙”功能以及防越級跳閘，實(shí)現(xiàn)高壓供電的穩(wěn)定；低壓設(shè)備的遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)斷電可控，確保送電功能的實(shí)時有效。對于固定的變電所宜采用軌道式或輪式機(jī)器人，根據(jù)需要搭載各類型傳感器，實(shí)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(shí)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(bǔ)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(shí)現(xiàn)自主運(yùn)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(jìn)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(shí)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(jìn)行回收；通過間壁換熱實(shí)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(jī)器人，通過搭載的各類傳感器與視頻智能分析系統(tǒng)，實(shí)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)度、提高工作效率有重要意義，如巷道修復(fù)車、掏槽機(jī)器人以及履帶式液壓自動鉆機(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的集中控制，又可以實(shí)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(yùn)行模式，變被動搶修為主動維護(hù)，提高設(shè)備有效運(yùn)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(jìn)程，將煤礦井下的重要系統(tǒng)通過5G 實(shí)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(diǎn)。

（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(shí)現(xiàn)綜采工作面調(diào)直以及掘進(jìn)自動化具有重要意義，輔助激光雷達(dá)、定位以及激光識別等技術(shù)，為自動掘進(jìn)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(tuán)七五煤業(yè)智能礦山建設(shè)的探索實(shí)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(shí)踐成果、智能化礦井關(guān)鍵技術(shù)四方面進(jìn)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(yùn)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(jìn)一步完善。