呼少平，鞏師鑫，任懷偉，范生軍，毛小娃，賀 劍

(1.陜煤集團神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719399；2.中煤科工開采研究院有限公司 智能化開采分院，北京 100013；3.天地科技股份有限公司，北京 100013)

自新中國成立以來，我國煤礦工業(yè)實現(xiàn)了從人工開采、機械化開采到自動化開采的進步，并逐漸邁向智能化開采的新階段[1]。在薄煤層智能化開采方面，峰峰集團薛村煤礦、陽煤集團登茂通煤礦分別實現(xiàn)了薄煤層工作面無人操作全自動化開采模式[2，3]，張家峁煤礦研發(fā)了0.8～1.3 m薄煤層智能化綜采成套技術(shù)與裝備，實現(xiàn)了薄煤層無人化開采[4]。在中厚煤層智能化開采方面，黃陵礦業(yè)集團公司集成跟機自動化技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、集控技術(shù)、記憶截割技術(shù)等，建成了我國第一個智能化工作面[5]；轉(zhuǎn)龍灣煤礦通過應(yīng)用慣導(dǎo)技術(shù)，與采煤機截割工藝有效融合，實現(xiàn)了采煤機的自動截割[6]；錦界煤礦通過采用井上調(diào)度室、井下遠程監(jiān)控臺、機頭遙控控制室的三級控制，實現(xiàn)了中厚煤層的常態(tài)化智能開采[7]。在大采高和超大采高智能化開采方面，自2010年起，我國先后在補連塔煤礦、金雞灘煤礦、上灣煤礦等相繼建成了世界首個7.0、8.0、8.2和8.8 m[8-11]超大采高的智能化綜采工作面；研發(fā)了20 m以上特厚煤層綜放成套技術(shù)與裝備，堅硬厚煤層超大采高智能化綜放工作面機采高度達到7.0 m，為世界提供了厚煤層高效開采的中國模式[12]。其他方面，相關(guān)研究人員研發(fā)了針對大傾角、千米深井等復(fù)雜條件工作面的綜采成套裝備與技術(shù)，基于液壓支架與圍巖強度、剛度和穩(wěn)定性耦合原理構(gòu)建了工作面“人-機-環(huán)”智能化開采理論與技術(shù)體系[13]。上述研究在薄、中厚、厚及特厚煤層工作面智能開采技術(shù)與基礎(chǔ)理論方面形成了豐富的技術(shù)儲備和研究成果，能夠為多種賦存條件的工作面智能開采提供技術(shù)支撐。

煤礦智能化建設(shè)是煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必經(jīng)之路。結(jié)合智能化煤礦的發(fā)展需求，以智慧煤礦總體規(guī)劃及綜合管理操作平臺設(shè)計、地質(zhì)及礦井采掘運通信息動態(tài)管理操作系統(tǒng)、智能化無人生產(chǎn)系統(tǒng)、智能化巷道掘進系統(tǒng)、環(huán)境感知及輔助系統(tǒng)、全礦井設(shè)備和設(shè)施健康綜合管理系統(tǒng)、智能場區(qū)建設(shè)等為主線，進行張家峁智慧煤礦巨系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)與示范礦井建設(shè)。

1 張家峁智能化煤礦頂層架構(gòu)設(shè)計及智能化標準體系建立

1.1 頂層架構(gòu)設(shè)計

張家峁智能化煤礦建設(shè)主旨為實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)管理智慧化，通過云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為代表的新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)煤炭行業(yè)的融合創(chuàng)新，提升企業(yè)綜合實力。

張家峁智能化煤礦架構(gòu)可分為設(shè)備感知層、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)服務(wù)層和應(yīng)用層四部分，如圖1所示。

圖1 智能化煤礦總體技術(shù)架構(gòu)

張家峁智能化煤礦基于“資源化、場景化、平臺化”建設(shè)思想，圍繞生產(chǎn)、管理、生活自動化、智能化應(yīng)用需求，通過在設(shè)備感知層構(gòu)建多元信息統(tǒng)一管理平臺，實現(xiàn)整個煤礦的數(shù)據(jù)資產(chǎn)統(tǒng)一存儲利用；同時，構(gòu)建覆蓋整個礦區(qū)的高效通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)、管理以及生活安全高效的數(shù)據(jù)訪問與傳輸服務(wù)，在此基礎(chǔ)上通過研發(fā)各類場景化算法和模型，為生產(chǎn)管理提供決策依據(jù)，形成實時反映張家峁煤礦運行狀態(tài)的煤礦領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙。

1.2 煤礦智能化標準體系

隨著智能化煤礦各類系統(tǒng)的快速迭代，規(guī)范化管理已經(jīng)成為智能化煤礦建設(shè)成敗的關(guān)鍵。依據(jù)智能化煤礦參考模型和重點技術(shù)領(lǐng)域，構(gòu)建煤礦智能化標準體系框架，如圖2所示。

圖2 煤礦智能化標準體系框架

2 智能化煤礦復(fù)雜巨系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智慧煤礦業(yè)務(wù)中臺

煤礦信息化系統(tǒng)是逐步建設(shè)完成的，由于歷史發(fā)展的原因，信息化建設(shè)前期缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，系統(tǒng)建設(shè)與實際需求不能完全匹配；信息化系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)框架與標準化程度較為落后，系統(tǒng)開發(fā)實施周期較長；系統(tǒng)運維效率低下，對系統(tǒng)進行升級、優(yōu)化的能力較差[14]。

從系統(tǒng)集成的角度來看，目前礦井有關(guān)生產(chǎn)、安全、管理的自動化與信息化水平相對較低，特別是煤礦各類信息化系統(tǒng)尚沒有相關(guān)的統(tǒng)一規(guī)范，導(dǎo)致各系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口無法互通，信息資源難以共享。

從系統(tǒng)管理情況來看，目前礦井生產(chǎn)執(zhí)行的各類采、掘、機、運、通、安全管理等方面存在標準不統(tǒng)一、平臺軟件不統(tǒng)一、應(yīng)用功能不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)交換和共享不便等問題，數(shù)據(jù)的一致性、時效性無法保障。

針對以上問題，建立相應(yīng)的業(yè)務(wù)中臺，將現(xiàn)有業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)整合起來，并為未來建設(shè)的業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)提供整體平臺支撐，將應(yīng)用系統(tǒng)進行整體集成，提高信息化系統(tǒng)的利用程度。同時，基于對煤礦的信息化建設(shè)的現(xiàn)狀的分析，建立一套統(tǒng)一的標準化業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中臺，對現(xiàn)有問題的解決有著重要意義。

2.2 煤礦5G移動通信技術(shù)

5G是新一代蜂窩移動通信技術(shù)，具有傳輸速率高、時延小、可靠性高、容量大等優(yōu)點，目前已實現(xiàn)正常生活通訊功能[15]。面對煤礦井下多系統(tǒng)大量數(shù)據(jù)和視頻傳輸問題，張家峁煤礦依托5G和IPRAN等新技術(shù)，構(gòu)建高可靠的承載網(wǎng)絡(luò)，降低井下通信時延、提高傳輸帶寬，增強對移動作業(yè)的支持能力，及時掌握工作現(xiàn)場的生產(chǎn)動態(tài)，使危險因素變可知，使操作過程變可控。

張家峁煤礦通過5G下井安裝測試工作，獲得上傳速率127 Mbps，時延低于20 ms，有效覆蓋半徑達到300 m的實測數(shù)據(jù)，基本掌握了5G在井下覆蓋規(guī)律，基于實測數(shù)據(jù)設(shè)計智能礦山整體網(wǎng)絡(luò)?？傮w建設(shè)思路是：采用阻燃和抗沖擊光纜構(gòu)成安全可靠的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)；引入IPRAN技術(shù)構(gòu)建井下電信級萬兆環(huán)網(wǎng)；形成“4G全覆蓋+重點場景5G基站”方式實現(xiàn)井下全域高速網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)綜采工作面多數(shù)據(jù)源信息回傳、掘進面高清視頻回傳等應(yīng)用，滿足智能化礦山對承載網(wǎng)絡(luò)的全部需求，實現(xiàn)“一張網(wǎng)”的智能化管理運營模式。

2.3 透明礦山三維管控平臺關(guān)鍵技術(shù)

高精度、透明化的三維地質(zhì)模型是建設(shè)透明化礦山的關(guān)鍵，也是智能開采工作面的必備基礎(chǔ)[16]。張家峁結(jié)合煤礦安全生產(chǎn)管理及智能化開采的需求，三維地理信息系統(tǒng)平臺開發(fā)實現(xiàn)時采用三層系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計，包括底層三維引擎層、透明化智能煤礦平臺層和智能煤礦三維地理信息系統(tǒng)平臺，如圖3所示。

圖3 總體技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

第一層為底層三維引擎層。通過地形信息、材質(zhì)信息、裝備載具、點線面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型等構(gòu)建整個透明化三維地理信息系統(tǒng)平臺的基礎(chǔ)引擎，實現(xiàn)三維地理信息系統(tǒng)的高效運行。

第二層為透明化智能煤礦平臺層。在底層三維引擎層的基礎(chǔ)上，開發(fā)有關(guān)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析等數(shù)據(jù)挖掘?qū)I(yè)化模型，為前端系統(tǒng)提供分析引擎。

第三層為智能煤礦三維地理信息系統(tǒng)平臺。這一層包括工作面安全智能開采系統(tǒng)和仿真培訓(xùn)演練系統(tǒng)。工作面安全智能開采系統(tǒng)基于精準的三維地質(zhì)模型實現(xiàn)煤機精準定位，仿真培訓(xùn)演練系統(tǒng)則通過人機交互實現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實的煤礦安全生產(chǎn)培訓(xùn)考核功能。

2.4 煤礦生產(chǎn)危險源分析預(yù)測技術(shù)

針對張家峁實際生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，建立了基于深度學(xué)習(xí)理論的多步預(yù)測模型。構(gòu)建了基于Encoder-Decoder框架的深度學(xué)習(xí)預(yù)測模型，以瓦斯時間序列數(shù)據(jù)為例，研究了井下傳感器之間的時空相關(guān)性，構(gòu)建了特征算子來表達監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的時序特征，并建立了瓦斯?jié)舛刃蛄卸嗖筋A(yù)測模型的自動化訓(xùn)練框架，實現(xiàn)了瓦斯?jié)舛葧r間序列數(shù)據(jù)的多時間尺度預(yù)測。該模型能夠依據(jù)井下多測點空間拓撲關(guān)系自動選擇輸入信息，并進行時序特征提取，進行實現(xiàn)瓦斯?jié)舛榷嗖筋A(yù)測。

風(fēng)險定量評估：項目組邀請應(yīng)急管理一線業(yè)務(wù)專家，對每類事故發(fā)生時的關(guān)鍵指標進行識別，并對指標閾值進行設(shè)定、識別每類事故發(fā)生時的關(guān)鍵指標、設(shè)定指標閾值，在此基礎(chǔ)上建立了事故風(fēng)險指標庫，為事故風(fēng)險評估提供定量評估依據(jù)。當(dāng)?shù)V井地測、機電、通風(fēng)等實時數(shù)據(jù)超出事故風(fēng)險指標閾值時，發(fā)布預(yù)警，實現(xiàn)事故災(zāi)前隱患預(yù)判。

最短路徑分析：建立了井下巷道拓撲關(guān)系模型，并在巷道拓撲關(guān)系的基礎(chǔ)上，根據(jù)災(zāi)害類別和實際情況進行各種專業(yè)模型分析，如在瓦斯爆炸、火災(zāi)等災(zāi)情發(fā)生的基礎(chǔ)上，構(gòu)建避災(zāi)路線分析模型，自動生成避災(zāi)路線。

2.5 礦山采掘接續(xù)一張圖集成技術(shù)

采掘失衡是煤礦生產(chǎn)需要解決的關(guān)鍵性問題。張家峁煤礦基于地質(zhì)GIS系統(tǒng)，將采掘接續(xù)工作進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，通過統(tǒng)一管理接續(xù)工程相關(guān)數(shù)據(jù)，形成接續(xù)工程信息數(shù)據(jù)庫，通過相應(yīng)模塊功能發(fā)布地圖服務(wù)，采用可視化方式管理接續(xù)圖和工程量報表，極大地方便了采掘接續(xù)工程的管理。

同時，張家峁煤礦研究礦區(qū)高分遙感數(shù)據(jù)的采集與地質(zhì)災(zāi)害辨識，開展數(shù)據(jù)采集工作，實現(xiàn)了無人機數(shù)據(jù)圖像解譯；研究煤礦地表沉陷預(yù)計與監(jiān)測，完成了22202工作面巖移觀測數(shù)據(jù)入庫與LRGIS沉陷預(yù)計算法開發(fā)、22202工作面沉陷圖制作；研究礦區(qū)InSAR數(shù)據(jù)的獲取與處理，實現(xiàn)了基于InSAR數(shù)據(jù)的研究區(qū)域大范圍時空沉降監(jiān)測；研究礦區(qū)坡體穩(wěn)定性和沉降范圍，完成15209工作面沉降邊界滑坡識別；研究礦區(qū)地裂縫、沉陷區(qū)一張圖數(shù)據(jù)集成，完成14210地裂縫數(shù)據(jù)入LRGIS和礦區(qū)沉陷治理LRGIS一張圖，實現(xiàn)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測一張圖的集成。

2.6 智能化無人工作面協(xié)同控制技術(shù)

智能開采是智能化煤礦建設(shè)的核心，工作面裝備協(xié)同控制技術(shù)實現(xiàn)無人開采的關(guān)鍵[17]。因此，張家峁煤礦基于綜采工作面煤機裝備監(jiān)測信息，開發(fā)相應(yīng)的分析算法和模型，研發(fā)綜采工作面智能控制系統(tǒng)，形成以感知為基礎(chǔ)，以決策為目標的智能開采技術(shù)體系。

綜采工作面智能控制系統(tǒng)是在目前單機智能控制的基礎(chǔ)上，通過對液壓支架、采煤機、刮板輸送機等設(shè)備的關(guān)聯(lián)狀態(tài)感知，并根據(jù)工作面綜采設(shè)備群之間的位姿關(guān)系與開采工藝時序控制邏輯，進行綜采裝備群的智能協(xié)同控制，在目前工作面監(jiān)控平臺基礎(chǔ)上，將現(xiàn)有的監(jiān)控平臺升級為智能控制系統(tǒng)。通過對工作面支護系統(tǒng)、采煤系統(tǒng)以及運輸系統(tǒng)進行多源信息監(jiān)測，形成智能感知架構(gòu)，然后通過深度學(xué)習(xí)、預(yù)測分析等智能算法實現(xiàn)煤機位姿分析、采煤機滾筒接個路徑分析、運輸負荷分析等，并將分析結(jié)果應(yīng)用于煤機控制過程，從而實現(xiàn)綜采工作面多個系統(tǒng)的協(xié)同，如圖4所示。

圖4 工作面智能控制系統(tǒng)控制示意

2.7 智能化巷道快速掘進系統(tǒng)

快速掘進系統(tǒng)的構(gòu)建是保障采掘合理接續(xù)，實現(xiàn)采掘平衡的關(guān)鍵技術(shù)之一[18]。根據(jù)張家峁煤礦采掘接續(xù)安排，為滿足1500 m/月進尺的目標，連續(xù)作業(yè)、可靠運行、簡潔高效是基本保障，對比了現(xiàn)有快掘技術(shù)與裝備優(yōu)缺點，結(jié)合張家峁煤礦的礦井條件，研發(fā)了掘錨一體化快速掘進成套裝備，開發(fā)了綜掘工作面設(shè)備協(xié)同控制系統(tǒng)，其原理如圖5所示，其中，可實現(xiàn)掘錨平行作業(yè)，煤流連續(xù)運輸?shù)?，信息實現(xiàn)了匯總、分析和反饋，使掘錨機協(xié)同控制子系統(tǒng)、錨運破一體機協(xié)同控制子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)載帶式輸送機協(xié)同控制子系統(tǒng)形成約束閉環(huán)控制，極大提高了掘進工作面的推進速度和生產(chǎn)效率。

圖5 綜掘工作面裝備協(xié)同控制原理

同時，張家峁煤礦為實現(xiàn)對上述快速智能化掘進系統(tǒng)裝備的可視化操控和融合多信息的決策，開發(fā)構(gòu)建了綜掘工作面數(shù)字監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，融合裝備位姿、環(huán)境等多源信息，實現(xiàn)掘進工作面數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬仿真決策。

2.8 環(huán)境感知及“一通三防”智能化技術(shù)

井下環(huán)境與“一通三防”信息感知是安全生產(chǎn)的基石[19]。因此，張家峁煤礦開展了“一通三防”信息感知系統(tǒng)升級改造，初步實現(xiàn)了礦井通風(fēng)、火災(zāi)智能監(jiān)測等功能，大幅升級安全監(jiān)控系統(tǒng)性能，從而有效改善了安全監(jiān)測監(jiān)控出現(xiàn)的不足。

針對礦井通風(fēng)系統(tǒng)裝備的智能化策略，提出了巷道全斷面超聲波測風(fēng)和多點運動測風(fēng)兩種精準測風(fēng)方法，通過分析智能化救災(zāi)風(fēng)門的工作原理、控制方法、技術(shù)要求和風(fēng)門類型，從總風(fēng)量調(diào)節(jié)與全礦井反風(fēng)兩方面總結(jié)了通風(fēng)機智能化的實現(xiàn)途徑，基于流體相似理論，給出了基于變頻調(diào)速進行風(fēng)量調(diào)節(jié)的原理，分析了不同全礦井反風(fēng)措施的智能化實現(xiàn)途徑，提出了多種自動風(fēng)窗的實現(xiàn)模型和局部風(fēng)量智能調(diào)控策略。

針對礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算與診斷，建立了礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的并行解算模型、基于風(fēng)網(wǎng)靈敏度的異常風(fēng)量診斷模型，為風(fēng)網(wǎng)實時解算提供了高性能的求解方法。該系統(tǒng)可進行風(fēng)機性能模擬、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算和礦井風(fēng)網(wǎng)靈敏度計算，可對礦井通風(fēng)系統(tǒng)實施更全面、更智能的監(jiān)測與預(yù)警。

針對張家峁煤礦主采煤層自然發(fā)火特點，量化分析煤自燃趨勢，實現(xiàn)煤自燃預(yù)警，研究了張家峁煤礦主采煤層煤自燃氣體產(chǎn)生規(guī)律，確定以CO濃度、C2H4濃度等指標作為張家峁5-2煤層煤自燃預(yù)警的主要指標，以C2H6、C2H4/C2H6值作為輔助指標，將煤自燃分級預(yù)警分為5個階段：常溫、30～70 ℃、70～120 ℃、120～170 ℃、>170℃，從而構(gòu)建了適用于張家峁煤礦5-2煤層煤自燃分級預(yù)警體系。

研發(fā)了礦井火災(zāi)智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，可輕松構(gòu)建全礦井網(wǎng)絡(luò)化實時在線監(jiān)測體系，自動化、高效采集多地點多參數(shù)數(shù)據(jù)，對工作面采空區(qū)、老空密閉墻、高冒區(qū)、臨空側(cè)等重點區(qū)域全天候持續(xù)監(jiān)測，實現(xiàn)監(jiān)測點的自主取氣、智能分析、智能分級預(yù)警。

2.9 智慧煤礦智慧場區(qū)

針對智能化場區(qū)“范圍廣、死角多”等問題，張家峁煤礦落地了AI人工智能+煤礦人員作業(yè)行為智能辨識安全管理系統(tǒng)——即“千眼”視頻智能安全管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)涵蓋智能預(yù)警、實時記錄、現(xiàn)場制止、聯(lián)動閉鎖四大主要功能，重點實現(xiàn)采掘頭面、帶式輸送機運輸、井下重要崗位人員作業(yè)不安全行為監(jiān)管過程中數(shù)據(jù)監(jiān)測可視化、操作行為可視化、關(guān)鍵工序可視化、設(shè)備管理可視化的智能辨識監(jiān)控管理模式，形成以“四員兩長+智能單兵”為主的人員巡檢和AI實時監(jiān)測的兩重監(jiān)管格局，消除“單一人工監(jiān)管”在時間上的漏洞和空間上的盲區(qū)，最終實現(xiàn)緊急危險情況下的聯(lián)動停機，避免零敲碎打事故的發(fā)生，保障職工生命安全。

此外，在園區(qū)管理方面，張家峁煤礦創(chuàng)新和規(guī)范了智能化煤礦崗位設(shè)置、關(guān)聯(lián)關(guān)系和行為規(guī)范，工作質(zhì)量智能評價和績效考核體系，構(gòu)建了安全管理智能雙重預(yù)防機制，形成礦區(qū)智能化網(wǎng)絡(luò)管理、高效協(xié)同運行新生態(tài)。

3 結(jié) 論

1)首次基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)開發(fā)了全礦井跨域融合智能綜合管控平臺，優(yōu)化集成全礦井92個在用系統(tǒng)，實現(xiàn)了井上井下數(shù)據(jù)貫通，提升數(shù)據(jù)綜合利用率50%以上。

2)綜采工作面“感知-決策-執(zhí)行”一體化生產(chǎn)系統(tǒng)，基于壓力、位姿及視頻等5G智能傳感與邊緣計算控制器，實現(xiàn)自動跟機、自主調(diào)直，工作面內(nèi)無人操作，設(shè)備開機率提升20%，整體生產(chǎn)效率提高30%。

3)突破掘進“激光-傳感器”融合的高精度導(dǎo)航技術(shù)，研發(fā)了可實現(xiàn)最高日進尺120 m的智能化快速掘進系統(tǒng)。

4)礦區(qū)全域多源數(shù)據(jù)深度融合，生產(chǎn)效能、安全態(tài)勢與業(yè)務(wù)流程協(xié)同優(yōu)化的多維場景平衡綜合分析決策，形成礦區(qū)智能化管理、高效協(xié)同運行新體系。