裕源煤礦數字化礦井的構建

趙承繼

（山西煤鋼聯正智煤化有限公司，山西 臨汾 041200）

引言

山西煤鋼聯正智煤化有限公司裕源煤礦（全文簡稱裕源煤礦）位于臨汾市蒲縣蒲城鎮刁口村，礦井設計生產能力為每年1.20Mt，以主立井、副立井、回風立井共3個井筒開發全井田。全井田以＋638m一個主水平開采2號煤和＋565m一個輔助水平開采10號煤，2號煤為特低灰－高灰以低灰為主的、特低硫－高硫以低硫為主的特高發熱值的焦煤，10號煤為特低灰－高灰以中灰為主的、高硫、特高發熱值的瘦煤和焦煤，屬高瓦斯礦井。

數字化礦井就是將煤礦的信息數字化、模擬化，按照三維模型將礦井的地形地貌、水文地質、地質構造、地質儲量分布、開拓開采方式等形成一個煤礦整體數據模型，同時嵌入礦山開發與運行各大生產系統的信息，應用計算機控制技術、管理決策技術、生產過程智能化控制技術、數據庫技術、網絡技術等，把整個煤礦的開發規劃、計劃、生產、安全、監測等集為一體。系統反映礦井的真實情況，從而提高礦山資源利用水平、礦山企業生產運作效率和礦山企業的安全生產水平，同時還增強了礦山企業的競爭力，得到快速穩定的可持續發展。

裕源煤礦數字化礦井構建基于礦井地質構造、開拓開采、生產系統、安全監測監控、安全避險系統、設備管理、生產調度、綜合自動化辦公，應用總線形式集為一體，涵蓋礦井生產監測監控、安全避險監控、三維地理信息為一體的調度指揮中心系統，實現生產指揮、在線監測、災害預警預報、設備自動化運行及管理、成本控制等功能。數字化礦井基本由以下幾個功能板塊子站構成［1］。

1 地形地質狀況

礦山地面地形地貌及井下地質構造依托地質勘測形成三維GIS綜合信息平臺，建立的復合地質數據庫和礦井真三維空間地質模型，對井田范圍內地形情況模擬三維顯示，根據鉆孔分布狀況，模擬顯示井田內不同地質結構、煤炭地質儲量與分布、煤層賦存情況，顯示煤炭開采深度、頂板、底板巖層結構，斷層、裂隙、陷落柱等推斷分布等；同時根據物探等地質測試手段結果建立數據庫，自動標識水文、地下水及特別巖層構造狀況，動態模擬地質變化、采掘過程、運輸過程。

2 礦井開拓與開采

根據礦井開采設計，礦井井筒布置、開拓、工作面布置、開采銜接順序、關鍵工藝控制點等應用組態軟件在三維信息平臺上實時再現礦井的真實面貌。同時根據采、掘工作面位置傳感器的變化而顯示逐步推進的進尺。巷道巖層頂、底板的支護分析與狀況，頂板壓力監測及其他監測手段輔助于其中。

3 礦井生產過程綜合自動化

目前礦井生產系統中主要設備運行監測監控絕大部分是分立運行、互不聯系的孤立系統，比如通風系統只顯示主通風機的運行狀況，沒有井下局部通風機的狀況；供電只建設地面主變電站和井下中央變電所的電力監控與調度系統，而不能全面反應礦井的整體電力變化，不能滿足電力調度與負荷調整的需求等。所以利用現場總線控制技術、DCS集散控制系統及工業以太網技術把礦井通風、排水、供電、壓風、瓦斯抽采、供水、主運輸提升、輔助運輸信集閉系統、通信及綜采、綜掘等各系統通過開發數據接口上傳或下達各子系統實時數據，形成一個統一的實時歷史數據庫管控一體化平臺，從此實現各系統數據共享，同時通過相應的通信接口將各生產對象的數據采集，作為整個生產控制信息集成的基礎。采集的井下生產數據及地面各控制系統實時數據擬采用工業以太網前沿傳輸技術，傳遞到相應的中央服務器或根據區域劃分的應用服務器，實現生產調度管理［2］。

礦井生產過程控制主要包括以下子系統：綜采工作面監控主要實現采煤機、刮板輸送機等所有生產設備的集中控制、液壓支架自動電液控制、頂板壓力監測，控制信號及視頻監控信號上傳到現場總線服務器；掘進工作面、開拓巷工作面進尺與設備運行狀況應用工業視頻監控與位置傳感系統把實時畫面、運行狀況經數據總線傳輸回中央服務器；主運輸皮帶機和主立井提升監控系統通過采用現場總線技術實現對各順槽皮帶機、主井皮帶機、煤倉給煤機和煤庫煤位集中監控、主井提升機自動運行，結合工業電視監視系統和信號通信系統，實現主運輸系統集中控制，并將系統內的信息送至現場總線服務器；副立井提升與井下防爆蓄電池機車構成的輔助運輸系統采用信集閉系統及自動定位系統，實時顯示副井罐籠運行位置及運行狀況；礦井通風系統把所有通風設施運行參數、工藝運行數據、及通風設施狀況經視頻信號和數據信號傳輸回數據總線服務器；礦井井下中央水泵房實現無人值守，根據吸水井水位、水位上升速率等檢測計算值判斷礦井涌水量，自動控制開、關電動閘閥，啟、停、調節水泵運行頻率以及自動判斷啟、停臺數；根據給定的電力避峰填谷時間段實現節能運行；根據輪換工作原則，自動實現水泵的輪換運行，避免單臺水泵長期運行導致故障；壓風系統自動運行，并將運行狀況及輸送風量及壓力狀況傳輸于信息服務器；瓦斯抽采系統運行監控［3］。

礦井生產過程控制子系統獨立運行，設置權限工程師站，便于維護與檢測，但將各個控制系統的實時數據送入一個統一的實時歷史數據庫管控一體化平臺，從此可實現各系統數據共享，構建數據倉庫；采用自動控制系統采集現場各生產參數，對現場設備和參數進行監控；采集井下生產數據及地面各控制系統實時數據采用工業以太網前沿傳輸技術，傳遞到相應服務器，實現生產調度和公司總體管理。

4 安全避險系統與災害檢測監控預報系統

煤礦六大安全避險系統包括檢測監控系統、人員定位系統、井下緊急避險系統、礦井壓風自救系統、礦井供水施救系統和通訊聯絡系統。根據安全規程要求完善各系統，并開發預警與報警界面，將礦井各系統預警與報警進行設置，能夠可靠地建立安全信息預警，防范事故的發生。要求監測系統準確、及時報警，而且根據瓦斯、水害、粉塵、防滅火等災害不同性質，確定監測系統傳感器優化設置參數，包括傳感器的類型、數量、布置間距、位置、報警限設置等，并根據不同種類傳感器的特性和災害發生的規律，開發辨別災害誤報、錯報的技術，提高礦井災害預警及時性和可靠性。

5 數據庫與設備圖標鏈接的建立

機電設備是礦井安全生產的基礎，保證設備的運行完好是根本，加強設備的基礎管理至關重要。建立設備電子信息，囊括技術檔案、運行與檢修履歷、檢修周期、潤滑記錄、備品備件的倉儲、廠家技術服務支撐等。建立設備管理信息數據庫，并與礦井三維模型對應鏈接，實時掌握設備基本情況，實時提醒設備檢修周期及檢定周期，保證設備安全可靠穩定運行。

6 辦公OA系統

礦井生產與經營管理信息傳輸、流程審批、上傳下達由辦公自動化實現。產品產量監控、煤質檢驗、銷售管理等均實現網絡化管理，實時產生數據統計報表，并融于OA系統。

7 結語

總之，通過數字化礦井綜合構建，裕源煤礦生產、安全、經營、管理與生產要素實現網絡化、數字化、模型化、可視化、集約化、科學化，使礦井實現安全、高效、低耗的局面，提高抗災能力與核心競爭力。

［1］ 國家安全生產監督管理總局.煤礦安全規程［S］.北京：煤炭工業出版社，2011：10－13.

［2］ 鄒湘軍，孫健，何漢武，等.虛擬現實技術的演變發展與展望［J］.系統仿真學報，2004，16（9）：1 905－1 909.

［3］ 毛善君，熊偉.煤礦虛擬環境系統的整體設計與初步實現［J］.煤炭學報，2005，30（5）：571－575.