三維虛擬礦井技術在礦井自動化管理中的應用

王尊營

(彬縣煤炭有限責任公司，陜西 彬縣 713500)

0 引言

三維虛擬礦井是一項集物聯網、數據庫、可視化、虛擬現實、信息管理技術于一體的礦井生產安全管理平臺。該平臺以3D動畫的形式展示煤礦井下環境、安全、生產等方面信息，采用物聯網技術實時管理井下生產子系統，遠程管控井下設備，從而達到安全生產的目的。

三維虛擬礦井，以當前最先進的人工智能思想為指導，采用虛擬現實技術和建模技術，通過物聯網技術，利用計算機遠程控制技術構建井上、井下虛擬環境，接入井下所有管理子系統，實現數據分析與共享，將礦井實時情況動畫展示，更大程度地方便了對整個礦井的人與物的遠程管理，對當前國際國內自動化礦井的建設有良好的指導意義。

1 三維虛擬礦井實施背景與建設原理

1.1 三維虛擬礦井實施背景

2006年，彬縣煤炭有限責任公司(以下簡稱“彬煤公司”)利用自有技術完成了下溝煤礦300萬t綜合機械化技改工程，把下溝煤礦建成了陜西省地方煤礦中第一個年產300萬t的大型現代化礦井，成功探索出了地方能源企業工業化發展新思路、新模式。

2013年，彬煤公司為了響應黨的十八大報告精神，推進企業信息化與工業深度融合，建設“數字型、安全型、效益型、創新型、環保型、學習型”六型為特征的安全生產礦井。彬煤公司決定投資4 000余萬元，工期4年，建設以三維虛擬礦井為核心的數字化礦山應用管理系統，有效連通各個信息孤島，全面匯聚礦井大數據，建設集團信息化集中管控的數字化、智慧化礦井。

1.2 三維虛擬礦井系統建設原理

三維虛擬礦井系統采用3D顯示技術，實時動態展現整個礦井及礦井中的設備、人、環境數據，通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，將井下人、物、設備相連，進行信息交換與數據共享，借助物聯網技術實現對礦井設備的智能化識別、定位、追蹤、監控、管理。利用數據庫全面記錄數據的變化，形成礦井管理的大數據。

2 三維虛擬礦井系統實現的功能

2.1 礦井安全生產總體狀態查詢

礦井采掘工程實時查詢：通過三維視圖可以直觀地了解當前礦井采掘工程狀態，即各井巷的位置、各回采工作面的位置、各掘進工作面的位置、煤層的開采情況、井上下位置關系等，形成一張三維立體的采掘工程圖。

生產系統的查詢：通過選擇“通風、運輸、安全路線、排水、壓風”等系統進行查詢。實時顯示當前所選系統的運行線路布置狀況，例如，通風系統的進風、回風方向及路線，動畫演示每個生產系統的運行。

安全監測狀態查詢：通過系統查看礦井各個生產位置的瓦斯、一氧化碳、溫度、風速等實時環境監控數據，掌握礦井安全狀態。

2.2 井巷參數化建模與可視化

根據巷道導向點三維坐標、巷道斷面形狀和尺寸等參數可以自動生成巷道三維模型，能自動處理巷道交叉點的開口與聯接，展現巷道的實際紋理。

2.3 回采工作面、掘進工作面三維可視化

井下設備三維可視化管理，包括采煤機的移動、采煤滾筒旋轉、滾筒搖臂升降動畫；液壓支架按組移架、升降、收擋板動畫；刮板運輸機的滿載空載運輸、彎曲推移動畫；轉載機運煤動畫；膠帶運輸機滿載空載運行動畫，這些動畫相互協作共同將回采、掘進工藝真實地展示出來。

2.4 實時安全監測與三維可視化

三維虛擬礦井系統與礦井綜合自動化系統、瓦斯監測系統、人員定位系統、監控系統等井下管理系統的數據全面對接，實現井下數據共享，消除信息孤島，形成了井下實時大數據，并在三維場景中展示出來。

2.5 遠程自動化控制

三維虛擬礦井系統可以遠程控制單個設備或一組設備的開停等操作，如遠程開停膠帶運輸機、水泵、回采工作面設備等。

2.6 巖(煤)層三維建模與可視化

巖(煤)層的制作，能根據地測系統的巖(煤)層鉆孔數據、煤層地板等高線和等厚線，自動生成煤(巖)層三維體，可以圈定無煤區域(燒蝕區、陷落柱、沖刷區等)，將其從煤層中挖除。

2.7 礦井安全事故模擬

水災模擬：模擬礦井發生透水時，隨著水位不斷上升，巷道被逐步淹沒的過程。隨時查詢在任意水位上巷道被淹沒，未被淹沒以及巷道部分被淹沒等情況，為救災方案的制定提供迅速、直觀的決策支持。

火災模擬：模擬礦井發生火災時，火災產生的有毒煙霧和氣體在巷道中的蔓延擴散過程。可隨時查詢巷道存在有毒或無毒煙霧，從而為救災方案的制定提供迅速、直觀的決策支持。

爆炸沖擊波模擬：模擬礦井發生爆炸或瓦斯突出時，所產生的沖擊波在巷道中的擴散過程。在模擬時，用戶可以指定沖擊波的運動速度、沖擊波的最大破壞距離等參數。

危險預警：在系統中建立危險源庫，如斷層、高瓦斯區域、老窯、含水層、揭煤點等，當掘進或回采到距離危險源規定的距離時，系統自動預警，提醒生產中可能存在的危險，方便做好準備措施，從而達到安全生產的目的。

2.8 設備管理與可視化

根據模型庫自動構建各種設備(如采煤機、風門、液壓支架和安全監測分站等)三維模型，對設備進行監測，監測數據實時動態顯示，管理者還可以在系統中設置設備開停控制監控變量，配置設備浮動標簽的顯示信息，對設備增加各類屬性值，方便管理。

2.9 生產線路設置

實時展現和模擬礦井生產中具有流動特征的生產活動，如通風、排水、運輸、避災路線等。在三維場景中以動畫的方式顯示該生產系統的運行方式。例如，系統可以與通風設施如風門、風橋、風機等設施一起構成立體通風示意圖，方便觀察到生產線路的運行動畫。

2.10 漫游飛行

在系統中設置井上、井下飛行路線，觀察者將沿著設置的飛行路線，指定的速度，在井下漫游，巡檢礦井安全情況。

2.11 地面工業廣場三維可視化

建立地面工業廣場的三維模型，包括廣場地面、辦公樓、宿舍、煤倉、棧橋、倉庫、車間、綠化景觀等建筑和設施。

3 三維虛擬礦井建設取得的成效

3.1 數據共享，精準決策

通過建設數字化礦井，消除信息孤島，數據共享，增強了信息化與工業化深度融合，實現了各個業務流程再造，經營管理上了新臺階，大幅提升了工作效率，提高了公司經營管理決策水平，增強了企業核心競爭力。

3.2 完善了數字礦山體系，安全生產有序開展

安全生產，人命關天。通過建設數字化礦山，礦井安全狀況和安全管理水平持續保持良性發展，特別是通過建設三維虛擬化礦井，達到了無需下井亦可掌握礦井實時安全與生產信息的目的，使礦井管理智慧化、圖形化、數字化，對安全生產工作的進行起到了保障作用。

3.3 信息化融入日常管理，經濟效益快速攀升

數字化礦山系統運行以來有力地推動了公司工作效率全面提升，節省了管理協調時間，使日常業務辦理更輕松簡單，節約了費用，提升了企業經濟效益。與建設系統前相比較，2016年彬煤公司多項經濟指標取得了可喜的成績，企業實現工業總產值48.45億元，實現銷售收入58.55億元，實現利稅總額11.29億元。彬煤公司在中國煤炭工業百強排名從66名上升至46位，中國民企500強中排260位，居陜西民營企業第4位，咸陽市第1位。

4 結語

彬煤公司三維虛擬礦井系統的實施，使礦井安全狀況和生產管理水平得到了極大提升。三維虛擬化礦井系統更直觀地顯示監測井下的通風、人員、地質、水文等實時數據，達到了無需下井亦可掌握礦井實時安全與生產信息的目的，為全面管理礦井安全生產，做出正確決策提供了科學依據，使礦井管理達到了數字化、自動化、智能化、智慧化，為安全生產提供了保障。近年來，彬煤公司得益于三維虛擬礦井系統建設的有效實施，下溝煤礦先后榮獲全國生產先進煤礦、國家特級安全高產高效礦井、國家一級質量標準化礦井，連續多年被省市縣評為安全生產先進單位。