煤礦信息化與智能化技術(shù)的應(yīng)用架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

鄭秦峰

（山西蒲縣宏源集團(tuán)富家凹煤業(yè)有限公司 山西省蒲縣 041200）

1 前言

煤炭資源是我國(guó)的主要能源類(lèi)型之一，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)賴(lài)以生存與發(fā)展的重要資源，我國(guó)的煤炭資源開(kāi)采和利用一直以來(lái)呈現(xiàn)出粗放式的管理模式，導(dǎo)致了大量煤礦事故的發(fā)生，而我國(guó)煤礦行業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化、信息化程度較低是導(dǎo)致煤礦事故發(fā)生的重要原因之一，大量井下從業(yè)人員的存在更是提升了煤礦事故的發(fā)生概率。因此，在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，必須加快煤礦的信息化與智能化的發(fā)展，盡可能地壓縮井下從業(yè)人員的數(shù)量，應(yīng)用智能化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下瓦斯、電力、水、圍巖等條件的監(jiān)測(cè)與預(yù)警，同時(shí)實(shí)現(xiàn)地面的遠(yuǎn)程控制，構(gòu)建出高效而又現(xiàn)代化的安全性礦井。所以，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，研究煤礦的信息化與智能化的關(guān)鍵性技術(shù)對(duì)于當(dāng)前的煤礦行業(yè)發(fā)展有著非常積極的作用。

2 煤礦智能化、信息化的主要特點(diǎn)分析

煤礦開(kāi)采工作是一項(xiàng)非常危險(xiǎn)的工作，煤礦井下的環(huán)境總體來(lái)說(shuō)比較特殊，存在著大量的一氧化碳、甲烷等易燃易爆的氣體，而且在開(kāi)采的過(guò)程中礦井的內(nèi)部環(huán)境空間相對(duì)狹小，電磁波的傳輸衰減作用十分明顯，這種工作環(huán)境以及密閉環(huán)境就對(duì)井下工作人員的生命健康造成了極大的威脅。而且由于礦井環(huán)境的特殊性，導(dǎo)致了地面上的自動(dòng)化、智能化操作技術(shù)難以有效地實(shí)現(xiàn)，所以煤礦的智能化、信息化必須從煤礦的特點(diǎn)入手進(jìn)行分析與研究。

（1）礦井下存在著大量的可燃性氣體，所以電氣設(shè)備必須具備防爆的安全性功能，而對(duì)于監(jiān)控設(shè)備、通信設(shè)備來(lái)說(shuō)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇安全型的設(shè)備類(lèi)型，電纜上的傳輸信號(hào)也必須是本質(zhì)安全型的信號(hào)。同時(shí)，相關(guān)的通信設(shè)備的發(fā)射功率應(yīng)當(dāng)控制在6W 之內(nèi)[1]，避免引發(fā)重大的爆炸現(xiàn)象。

（2）由于礦井具有空間狹小性的特征，因此在采礦作業(yè)的過(guò)程中各類(lèi)設(shè)備設(shè)施相對(duì)集中放置，尤其是機(jī)電設(shè)備的功率較大，各類(lèi)設(shè)備的混合使用使得礦井下的電磁環(huán)境更加復(fù)雜。在這樣的條件下，一些大功率設(shè)備的啟動(dòng)與停止往往會(huì)引起劇烈的火花現(xiàn)象[2]，不但嚴(yán)重地影響到了煤礦監(jiān)控、通信等設(shè)施的正常工作，甚至還會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。

（3）在礦井的開(kāi)采工作中，采掘工作面是需要不斷地移動(dòng)和推進(jìn)的，在這一過(guò)程中為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地下礦井作業(yè)的良好監(jiān)控，就需要也相應(yīng)地移動(dòng)監(jiān)控、通信的相關(guān)終端，而在實(shí)際的礦井作業(yè)中，礦井下的工作場(chǎng)所比較分散而且不同礦井之間的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，礦井中的中繼無(wú)線(xiàn)的傳輸距離無(wú)法達(dá)到相應(yīng)的要求，進(jìn)而使得信息化的操作難以實(shí)現(xiàn)。

（4）在地下礦井的作業(yè)過(guò)程中，各類(lèi)安全事故很有可能是突發(fā)發(fā)生的，例如頂板的冒落現(xiàn)象、瓦斯爆炸等事件，這些事故的發(fā)生會(huì)使得礦井內(nèi)部的電纜出現(xiàn)斷裂情況，相關(guān)的操作設(shè)備也會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的損毀情況，所以，在煤礦的信息化智能化操作技術(shù)要求下，需要煤礦的調(diào)度通信設(shè)備以及安全監(jiān)控設(shè)備具有一定的抗災(zāi)應(yīng)變能力，從而減少突發(fā)事故對(duì)相關(guān)信息化設(shè)備的影響[3]。同時(shí)，礦井下的自然環(huán)境條件是相對(duì)比較惡劣的，濕度較大、溫度較低是當(dāng)前煤礦礦井的主要環(huán)境特點(diǎn)，那么相關(guān)的通信、監(jiān)控設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間在這樣的環(huán)境下工作，就必須具備較好的防塵、防潮以及防腐的性能，要求信息化操作設(shè)備的防護(hù)性能不能夠低于IP54。

3 煤礦信息化與智能化技術(shù)的應(yīng)用架構(gòu)分析

3.1 通信層與監(jiān)控監(jiān)視層的應(yīng)用架構(gòu)分析

通信層與監(jiān)控監(jiān)視層是信息化與智能化技術(shù)中的重要應(yīng)用架構(gòu)內(nèi)容，其中包含有煤礦井下的人員定位信息、立井提升監(jiān)控信息、帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)車(chē)的運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)、礦井的排水監(jiān)控系統(tǒng)、水文監(jiān)控系統(tǒng)等方面的內(nèi)容。而在通信系統(tǒng)中，主要包含有移動(dòng)通信系統(tǒng)、廣播通信系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)等方面的內(nèi)容，而礦井監(jiān)視系統(tǒng)則主要包含有智能識(shí)別系統(tǒng)和圖像的監(jiān)視系統(tǒng)等[4]。

3.2 安全生產(chǎn)管理層的應(yīng)用架構(gòu)分析

安全生產(chǎn)管理層主要指的是礦井地下作業(yè)的相關(guān)安全管理設(shè)備，例如生產(chǎn)管理設(shè)備、調(diào)度管理設(shè)備、防水管理設(shè)備、智能監(jiān)控設(shè)備等內(nèi)容，同時(shí)在信息化技術(shù)不斷發(fā)展的現(xiàn)代化技術(shù)中，煤質(zhì)管理體系、節(jié)能環(huán)保管理體系、綜合性分析管理體系等均屬于安全生產(chǎn)管理層的范疇之中。

3.3 經(jīng)營(yíng)管理與決策支持層的應(yīng)用架構(gòu)分析

經(jīng)營(yíng)管理與決策支持層主要指的是后臺(tái)的管理系統(tǒng)，其中包含著物資管理、人力資源管理、設(shè)備管理、工程造價(jià)管理、客戶(hù)關(guān)系維護(hù)管理系統(tǒng)、審計(jì)管理、檔案管理等系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的應(yīng)用主要是對(duì)煤礦開(kāi)采工作中的相關(guān)管理工作進(jìn)行分析，同時(shí)為煤礦工作的總體智能化發(fā)展提供了良好的技術(shù)支持。

4 煤礦信息化與智能化的關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 井下傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)研究

在井下開(kāi)采的過(guò)程中，傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)非常有助于開(kāi)采工作的順利進(jìn)行，因此在建設(shè)與開(kāi)發(fā)的過(guò)程中其關(guān)鍵性技術(shù)應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的要求。首先，在礦井內(nèi)部工作中，有線(xiàn)的寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)具備傳輸帶寬大、無(wú)線(xiàn)接入方便、抗干擾能力較強(qiáng)、安全穩(wěn)定性良好的特點(diǎn)，因此，井下傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)應(yīng)當(dāng)采用雙環(huán)冗余結(jié)構(gòu)或者雙樹(shù)型冗余結(jié)構(gòu)，同時(shí)還需要具備中繼設(shè)備少、設(shè)備體積較小、發(fā)射功率較小等方面的要求。其次，地面上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)當(dāng)與地下的監(jiān)控設(shè)備相互互通互聯(lián)，并且還需要采用網(wǎng)閘等安全系數(shù)較高的安全設(shè)備來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定性。最后，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置方面，一些關(guān)鍵性設(shè)備的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)具備冗余的功能，其核心業(yè)務(wù)的服務(wù)器還應(yīng)當(dāng)具備熱備份冗余的特點(diǎn)，而且傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)還應(yīng)當(dāng)具備VPN的連接功能，其核心交換機(jī)的功能也應(yīng)當(dāng)支持虛擬局域網(wǎng)VLAN的功能[5]。

4.2 無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)研究

無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)募夹g(shù)設(shè)計(jì)是未來(lái)煤礦作業(yè)的主要設(shè)計(jì)思路，也是信息化與智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵性途徑。在無(wú)線(xiàn)電傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)優(yōu)先使用工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備中的頻段，嚴(yán)格禁止使用電視、廣播、無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航等的頻率。在礦井下的圖像監(jiān)控設(shè)計(jì)中，優(yōu)先采用Wi-Fi 和4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，當(dāng)然，隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，圖像監(jiān)控設(shè)備也應(yīng)當(dāng)換代升級(jí)，可以搭載5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)還應(yīng)當(dāng)對(duì)地下作業(yè)的相關(guān)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行精準(zhǔn)地地位，例如對(duì)礦井下工作人員的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、膠輪車(chē)的運(yùn)行軌跡、電動(dòng)車(chē)的運(yùn)行目標(biāo)等進(jìn)行定位，而防碰撞管理設(shè)備、煤礦物聯(lián)網(wǎng)等宜選用Wi-Fi、RFID 等技術(shù)進(jìn)行。

4.3 監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)研究

監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦作業(yè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵性系統(tǒng)之一，在技術(shù)設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足以下幾個(gè)方面的要求。首先，監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸距離大于10km，若礦井下發(fā)生了緊急事故，在電網(wǎng)停電之后，監(jiān)控系統(tǒng)的備用電源能夠保持連續(xù)工作兩個(gè)小時(shí)以上。同時(shí)，為了使得監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行更加流暢，其主干網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)采用具有冗余功能的千兆或者千兆以上的以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。其次，在礦井的監(jiān)控系統(tǒng)中，有線(xiàn)接口的連接宜采用CAN、LONWORKS、FF 等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總接口進(jìn)行接入，從而保證監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行更加流暢。最后，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS、GIS 技術(shù)的應(yīng)用也日益廣泛，因此在井下的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也應(yīng)當(dāng)將這些技術(shù)融入其中，同時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)軟件也應(yīng)當(dāng)采用組態(tài)軟件進(jìn)行，并且保證其具有GIS 的功能。礦井監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)具備較高的安全性，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中可以通過(guò)網(wǎng)閘等網(wǎng)絡(luò)隔離設(shè)備與地面上其他系統(tǒng)相互連接。

4.4 通信與監(jiān)視系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)研究

在煤礦作業(yè)的過(guò)程中，礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)、礦井廣播通信系統(tǒng)、有線(xiàn)調(diào)度通信系統(tǒng)等都是通信與監(jiān)視系統(tǒng)中的必要內(nèi)容，因此在設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以將這些內(nèi)容綜合起來(lái)設(shè)計(jì)，形成全礦井綜合通信系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)礦井作業(yè)的有效監(jiān)視。在應(yīng)用的過(guò)程中，需要我們注意的是，嚴(yán)禁使用礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)和礦用IP 電話(huà)通信系統(tǒng)來(lái)代替礦用有線(xiàn)調(diào)度通信系統(tǒng)，在具體的工作過(guò)程中，礦井下使用的電話(huà)機(jī)必須是礦用本質(zhì)安全型的防爆電話(huà)機(jī)，這樣可以保證在使用過(guò)程中具有可靠的安全性特點(diǎn)。同時(shí)圖像監(jiān)視系統(tǒng)的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)采用光纜或者無(wú)線(xiàn)進(jìn)行傳輸，在5G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋條件下，相關(guān)圖像監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也應(yīng)當(dāng)與5G 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用相結(jié)合，從而提升圖像傳輸?shù)乃俣扰c效率，同時(shí)還使得圖像監(jiān)視系統(tǒng)具有良好的智能識(shí)別功能。

4.5 開(kāi)發(fā)精準(zhǔn)地質(zhì)探測(cè)與4D-GIS系統(tǒng)

在煤礦開(kāi)采的過(guò)程中，對(duì)地下煤層進(jìn)行仔細(xì)的探測(cè)是進(jìn)行煤炭資源開(kāi)發(fā)的重要基礎(chǔ)，從某種意義上來(lái)說(shuō)，煤礦探測(cè)的可靠性和精度會(huì)直接影響到煤炭資源的安全、高效性地開(kāi)發(fā)。在傳統(tǒng)的開(kāi)采過(guò)程中，由于傳統(tǒng)裝備以及技術(shù)方面的限制，鉆孔、化探、物探等方面的探測(cè)精度也難以達(dá)到相應(yīng)的要求，從而嚴(yán)重地制約煤礦智能化的發(fā)展。所以，在智能化建設(shè)的過(guò)程中，首先應(yīng)當(dāng)對(duì)綜采工作面前方的地質(zhì)進(jìn)行超前的預(yù)測(cè)，這是實(shí)現(xiàn)煤礦智能化技術(shù)的關(guān)鍵性?xún)?nèi)容，所以，在應(yīng)用的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)研發(fā)出基于隨掘、隨采、隨探的礦山地質(zhì)綜合探測(cè)技術(shù)與裝備，同時(shí)將目前行業(yè)中所使用的創(chuàng)新探測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)解釋技術(shù)進(jìn)行更新，從而全面地提升信息探測(cè)的時(shí)效性。其次，還需要在具體的工作過(guò)程中構(gòu)建出綜采工作面探測(cè)信息的大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)，從而對(duì)煤礦的各類(lèi)信息進(jìn)行細(xì)致的分析，實(shí)現(xiàn)綜采工作面前方地質(zhì)情況的精準(zhǔn)探測(cè)，此外，在具體的工作過(guò)程中，還要進(jìn)一步完善綜采工作面采動(dòng)應(yīng)力定量探測(cè)技術(shù)，并且補(bǔ)充相關(guān)的裝備設(shè)施，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在應(yīng)力異常區(qū)的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)探測(cè)工作。

在目前的技術(shù)領(lǐng)域中，GIS 技術(shù)已經(jīng)相對(duì)比較成熟，與各行各業(yè)的發(fā)展結(jié)合也日益緊密。所以，在煤礦智能化的發(fā)展過(guò)程中可以研發(fā)4D-GIS 綜合探測(cè)與應(yīng)用系統(tǒng)，結(jié)合當(dāng)前大數(shù)據(jù)的技術(shù)背景建立礦井地質(zhì)信息時(shí)空狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，從而對(duì)礦井的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性分析，并且對(duì)未來(lái)的走勢(shì)進(jìn)行分析與論證，在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還需要增加綜采工作面地質(zhì)信息綜合管理系統(tǒng)，結(jié)合相關(guān)的基礎(chǔ)信息構(gòu)建出三維地質(zhì)動(dòng)態(tài)模型，在應(yīng)用的過(guò)程中，該動(dòng)態(tài)模型的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)探測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，同時(shí)可以通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)的模式展現(xiàn)在人們的眼前，這樣可以為煤礦開(kāi)采工作提供更加有力的幫助，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)煤礦井下智能綜采工作提供準(zhǔn)確的地質(zhì)探測(cè)技術(shù)和裝備方面的保障。

5 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前的煤礦采礦作業(yè)中，地下環(huán)境的復(fù)雜性為煤礦作業(yè)帶來(lái)了極大的困難，煤礦井下的無(wú)線(xiàn)傳輸信號(hào)的傳輸衰減較大、電氣防爆等條件的存在制約著地面信息化和智能化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，因此在當(dāng)前的技術(shù)背景下，就必須結(jié)合地下礦井的相關(guān)條件以及技術(shù)的應(yīng)用背景來(lái)綜合性地設(shè)計(jì)。通過(guò)上文的分析我們可以看出，監(jiān)控監(jiān)視與通信層、經(jīng)營(yíng)管理與決策支持層以及生產(chǎn)與安全管理層是當(dāng)前煤礦信息化技術(shù)設(shè)計(jì)的主要應(yīng)用架構(gòu)，我們也需要從這幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行入手分析，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，煤礦的信息化與智能化技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步革新與發(fā)展，在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中需要我們不斷地探索與實(shí)踐。