霍爾辛赫煤礦智慧礦山建設的實踐

暴 晶

（山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西 長治 046600）

1 引言

智慧礦山的顯著標志就是“無人”，實現采煤工作面無人作業、掘進面無人作業、危險場所無人作業、大型設備無人作業，直到整座礦山無人作業。煤炭企業智慧礦山建設的目標是實現本質安全礦山、高效礦山和清潔礦山。山煤集團霍爾辛赫智能礦山國家示范工程二期已通過了國家安全生產監督管理總局組織的技術鑒定。該項目針對煤礦安全生產的需求，以物聯網技術為手段，以綜合自動化為實施基礎，以智能化為重點研究方向，解決了在智慧礦山中的一批關鍵技術，實現了霍爾辛赫煤礦的智能化開采，實踐應用效果理想[1-3]。

2 霍爾辛赫煤礦智慧礦山系統的關鍵技術研究

2.1 設備狀態感知系統

設備狀態感知系統主要包括：綜采工作面監控系統、主煤流運輸監控系統、主副井提升監控系統、主通風機監控系統、壓風機監控系統、排水監控系統、35 kV 變電所監控系統和井下變電所監控系統。根據霍爾辛赫煤礦具體情況，首先建設基于GIS 的井下配電網管理系統作為設備健康狀態感知系統的平臺，在此基礎上添加通風機、帶式輸送機、水泵等設備的故障診斷。在井下變電所自動化改造基礎上，采用Smallworld 對霍爾辛赫煤礦井下供電系統在GIS 中進行建模、地理可視化、實時監測及配電網絡分析，實現對供電設備資產的管理與電網遙測數據的地理可視化。

2.2 煤礦通風監控系統

煤礦通風監控系統是一個涉及數據多、信息量大、通風信息參數和地點分散復雜的動態系統。霍爾辛赫煤礦原有通風監控管理系統無法適應現代煤礦通風監控管理系統發展的需要，伴隨著物聯網技術在礦山數字化、信息化建設中的應用和國家對煤礦安全生產的重視，建設了基于云服務的煤礦通風監控系統建設具有較大便利性。霍爾辛赫煤礦井下巷道建立測風站近60 余個，局部通風機20 個，各種風門近40 個。

2.3 礦山三維展示系統

霍爾辛赫煤礦建設了基于虛擬現實的智慧三維展示系統，該系統以霍爾辛赫煤礦為基礎，建立一個三維礦山模型，然后以感知層獲得的各種實時信息為數據驅動，采用虛擬現實技術對井下人員和環境進行實時、三維、動態的模擬與展現。該系統軟件開發主要基于MFC、SQL Server2008 和OGRE三維引擎技術，實現了場景切換、人員車輛定位、攝像機漫游、人員查詢、車輛查詢、井下統計、人員報警、軌跡回放等多種主要功能。

2.4 礦井水文監測系統

霍爾辛赫煤礦礦井水文監測系統采用井下分站接入方式，通過提供井下水壓監測分站的IP 地址及通信協議，開發水壓監測數據傳輸協議解析程序，實時采集各鉆孔水壓值，并存儲在機房數據庫服務器。在智慧礦山大平臺中，構建水文監測系統Web站點，將水壓數據通過列表與實時曲線方式進行顯示，根據報警信息進行同步報警，實現礦井水文的在線監測。系統架構及接入方案如圖1。

圖1 礦井水文監測系統架構及接入方案

通過礦井水文監測系統，可在礦井采掘工程圖中的水文孔附近實時顯示鉆孔當前水壓、報警閾值信息，顯示當前礦井靜壓水流量、水倉排水量及根據公式計算的礦井涌水量。在地圖界面左側，顯示鉆孔水壓、礦井涌水量動態曲線以及當前報警信息。在系統菜單欄，提供報警閾值設置、用戶登錄配置與歷史記錄查詢，保證系統的安全性，提升系統使用靈活性與實用性。

2.5 信息集成交換系統

信息集成交換平臺是將煤礦所有安全生產、人員、設備、管理信息等復雜異構信息在一個統一數據平臺存儲，在異構條件下進行聯通與共享，能夠使不同功能的應用系統聯系起來，協調有序運行。該系統實現將采集的感知信息及時處理并轉發給其他的服務器，從而保證信息動態順暢的溝通。它處于信息采集與應用服務之間，是信息交換的核心模塊。平臺資源監管模塊負責動態管理M2M 信息平臺中的各種軟硬件資源，確保通信系統有條不紊地工作。

2.6 智慧礦山物聯網運行維護管理系統

智慧礦山物聯網運行維護管理系統是將智慧礦山物聯網的各個子系統，如GIS、信息集成交換平臺、信息聯動系統、3DVR、數據庫服務器、基礎信息（人員、設備）等信息進行統一管理的后臺支撐管理系統，實現煤礦人員設備基礎信息的管理，實時監測與智慧礦山相關的主要網絡設備、服務器及工作站的工作信息狀態。智慧礦山物聯網運行維護管理系統包含信息查詢、信息管理、基本設置和運行狀態監測4 部分。

3 霍爾辛赫煤礦智慧礦山系統的應用建設

應用虛擬現實技術、計算機網絡技術、自動控制技術、通信技術和傳感器技術、三維數字化控制技術、信息集成技術與綜合管理技術建設了霍爾辛赫煤礦智慧礦山系統。霍爾辛赫煤礦智慧礦山系統主要包括通風、排水、提升、運輸、壓風和供電等子系統，建設內容、系統功能和特點如下所述。

3.1 系統建設分析

霍爾辛赫煤礦智慧礦山系統的建設主要包括以下內容：

第一，建立智能管控一體綜合自動化系統。對礦井六大子系統進行自動化改造，建設3 個控制中心。

第二，建立基于三維可視化平臺的生產監控系統。分別完成對地層、煤層、巷道的地質建模和機電設備的幾何建模，整合礦井所有與綜合自動化相關的機電設備場景。解決三維可視虛擬場景與實時系統無縫對接的技術難題，實現三維環境下監控。

第三，實現礦井安全生產全息的整合。整合安全生產系統的設備所處地理環境、設備運行、視頻監控、設備維護、故障診斷、設備管理等信息，打通基本安全生產信息到決策信息之間信息流動的關鍵一環，為機電設備的維護工作提供了新的思路，為生產流程優化提供科學依據，為礦井重大事故災難應急救援提供決策支持，對有效防止繼發性災害發生、保障搶險救援安全、提高應急救援能力具有重大的意義。

霍爾辛赫煤礦智慧礦山系統的建設從不同角度、不同層面上實現了煤礦生產的安全高效。（1）自動化本身帶來了減人甚至無人，從本質上避免了重大人員傷亡；通過優化自動化技術，從本質上保持礦井生產的安全性。（2）采用三維虛擬模型及場景，取代了現有自動化系統中的二維顯示，使系統信息更豐富，生產過程的監控更加形象直觀，拉近了調度中心與生產環節間的距離，使無人值守成為可能。（3）通過建立全礦井的三維可視化全息系統，對礦井重大災害的預測及預警提供決策支持。

3.2 系統功能

霍爾辛赫煤礦智慧礦山系統的功能如下：

（1）遠程監控功能在三維環境下，實現煤礦供電、排水、通風、壓風、運輸、提升等主要動力系統的實時監控和綜合管理有機結合，全方位直觀再現設備地理環境、設備運行、視頻監控、維護、故障診斷、設備管理等全部信息。

（2）基于全息的綜合管理功能：系統聯動。以通風系統為例，根據生產負荷數據及當前值，并結合井下風速、溫度，確定合理的通風量，與通風系統聯動，實現經濟供風。礦井重大災害的救災、避災。

4 應用效果分析

霍爾辛赫煤礦智慧礦山系統建設取得成效：

（1）實施了多個生產子系統的自動化改造并構建了智能管控一體化的新型網絡平臺，工作量大，效果顯著；完成了霍爾辛赫煤礦井上下12 個變電所、2 個水平的泵房、雙風井雙風機以及壓風機房的自動化升級改造任務，實現上述生產系統的無人值守；建立了兩級調度、三個控制中心、分布式分級冗余控制體系，并接入主副井提升和帶式輸送機運輸系統；以礦調度指揮控制中心為主，以排水供電控制中心和通風、壓風、提升、帶式輸送機控制中心為輔，共同實現了對礦井生產及安全等系統的遠程智能監控。

（2）實現了綜合自動化系統的三維可視化，項目利用虛擬現實技術建立礦井基于地理信息系統的地層、巷道、生產系統以及機電設備等的三維虛擬模型，使操作與管理人員不需要親自深入井巷工作面，在遠程計算機或者控制臺上就可以對整個礦區漫游，深入到井上下依托真實地理信息的生產系統各個虛擬場景中；礦井安全生產系統的三維可視化監控平臺，整合供電、排水、通風、壓風自動化控制系統以及主副井提升、帶式輸送機運輸等接入系統，使監控人員能夠與現場各個生產系統進行“身臨其境”的交互。

（3）建立了礦井安全生產統一信息平臺，整合了礦井生產全部信息，消除內部信息孤島。在此三維全息平臺的基礎上，開發了礦井安全生產系統的綜合管理功能，對下有效提升了各子系統的協作水平，對上為安全生產科學決策提供支持，為全面實現數字化礦山奠定了堅實的基礎。

（4）霍爾辛赫煤礦智慧礦山運營實施以來，撤銷礦井地面設備、井下機電硐室的崗位工并合并有關機構，減少崗位工和管理人員40 人，平均每人工資及職工福利按5 萬元/人年計算，每年減少支出200 萬元；實現礦井機電設備工況在線監測，實施故障診斷，提高設備的開車率和運行效率；平均每年多生產原煤20×104t，每年煤礦增加產值450 元×20×104t=9000 萬元；由于優化調度，實現集中控制，減少設備的空運時間，提高了設備運行效率，降低了電耗，每年節約電費200 萬元左右，有效地提高了井下安全保障，減少了事故發生率，減少了傷亡補助100 萬元。