基于信息化融合的智慧礦山建設研究

王琰濤 張 帥

（兗礦能源集團股份有限公司，山東 鄒城 273500）

1 工程概況

兗礦能源集團濟寧三號煤礦坐落在濟寧市郊區微山湖畔，井田位于濟寧東部煤田南部，井田南北走向長10 km，東西傾斜寬10～13 km，面積大約110 km2。礦井地質儲量8.8 億t，工業儲量8 億t，可采儲量5.3 億t，設計生產能力500 萬t/a。礦井屬低瓦斯礦井，各煤層均有煤塵爆炸危險性，均有自然發火傾向。井田平均地溫梯度為2.44 ℃/100 m，屬地溫正常區。

2 基于信息化融合的智慧礦山建設的思路分析

根據濟寧三號煤礦綜合自動化系統現狀，通過信息化升級融合，以“安全監控實時化，過程控制自動化”為目標，構建全礦井統一、穩定、共享、高效的智慧管控平臺，以原煤生產為主線，對“采、掘、機、運、通、人、財、物、產、供、銷、地測、瓦斯、防治水”等主要安全生產、經營環節，進行多因素全流程的集中、協同，優化控制與智能運行，以GIS“一張圖”為依托，以大屏、PC 和移動終端為載體，服務于煤礦安全生產，具有立體化展示、協同辦公、超前預測、智能報警與聯動、應急救援與指揮、智能決策與分析功能，構成面向礦井安全、生產、經營及調度指揮的綜合性智慧管控平臺。

主要從智能采煤工作面的構建、智能化掘進工作面的構建、工業控制安全系統的構建、安全生產智慧管控平臺的構建四個方面進行闡述[1-2]。

3 基于信息化的智能化工作面的構建

3.1 智能化采煤工作面的構建

濟寧三號煤礦智能化采煤工作面由井下井上集控中心、工作面視頻監控系統、智能乳化液泵站、支架電液控制系統、三機設備集中控制系統、工作面及地面語音通信系統、人員定位系統、采煤機控制及慣性導航系統組成。通過由以太網液壓支架控制器組成的工作面以太網數據傳輸平臺，將各子系統集成到工控自動化平臺上。

（1）MG500/1130-MD3 型采煤機配有DSP 電控系統實現自動化控制，裝配有18 種精確傳感器，實現姿態感知、采高、位置數據等采集功能，實現截割電機、牽引電機的遠程啟停及牽引電機換向、加減速、搖臂升降調節等功能。安裝的高精度慣性導航裝置可實現采煤機三維定位及工作面自動找直功能。

（2）ZY6800-16/35D 型電液控型液壓支架及ZE0704 型電液控制系統，支架配備有控制器、電磁換向閥組、人員精確定位器、報警三色燈和7 個監測傳感器等輔助設備，能實現人員精確定位、聲光報警以及支架姿態感知功能。每6 臺支架配置1個云臺攝像儀，實現工作面視頻自動跟機監視、人員動態捕捉、語音實時通信和視頻圖像采集功能。電液控制系統可根據采煤機位置自動完成支架伸收護幫、移架等操作，能夠實現自動補壓。支架安裝有自動噴霧裝置，可實現自動降塵作業。

（3）SGZ800/2×700 型 刮 板 輸 送 機 配 有37DCD 型工況監測系統，由KXJ127 型控制器構成的監測主站和監測分站、液控系統及各傳感器等組成，能夠實現刮板輸送機關鍵零部件運行參數的在線監測，實現刮板輸送機機尾伸縮的手動和自動控制功能。

（4）BRW500/31.5 型變頻一體機乳化泵，實現終采線外遠距高供液布置。乳化泵保障系統采用凈化水裝置、乳化液自動配比裝置、自動高壓反沖洗過濾裝置以及回液過濾站，設備狀態能夠實時監控，實現自動化操作。

（5）地面集控中心配備2 臺主機、2 臺Web服務器、4 臺32 英寸顯示器，顯示采煤機、液壓支架等運行工況。裝配采煤機、支架和三機泵站操縱臺，通過主機軟件實施對井下采煤機、液壓支架和三機泵站的啟停、監控等操作。井下順槽集控中心配備2 臺控制器、6 臺21.5 英寸顯示器，與地面集控中心同步顯示運行工況，實施啟停、監控與操作功能。建立可語音通信的視頻監控，實現對工作面設備全覆蓋以及固定轉載點視頻監控功能，并能根據采煤機運動實現視頻自動跟機功能。支持Web 訪問功能，通過智能礦山手機app 軟件實時查詢信息。

整套設備實現采煤機和液壓支架遠程操作，整個工作面設備實現順序啟動、一健啟停，具備運輸轉載機、機組電纜、輸送帶尾自移集控，煤流鐵器清理集中控制，煤倉煤位連鎖控制等多項自動化拉制功能。

3.2 智能化掘進工作面的構建

濟寧三號煤礦211 采區軌道下山智能化掘進工作面構建以掘進機自主截割、帶式輸送機機尾自移、遠程可視化監控為基礎，以機械化支護及輔助運輸為助力的整套智能化綜掘系統，具有以下功能及優勢。

（1）智能化掘進機及自移式帶式輸送機機尾均具備本機操作、離機視距操作、離機超視距操作及地面集控操作功能，可通過遙控器一鍵啟停掘進機、帶式輸送機自移機尾。

（2）實現四種模式截割及機尾一健自移。掘進機裝備慣性導航及三維掃描成像系統，根據不同的工況，選擇不同的截割模式，實現機器決策為主、人工干預為輔的遠程可視化斷面成形控制。通過設定循環進尺和步距，實現帶式輸送機機尾一鍵自移。

（3）做到人員本安生產及闖入預警停機。專用操作硐室及地面集控中心均可遠程遙控操作工作面設備，體現了無人則安的理念，實現了本質安全型生產。同時，設備安裝人員安全管控系統，做到人員誤入、闖入預警及停機，切實保證人員安全。

（4）利用輸助運輸及機械化支護提高工效。順槽安裝蓄電池單軌吊及液壓錨桿鉆車，解決工作面機械化支護及后配套輔助運輸問題，減輕職工勞動強度，降低噪聲危害，提高支護效率及物料運輸效率。

（5）通過多數據實時監測傳輸預測指導生產。實時監測掘進機的工況性能，可提供故障預警、原因查找、解決方案。

4 工業控制安全系統的構建

互聯網出口安全域具備外網攻擊防護、互聯網審計等整體安全防護模塊，包括從L2～L7 的整體安全防護、互聯網訪問日志審計，解決了業務系統將來面臨的安全防護困擾、違法違規等問題。

部署1 臺第二代防火墻，滿足安全控制要求。針對邊界進行隔離和訪問控制，保護內部網絡，從L2～L7 層對攻擊進行防護，實現對入侵事件的監控、阻斷，保護整體網絡各個安全域免受外網惡意攻擊。部署1 臺上網行為管理設備，用來合規審計、流量管控和應用管控，保障業務帶寬和業務正常訪問。

在核心業務區邊界網橋部署1 臺第二代防火墻，做邊界隔離防御和訪問控制，同時開啟IPS 和WAF模塊，實現流量雙向防護，檢測內網僵尸主機，抵御病毒、木馬、DDOS 等攻擊行為，針對黑客攻擊鏈所有環節均可持續檢測，實現L2～L7 安全檢測與防護。部署數據庫審計系統和終端安全檢測與響應軟件，能夠提供虛擬機的東西向防護、主機訪問控制、主機入侵防范、主機殺毒等功能。

針對辦公網和工控網之間設置數據交換區，分別部署1 臺工業防火墻和1 臺工業網閘，邊界安全隔離設備功能包括應用代理、文件交換、數據庫同步、視頻交換、視頻點播、Web 代理等，使用戶可以在網絡隔離的同時做適度的數據交換，解決網絡隔離與數據交換的問題，部署于辦公網與工業網路邊界。

5 安全生產智慧管控平臺的構建

濟寧三號煤礦采用最新空間信息、大數據、計算機網絡、分布式協同“一張圖”等技術，構建了煤礦一體化管控的新型安全生產智慧管控平臺。平臺通過將煤炭業務基礎數據標準化、業務流程標準化，實現煤礦業務數據在礦井內部以及礦井到集團公司的橫向、縱向流通，形成安全生產信息共享平臺。建立基于大數據的煤礦安全生產智能診斷模型，實現安全生產管理的協同調度、集中管控及科學決策。

（1）通過“圖形+生產過程+環境+感知+業務+視頻”數據的有效關聯挖掘和處理，圖文并茂地展現安全生產狀況和綜合生產態勢，實時掌握礦井安全、生產、管理等多方面的整體態勢，實現對礦井安全生產的智能輔助決策、調度指揮、即時管控。

（2）GIS 平面“一張圖”以地理空間數據庫為基礎，實現一張圖的礦區導航、跨平臺看圖，協同在線更新等功能，將圖形、感知、生產過程、視頻、業務等各類安全生產信息高度集成、集中展示、統一管控，從而可以做到以圖管量、以圖管礦、以圖救災。

（3）采用組件式開發技術和統一的GIS 平臺，實現了地測、采礦、機電、通風、安全、監測、調度管理等專業功能的組件化管理，可依據需求進行調整。

（4）實現多部門、多專業、多層面空間業務數據、機電設備運行狀態實時數據的集成與可視化展示，使遠程可視化井下實時巡查成為現實，為智能工作面提供數據基底，為智能開采及智能掘進遠程可視化控制系統服務。

6 效果分析

兗礦能源集團濟寧三號煤礦進行了基于信息化融合的智慧礦山建設，實現了煤礦生產過程中的智能感知、信息及數據融合分析，遠程集中控制、聯動預警、視頻人工智能應用分析，并提供決策支持，進一步完善了過程自動化、綜合調度指揮等功能，有效提升了礦井的管理水平和生產效率。

信息化智慧礦山系統的建設，實現了煤礦井下變電所、泵房、壓風機房、主井提升機房、主運輸帶式輸送機全自動、無人化運行，累計減少崗位工人112 人，每年可減少工資投入約880 萬元，安全性、可靠性、經濟性效果顯著，實現了少人、無人的目標，達到了少人則安的效果。同時，利用手機app 軟件移動辦公、學習等功能，實現了無紙化辦公，提升了礦井形象。