昊華精煤礦井智能化建設實踐

張立生 杜磊 楊富強 曲濤 趙玉春 王舉重 喬建華 馬啟明

[摘 要]為積極響應國家及自治區對煤礦智能化建設要求，鄂爾多斯市昊華精煤有限責任公司依托工業互聯網安全生產信息共享平臺，結合GIS空間地理信息、大數據分析、人工智能、物聯網、移動互聯等新技術，在高家梁煤礦建設了一套集工程設計、地質測量、采掘生產、機電運輸、監測監控、通風、洗選等全礦井各系統一體化智能化平臺，通過數據共享、智能決策及協同運行，不斷提升管理效能，實現了安全、高效、現代化智能礦井建設目標。

[關鍵詞]煤炭生產企業；礦井；智能化建設

一、公司簡介

鄂爾多斯市昊華精煤有限責任公司（簡稱“昊華精煤公司”）是由北京昊華能源股份有限公司與鄂爾多斯市國有資產投資控股集團有限公司投資成立的煤炭生產企業。

昊華精煤公司注冊資本6.75億元人民幣，其中北京昊華能源股份有限公司占注冊資本的80%，鄂爾多斯市國有資產投資控股集團有限公司占注冊資本的20%。公司于2004年開始運作，2006年5月26日正式動工，2010年1月1日開始試生產，一期生產規模300萬噸/年，二期600萬噸/年。

2018年10月，公司生產規模核增至750萬噸/年，配套“淺槽重介”洗煤廠及鐵路專運線和礦區公路，總投資22億元。礦井采用斜井開拓，主要生產設備以國產為主，技術和裝備先進可靠，工作面采用長壁綜合機械化采煤法，礦井采煤綜合機械化程度達100%，實現了采煤智能化，輔助運輸膠輪化，主運輸集控化，安全監控自動化，生產調度信息化。

2020年4月，公司礦井首個智能化綜采工作面投入使用。11個月之后，第二套智能化綜采工作面投入使用，標志著昊華精煤公司煤炭開采步入智能化時代。

多年來，昊華精煤公司科技創新不斷取得新突破，累計自有實用新型專利32項，合作申報專利188項，獲省部級科學技術獎勵12項。

公司還積極踐行京能集團、昊華能源公司企業文化，榮獲多項國家和地方榮譽：被國家安全生產監督管理總局評為國家一級安全質量標準化先進礦井；被中國煤炭工業協會命名為全國首批“安全高效特級礦井”；被北京市總工會授予“工人先鋒號”；被中國煤炭職工思想政治工作研究會評選為全國煤炭工業文明煤礦；被京能集團評為先進基層黨組織、突出貢獻先進集體等。

二、實施背景

（一）國家能源行業未來發展需求

2016年3月，國家發展改革委、國家能源局發布《能源技術革命創新行動計劃（2016- 2030年）》，將實現智能化開采明確為煤炭無害化開采技術創新目標。

2020年2月，國家發展改革委、國家能源局、應急管理部、國家煤礦安監局等八部委聯合下發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，明確煤礦智能化發展主要目標為：到2021年，建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦，初步形成煤礦開拓設計、地質保障、生產、安全等主要環節的信息化傳輸、自動化運行技術體系，基本實現掘進工作面減人提效、綜采工作面內少人或無人操作、井下和露天煤礦固定崗位的無人值守與遠程監控。到2025年，大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現智能化，形成煤礦智能化建設技術規范與標準體系，實現開拓設計、地質保障、采掘（剝）、運輸、通風、洗選物流等系統的智能化決策和自動化協同運行，井下重點崗位機器人作業。到2035年，各類煤礦基本實現智能化，構建多產業鏈、多系統集成的煤礦智能化系統，建成智能感知、智能決策、自動執行的煤礦智能化體系。

隨后，內蒙古自治區陸續下發了《關于加快全區煤礦智能化建設的實施意見》《內蒙古自治區推進煤礦智能化建設三年行動實施方案》《內蒙古自治區煤礦智能化建設驗收辦法（試行）》和《內蒙古自治區煤礦智能化建設基本要求及評分方法（試行）》等文件，明確各煤礦企業積極開展智能化建設，并成立專家組組織驗收。

智能化開采是煤炭綜采技術發展的新階段，也是煤炭工業技術革命的必然趨勢?！吨袊圃?025-能源裝備實施方案》中，將煤炭綠色智能采掘裝備列為能源裝備發展的重要任務之一。

（二）智能化體系建設的需要

按照集團公司部署，結合實際，昊華精煤公司確定了以“綜采智能化工作面、掘錨一體工作面及選煤廠智能化”為核心，加速設備設施更新換代，全力推進安全高效現代化礦井建設。這既是順應形勢的選擇，也是適應集團公司經營戰略，保證公司生存發展的必由之路。

高家梁煤礦煤層賦存條件較好，傾角小，厚度適中，地質構造比較簡單，資源量豐富，具備進行信息化和自動化生產的地質條件。而且，綜采工作面智能化開采在我國的一些特大型礦井已經開始試驗和應用，取得了一定的成效。

高家梁煤礦于2018年對《信息化、自動化、集約化、智能化技術在高家梁煤礦高產高效開采中的開發與應用》進行了科技項目立項，并委托由山東科技大學圍繞實現綜采面智能、安全高效的目標，對煤礦綜采面自動化開采提出了設計方案。

通過技術研究，煤礦建成兩套智能化綜采工作面控制系統，成功開發采煤機自動記憶截割，液壓支架自動跟機移架，泵站系統、供電系統遠程數據監控及運行狀態監測，工作面全部設備遠程聯合啟動，工作面全范圍視頻監控和工作面人員自動識別等功能，真正實現綜采工作面智能化開采，進一步提高了礦井生產技術和管理水平，創造出巨大的經濟和社會效益，同時也為智能化礦井建設積累了經驗。

三、主要做法

（一）編制礦井智能化建設方案

根據自治區《關于加快全區煤礦智能化建設的實施意見》《內蒙古自治區推進煤礦智能化建設三年行動實施方案》等文件要求，以《煤炭工業智能化礦井設計規范》《智慧礦山信息系統通用技術規范》為依據，通過工業互聯網安全生產信息共享平臺，結合GIS空間地理信息、大數據分析、人工智能、物聯網、移動互聯等新技術，建設一套集工程設計、地質測量、采掘生產、機電運輸、監測監控、通風、洗選等全礦井各系統為一體的智能化平臺，通過該智能化平臺的應用，可對各系統的運行數據進行實時采集和監控，建成一套專屬智能化大數據云平臺，實現各系統之間數據共享、智能化決策及協同運行，提升礦井管理效能和智能化管理水平，從而提升安全生產水平和效率效益，達到安全、高效、現代化礦井的目標。

以全礦井智能化平臺為頂層設計，分專業對綜采智能化、巷道智能快速掘進、原煤運輸、供電、排水、通風、壓風等各子系統進行改造及智能化建設，分別實現智能化控制及協同運行。

高家梁煤礦制訂了《鄂爾多斯市昊華精煤有限責任公司高家梁煤礦智慧煤礦建設方案》，計劃2021年底完成2套智能化綜采工作面建設，2022年底完成主運輸、供電、主通風及2個智能化掘進工作面建設，實現采、掘、機、運、通等主要系統的智能化建設，預計在2025年底各生產系統全部實現智能化，實現開拓設計、地質保障、采掘、運輸、通風、洗選物流等系統的智能化系統控制，井下重點崗位實現有人巡視、無人值守作業。

（二）智能化綜采工作面建設

1.建設進展

高家梁煤礦首套智能綜采工作面建設項目于2018年著手智能工作面建設前期準備工作。為保證其技術先進性、安全可靠性，2019年礦相關領導及職能科室外出調研6次。組織相關設備廠家到礦進行智能化工作面建設研討10余次，確定了工作面設備布置方案，并進行設備采購。2019年5月- 12月，完成工作面全部設備招標采購工作。2020年2月26日工作面設備開始安裝，至4月18日先后完成了設備聯合啟動、一鍵啟停、遠程控制、記憶截割、通訊傳輸等主要功能，進入正式生產階段。目前該套系統和設備經過兩次搬家倒面，在40103工作面投入使用。

第二套智能化綜采工作面主要設備是對現有設備進行智能化改造，2020年6- 7月份陸續對采煤機、液壓支架、智能化控制系統等主要設備進行改造和采購，2021年1月安裝于30201工作面。目前該工作面搬家至30104工作面。

2.智能化控制系統組成

智能化綜采工作面控制系統由9個子系統組成（如表1所示）：

智能化控制與監測系統通過工作面高速以太環網將采煤機控制系統、支架電液控制系統、工作面運輸控制系統、泵站控制系統及供電系統等有機融合，輔以工作面煤壁和液壓支架高清視頻系統，實現了對綜合機械化采煤工作面設備的協調管理與集中控制，實現了工作面液壓支架電液控制系統跟機自動化與遠程人工干預控制相結合的自動化采煤工作模式。

該系統可以在順槽或地面調度中心對采煤機工況和液壓支架工況進行監測與遠程集中控制，實時監控工作面綜采設備運行工況和煤壁及頂板的空間狀況。當設備異常或工作面空間形態異常時，可以在指揮控制中心通過遠程人工干預手段對設備進行遠程調控。

3.智能化綜采工作面主要功能

（1）采煤機記憶截割功能

采用智能決策記憶割煤技術實現采煤機的自動化割煤過程。通過讀取采煤機機身傳感器的高度、速度、當前位置等數據在控制程序數據庫進行記憶，實現對“示范刀”和歷史割煤數據的學習，最終實現記憶截割。

（2）液壓支架全工作面跟機自動化功能

在液壓支架電液控制系統實現全工作面跟機自動化的基礎上，將電液控制系統的數據與液壓支架視頻相結合，通過集控操作中心和地面調度中心的操作臺對液壓支架進行人工干預，以滿足復雜環境下液壓支架的自動化控制。通過液壓支架電液控制系統及各種傳感器實現中部及兩端頭自動跟機移架、推溜、收打護幫、自動噴霧等功能。

（3）綜采自動化遠程集中控制功能

將綜采工作面主要設備，包括采煤機、液壓支架、運輸系統、供電系統、供液系統，通過自動化控制系統連接起來，實現在井下集控中心和地面調度中心的遠程集中控制，并實現“一鍵啟?！焙汀绊樞騿⑼！惫δ堋?/p>

在遠程操作臺上能夠實現對采煤機的運行方向、速度、滾筒轉速和搖臂高度的控制功能；實現對單個支架或成組支架實現鎖定、解鎖、執行動作等功能；實現對破碎機、轉載機、刮板運輸機單獨啟停功能。

（4）乳化液系統保障功能

通過自動控制技術，將自動配液、高壓過濾系統統一集成，形成智能化集成供液控制系統，具備乳化液自動配比，箱體液位自動檢測，自動補液，壓力、流量智能調控等功能。

（5）列車自移功能

礦用電控液壓移動列車組以液壓為動力，自帶軌道，高度集成列車自移、行走調偏、管纜隨動、防掉道等功能，實現錨固拉移裝置帶動整個移動列車組的邁步式前移。邁步移動列車組的使用，可實現一個圓班移動一次設備列車，同時降低材料的投入和工人勞動強度，有效提高安全管理水平和工作效率。

（6）超前支架支護

順槽超前支架技術，徹底改變了以往使用單體液壓支柱時，支護強度低、勞動強度高的特點，通過電液控系統，遙控器遠程操作，省時省力，安全可靠。

（7）工作面視頻監控功能

視頻監控系統通過網絡傳輸的方式完成對工作面采煤機、液壓支架及采場狀況的視頻監控，實時為遠程操作員建立身處現場實景的信息，確保遠程操作的安全。通過視頻監控系統傳送工作面圖像，操作人員根據煤層變化情況、滾筒截割情況、支架狀態等信息，必要時對采煤機進行遠程干預。

（8）設備運行狀態監控功能

順槽集控中心和地面調度中心的上位機界面上，能夠實時顯示出系統連接狀態、采煤機運行狀態、支架狀態、三機和乳化液保障系統工作狀態。

（9）數據統計分析功能

數據統計分析功能包括采煤機軌跡分析、工作面壓力分布分析和支架單架壓力分析功能。分析采煤機軌跡可以對比分析采煤機的工作狀態和工作效率，工作面壓力分布圖可以給煤礦安全生產提供準確的數據參考，支架單架壓力分析可以統計單個支架在不同時間段的壓力分布，幫助設備維護人員了解支架工作狀態。

（10）WEB發布功能

工作面的各種綜采設備數據通過工業環網傳輸到自動化控制軟件，然后存儲到數據庫。WEB系統由WEB底層平臺作為構建基礎，包括WEB應用程序核心框架和數據存儲分析中心，并在WEB應用程序核心框架和數據存儲分析之上建立“監測系統”“數據分析系統”和“開發API系統”。WEB系統在網頁前端實現了自動化控制系統界面的功能和移動端訪問接口。

（11）移動終端App

移動App包括電控監測和統計分析等功能。移動App將傳統自動化軟件所具有的功能全部按照1∶1的模式移植到App中，使用戶能夠在手機上隨時隨地觀察整個礦采過程中的各個環節，根據不同的數據做出不同的指令，縮短了指令下達的時間，逐步向扁平化采煤靠近。

（三）構建智能化主運輸系統

1.礦井主運輸系統概況

主運輸系統主要由7條帶式輸送機構成，除主斜井及101棧橋皮帶機外，其余設備全部實現永磁變頻驅動。帶式輸送機配備輸送帶綜合保護器，具有跑偏、打滑、溫度、拉線急停、煙霧、超溫灑水、堆煤、防撕裂等保護功能，綜合保護功能齊全。（主要參數如表2所示）

2.建設進展

主運輸系統智能化改造項目于2019年開始著手前期準備工作，為保證項目建設技術先進性、安全可靠性，2020年組織相關設備廠商技術專家到礦進行主運輸智能化交流研討，當年年底項目招投標結束；2021年4月份開始主運輸系統智能化改造，于6月份設備安裝完畢，系統投入運行。

3.智能化主運輸系統組成及實現功能

在主運輸系統智能化改造項目中，配套建設機電運輸系統智能綜合一體化平臺，包含主通風、壓風、主運輸、主排水、供電、輔助運輸等子系統的接入，包含硬件設備和軟件設備，實現機電運輸系統的集中、智能、一體化管控。在集控室顯示主通風、壓風、主運輸、主排水、供電、輔助運輸等子系統的界面，遠程監控各系統設備的運行參數，操作各系統設備的啟停?？蓪ζ脚_下全部子系統進行全面監控，故障診斷報警。對各項數據進行統計、存儲和分析，可生成生產分析曲線。

主運輸智能化系統包含主運輸監控子系統、主煤流調速子系統、語音對講子系統、故障診斷子系統、異物識別子系統、視頻子系統、運輸系統電控設備遠控及電量統計子系統組成。將煤礦井下運輸系統劃分為若干個獨立的煤流線，各個煤流線相對獨立，互不干涉，研究各個煤流線的高效運行啟停策略，確定煤流線的各帶式輸送機的啟停策略。實現了主運輸系統的遠程集中控制，一鍵式順煤流啟動、膠帶機多段式變頻智能調速，膠帶異物識別，電機、滾筒設備溫度振動在線診斷等功能，確保各帶式輸送機高效運行。

（四）構建智能化主通風系統

1.礦井主通風系統概況

高家梁煤礦回風立井和回風斜井均采用軸流對旋式主通風機，回風立井電機功率2×630kW，回風斜井電機功率2×160kW。風道地面主通風斷面約為4.3m×4.3m，風道原有兩道閘板風門，由風門絞車通過鋼絲繩拉動。閘板風門開關速度較慢。由于風門不能帶載開閉，風門開閉都需要停止風機。實際使用中原風門密封效果較差，漏風嚴重，導致負壓下降較大。風道頂部各有一個水平測試蓋板，通風斷面3.5m×3.5m，性能測試時采用風門絞車啟閉測試蓋板。

本次項目主要是在現有主通風機上增加不停風倒機百葉窗風門，并對主通風機在線監控系統進行更新，具有礦井主通風機不停風自動倒機、“一鍵式”操作倒機和自動識別運行通風機故障的自動倒機功能。通過檢測及控制系統，邏輯控制快速開啟或閉合自密型新式風門，實現通風機的快速切換，使倒機過程中對通風系統的影響由傳統方式下的“系統停風”縮短為“風量波動”。

2.建設進展

主通風系統智能化改造項目于2019年開始著手前期準備工作，為保證項目建設技術先進性、安全可靠性，2020年6月份，高家梁煤礦相關領導及職能科室外出調研3次，組織相關設備廠商技術專家到礦進行主通風智能化交流研討10余次，并對周邊4個大型現代化礦井主通風系統建設情況進行了實地調研，最終確定了主通風系統智能化改造實施方案。2020年12月份，項目招投標結束，并最終于2021年4月份設備安裝完畢，系統投入運行。

3.智能化主通風系統組成及實現功能

礦井主通風機智能化改造系統由不停風倒機監控及控制系統和不停風倒機執行系統兩大部分組成。

（1）不停風倒機監控及控制系統

不停風倒機監控及控制系統中以西門子高端PLC及工控機為核心，內裝有為不停風倒機而專門開發的風機故障專家系統及熱備用倒機軟件程序，此外還配備傳感（變送）器、信號測取裝置、通訊裝置、輸出及顯示裝置等等。當通風硬件設備（主要是主通風機及其附屬設備）發生故障不能正常運行時，為了不影響礦井通風工作的正常進行，需要通過主通風機不停風自動倒機系統直接倒換主通風機，倒機過程中將確保向井下不間斷地供風，待倒機工作結束、設備運行平穩后再對相應設備或電源電路進行故障檢查和排除工作。

（2）不停風倒機執行系統

不停風倒機執行系統主要由多個功能風門和執行動力單元組成，即對空短路風門和立式掛網調節風門，為了方便檢修，在立式調節風門前靠近風井的一側還可加上一道常開備用風門，自密式旋葉風門動力由電動執行器提供（立式旋葉風門采用雙電機驅動），可實現遠程、就地及手動控制，帶全開全關限位開關，并帶有自密式旋葉風門開關位置顯示；帶機械限位擋塊；帶力矩過載和電流保護裝置等，風門開閉靈活、快速、準確、可靠，使用方便，開啟、關閉時間小于40s，風門葉片可調至任意角度，方便風機的性能測試。

（3）系統主要功能

系統實現了主通風機的遠程一鍵式啟停、一鍵式不停風倒機、故障自動倒機功能。系統能夠實時監測風機的電壓、電流、振動、風量、風壓、溫度等實時運行狀態。

（五）構建智能化供電系統

1.智能化供電系統概述

工業場地建有一座35kV變電站，位于礦井負荷中心，承擔礦井地面、井下全部負荷的供電，其中35kV主變壓器采用室外布置，其余供配電設施為室內布置。該變電站35kV配電室安裝12臺KYN58A- 40.5型35kV開關柜，10kV配電室安裝28臺 KYN28A- 12型10kV高壓開關柜，變電站采用微機綜合自動化監控保護系統，實現變電所保護、控制、監視、監測的自動化。

距工業場地約2km全和常村附近建有35kV箱式變電站，采用兩回路35kV供電電源，兩回路供電電源分別引自工業場地35kV變電站35kV側不同母線段，該變電站35kV系統安裝12臺KYN61A- 40.5型35kV開關柜，該變電站10kV系統安裝18臺XGN-12型、8臺KYN28A- 12型10kV高壓開關柜，共引出10回饋出。采用微機綜合自動化監控保護系統，實現變電所保護、控制、監視、監測的自動化。

2.建設進展

供電系統智能化改造項目于2019年開始著手前期準備工作，為保證項目建設技術先進性、安全可靠性，2020年6月份，高家梁煤礦相關領導及職能科室外出調研3次，組織相關設備廠商技術專家到礦進行供電系統智能化交流研討4次，并對周邊2個大型現代化礦井供電系統智能化建設情況進行了實地調研，最終確定了供電系統智能化改造實施方案。2020年12月份，項目招投標結束，并最終于2021年6月初設備安裝完畢，系統投入運行。

3.智能化供電系統組成及實現功能

本次供電系統智能化改造范圍主要包括：35kV氣體絕緣柜，10kV智能化開關柜，配套計算機后臺監控系統，10kV低頻低壓減載裝置，10kV單相接地故障處理系統，10kV電纜故障預警測距系統，一體化電源系統幾部分。

供電系統智能化系統以安全穩定供電以及智慧化運行管理為目標，提供智能配電設備及智能配電一體化平臺，實現昊華35kV變電站開關柜斷路器及接地刀閘遠程電動操作和視頻監控，一鍵順控，電子掛牌，開關柜資產健康管理、高壓開關故障診斷等數字化運行管理，實時報警，主動預測式維護，最終將35kV變電站打造為智能化變電站，實現無人值守。

四、實施效果

（一）綜采工作面全部實現智能化開采

通過智能化綜采工作面建設，高家梁煤礦兩個綜采工作面全部實現智能化開采，現工作面液壓支架自動跟機率達85%以上，采煤機記憶截割率達80%以上。減少高風險人員的暴露頻次，降低特種作業人員安全風險；完善了設備自診斷和綜合保護能力，提高了設備自身安全保障能力；設備突發故障能夠及時報警、故障停機干預。生產期間單班減少5人，增產1000噸。

（二）實現主運輸設備節能降耗

通過負載智能調速及順煤流啟動功能，降低設備空載運行損耗，真正做到主運輸設備的節能降耗。通過AI異物識別，降低異物損傷主運輸皮帶的風險；系統能夠自診斷，及時進行故障報警、停機干預，降低設備帶病運行風險，提高了主運輸系統運行保障能力。系統投入使用以來主運輸三個崗點已實現無人值守，減少崗點運轉人員9人。

（三）有效保障礦井通風安全

實現遠程倒扇操作，減少倒扇的操作環節，提高了切換效率，降低了職工勞動強度；增加設備故障自動倒機功能，提高了主通風系統故障應對能力，有效保障了礦井通風安全。開發應用了不停風倒機功能，降低了倒機時對井下通風影響，提高通風系統可靠性，實現通風機房無人值守。

（四）降低供電系統帶病運行風險

完善了五防設施，降低人員誤操作風險；設備具備遠程操控功能，減少了作業人員的風險暴露頻次；系統能夠快速故障選線、故障診斷，環境監測，及時進行設備故障預警、報警和防越級保護，降低設備和供電系統帶病運行風險，提高了運行保障能力。目前，昊華35kV變電站已經實現無人值守，減少值班人員8人。

編輯/王盈 統籌/李蘇