煤礦智能化建設(shè)思路與方法

摘要：文章結(jié)合智能煤礦的建設(shè)的現(xiàn)狀和發(fā)展基礎(chǔ)，提出了智能煤礦建設(shè)的思路與方法，探討了智能煤礦建設(shè)的主要內(nèi)容及保障措施，希望能對煤礦智能化建設(shè)起到一定借鑒作用。

關(guān)鍵詞：煤礦；智能化；建設(shè)思路

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.03.051

中圖分類號：TD 67" " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）03-0-03

Thought and Method of Intelligent Construction of Coal Mine

XI Hengjun， WEI Qidong， GAO Bin， SHANG Xiaolong， GUO Xudong

（Huating Coal Industry Group Co.， Ltd.， Huating 744100， China）

Abstract： Based on the current situation and development basis of intelligent coal mine construction， this paper puts forward the ideas and methods of intelligent coal mine construction， discusses the main contents and safeguard measures of intelligent coal mine construction， and hopes to play a certain guiding and reference role in the intelligent coal mine construction.

Key words： coal mine; intelligence; construction ideas

1" 煤礦智能化現(xiàn)狀分析

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

我國煤礦開采技術(shù)經(jīng)過過去四十多年的發(fā)展，全國煤礦綜合機(jī)械化、煤炭開采和利用等技術(shù)取得了重大的進(jìn)步，煤炭生產(chǎn)力和安全生產(chǎn)水平大幅度提升，安全高效礦井機(jī)械化程度達(dá)到90%以上，單機(jī)自動化也日趨完善，建成了一批千萬噸級礦井群，并開發(fā)了初級的多系統(tǒng)數(shù)字礦山綜合自動化系統(tǒng)[1]。煤礦智能化也從礦山自動化、信息化、數(shù)字化逐步開始發(fā)展。《中國煤礦智能化發(fā)展報告》顯示，近十年來，智能化開采技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，研發(fā)了適應(yīng)不同地質(zhì)條件、不同開采環(huán)境、不同開采方式的綜采成套技術(shù)與裝備[2]。我國已有200多個工作面實(shí)現(xiàn)了不同水平的以“記憶截割為主，人工干預(yù)為輔，無人跟機(jī)作業(yè)，有人安全巡視”為特征的智能化開采，煤礦正處于數(shù)字化礦山向智能化礦山的過渡期。隨著科技水平的提高，智能化的程度也將不斷提升。以華亭煤業(yè)公司為例，近年來，公司煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化，技術(shù)裝備不斷提升，信息技術(shù)不斷應(yīng)用，為改變傳統(tǒng)煤炭開采和智能煤礦發(fā)展提供了條件。

（1）生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化。近年來，在國家“一優(yōu)三減（優(yōu)化系統(tǒng)、減面、減產(chǎn)、減人）”實(shí)施方案的推動下，公司針對礦區(qū)煤層地質(zhì)條件和開采技術(shù)，加大“學(xué)習(xí)、研究、應(yīng)用、創(chuàng)新”科技強(qiáng)企步伐，優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)、工藝管理、圖紙設(shè)計、勞動組織，使煤礦生產(chǎn)布局更加合理、系統(tǒng)更加完善、災(zāi)害治理更加超前、生產(chǎn)管理更加科學(xué)。

（2）子系統(tǒng)自動化改造大力推進(jìn)。按照“機(jī)械化換人、自動化減人”專項(xiàng)行動要求，公司不斷推進(jìn)自動化、數(shù)字化礦井建設(shè)。生產(chǎn)安全監(jiān)控、通信聯(lián)絡(luò)、視頻監(jiān)控等安全生產(chǎn)保障系統(tǒng)不斷升級完善，機(jī)電裝備自動化程度不斷提高。

（3）數(shù)字化礦井不斷建設(shè)。公司先后建成了覆蓋井上下的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、信息監(jiān)控處理中心以及大屏幕顯示系統(tǒng)。以實(shí)現(xiàn)辦公現(xiàn)代化、管理信息化、礦山數(shù)字化為目標(biāo)的信息化管理系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，提升了公司安全生產(chǎn)和經(jīng)營管理的水平。

1.2 存在問題

煤炭資源開采是人類在地下進(jìn)行的生產(chǎn)活動[3]，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，工作環(huán)境惡劣，各種系統(tǒng)繁多，作業(yè)活動的不連續(xù)性，作業(yè)條件的多變性和不確定性，是制約煤礦實(shí)現(xiàn)智能化開采的重要因素，需要解決的難題很多。

2" 建設(shè)思路及目標(biāo)

結(jié)合煤礦智能化發(fā)展現(xiàn)狀和制約因素，我們認(rèn)為智能煤礦建設(shè)要貼合礦井生產(chǎn)管理實(shí)際，要按照“總體規(guī)劃、分步實(shí)施；以用促建，以建保用”的原則，利用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、自動控制、人工智能、移動互聯(lián)、機(jī)器人等信息技術(shù)手段，融合現(xiàn)代礦山開發(fā)技術(shù)和先進(jìn)管理理念，在礦井?dāng)?shù)字化基礎(chǔ)上分層次、分階段進(jìn)行，最終形成主動感知、自動分析、快速處理的智能系統(tǒng)[4]，實(shí)現(xiàn)礦井開拓、采掘、運(yùn)通、洗選、安全保障、生態(tài)保護(hù)、生產(chǎn)管理等全過程智能化運(yùn)行和煤礦調(diào)度指揮的智能化，從而有效解決煤礦開采中的效率問題、安全問題和效益問題。其施線路如圖1所示。

3" 煤礦智能化建設(shè)的主要內(nèi)容

由于各礦井地質(zhì)條件、資源賦存、開采方法等因素的不同，煤礦智能化建設(shè)的具體內(nèi)容有所差別，但從總體上來看，主要包括IT基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、智能化監(jiān)控及生產(chǎn)系統(tǒng)建設(shè)、智能化綜合軟件系統(tǒng)建設(shè)等內(nèi)容。其層級應(yīng)用架構(gòu)如圖2所示。

3.1 信息資源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

（1）企業(yè)管理內(nèi)/外網(wǎng)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施性能提升。通過內(nèi)外網(wǎng)綜合布線，完善內(nèi)外網(wǎng)信息點(diǎn)布設(shè)；升級核心、匯聚、接入層交換設(shè)備性能，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升網(wǎng)絡(luò)性能，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)萬兆主干、千兆桌面?zhèn)鬏敗?/p>

（2）礦井萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)優(yōu)化。在礦井現(xiàn)用“雙環(huán)網(wǎng)”（工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)視頻網(wǎng)絡(luò)）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和配置，按照業(yè)務(wù)需求和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，逐步形成安全監(jiān)控環(huán)網(wǎng)、工業(yè)控制環(huán)網(wǎng)和工業(yè)視頻環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)井上下工業(yè)環(huán)網(wǎng)的高速率、大容量和低時延傳輸。研究5G技術(shù)及其應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)礦井無線+工業(yè)環(huán)網(wǎng)“一張網(wǎng)”傳輸。

（3）數(shù)據(jù)中心建設(shè)。數(shù)據(jù)中心應(yīng)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)分類，實(shí)現(xiàn)礦井監(jiān)控及自動化平臺與礦井信息管理平臺的信息交互、共享和物理隔離。一是梳理各項(xiàng)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)（含已有和新建子系統(tǒng)），明確計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源；二是按云計算架構(gòu)，采用虛擬化、集群、負(fù)載均衡等技術(shù)對服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源進(jìn)行池化，按需分配資源，提高設(shè)備資源的利用率和可用性；三是在礦井監(jiān)控和自動化平臺與礦井信息管理平臺上分別設(shè)置服務(wù)器、交換機(jī)、存儲系統(tǒng)、工作站等設(shè)備，并分別進(jìn)行管理[5]。

（4）數(shù)據(jù)資源存儲處理。針對礦山復(fù)雜海量、異質(zhì)異構(gòu)、實(shí)時隨機(jī)、多態(tài)的數(shù)據(jù)特性，對管理、存儲各類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分類，區(qū)分關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和實(shí)時數(shù)據(jù)庫（各類實(shí)時采集類數(shù)據(jù)），部署獨(dú)立數(shù)據(jù)存儲域，按照不同業(yè)務(wù)規(guī)劃不同數(shù)據(jù)存儲空間，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用分布式列式存儲，文本、圖片、音視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用分布式文件系統(tǒng)存儲。并且通過數(shù)據(jù)分析工具，對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、清洗、聚集、匯總，按照上級管理部門的系統(tǒng)需求推送數(shù)據(jù)。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)

（1）信息分類編碼。主要包括人力資源信息、設(shè)備信息、物資信息、空間信息、地理信息、生產(chǎn)信息、監(jiān)測信息、多媒體信息、煤質(zhì)信息、危險源信息、檔案信息、商務(wù)信息等。統(tǒng)一信息分類編碼，保證同一對象編碼的唯一性及上下游管理規(guī)則的一致性。

（2）數(shù)據(jù)采集接口。制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口以及交換、共享機(jī)制，支持多種數(shù)據(jù)服務(wù)、通信協(xié)議和接口，制定全礦所有工業(yè)自動化系統(tǒng)的協(xié)同控制策略；能夠從SCADAD、DCS、PLC、儀表、板卡等多種軟件、設(shè)備、協(xié)議獲取數(shù)據(jù)，并能通過開放接口向各種應(yīng)用提供數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的可靠性和實(shí)效性。

3.3 礦井自動化、智能化系統(tǒng)建設(shè)

通過生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化和裝備提升，以及機(jī)器人和人工智能技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)采煤工作面精準(zhǔn)智能化開采，掘進(jìn)工作面“掘-支-運(yùn)”一體化智能快速掘進(jìn)，輔助生產(chǎn)系統(tǒng)智能化協(xié)同和保障，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的生產(chǎn)方式，達(dá)到生產(chǎn)系統(tǒng)無人值守的目標(biāo)。

3.4 安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)性能提升

推廣應(yīng)用先進(jìn)的智能傳感技術(shù)、智能工業(yè)視頻技術(shù)、智能控制器、精確定位技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)人員、設(shè)備、環(huán)境智能化感知、可視化監(jiān)控、精準(zhǔn)定位。通過感知礦工自身及周圍安全環(huán)境，實(shí)現(xiàn)主動式安全保障；通過感知礦山災(zāi)害征兆，實(shí)現(xiàn)各種災(zāi)害事故的預(yù)警預(yù)報；通過感知礦山設(shè)備工作健康狀況，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警、預(yù)知維修，并基于GIS綜合集成平臺將各自獨(dú)立的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行融合聯(lián)動，主動發(fā)送監(jiān)測和監(jiān)控信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)診斷、預(yù)測預(yù)警和應(yīng)急聯(lián)動。

3.5 統(tǒng)一軟件平臺架構(gòu)

（1）礦山地理信息系統(tǒng)建設(shè)。以煤礦地測信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，融合定位導(dǎo)航、GIS、三維地質(zhì)建模、虛擬現(xiàn)實(shí)等，構(gòu)建公司整體架構(gòu)、分級應(yīng)用（公司—礦井）的礦山三維地理信息系統(tǒng)（3DDIS），有效地建立礦山空間數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)礦山的全景顯示、動態(tài)顯示，實(shí)現(xiàn)對煤礦多種資源環(huán)境信息的實(shí)時智能管理。

（2）安全生產(chǎn)管控平臺。以煤礦地理信息系統(tǒng)為載體建模，基于GIS架構(gòu)統(tǒng)一平臺和分級應(yīng)用（公司—礦井）的安全生產(chǎn)管控平臺，建設(shè)生產(chǎn)技術(shù)設(shè)計管理（包括地、測、掘、機(jī)、運(yùn)、通）、安全管理、綜合調(diào)度管理等系統(tǒng)，集成安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，形成“設(shè)計－監(jiān)測－控制－管理”一體化的數(shù)字化管控平臺。

（3）綜合經(jīng)營管理平臺。按照ERP管理思路，構(gòu)建綜合經(jīng)營管理平臺，集成人力資源、財務(wù)管理、計劃管理、物資管理、運(yùn)銷管理、績效考核管理等管理信息系統(tǒng)，橫向與安全生產(chǎn)數(shù)字化平臺實(shí)現(xiàn)協(xié)同聯(lián)動共享，縱向深化各模塊間緊密耦合，從而達(dá)到生產(chǎn)、經(jīng)營信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同。

（4）調(diào)度和應(yīng)急管理信息化系統(tǒng)。以綜合調(diào)度和應(yīng)急管理業(yè)務(wù)為基礎(chǔ)，開發(fā)以調(diào)度管理臺賬為核心的調(diào)度信息系統(tǒng)，基于GIS平臺，集成安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)、工業(yè)視頻系統(tǒng)等，借助大屏幕顯示系統(tǒng)和調(diào)度通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警、調(diào)度、應(yīng)急管理一體化。

（5）智能決策云平臺。基于GIS平臺，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，構(gòu)建整個煤礦及全礦區(qū)多單元、多產(chǎn)業(yè)鏈、多系統(tǒng)集成的云平臺，實(shí)現(xiàn)經(jīng)營績效管理、效能評估、企業(yè)決策的智能化。

4" 建設(shè)保障措施

（1）頂層設(shè)計，統(tǒng)一規(guī)劃。智能煤礦建設(shè)是一個系統(tǒng)工程，涉及礦井生產(chǎn)、公司管理的各個方面。一要公司頂層設(shè)計作為引領(lǐng)，明確目標(biāo)。二要在系統(tǒng)軟件建設(shè)方面，規(guī)劃建設(shè)統(tǒng)一架構(gòu)、分級應(yīng)用（公司—礦井）的軟件模式，規(guī)范編碼體系建設(shè)，便于數(shù)據(jù)融合共享。

（2）結(jié)合實(shí)際，穩(wěn)步推進(jìn)。充分結(jié)合礦井地質(zhì)條件，資源現(xiàn)狀，在具備條件的礦井，以優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)、提升機(jī)電裝備為核心，以完善礦山數(shù)字化建設(shè)為基礎(chǔ)，以建設(shè)公司調(diào)度和應(yīng)急管理信息化為抓手，以大數(shù)據(jù)和智能決策云平臺開發(fā)應(yīng)用為目標(biāo)，整體規(guī)劃，分系統(tǒng)、分階段穩(wěn)步推進(jìn)。

（3）產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，進(jìn)行科技攻關(guān)。智能化礦山是一個綜合性大課題，涉及多領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)，要與具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的科研單位合作，進(jìn)行科技攻關(guān)。同時，還要針對影響和制約礦井正常安全生產(chǎn)的難點(diǎn)問題進(jìn)行科技攻關(guān)，為智能煤礦建設(shè)提供安全環(huán)境保障。

（4）加強(qiáng)人才培養(yǎng)，強(qiáng)化技術(shù)保障。以采礦、機(jī)電、信息化等技術(shù)專業(yè)為主，建立公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)。一方面在智能煤礦建設(shè)的同時提供技術(shù)支持，另一方面為系統(tǒng)后期的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供運(yùn)維保障。

5" 結(jié)束語

煤炭智能化開采是煤炭工業(yè)技術(shù)革命、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要內(nèi)容[6]。近年來，國家大力倡導(dǎo)并積極推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)，國內(nèi)大型煤炭企業(yè)、科研院所等單位也積極開展相關(guān)技術(shù)研究與應(yīng)用，煤礦智能化建設(shè)勢在必行。如何更貼合實(shí)際做好煤礦智能化建設(shè)工作，本文從發(fā)展基礎(chǔ)、建設(shè)思路、建設(shè)內(nèi)容以及保障措施等方面進(jìn)行了探討，希望能夠?qū)γ旱V智能化建設(shè)有所借鑒。■

參考文獻(xiàn)

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