智能礦山建設實踐及關鍵技術

任文清， 高小強

(神華神東煤炭集團有限責任公司 大柳塔煤礦， 陜西 神木 719315)

0 引言

當前煤炭行業正處于全面建成智能礦山的關鍵時期[1-2]。針對煤礦智能化建設現狀及關鍵技術，國內外學者進行了大量研究與探索。潘濤等[3]詳細介紹了智能礦山發展歷程及規劃，并以神華神東煤炭集團有限責任公司大柳塔煤礦、榆家梁煤礦、上灣煤礦和錦界煤礦為例，從智能工作面開采、智能選煤廠、煤礦機器人等方面進行深入剖析，得出了智能礦山建設的意義。韓建國[4]概述了智能礦山的內涵，設計了適用于神華集團智能礦山的5層架構，并闡述了“智慧”與“能力”平臺建設概念，以大數據為挖掘工具，為煤礦企業管理層制定決策提供數據支持。文獻[5-9]闡述了國內外智能化礦山建設現狀、發展規劃與技術路徑，對煤礦綜采、掘進、運輸、機電、通風等系統的智能化技術進行研究，將空間信息處理、物聯網、大數據、虛擬現實、云計算等技術應用到煤礦井下，實現采掘一線少人化、固定崗位無人化、安全生產智能化，有效提升煤礦智能化建設水平。

通過檢索國內外文獻可知，當前對智能礦山概念、發展規劃的研究較多，對于智能化建設成果和關鍵技術的研究相對較少。本文以大柳塔煤礦智能化建設為例，論述了綜采、掘進、運輸、供電、供排水等系統的智能化建設情況，指出了目前我國智能礦山建設面臨的難題，提出了技術攻關方向，為實現智慧煤礦積累經驗。

1 智能礦山概述

智能礦山以信息化建設為基礎，以自動化建設為手段，融合5G通信、物聯網、云計算、大數據、智能傳感、人工智能等先進技術，最大程度地減少井下作業人數，改善礦井員工作業環境，提高工作效率，并打造跨系統多維度的數據分析平臺，為管理層制定礦井發展方向與決策提供可靠數據支持[10-11]。

智能礦山建設技術架構如圖1所示，其包括感知層、傳輸層、數據層、平臺支撐層和應用層。

感知層將前端感知的視頻監控數據、安全監測數據、生產自動化數據等通過串口、網關、PLC、綜合分站、移動設備等進行集中采集。傳輸層利用井上下工業環網、視頻專網、4G/5G無線網絡等對感知數據進行傳輸。數據層按照統一標準對感知層數據進行分類存儲。平臺支撐層基于實時數據和業務需求進行數據抽取、數據可視化、大數據分析等，提供基礎技術支撐服務、數據管理支撐服務、數據共享與交換服務、應用與分析支撐服務。應用層提供面向業務應用的服務，主要包括基于時空GIS“一張圖”的安全監測系統、基于時空GIS“一張圖”的生產監控系統、生產執行系統、經營管理系統及綜合決策大數據分析系統，并通過調度大屏、PC應用端、門戶網站、移動APP等方式進行展示，PC應用端、門戶網站和移動APP均可基于權限控制實現煤礦不同用戶需求。

圖1 智能礦山建設技術架構Fig.1 Technical structure of intelligent mine construction

2 大柳塔煤礦智能化建設實踐

2.1 基礎網絡建設

大柳塔煤礦建成了井上下生產環網，保障數據可靠傳輸。以52煤為例，在井下中央變電所、五盤區變電所、加壓泵房、六盤區變電所分別布置萬兆環網交換機，形成一個環形結構，在中央變電所至地面鋪設2趟光纜，形成井上下生產環網。在井下變電所、帶式輸送機機頭、運輸巷及采掘工作面分別布置4G綜合分站，形成“一網一站”。4G綜合分站是集無線通信、車輛定位、人員定位、語音IP電話、語音廣播和數據交換、數據采集等業務于一體，將互聯網、電信網與廣播電視網“三網融合”，具有視頻圖像實時監控、運行數據動態監測、語音通信即時溝通功能的綜合信息化網絡管理平臺[12-13]。在掘進工作面布置5G通信系統，其由地面核心網、IP RAN(Radio Access Network，無線電接入網)、基帶控制單元、遠端數據匯聚單元、微型射頻拉遠單元等組成，為智能礦山建設提供低時延、大帶寬傳輸網絡。

2.2 綜采工作面智能化建設

綜采工作面智能化建設包括工作面巷道集控中心智能化建設和工作面智能化建設2個方面。工作面巷道集控中心智能化建設主要完成工業網絡搭建和集控室軟硬件建設，實現采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機、液壓支架、泵站、組合開關、移動變電站集控，以及礦壓、采煤機位置及割煤刀數、煤流運輸等數據的跨系統多維度分析。工作面智能化建設主要實現液壓支架自動化跟機和采煤機自主割煤。液壓支架自動化跟機通過自動識別采煤機位置，觸發液壓支架跟機程序，實現自動拉架、推溜和伸收護幫板功能。采煤機自主割煤是基于人工智能的預測算法，通過安裝在采煤機機身上的位置傳感器、采高傳感器和俯仰搖擺傳感器，以及十二工步割煤工藝(圖2)邏輯控制，實現采煤機自主割煤。

圖2 十二工步割煤工藝流程Fig.2 Cutting process of twelve steps

2.3 掘進智能化建設

掘進智能化建設包括掘進工作面運輸、供電、供風系統集控，工作面連采機自動化生產，破碎機與梭車自動化聯動，錨桿機自動化支護等方面的建設。大柳塔煤礦8個工作面運輸、供電、供風系統實現了集控，取消掘進工作面運輸系統固定崗位26個，減員50余人，同時制定了設備開機率報表，為生產管理人員提供指導性數據。掘進工作面智能化實現了連采機基于5G傳輸網絡、慣導和負載敏感等技術的遠程控制和自主割煤功能及破碎機與梭車聯動啟停功能，并通過引進兩臂自動錨桿機實現了錨桿自動定位、自動打鉆、自動錨固功能，支護單根錨桿時間由5 min縮短至3 min，支護效率提升40%。

2.4 主運輸智能化建設

主運輸智能化建設實現了帶式輸送機、給煤機集控，帶式輸送機滾筒溫度、振動在線監測，帶式輸送機供配電集控功能，開發了帶式輸送機手持式智能監控軟件、地面集控室監測系統和井下巡視工監控系統。帶式輸送機可基于視頻自適應調速，降低了空轉率。以某一部1 700 m帶式輸送機為例，調速范圍為2.7～4.0 m/s，日節約用電約500 kW·h。針對部分關鍵帶式輸送機，引進智能巡檢機器人技術，對帶式輸送機堆煤、跑偏、異物等進行檢測，巡檢機器人搭載紅外熱成像儀，監測帶式輸送機電動機、減速機、滾筒、托輥等設備的溫度，以發現設備故障前期的發熱現象，為帶式輸送機安全運行提供支持。鋼絲繩牽引式智能機器人巡檢畫面如圖3所示。

圖3 智能機器人巡檢畫面Fig.3 Intelligent robot inspection screen

2.5 供電智能化建設

煤礦變電所已實現無人值守。五盤區變電所引進軌道式智能巡檢機器人，按預設時間定時巡檢變電所各高壓柜運行狀態及周圍環境，解決固定視頻監控死角問題；可與自動化系統聯動，當某臺高壓柜發生故障時，機器人自行移動至柜前進行巡查；可對高壓柜合閘操作人員進行人臉識別確認，代替傳統的操作票制度；可對高壓柜操作情況進行視頻錄像，在員工因操作失誤造成事故后，可查看監控視頻進行追查；監測到環境氣體超限時，可自動切斷供電電源。

2.6 供排水智能化建設

煤礦供排水泵房已實現無人值守。五盤區水泵房引進智能巡檢機器人，實現水泵房紅外熱成像、自主巡視和儀器儀表自主識別等功能。零星排水點33臺水泵實現集控，計劃2 a內實現管路沿線壓力、流量在線監測和自動均衡排水。

大柳塔煤礦于2010年建成了可充分利用采空區空間儲水及采空區矸石對水體進行過濾凈化、自然壓差輸水的循環、環保、節能、效益型分布式地下水庫，儲水約710.49萬m3，且已建成智能監測監控系統，實現了礦井水不外排，有效保護了地下水資源[14]。計劃2021年6月前在52煤五盤區建1個儲量約1 800萬m3的地下水庫，實現水庫智能監測監控，保證水庫安全運行。

2.7 輔助運輸智能化建設

在輔助運輸車輛上加裝雷達、攝像機等設備，自主感知識別車輛50 m范圍內人、車及障礙物，在司機誤操作或無法操作制動踏板的情況下，主動報警、減速、制動，保護井下人員及車輛安全；實現了駕駛員疲勞監測功能，實時監視駕駛人員行為，對危險駕駛行為進行告警；實現了智能限速識別功能，可有效規范井下道路駕駛行為，從技術上杜絕超速駕駛。智能輔助運輸視頻監控畫面如圖4所示。

圖4 智能輔助運輸視頻監控畫面Fig.4 Video monitoring screen of intelligent auxiliary transport

3 智能礦山建設關鍵點

(1) 拓寬網絡通道。目前煤礦采用的4G網絡通信速率為上行40 Mbit/s、下行100 Mbit/s，傳輸數據時正常，傳輸視頻時卡頓。需建設井下5G網絡(上行速率300 Mbit/s，下行速率2 000 Mbit/s)，傳輸數據及視頻圖像時速度快，更易于實現智能礦山。

(2) 統一各子系統接口。現有的采掘設備數據傳輸接口有RS485、CAN、以太網等10余種，其中以太網接口具有數據采集方便、接入環網容易、數據傳輸穩定等特點，因此應盡快推廣設備以太網接口。

(3) 各種關聯設備安全可靠。智能礦山建設投入的設備必須安全可靠，保證數據真實性及數據傳輸的穩定性。

(4) 專業人才隊伍齊備。需培養、配齊專業的智能礦山網絡工程師、軟件工程師、大數據分析工程師等。

4 智能礦山建設難點

(1) 缺乏頂層設計。只提出了建設目標，未對目標進行細化，煤礦在推進智能化建設過程中沒有統一標準。

(2) 目前礦井在用設備種類多，設備生產廠商多，各廠商的設備技術參數、通信接口、通信協議不統一，互聯互通性差，導致智能礦山建設過程中系統集成和數據融合困難。

(3) 礦井已建成的信息化子系統較多，已基本實現機電設備基礎數據上傳功能，但仍未實現數據進一步分析、決策、推送等功能，在大數據挖掘與利用方面需不斷完善。

(4) 缺乏從事智能礦山建設工作的專業人才，且參與智能礦山建設的廠家技術力量參差不齊，不利于構建專業化服務模式。

(5) 礦用傳感器種類少，部分傳感器故障多、可靠性差，且現有監測設備未實現自主學習、分析功能。

(6) 部分設備老舊，無傳輸接口，需進行升級改造；網絡設備供電不穩定且故障多，影響數據傳輸的穩定性。

(7) 在地面上技術成熟的設備因防爆認證等問題難以應用于井下。

(8) 部分煤礦企業領導對于智能礦山建設的認知仍以減人為目標，在非減人項目上缺乏創新的積極性，阻礙智能礦山的推進。

5 智能礦山建設需攻堅的關鍵技術

(1) 采煤機自主割煤技術，特別是煤巖識別、采煤機與液壓支架數據交互、機器人巡檢等技術。

(2) 連采機自主割煤技術。特別是連采機定姿定位技術需進一步優化，實現連采機自主生產，提升巷道掘進工程質量和掘進效率。

(3) 移動設備人員接近探測技術。在掘進工作面移動設備上加裝360°全景影像輔助識別設備，當監測到掘進設備周圍有人員接近時發出警報，避免人員傷害。

(4) 無線傳感技術。如設備無線溫度、振動等狀態監測技術，工作面環境無線監測技術等，以減少人員工作量，保證現場作業安全。

(5) 智能油脂集中潤滑、集中加油技術。根據油位、油壓、油質等監測數據，實現自動加油或注油，減輕現場工作人員的勞動強度。

(6) 井口智能安檢技術。通過建設安檢系統實現人員和車輛管控、車輛重點部位識別、下井人員和車輛記錄、車輛闖紅燈拍照記錄等功能。

(7) 梭車無人駕駛技術。在梭車上方安裝激光雷達，基于先進算法，實現梭車自動定位、自主建圖、路徑規劃。中央控制器不斷采集角度傳感器、速度傳感器、堆煤傳感器、人體感應傳感器數據，對數據進行分析處理后發出控制指令至執行系統，實現梭車接煤、運煤、卸煤各環節自動運行。

6 結論

(1) 分析了當前智能礦山研究現狀，闡述了智能礦山建設感知層、傳輸層、數據層、平臺支撐層和應用層的5層技術架構體系，分析了各層建設內容。

(2) 以大柳塔煤礦為例，集中展示了綜采、掘進、運輸、供電和供排水智能化建設狀況。煤礦智能化建設過程中，共取消井下固定崗位約100個，減少作業人員200余人，降低人工成本4 000萬元/a，節約工業水電消耗30%，提高設備利用率5%，提高全員工效10%。

(3) 分析了當前智能礦山建設的關鍵點和難點，從采煤、掘進、人員及設備感知、無線通信、無人駕駛等方面提出了下一步需要攻堅的關鍵技術。