神東烏蘭木倫煤礦智能化建設探索與應用

高登云，沈秋彥，劉世平

（內蒙古鄂爾多斯市神東烏蘭木倫煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017209）

圖1 智能一體化管控平臺

為積極落實國家清潔、綠色、環保、安全、高效政策方針，在工業4.0與“中國制造2025”的指引下，煤礦智能化建設已經成為煤礦發展的必經之路，也將成為一種趨勢。煤礦只有走創新、智能發展之路，方能跟上世界傳統產業轉型升級和高效發展的步伐。在傳統工業結構中，大多礦區地處偏遠、產業落后、管理粗放、工作條件差，與其他產業相比，提升空間很大。在人工智能、5G等新一代信息技術加速應用的背景下，以“三化融合”為路徑的煤礦智能化，將有力推進煤礦企業精細化管理，大幅提升經濟效益和安全生產水平，未來煤礦的發展唯有向精細化管理、數字化運營轉變，才能真正建成智能化煤礦，實現本質安全。

1 烏蘭木倫煤礦智能化建設應用

1.1 基礎建設，建成智能化礦井

從逐步開始建設綜合自動化系統，到建成4G“一網一站”、安全監測監控系統、生產執行系統。井上下應用萬兆生產控制環網與一體化綜合通信分站，集無線通信、人員定位、應急廣播、數據采集和數據交換等業務，形成了一個具有運行數據動態監測、視頻圖像實時監控、語音通信及時溝通的綜合信息化網絡管理平臺，暢通了生產設備數據采集和控制專用傳輸通道。建成了人員定位系統、調度通信系統、4G無線通信系統、應急廣播系統、礦井安全監測系統、工業視頻監控及在線監測系統，實現了調度指揮中心實時監控、氣體超限等多系統應急聯動功能，具有監控容量大、響應時間短、穩定性高、抗干擾能力強等特點，為智能化煤礦建設提供了基礎條件。

變電所、水泵房應用高清攝像頭，實現無人值守、有人巡視；配置井下測控分站，通過以太環網，完成各開關柜分合閘、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、電度、過流保護、短路保護、漏電保護等數據采集及監測，測控分站能夠提供標準通訊接口（485或光纖接口）。開放系統通訊接口功能，使系統與調度指揮中心監控主機搭建以太網通訊，傳送數據，交換信息；達到實時監測電壓、電流、有功功率、無功功率、監控高壓柜分合閘狀態。將井下變電所運行狀態數據和控制信號上傳至生產管控平臺。便于礦井管理，又符合神東煤炭集團提倡減員增效的管理思路，也充分體現了煤礦井下本安體系“無人則安”的安全管理理念。

圖2 變電所、水泵房無人值守

井下車輛全部安裝定位卡，具有精確定位和語音通話功能，發生危險時具有緊急呼救、接收撤離報警、一鍵呼叫調度臺等功能；同時，車輛搭載了車載物聯卡，車輛數據實時上傳平臺，為車輛檢修提供依據。通過在有坡度的輔運路線上安裝失速保護裝置，當系統接收到車輛超速信號，車速到達30km/h時報警，達39km/h時，控制器自動發送脫鉤指令進行脫鉤動作，同時，通過無線給巷道內控制器下發跳繩指令，控制失速點以下所有攔截鋼絲繩彈出，自動放繩拖掛車輛，防止輔助運輸事故發生。

1.2 智能采煤，建成智能化綜采工作面

2021年8月，12406智能綜采工作面正式投產，在各級領導的高度重視下、一線員工的不懈努力下，僅用30天就實現了記憶割煤+自動拉架，通過順槽集中控制中心實現遠程控制設備單獨啟停，工作面設備一鍵順序啟停，三機、礦壓實時觀測，視頻監控等功能，同時可將所有設備運行數據上傳到地面調度室進行監測，機尾動作實現遙控控制，配置視頻監控、油液在線監測、乳化液自動配比、設備狀態在線監測等功能。

圖3 智能綜采工作面

按照指南要求，下一步建成地面集控中心，供液系統實現反滲透水處理，運輸系統實現刮板機自動化改造、集中加油與膠帶機機尾遙控控制，煤機自動割煤，液壓支架自動跟機與超前支護設備遠程遙控，建成人員進入防護系統、全視頻監控系統、絞車遙控控制（變頻絞車）、單軌吊小車推移系統、自移移變列車系統、采煤機光纖復合拖曳電纜等。2021年底，建成無人化、少人化智能工作面，達到自主割煤+遠程監控模式。

1.3 智能掘進，建成智能化掘進工作面

掘進工作面梭車與轉載破碎機聯動啟停。通過梭車機身安裝無線信號發射器，破碎機安裝無線信號接收器以及破碎機相對應的PLC程序。當梭車與破碎機的距離達到15m時，破碎機接收器收到信號后，經過延時啟動預警，先后啟動破碎滾筒電機和運輸機電機；當梭車與破碎機的距離超出15m設定值時，經過延時后破碎機和運輸機停止作業。轉載破碎機同時具備遙控功能。目前，移變、饋電、風機開關等設備數據已采集并集中在生產管控平臺上，實現了移變饋電、局部通風機的運行狀態監測及遠程啟停。膠帶機實現集中控制。梭車已安裝人員接近防護系統，當人員接近梭車時可實現自動減速或停機，從而保證人員安全，通過在梭車加裝視頻輔助駕駛系統，司機可在駕駛室內直觀地看到梭車周圍環境，提高了行車安全。

圖4 智能掘進工作面

針對現用設備進行電控改造，使其具備遠程控制和姿態自動調整，自動仿形割煤功能，增加機身鉆臂，提升生產效率。運煤設備實現遠程監控、自動運行，支護設備實現自動化，給料破碎機實現自動開停與聯動控制，供電、供風、運輸膠帶機實現集中控制。工作面移動設備加裝人員接近防護系統，雙向報警保障人員安全。研究應用綜掘機、掘錨機自動化電控系統，購置智能化錨運破一體機、自動錨索鉆車等設備。最終實現掘進工作面自主掘進+遠程監控。

1.4 智能運輸，建成無人值守機器人巡檢模式

主運輸系統中膠帶機已實現遠程控制，通過系統將采集到的視頻上傳至區隊地面集控中心與調度指揮中心，達到遠程監護順槽膠帶機重點部位的要求；在各部膠帶機主電機、減速機和驅動滾筒處安裝無線溫度振動一體式傳感器，檢測各驅動設備的溫度及振動運行參數；在主要膠帶機安裝煤流金屬探測裝置、鋼絲繩芯輸送帶無損檢測設備、縱向撕裂保護裝置，通過以上裝置對膠帶機各種保護進行升級，減少了保護誤動作現象，保證了膠帶機在無人值守期間可靠運行。

圖5 主運輸膠帶機無人值守

2 烏蘭木倫煤礦智能化建設探索

2.1 UWB—精準定位

現定位系統是基于ZigBee技術的定位，對井下大巷、工作面及重點區域布置綜合分站，綜合分站內置ZigBee定位模塊。通過ZigBee定位終端發射的位置數據及狀態信息，使得井上管理人員能夠及時了解井下人員的位置及狀態。

由于ZigBee技術定位精度只有3～5m，已逐步落后于煤礦行業對人員及車輛精度定位的需求，烏蘭木倫煤礦從長遠規劃出發，為提高自身管理水平，實現煤礦井下精確定位管理，確保煤礦井下安全高效生產，重新選擇了一項適合井下復雜環境、信息化高度集成且符合煤礦長期發展需求的厘米級高精度定位技術（UWB）。目前UWB精準定位設備已在井下測試取得了階段性的成果，能夠實現井下一維直線、二維平面50cm(UWB)的高精定位。通過遠距離測試75m、135m、228m、309m、414m等不同位置進行測試，得出在可視情況能夠滿足0.3m的精度要求。同時，可兼容原定位系統，實現了真正意義上的精準定位，為今后人員接近防護、無人駕駛等項目提供基礎數據。

圖6 UWB設備

2.2 5G技術—漏纜組網+pRRU

隨著煤礦智能化建設的快速推進，采掘作業區域亟需實現5G網絡通信，數據傳輸高帶寬，降低網絡通信延時，暢通信息網絡業務。為滿足這一需求，烏蘭木倫煤礦在12406綜采工作面測試了全國煤炭行業首套基于漏纜+pRRU組網的5G技術，該技術是由神東煤炭集團與華為共同成立的聯合創新中心提出，此技術的成功應用將會為煤炭企業井下安防、危險場所作業、虛擬現實、高精度實時定位、遠程控制、井下無人駕駛、協同運維等提供新途徑。

圖7 5G漏纜技術

該技術的測試為12406綜采工作面實現了5G網絡全覆蓋，方案內容包括在工作面電纜槽內與液壓支架內各鋪設一條漏纜，兩條漏纜用2臺pRRU連接，組成2T2R小區；煤機上安裝4K攝像頭與CPE，液壓支架立柱后安裝pRRU，設備列車安裝RHUB，配電硐室安裝BBU。為下一步計劃實施的5G智能開采和5G智能掘進創造了基礎條件。

2.3 主運系統變頻調速

104主運膠帶機安裝主運系統變頻調速系統，系統利用上一級膠帶機安裝的智能視頻儀，監測帶面上瞬時過煤量，配合膠帶機運行速度、帶面寬度等建立膠帶機煤量分析模型，計算帶面上的載煤量分布情況，根據膠帶機載煤量與電機功率運行曲線，分析膠帶機最佳運行區段，為智能調速提供數據，經三維空間重建技術，形成輪廓點云圖，根據點云圖數據進行積分計算，獲取煤流切面面積，再利用多個切面拼接成為完整的三維煤流空間圖，最后針對煤流空間圖三維數據進行實時處理，從而精準計算出煤流體積。最終實現生產過程智能調速功能，從而達到節省電能、提高皮帶運輸機運行效率、減少運輸系統運維成本的效果。

3 烏蘭木倫煤礦智能化建設亮點

3.1 均衡排水

煤礦井下排水系統的運行可靠性對于提高煤礦安全生產有著重要的意義，烏蘭木倫煤礦在傳統排水系統控制的基礎上，研究了一種井下均衡排水系統，能夠實現自動化運行。使運行設備達到最佳工作狀態，可節約能源、降低成本、延長設備使用壽命，提高了設備自動化水平，有效促進礦山的健康和可持續發展。

圖8 均衡排水系統

目前，主排水泵房、中轉水倉、沿線小水泵已全部實現自動化排水；上位機實時監控各水泵房、中轉水倉、小水泵的運行情況，以及各排水系統流量與濁度的監測；根據各盤區涌水情況和水泵房分布情況劃分不同區域，涌水量自動關聯排水；通過對水泵運行時間和管路排水時長分析，實現水泵均衡運行，避免水泵疲勞運行，降低水泵運行維護成本；通過對井下水泵房水倉濁度數據的監測，實現與井下排水泵的聯動功能。同時，為全面推動綠色礦山建設，在井下建設了水凈化硐室，可將污水進行清污分離，為綜采、掘進工作面液壓用水提供有力保證，減少了液壓支架過濾器和濾芯等部件的更換頻率，極大降低了井下生產用水對設備部件的損壞程度，實現了污水二次利用。

圖9 工業視頻系統

3.2 無基礎膠帶機

順槽膠帶機是煤礦在開采過程中運輸原煤的起點，其沿著采煤機的開采方向布置，隨著綜采設備的推進，順槽膠帶機逐漸縮短，直到該工作面采完，膠帶機隨著其他設備搬家倒面，相關設備進行周期性的安裝和回撤，工程量較大，工期也較長，耗費人力物力。

針對這種頻繁拆裝的帶式輸送機，需應用一種可實現免澆灌快速拆裝的膠帶機新機型解決上述問題，為解決這一問題，12406順槽工作面成功運轉了一套無基礎膠帶機。該部膠帶機徹底顛覆了傳統機型的安裝方式，有效地提高了安裝回撒的效率,縮減了基礎設施建設的投入,節約了安裝和回撤的成本。從經濟效益方面來看，此部膠帶機在安裝中節省了安裝工藝，各單元搬運到位，調平作業后，只需壓緊壓柱、連接框架使用螺栓，即可安轉完畢，提高安裝效率；回撤時，節省了地腳螺栓拆除工序，有效的避免了火工品入井作業，既節省了回撤時間，又有效的降低了風險。實現膠帶機的快速安裝回撤，縮短膠帶機安裝接續工期，為原煤的開采節約了時間，且經濟效益顯著。

圖10 無基礎膠帶機

3.3 智能一體化管控平臺

以安全、高效、協同作業為目標，建立了一體化智能綜合管控平臺，將井下的海量生產數據進行全過程采集、集中智能存儲，實現設備集中監控、集成展示、優化排程、智能感知、關聯分析等功能，可在平臺上實時監控各系統的運行狀態。

圖11 神東生產管控平臺

通過自主研發實現全部硬件國產化，統一礦井生產數據存儲標準，實現生產數據模型固化、統一OPC UA（過程控制統一架構）發布，建成生產大數據倉庫，既保障了數據的絕對安全、穩定，又保障了數據的高效交互與共享。目前，烏蘭木倫煤礦礦井設備監測系統不統一，需要查看時切換不同的系統，為了使智能化更進一步的展現，開發了一套統一的智能一體化管控平臺，該平臺開發采用C/S與B/S架構，能夠使用計算機和移動終端遠程監控井下設備，考慮到網絡安全，登錄該平臺需要在內網環境下訪問。進入本平臺可以實時查看到設備當前運行情況，以及歷史數據，如果數據出現異常，平臺和終端會預警提示，及時發現設備異常，聯系井下工作人員，檢查設備，做出相應的機動，并且通過高清視頻查看到當前設備的工作場景，從進入平臺開始劃分，采用導航菜單布局，設備運行狀態采用動態、靜態相結合，完美呈現了設備運行狀態。

4 烏蘭木倫煤礦智能化建設展望

智能化建設對煤礦發展具有重要意義，烏蘭木倫煤礦將一如既往地在智能化發展中牢固樹立創新、協調、綠色、開放的發展理念，圍繞煤炭工業與物聯網、大數據、人工智能等深度融合的關鍵環節，大力推進智能系統、智能裝備的技術探索與應用，全面提升煤礦智能化水平,推動煤炭生產向智能化高質量發展，為實現集團提出的“建設具有全球競爭力的世界一流能源集團”的戰略目標——披荊斬棘，乘風破浪。