龍王溝煤礦智能化系統在智慧礦山建設中的研究與應用

文/代業濱

隨著國家環境保護力度的加大和能源消費結構的轉型，倒逼煤炭產業必須走綠色智能的清潔化生產之路。近年來，國源礦業開發公司加快了智能化礦山建設步伐，在智能煤炭開采、高效快速掘進、智能通風、智能排水、視頻調速及智能供配電系統等方面取得了實質性突破。國源公司龍王溝煤礦作為全國71處智能化煤礦試點之一被國家能源局、國家煤礦安全監察局成功納入智能化示范煤礦建設目錄，標志著國源公司智慧礦山建設進入引領階段。

一、龍王溝煤礦智能化系統介紹

龍王溝煤礦的智能化系統可分為智能采煤系統、智能掘錨一體機、智能通防系統、智能供排水系統、主運輸膠帶輸送機智能視頻調速系統、智能供配電系統六個方面，各系統穩定運行，智能化礦山建設成效顯著。

1.智能采煤系統

龍王溝煤礦61617工作面采用德國瑪珂基于高精度陀螺儀慣性導航技術和采煤機外置式射頻精準定位技術，實現了工作面智能采煤和地面調度室遠程一鍵啟停集中控制功能，目前已實現該工作面配置5人智能采煤常態化運行。

在采煤機選擇方面。61617工作面配置美國久益采煤機，具備智能割煤、自動往返、滾筒換向、自動掃底進刀、運行工況及姿態監測、機載無線遙控、三角煤機架協同控制截割、遠程自動控制、故障診斷分析、環境安全瓦斯聯動控制功能。

在電液系統控制方面。61617工作面配置德國瑪珂PM32電液控制系統，已實現液壓支架自動跟機移架、自動補液、自動反沖洗、自動噴霧降塵、移架報警、收伸護幫、自動推溜、成組程序化拉后溜、時序自動放煤，前后刮板機、轉載機、集中泵站及順槽皮帶遠程集中控制等功能，實時在線監測采煤機、液壓支架、三機、泵站、順槽皮帶等各類技術參數數據。

在定位方面。采煤機具有位置精確定位，應用慣性導航技術結合四維地理信息系統煤層賦存曲線，實現采煤軌跡自動生成的記憶割煤功能；采煤機通過高精度陀螺儀設備實現對采煤機位置、姿態的準確檢測，描繪出采煤機沿工作面方向及工作面推進方向的曲線數據，實現對工作面刮板運輸機直線度檢測，實現工作面刮板機自動調直與修正功能；61617工作面還具有初次來壓和周期來壓監測和預警、工作面人員位置精準定位功能。

在監控系統方面。工作面視頻監控系統已實現在工作面、轉載點、超前支架等重點位置，實時顯示工作面視頻，并進行跟機旋轉和視頻畫面切換功能。

在數據傳輸方面。工作面工業以太環網系統，通過控制器、電源箱、耦合器、節點交換機、礦用光纜等，形成工作面以太環網，實現數據高速實時傳輸，通過交換機劃分VLAN，實現工作面數據流和視頻等信息隔離，保證重要數據網絡帶寬和數據安全。

此外，為了降低采煤工作面人員勞動強度，實現安全高效智能化工作面，結合放煤工藝流程與德國瑪珂合作，并進行深入技術交流，目前已把多輪順序智能放煤程序編制完成，準備進行工業性試驗。

2.智能掘錨一體機應用

龍王溝煤礦已成功應用智能化掘錨一體機煤巷快速掘進裝備，實現設備遙控器操作、全斷面截割、鍵盤式操控錨桿機、自動噴霧除塵、工作面環境智能監測分析等功能，實現了掘、支、錨、運、破一體化連續平行作業和掘進工作面安全、高效、快速掘進。

掘進系統。具有坡度追蹤、全斷面截割等功能，具備完善的傳感器、執行器及控制器，能實現單系統或單設備的遠程自動控制、工況在線監測、故障診斷功能。

支護系統。具有自動確定錨護位置等，實現工況在線監測及故障診斷、錨固質量自檢驗等功能。

錨桿系統。配備機載頂部錨桿機和幫部錨桿機，頂錨桿機應用鍵盤式操控錨桿機，可顯示扭距、鉆進方位、鉆箱位置等參數，具備頂板臨時支護功能，實現錨桿作業流程自動化。

運輸設備。轉載機組具備過載保護功能，帶式輸送機機尾具備自移和張力自動控制功能。

除塵噴霧系統。配備新型濕式除塵風機系統，具備較強的除塵、降塵能力，可有效降低現場作業環境粉塵濃度。

3.智能通防系統

龍王溝煤礦智能通防系統取得一定成效。目前主通風機實現無人值守在線監測，可實時顯示電流、電壓、功率、風量、負壓、溫度、振動等運行參數，超限時報警。通過遠程控制調整頻率，實現風量調整；采用AFM型風機在線監控系統，可以實時對風機、風門等運行狀態及參數進行在線監測，具備一鍵啟動、一鍵調風、一鍵倒機、一鍵反風、故障自動切換功能。

局部通風機設備開停已實現遠程監控、主備風機自動切換，并配備性能可靠的低噪音局部通風機，局部通風機實現遠程控制，煤及半煤巷局部通風機具備調速功能。

為適應智能礦山建設發展需求，逐步實現礦井通風實時監測感知、故障智能診斷、災害智能預警、安全智能管控和災變智能應急控制，提高了礦井通風自動化、信息化和智能化水平。目前，正在開展智能通風建設工作，階段性實現對礦井風阻、風量、風壓等參數的智能感知，對通風網絡阻力進行實時監測與解算；實現主要地點風門和風窗自動和半自動開關；通過智能通風軟件系統，實現分風解算、通風網絡實時解算及災變狀態下風流模擬仿真，能夠進行通風系統優化、風速傳感器和調節設施的優化布置以及可測性和可控性評價。

4.智能供排水系統

通過建設智能供排水系統，實現礦井供排水系統的智能聯動控制，動態預警分析，供排水量智能平衡控制，還可實現礦井強排系統、水處理系統、主排水系統、水文系統的智能聯動、預警分析和災害期間的應急管理，達到智慧化排水的目標。

智能供排水系統已具備井下主要排水泵房實現無人值守、遠程數字傳輸、地面集中可視化監控。并具備兩種可靠的抽真空及風水射流引水裝置及雙水位雙報警功能，具有遠程、就地自動、手動三種控制方式，實現了多系統的智能聯動和預警分析功能。智能供排水系統根據水倉水位高低和用水量的變化進行自動起泵、自動調節排水泵運行臺數，自動切換排水管路，在線檢測主排水系統工序能耗，實現多臺水泵自動輪換和自檢功能。

龍王溝煤礦通過建設智能供排水系統，提高了排水效率，降低了設備故障，取消了崗位人員，降低了人工成本，實現了礦井無人少人的目標。

5.主運輸膠帶輸送機智能視頻調速系統

通過智能視頻調速實現主運輸膠帶輸送機煤流智能啟停、智能調速、智能異物識別等功能；實現煤流大提速、煤流小降速，降低了皮帶運輸系統能耗，減少了運輸系統設備磨損，達到了延長設備壽命的目的。

智能視頻調速系統具備各類運行參數自動采集顯示、自動分析判斷、異常報警停機、異物智能識別、自動啟停皮帶、遠程集中控制等功能，實現根據煤流大小、方向、煤倉煤位進行煤流均衡自動控制的目標。通過主運輸系統地面遠程集中控制，機器人巡檢代替人巡檢，達到了無人少人高產增效的目標，

6.智能供配電系統

智能配電系統的應用，使主要機電硐室實現無人值守，配電系統實現高（低）壓電氣設備遙信、遙測、遙控、遙調、遙視信息在線監測及遠程實時傳輸和可視化監控。

智能配電系統具備防誤操作及遠程閉鎖，各變電所實時遠程集中監控及智能調度、數據采集、運行監視、智能告警、故障錄波分析、防越級跳閘、自動故障定位等功能。此外，還具備峰谷電能計量、能耗統計、在線電能質量分析、絕緣監測功能。

二、龍王溝煤礦智能化系統的應用效果

龍王溝煤礦統籌規劃，從多角度進行智能化系統設計、建設，全力打造智慧綠色安全的一流礦山。

1.踐行綠色發展理念，推進了節能減排工作

龍王溝煤礦通過建設四維地理信息系統，利用鉆探數據地質體連續建模技術，在內蒙古自治區率先建成了首個透明化可視礦山系統，助力礦山地質環境保護和生態修復工作；全面開展TDS智能化煤矸分離系統建設，利用分離矸石回填采空區或用于井巷地坪施工，提高了資源回收率，減緩了地面沉降，實現了矸石零排放；構建礦井水潔凈高效智能化循環利用系統，實現了礦井水零排放；利用智慧礦山管理系統，通過對生產系統智能化管控，動態監測礦井各系統能耗，分析制定節能降耗措施，實現了能源高效利用和低碳發展；大力推進礦井節能降耗工作，在礦井110KV主供電系統上，應用無功補償新技術和新產品，使系統功率因數由原來的0.7提高到0.9以上；在主煤流系統、主通風系統、井下供液系統等主要系統全面推廣應用變頻技術，實現了煤流速度、風機功率、供液泵功率的自動調節，實現了節能降耗，全年累計節省電量230萬度以上。

2.加強私有云系統建設，營造了良好的網絡安全環境

智慧礦山系統建設離不開數據保障和網絡安全保障，面對復雜的外部網絡環境和海量智慧礦山數據，建設一套高可靠的網絡安全系統和大數據中心尤為重要。龍王溝煤礦于2019年建成智慧礦山私有云系統，系統集成了虛擬集群系統、物理存儲系統、Oracle數據庫系統、備份一體機系統，采用了業界先進的虛擬化集群技術和存儲雙活技術，實現了主系統發生故障后備系統的自動接管業務以及系統數據的負載均衡，保障了系統穩定可靠運行。同時建成網絡安全態勢感知平臺、日志審計平臺、上網行為等網絡安全系統，實時監測和防護內外網攻擊和系統非法訪問，嚴格按照“安全分區、網絡專用、橫向隔離、縱向認證”的原則開展網絡防護體系建設，成功阻斷防御了勒索病毒、蠕蟲等各類病毒木馬攻擊，為礦井的安全生產和智能化系統建設提供了良好的網絡安全環境。

3.加強透明礦山建設，提高了三維地質模型精度

龍王溝煤礦利用四維地理信息系統，通過井上下鉆孔數據、探煤數據、物探數據等，應用槽波探測、定向鉆探、超前鉆探、地球物理探測等技術，高質量完成了61610、61617工作面連續地質體建模和井田范圍內連續地質體建模，實現了國內首家連續60多層連續地質體建模，為建設智慧透明礦山、實現工作面智能透明開采提供了基礎保障。同時，開展智慧礦山三維組態系統建設，完成了井上下三維虛擬場景的搭建，建立了供水、通風、運輸、避災線路模型及各種三維漫游場景，實現了對礦井的生產環境、生產過程、設備分布、工藝流程、巷道分布、設備運行狀態的實時動態掌握，達到井上下透明化管理的目的。

三、結語

龍王溝煤礦在現有的智慧礦山基礎上重點建設煤礦智慧大腦和智慧礦山大數據平臺，積極借鑒其他智慧礦山建設的優秀經驗和做法，加強智能化系統協同管控體系建設。積極將人工智能、工業物聯網、云計算、大數據、機器人、智能裝備等與現代煤炭開發利用深度融合。在5G+智能透明開采、高效快速掘進、遠程故障診斷、數字孿生技術應用等方面實現創新突破，實現煤礦開拓、采掘、運輸、通風、洗選、安全保障、經營管理等過程的智慧化運行，打造了國內一流智能化示范礦井。

采煤工作面