鄭莊煤礦智能礦山創新建設探索與實踐

柴鳳良

（晉能控股煤業集團晉城煤炭事業部鄭莊煤礦，山西 晉城 048000）

1 工程概況

晉能控股煤業集團鄭莊煤礦為400 萬t/a 大型現代化煤礦，配套建設相同規模的選煤廠。從2016 年起，鄭莊煤礦就提出了智慧礦山建設目標[1-3]，主要包括生產智能控制、安全大數據預測預警、軟件平臺開發和示范工程建設。按照“6+1+1”總體建設理念，搭建智能化礦井總體架構。“6”是指6 個“一”，即：一個標準（統一的數據接口與編碼標準），一個中心（智能化礦井運營管理中心），一個數據庫（統一計算存儲管理庫），一個平臺（綜合管控信息平臺），一朵云（礦山云服務平臺），一系列裝備（諸多智能化子系統與裝備）；第一個“1”是指一張網，全面感知與高速傳輸網絡；第二個“1”是指一張圖，即煤礦地理信息系統。智能化礦井總體架構示意圖如圖1。

圖1 智能化礦井總體架構示意圖

智能化礦井建設以煤礦綜合管控信息平臺建設為核心，打通數據鏈條、貫穿業務流程、統一技術標準；以基礎設施建設為前提，為智能化系統提供完善的信息傳輸、數據存儲、安全防護能力；以業務系統建設為主干，全面提升礦井自動化、信息化、智能化水平。

2 智能化礦井實施方案

2.1 萬兆工業以太環網建設

萬兆工業以太環網采用三環加支線的有線架構，整個網絡系統采用萬兆工業以太環網和井下WiFi 無線通信系統的混合架構。從大巷、運輸巷一直延伸到工作面，為各個子系統接入提供千兆網絡接口，滿足多系統數據的安全、穩定、高效傳輸。萬兆工業以太環網建成后，各個智能化礦井建設中的子系統全部以網絡接口方式接入萬兆工業以太環網。

2.2 關鍵區域5G 通信建設

應用無線傳感器通過5G 網絡對采煤環境的智能感知，視頻監控或智能巡視機器人的動態監測，由采煤裝備自動獨立完成煤炭開采。智能化礦井5G 網絡智能感知示意圖如圖2。

圖2 智能化礦井5G 網絡智能感知示意圖

2.3 私有云平臺建設

采用虛擬化云平臺方式建設，滿足多套業務系統云上運行環境要求。增強數據中心可管理性，提高應用兼容性和可用性，加速應用部署，提升硬件資源利用率，降低能源消耗，動態伸縮，滿足業務應用隨時增長。

2.4 大數據平臺建設（DAAS）

包含9 個子平臺：大數據交換匯集平臺、大數據治理平臺、大數據存儲計算平臺、大數據智能運維平臺、大數據智能分析平臺、大數據可視化平臺、大數據知識認知平臺、大數據應用駕駛艙、大數據基礎架構。

2.5 運營管理中心建設

運營管理中心建設是實現云化架構下所有運行系統的集中運維管理工作。

3 智能化礦井平臺設計

3.1 數據接口建設

綜合管控信息平臺與各業務系統的接口主要是通過網絡實現信息交換與信息共享，要求在網絡級和串口級提供多種符合國際主流標準的接口方式，便于各種子系統接入。當前子系統有以下PLC 接入、上位機接入、以太網接入、OPC 通信、驅動通信5種接入方式，如圖3、圖4。

圖3 PLC 接入結構圖

圖4 上位機接入結構圖

3.2 智能礦山統一門戶建設

（1）建立一個統一的監控、安全、生產、經營等信息綜合管理門戶平臺，提供統一信息訪問入口和系統運行管理。

（2）在一張時空三維地圖上，實現直觀管理、透明管理，并以此為基礎，設計打造一個基于數據匯總、加工、分析于一體的安全生產調度管理門戶。

（3）一張圖綜合信息展示：① 基于遙感影像一張圖展示企業基本情況，用文字、圖片介紹煤礦地址、性質、業務范圍等企業信息。② 以礦井地理空間數據庫為基礎，對礦井的空間位置數據分析坐標定位。③ 利用礦井導航定位功能動態查詢顯示礦井的重要基礎信息。④ 基于礦井GIS 一張圖實現礦井分布。⑤ 基于一張圖遙感影像與地形圖疊加，反映井上下對應關系。⑥ 基于一張圖遙感影像宏觀反映全礦井安全生產重要指標及當前礦井動態診斷安全狀況。⑦ 生產協同一張圖。建立生產空間數據庫，將地測、通風、機電、生產等專業圖形數據、屬性數據進行統一數據庫管理。⑧ 經營管理一張圖。建立經營基礎數據庫，在一張圖基礎上實現產銷存和人財物統一數據顯示。⑨ 安全評估一張圖。基于礦井GIS 一張圖動態顯示生產企業安全狀況，實時分析評估安全動態自動評價打分。⑩ 應急救援一張圖。基于全礦井一張圖建立應急值守、應急響應、應急處置、應急救援、應急管理等。

3.3 智能礦山生產管控

智能礦山生產管控應用信息技術、自動化技術、網絡技術、計算機技術和煤礦生產工藝技術對礦井生產過程實現全面監控，運用G1S 三維可視化和AI 技術對系統設備進行建模仿真，通過對采掘生產設備監控系統、輔助生產設備監控系統、機電運輸監控系統等子系統運行狀態、參數等數據進行集中展示，實現對各系統集中監控和高效聯動，建立采掘、機運、分選等系統的過程管理和3D 再現實時數據驅動的動態仿真，通過趨勢、報警、報表、分析等方式實現管理駕駛艙。

3.4 智能礦山安全管控

智能礦山安全管控包括：安全監測監控、火災束管監測、人員定位、井下應急廣播、水文監測、智能雙控、智能應急指揮。

（1）安全監測監控。采集井下瓦斯數據，同時設置限值，對超限或異常監測點進行報警，及時提醒相關部門采取應對措施。實時上傳監控數據、報警數據、設備故障信息等數據，按照數據關聯情況，及時向相關監管人員及數據監控異常區域進行聯動報警提示。對各監控節點進行全壽命管理，對即將達到或已達到壽命周期監控節點進行報警，以便相關管理人員及時進行更換。

（2）火災束管監測。通過獲取火災束管監測系統中數據，實現對所有井下氣體火情數據的監測與智能分析。

（3）人員定位。通過獲取人員定位系統中數據，實現對所有人員位置數據的監測與智能分析。① 實時監控井下人員信息，相關管理人員隨時隨地了解井下作業人員變化情況。② 動態展示實時井下人數曲線，讓管理人員對井下各班次人數變化情況了如指掌，防止各班次入井人數超過規定人數。③ 對當班人員進行動態監控，如果其未出現在工作區域，而是在別的區域，則實時報警，以便相關管理人員及時掌握井下人員動態。④ 對人員誤入危險區域或關鍵區域實時報警，防止意外人身傷亡事故發生。

（4）井下應急廣播。提供專門的井下應急廣播圖層，支持二維、三維、圖表形式實時顯示所有廣播設備運行情況、安設位置，采用調用廣播預案的方式，向現場發送緊急指令。

（5）水文監測。實時監測井田范圍內各含水層的水位和水溫，監測井下各涌水地點的水量和水溫，監測地面河流的水位和水溫，實現超限報警，建立水文動態觀測數據庫。

（6）智能雙控。系統融合接入已建設的智能“雙控”安全管理系院，實現安全風險分級管控、隱患排查治理、不安全行為管控、開工許可證簽批、規程措施審批等功能。結合煤礦“一張圖”展示區域風險分布、隱患合賬、管控記錄，融合安全監測監控系統數據，動態評估顯示全礦與各區域安全風險水平。

（7）智能應急指揮。智能應急指揮包含應急預案管理、救援隊伍管理、救援裝備管理、應急救援案例、智能避災路線分析、應急演練計劃等功能，實現應急指揮從預案到演練、到救援、到全面管理。

3.5 智能礦山經營管控

智能礦山經營管控平臺可以展示全礦經營管控數據。建設機電設備管理系統對全礦井資產信息進行維護記錄，在設備全生命周期過程中所產生的有關設備業務信息，可通過自動更新或手動記錄方式在設備檔案中體現，并且可對設備資產凈值按月進行計算，達到一定凈值金額后，進行報廢流程處理等。

3.6 智能分析

將人工智能（AI）引入智能輔助決策業務場景，在基礎設施、調度管理、計算框架、模型算法、系統管理、服務管理的基礎上，訓練模型、發布模型，使模型發布后與具體的綜合管控信息平臺功能進行對接，實現人員行為分析、安全動態分析、設備能耗分析、大型機電設備健康診斷分析、設備壽命周期預測、視頻AI 分析、語音AI 分析等功能。

4 效果

鄭莊煤礦智慧礦山的建設和應用，大幅度提高了煤礦生產效率，降低了煤礦企業安全管理成本，安全水平躍上了一個新的臺階。智慧礦山的建設，能夠適應煤礦安全工作新形勢的需要。該系統以災害預防、事故救助、電子信息化管理為主要目標，提高安全管理效率，滿足安全策略綜合性、預見性、跨區域管理要求，為井下安全生產管理提供實時、可靠的技術保障。