煤礦信息化與智能化技術的應用架構及關鍵技術探究

【摘要】? ? 作為一種重要的能源礦產資源，煤炭資源廣泛地應用于化工、電力、鋼鐵等領域。盡管國內煤炭產能較大，可是煤礦生產中較易發生安全事故，這不利于煤礦企業的可持續發展。而煤礦通過發揮信息化與智能化技術的優勢，非常有利于對煤礦生產的實時監測與遠程控制，并且能夠建設有效的災害預警體系，從而有助于煤礦生產高效化和安全性的實現。為此，文章首先分析了煤礦生產環境的特點及其對信息化與智能化技術的要求，然后以此為根據分析了煤礦信息化與智能化技術的具體應用架構，最后闡述了煤礦信息化與智能化的一些關鍵技術。

【關鍵詞】? ? 煤礦? ? 信息化? ? 智能化? ? 技術

引言：

開采煤礦工作的危險系數非常高，礦井的環境條件十分特殊，其中存在易燃易爆氣體（如甲烷和一氧化碳等），這種工作環境對井下工作人員的生命健康造成了極大的威脅。為了降低煤礦事故的出現概率，煤礦企業應在應用智能化和信息化技術的基礎上降低工人數目，即以智能化技術手段監測和預警礦井水、電、瓦斯等狀況，并且強化地面遠程監控，從而建構現代化的安全、高效礦井。鑒于此，煤礦領域應用信息化與智能化技術具備十分重大的意義。

一、煤礦生產環境的特點及其對信息化與智能化技術的要求

一是很多可燃性氣體存在于礦井中，因此電氣設備務必具備防爆特性，并且選用的通信和監控設備應具備非常高的安全系數，并且確保安全地傳輸電纜信號。并且，還應確保相關通信設備發射功率為低功率，例如小于6W，以防范嚴重爆炸事故的形成。二是因為礦井空間的特點是非常狹小，所以采礦時需要集中放置一系列設備，特別是機電設備具備較大功率，混用一系列設備導致礦井具備尤為復雜的電磁環境。鑒于此，啟停一部分較大功率的機電設備會導致嚴重的火花現象，不僅對煤礦通信以及監控等設備的正常工作形成不利影響，而且會形成嚴重的事故。三是伴隨礦井不斷推移采掘工作面，為了有效地監控礦井作業情況，應移動通信和監控終端。并且，礦井工作場地不夠集中，以及各個礦井的間距較大，礦井中繼無線的傳輸距離不達標，從而較難進行信息化操作。為此，煤礦智能化和信息化的操作需要相應的調度通信以及安全監控等設施具備非常強的抗災應變特點，只有如此，才能夠大大地減小相關設備受到的不利影響。四是礦井生產中會突發一系列安全事故，像是瓦斯爆炸或者是頂板冒落問題，相關問題會使電纜斷裂的情況形成，以及對相關操作設施形成嚴重損壞。并且，礦井的運行條件非常復雜，低溫度和大濕度是其顯著的特點。為此，有關的監控和通信設備需要搞好防腐、防潮、防塵等工作，并且確保信息化操作設備的防護性能在IP54以上。總之，煤礦生產環境非常復雜和特殊，煤礦的信息化與智能化技術的應用務必立足于煤礦生產環境的特點加以探究。

二、煤礦信息化與智能化技術的應用架構

2.1監視監控層和通信層

在信息化與智能化技術中，通信以及監視監控層屬于關鍵的應用架構，其中涵蓋煤礦水文、電動機車輸送、立井提升、排水、帶式輸送機等一系列的監控系統，以及礦井人員定位信息等內容。其中，通信系統涵蓋的內容是調度通信系統、廣播通信系統、移動通信系統等，礦井監視系統重點涵蓋圖像監視以及智能識別等相關的系統。

（二）安全生產管理層

在煤礦井下，一系列有關安全的管理設備是安全生產管理層的范疇，像是智能監控、防水管理、調度管理、生產管理等設備，并且隨著信息化技術的持續進步和發展，安全生產管理層也逐步囊括綜合性分析管理、環保節能管理、煤質管理等體系。

（三）決策支持層和經營管理層

決策支持和經驗管理層是指檔案管理、審計管理、設備管理、人力資源管理、物資管理等系統，應用這些系統重點是分析煤礦開采的有關管理工作，并且從技術上支持煤礦整體工作的智能化發展。

三、煤礦信息化與智能化的一些關鍵技術

（一）建設礦井傳輸網絡的技術

對于礦井開采工作而言，礦井傳輸網絡的建設具備舉足輕重的地位和作用，為此，礦井傳輸網絡的建設需要達到下面的一些標準：一是有線寬帶傳輸網絡需要具備良好的穩定安全性、方便接入無線、傳輸帶寬大、抗干擾性能強等特性，為此，建設礦井傳輸網絡需要運用雙樹型冗余或雙環型冗余結構，并且還應達到發射功率小、設備體積小、中繼設備少等標準。二是礦井監控設備需要與地面網絡設備互聯互通，以及還應結合高安全系數的網閘等設施提升網絡的安全性與可靠性水平。三是在網絡設置上，確保應用的一些關鍵設備具備相應的冗余功效，以及確保核心業務的服務器有著相應的熱備份冗余特點。除此之外，應確保核心交換機可以有效支持虛擬局域網VLAN的功能。

（二）設計礦井無線傳輸的技術

煤礦領域后續的設計理念之一即無線傳輸技術設計，這也屬于實現信息化與智能化的重要方式。無線傳輸的網絡設計需要優先應用醫療和工業設備中的頻段，不允許應用無線電導航、廣播以及電視的頻率。當然，在設計礦井圖像監控的情況下首先考慮無線網絡和4G技術，不過，基于5G網絡技術不斷發展和應用的影響下，圖像監控設備能夠應用5G技術。并且，無線傳輸技術的應用還需要準確地定位礦井生產中的有關運動物體，像是定位礦井工人的移動特點、電動車的運行目標、膠輪車的運動軌跡等，煤礦物聯網和防碰撞管理設備適宜應用射頻識別技術和無線技術。

（三）設計監控系統技術

在煤礦生產系統中，監控系統屬于一個重要的系統，在監控系統的技術設計中需要達到下面的標準：一是當監控系統為至少10km的傳輸距離時，倘若突發現象發生在礦井中，那么確保礦井具備備用電源。此外，為了使監控系統尤為順暢地運行，設計的主干網絡需要應用至少千兆的以太網絡（具備冗余功能）。二是在礦井監控系統當中，適宜應用工業現場的總接口（FF、CAN等）接入，進而提升監控系統的流暢性。三是基于科技的持續進步，GIS與GPS技術的應用越來越普遍，為此，需要將有關技術應用于礦井監控系統設計中。并且，以組態軟件充當監控系統軟件，以及確保其具備GIS功能。此外，還需要確保礦井監控系統網絡設計的安全性，在具體應用時能夠結合網絡隔離設備（網閘等）連接地面其他系統。四是礦用激光甲烷監測技術。該技術是一種有效防范瓦斯的技術，其應用了斷電控制和甲烷監測的功能，可以顯著降低煤礦安全事故發生率。具體來講，該技術的運行理論是應用了紅外、熱導、激光、熱催化等技術，能夠對甲烷的濃度進行全面和系統地監測，以及其響應非常迅速，從而能夠實現煤礦甲烷監測的現實需要。

（四）設計監視與通信系統技術

煤礦生產中的監視與通信系統中涵蓋有線調度通信、礦井廣播通信、礦井移動通信等系統。為此，在監視和通信系統的設計中能夠進行全面的設計，以使礦井的整體通信系統形成，進而可以很好地監視礦井生產整體。在應用監視和通信系統的情況下禁止以煤礦應用的IP電話通信系統取代有線調度通信系統，并且確保礦井中應用的電話機為防爆安全型電話機。與此同時，需要以無線或光纜傳輸圖像監視系統，基于5G網絡的應用環境下，設計的圖像監視系統需要發揮5G網絡技術的作用，只有這樣，才能夠大大提高圖像傳輸速度和效率，以及確保圖像監視系統具備較強的智能識別作用。

（五）開發精準地質探測技術

煤礦資源開發的前提和基礎是煤層探測工作，由一定程度上來講，煤礦資源開發的效率和安全受到煤礦探測精度、可靠性的直接影響。傳統的開采煤礦模式中，基于裝備以及技術水平不高的影響下，無論是鉆孔，還是化探和物探等，其探測精度不夠高，所以這不利于煤礦智能化的發展。鑒于此，在煤礦信息化與智能化的檢索中，一是需要超前預測綜采工作面前方的地質，這是煤礦智能化技術應用的重要方面，需要使研發的煤礦地質綜合探測裝備或技術具備隨探、隨采、隨掘等特色，并且可以更新當今煤礦領域應用的探測數據動態解釋技術，進而實現信息探測時效性的綜合提升。二是還應在工作中有效建設探測綜采工作面信息的大數據中心，這樣能夠對煤礦的所有信息進行尤為仔細地分析，確保精準地探測綜采工作面前面的地質狀況。并且，還應實現綜采工作面采動應力定量探測技術的完善，以及完善有關的設施裝備，以精準化地探測應力異常范圍。在當前越來越進步的相關技術領域中，GIS技術的應用越來越成熟，其密切聯系各個領域的發展。為此，煤礦智能化的發展中能夠對基于4D-GIS 的綜合探測及其應用系統進行深度研發，并且結合當今大數據的發展趨勢和方向建設相應的時空狀態數據庫，其中涵蓋大量的礦井信息，進而全面探究礦井歷史數據信息，以及論證和分析后續的走勢，還需要將綜采工作面地質信息綜合管理系統增加在該系統設計中，這樣能夠給人們呈現三維動畫的形式，這樣一來，不但能夠服務于煤礦開采工作，而且可以將精準的地質探測裝備和技術提供給礦井的智能化綜采工作中。

四、結束語

綜上所述，隨著國民經濟發展水平的逐步提升，煤礦企業在綠色和安全開采觀念的影響下，需要注重研發水平的持續提升，立足于智能化和信息化持續攻克技術難題，不斷升級和優化產業結構，實現產業發展技術方式或手段的創新，通過對礦井傳輸網絡技術、無線傳輸技術、監控系統技術、監視與通信系統技術，以及精準地質探測技術的開發和應用，促進煤礦企業的高效化、綠色化、安全化生產。

作者單位：董國梁? ? 兗州煤業股份有限公司信息化中心

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