孔莊煤礦智能化礦井建設頂層設計研究

摘要：隨著現代信息管理技術、大數據技術、人工智能技術等新科技在煤礦開采領域的廣泛應用，促進了煤炭開采的協同、高效化發展。本文通過研究高新技術，結合政策文件及現場實地考察后，對孔莊煤礦智能化礦井建設頂層結構進行設計，在此基礎上了解智能化礦井的基本架構和發展方式，結合孔莊煤礦特征、工作制度和設計生產能力，針對智能化煤礦頂層設計提出了合理化建議，有助于整理煤礦開采階段各生產要素的變化規律，使一系列工程措施更加適合井下特殊的作業環境，制定出多元化、智能化的礦井頂層設計方案。

關鍵詞：孔莊煤礦;智能化礦井;頂層設計;研究分析

一、概述

2020年國家針對煤礦智能化發展提出了有關政策文獻《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，有利于我國煤炭工業的可持續發展，進一步滿足煤礦產業信息化改革的根本需求。文件中提及智能化煤礦的建設標準：建成不同模式的智能化礦井，實現煤礦開拓性設計，具有穩定的地質保障，提高煤礦智能化礦井生產的安全性，加強各開采環節間的信息傳輸，融入自動化技術，減少礦井挖掘中工作人員與資金的投入，綜采工作面內只需要安排必要的業務人員，井下和露天煤礦等崗位區域可以采用遠程監控技術進行管理，達到無人值守的安全生產標準。隨著國家能源局《智能化煤礦驗收管理辦法（試行）》的發布，智能化礦井建設的方向和要求也更為清晰，為確保孔莊煤礦智能化礦井建設頂層設計合理性，需要建立與孔莊煤礦實際情況相契合的頂層設計分析模型，以現代信息技術為基礎整合豐富的數據資源，深度剖析礦井建設的實際方案，解決孔莊煤礦智能化礦井建設存在的主要問題。在此基礎上，通過規劃孔莊煤礦的智能化礦井建設頂層設計，強化對煤礦開采過程的全面管理，依靠科技的創新與應用降低煤炭生產風險，為煤礦工業的可持續發展提供技術支持。

二、孔莊煤礦建設現狀

孔莊煤礦目前建立了比較完善的信息化系統，在基礎設施、自動化、信息化方面具備一定的智能化建設基礎，根據《江蘇省智能化煤礦驗收辦法（試行）》和《智能化煤礦驗收辦法（試行）》國能發煤炭規〔2021〕69 號文件要求，目前孔莊煤礦未達到江蘇煤礦智能化及國家智能化礦井建設初級要求。

依據《中煤集團智能化工作面專項規劃（2019-2023年）》及《智能化煤礦分類分級評價指標體系》內部評測標準，目前孔莊煤礦智能開采系統、智能主煤流運輸系統、智能輔助運輸系統、智能通風與壓風系統、智能供電與給排水系統、智能安全監控系統、智慧園區與經營管理系統均未完全達到驗收標準。

三、孔莊煤礦智能化礦井建設頂層設計原則

（一）標準化原則

通過頂層設計模型構建進行系統分析，制定孔莊煤礦礦井智能化建設標準，并在統一標準的指導下整合現有的智能化設備，實現對煤炭開采流程的自動化監測。利用信息化軟件實現龐大數據資源的分析與整理，加強對生產流程、經營流程的全面監管，達成數據業務之間的集成化發展，在礦井智能化建設階段通過信息共享提高礦井智能化建設質量。

（二）實用性原則

在礦產開采階段選擇合適的管理技術和應用產品，只有實現對豐富智能化資源的有效整合，才能夠充分發揮出管理系統所具有的應用價值，在智能化綜采系統設計階段不斷調整業務流程，制定出科學合理的開采措施，做好智能化設備的更新與維護工作。

（三）整體性原則

充分發揮出智能化設備的集成性作用，拓展管理系統的應用功能，營造一個穩定性、安全性的開采環境。在網絡技術、大數據技術等新型科技的支撐下，探究礦井日常作業的生產管理需求，并制定出針對各項應急突發事件的應急救援措施，在平臺建設階段融入智能化系統的應用功能，落實現代化發展原則。

（四）安全性原則

智能化礦井建設采用自動化網絡防御手段，有效預防非授權用戶訪問，并合理規劃操作人員的管理權限，只有確保龐大數據信息的穩定傳輸，才能夠精準地下達工作指令。利用網絡數據共享模塊了解井下作業情況，采購的智能化設備要符合煤礦安全生產標準，具有基本的安全防盜功能，并通過網絡軟件的有效應用，開展一系列安全保密措施，為智能化、網絡化系統的穩定運行創造良好環境。

四、孔莊煤礦智能化礦井建設頂層設計建設內容

（一）建設內容

孔莊煤礦智能化礦山建設內容從架構上包括：信息化基礎設施建設、地質保障系統、開采系統、主煤流運輸系統、輔助運輸系統、通風與壓風系統、供電與給排水系統、安全監控系統、智慧園區與經營管理。通過對孔莊煤礦信息化現狀和需求調研分析，結合中煤集團、國家和行業相關標準規范，具體建設內容按照“統一規劃、分步實施”原則，根據礦井安全生產緊急需求程度，分階段建設。

（二）建設路線

根據國家智能化煤礦建設指南，將智能化煤礦建設分為以下3個階段：

1.建立智能化礦山系統，運用遠程監管技術實現“礦井作業無人化”，保證單個系統崗位的智能化管理;一些大型的礦山企業已基本達到這一發展階段;

2.建立智能化礦山架構，運用人工智能技術實現“作業流程無人化”，保證煤礦開采、運輸等環節的智能化、協同性發展;

3.建立礦區智能化礦山體系，運用計算機技術實現“作業全程的無人化”，保證煤礦開采、礦井通風、煤礦分選等環節的智能化、協同性發展。

五、系統架構與關鍵技術

（一）系統架構

孔莊煤礦智能礦山項目總體架構采用基于中煤工業互聯網平臺，以統一標準規范、統一信息安全保障為基礎，按照“1234建設思路：一個中臺（智慧中臺）、兩類集成（IT系統集成和OT系統集成）、三種應用（智能生產過程控制域、智能生產協同管理域和智能生產決策域）、四類主題（安全、高效、綠色、智能）”，實現IT系統和OT系統的深度融合，從下往上依次為智能設備感知層、基礎設施層、智能樞紐層、智能應用層。

（二）子系統組成

1.地質保障系統

孔莊煤礦地質保障系統，首先應構建統一的綜合地質信息數據庫，在煤礦生產前將豐富的地質信息整合到一起，實現對海量的數據的高效管理與開發，并隨時像有關部門提供參考數據;運用信息技術建立高精度的地質分析模型，通過調整后的準確參數真實反應出礦井的地質情況，最后，在數據融合應用方面，建設地質大數據云平臺，具備數據分類、分析、處理等基本功能，數據在不同系統模塊間互聯互通。

2.智能掘進系統

智能掘進系統規劃，結合孔莊煤礦掘進工作面建設情況，在建設完善智能超前探測系統的基礎上，通過增補相應的自動化系統功能和設備，構建包括智能化掘錨機設備、掘進設備導航和定位截割系統、掘進工作面遠程集控平臺，實現掘進機井下遠程控制和工作面設備集中監測控制。構建多機協同控制系統、視頻監視系統，在發生設備故障的第一時間進行位置精確監測，由工作人員制定安全防護方案，保證設備間的智能化、協同式運行。

3.智能采煤系統

智能采煤系統包括：遠程視頻監控模塊、實時語音通信模塊、采煤機自動控制模塊等，實現設備的遠程集控管理、采煤機在工作面環境下的可靠通訊和工作面視頻、語音、數據信息的遠程傳輸。通過智能視頻識別和大數據分析，實現相關設備姿態識別，故障提前預警，實現各設備協調、連續、高效、安全運行，將工人從工作面解放出來，實現工作面少人化。如圖3所示。

4.智能主煤流運輸系統

主運輸智能煤流監控系統融合可編程控制器自動化控制、機器人巡檢、專家智能決策系統、產量均衡控制、手機APP、永磁電機和變頻器等多種先進的智能化控制技術，建設一套適合礦井實際情況的智能煤流監控系統。實現基于煤流產量均衡策略、音視頻聯動控制、故障診斷與預警的主煤流運輸智能控制系統，實現順/逆煤流全自動順序智能控制，實時監測帶式輸送機的工作參數，實現長距離主煤流運輸無人值守，安全高效運行。

5.智能輔助運輸系統

孔莊煤礦智能輔助運輸，，建設具有智能規劃、任務分配功能的輔助車輛智能調度管理系統，逐步實現物料運輸、人員運輸等輔助運輸車輛的智能管控、智能規劃路徑與智能調度，提升輔運管控能力。

6.智能通風與壓風系統

智能通風與壓風方面，對標國家智能化煤礦驗收辦法，主要智能通風方面存在較大差距。建設方案著重規劃智能通風系統，使孔莊礦能達到建設要求。

7.智能供電排水系統

通過完善孔莊煤礦智能化供電排水系統，使孔莊礦達到建設要求。如圖4所示：

8.智能安全監控系統

在智能安全監控方面，主要從兩個方面展開，一方面是監測預警，針對煤礦安全監控數據、人員定位、火災、水害、頂板災害等內容，實現綜合防控預警系統。另一方面是應急聯動系統，可依據災變發展趨勢，自動觸發排水、滅火與除塵等系統，同時具備應急救援指揮模塊、應急問題分析模塊、礦井災變避難路線規劃等智能化功能模塊。

9.智慧園區智能化園區與經營管理系統

智慧園區與經營管理系統以安全、實用、綠色、節約、智能為建設理念，以物聯網、人工智能、大數據為平臺核心能力。運用大數據技術的存儲、管理、分析功能，為煤礦企業的統一管理提供參考依據;全面提高企業的綜合服務質量、降低企業運營過程中的成本投入。

六、關鍵亮點

1.基于礦山物聯網、大數據、虛擬化技術，對生產計劃、生產執行、生產過程控制等多個環節信息進行有效整合，實現基于市場需求、環境安全狀態、設備健康狀態、物資配備、員工配備情況的生產目標動態分解、生產任務自動排程、安全生產全流程自適應控制與實時反饋，實現少人或無人作業。

2.智能化礦井建設以云計算技術、大數據技術為核心，嚴格遵守行業、公司制定的礦井安全生產規范，發揮出綜合自動化系統的功能作用、在線監測礦井的工作環境、采集隱患數據、事故數據、人員三違數據等動靜態數據，利用動態三維地質模型，輸入各類虛擬參數建立礦井模擬平臺，展示與煤礦安全生產相關的信息數據，大數據自動進行數據分析與推理，對比歷史數據中的標準數值，診斷礦井是否處于安全狀態。

七、結束語

綜上所述，孔莊煤礦智能化礦井建設的頂層設計通過更新傳統的礦井單位管理理念，調整內部技術組織架構，整理分析海量數據資源，加強高素質智能化人才培養等多種方式來建設智慧化礦山。結合我國智能化煤礦分類技術評價標準，提出智能化礦井建設的協同管理方案，通過人工智能技術、大數據技術、互聯網技術等新興科技在煤礦開采過程中的有效應用，打造智能化管理系統。實現對礦井工作流程的動態化監管，利用實時互聯技術為礦井建設提供安全保障，充分發揮數字化驅動的工作效應，優化工程實施路徑，制定出標準化工業體系管理模式。

作者單位：李培征" " 李尊鋒" " 葛行才" " 吳本良" " 陳巖" " 大屯煤電（集團）有限責任公司孔莊煤礦

參" 考" 文" 獻

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