黃陵一號煤礦智能開采新模式研究與實踐

文/薛國華

構建“一個智能管控云平臺引領、一個數據中心支撐、N個子系統保障”的“1+1+N”智能化礦井建設模式

煤礦智能化建設是煤炭行業高質量發展的必然要求。“十四五”時期以及未來更長一段時期，5G、大數據、人工智能、區塊鏈等先進信息技術將加速對傳統產業的融合與滲透，各種能源的比較優勢從根本上取決于其技術創新的進展程度，以煤礦智能化為標志的煤炭技術革命以及煤炭低碳利用技術的顛覆性創新，將使煤炭成為最有競爭力的能源和原材料資源。

陜西陜煤黃陵礦業一號煤礦堅持率先開展煤礦智能化建設，在多年探索實踐取得成效的基礎上，結合信息技術前沿科技和智能礦井改造提升需求，科學制定智能化礦山建設發展目標及實施方案，通過構建“一個智能管控云平臺引領、一個數據中心支撐、N個子系統保障”的“1+1+N”智能化礦井建設模式，利用數據中心、云數據平臺、5G、機器人、AI等技術，有序推進礦井云GIS系統、風險防控系統、智能化采煤系統、智能化生產輔助系統等項目的建設，探索出了智能化開采新模式，成功打造出一個初具成效的智能化礦山。

一、黃陵一號煤礦智能化建設的基礎

1.智能化采煤基礎

2013年，黃陵一號煤礦在全國范圍內率先完成全國產裝備智能化開采技術研究與應用，首創了地面遠程操控采煤模式，實現了地面采煤作業的常態化，填補了我國煤礦智能化無人綜采技術的空白，整體技術達到國際領先水平。2020年，在實現智能開采常態化應用的基礎上，積極探索研究透明地質智能開采技術，實現了從傳統的“記憶截割、遠程干預1.0”向“自主截割、無人干預3.0”的技術跨越。

2.快速掘進建設基礎

黃陵一號煤礦根據井下實際條件，利用“改造型掘進機+可彎曲膠帶轉載機+跨騎式四臂錨桿鉆車+邁步式自移機尾+多功能巷道修復機”進行快速掘進作業，實現了550m/月的掘進進尺。與西安煤礦機械有限公司合作開發的“半煤巖智能快速掘進成套裝備研發與示范”項目，以及掘錨護一體機+交錯式掘進超前支護裝置+錨運一體機+礦用自移式快速皮帶機+智能管控系統，破解了復雜地質條件半煤巖巷智能掘進難題，提高了掘進效率，保障了安全生產。

3.生產輔助系統建設基礎

建成地面指揮控制中心，實現了對井下主運輸膠帶、主供電設備、主排水泵、主通風機和選煤廠等子系統的遠程集中控制，視頻監控和數據監測分析等功能，達到了生產環節運行情況的全監控效果，形成了“無人值守、有人巡視”的控制模式。

在全礦井所有主運輸膠帶、變電所和水泵房安裝24套巡檢機器人，替代人工進行智能化巡檢。創新建立基于4G通信的車輛管理及人員定位系統，實現了輔助運輸管理由“零散管理”到“可視統一”的技術飛躍。

以精確定位技術為基礎，以輔助運輸系統安全管控為目標，以車載智能終端為控制核心，將4G通信、無線WiFi技術與井下信號燈、智能調度、GIS地理信息和人員定位管理系統相融合，實現對運行車輛的實時跟蹤、定位、通訊，達到了車輛可視化管理和高效調配，提高了車輛運行效率，同時搭配車輛危險駕駛、特殊運行路段、紅綠燈語音報警功能，輔助駕駛員規范駕駛，實現了輔助運輸系統智能、高效、安全運行。

4.信息化建設基礎

（1）建立了安全生產信息共享管理平臺。一是充分融合地理信息、云平臺、大數據、物聯網等信息技術，在GIS一張圖上通過圖件疊加綜合直觀展示，實現對礦井采掘工程、地質測量、防治水、“一通三防”、機電運輸、監測監控、應急救援、安全風險、預測預警、氣象信息等數據的立體化融合；二是通過安全生產網數據接入，解決安全管理過程中的諸多問題，從源頭上堵塞了礦井不安全漏洞，達到了隱患雙重防御與隱患的深度閉環式管理；三是通過經營銷售網數據接入，為礦井精確管理提供了科學依據，避免了“信息孤島”經營管理漏洞；四是通過物流供應網數據接入，實現物資數據與生產信息的集中共享，有效降低了庫存物資資金占用，達到當日材料消耗與噸煤生產精準管理目標；五是在信息化數據傳輸方面，建立了萬兆有線+無線的立體化數據通訊“跑道”，使礦井信息化發展更通暢。

（2）在井下建成“萬兆工業環網+4G+5G+WiFi”的立體化通訊網絡。一是實現了礦井5G通信、無線WiFi、Zigeeb定位等功能，為建設無線智能監測、智能機器人巡檢、智能維護云服務等奠定了基礎；二是5G通信項目整體設計基于數字礦山“一網一站多系統”的核心理念，通過建設多功能基站并接入現有工業環網，實現了井下車輛精準定位、測速、車輛語音通信調度、人員精準定位、5G通信及數據無線傳輸與井下WiFi覆蓋等功能。

二、黃陵一號煤礦智能化建設需求

黃陵一號煤礦按照“健全系統、完善功能、改造升級、確保一流”的總體規劃，科學制定了智能礦井建設實施方案：

實現大數據服務中心承載，統一數據采集、傳輸、存儲和訪問接口標準；

基于微服務架構和“資源化、場景化、平臺化”思想的智能綜合決策管控平臺，融合生產各業務系統，實現煤礦地質勘探、巷道掘進、煤炭開采、主輔運輸、通風排水、供液供電、安全防控等智能化集成設計，實現多部門、多專業、多管理層面的數據集中應用、共享交互和決策支持，井上下各系統實現“監測、控制、管理”的一體化及智能聯動控制；

基于“數據驅動”“數字采礦”的理念，實現基于GIM時空一張圖（4D-GIS，平面圖+BIM，建筑模型），為智慧礦山提供三維可視化、協同設計、仿真模擬、礦山及設備全生命周期管理等服務；

通過精準感知技術與裝備，實現對風阻、風量、風壓等參數的智能感知，實現礦井通風系統智能化；

利用大數據與人工智能AI等技術，迭代升級煤礦安全、生產、經營、物資配送的智能分析與輔助決策；

利用信息化、數字化、智能化等先進技術，遵循NOSA管理體系要求，構建成套煤礦安全風險智能化預警及管控體系，實現人、機、環、管多系統信息感知、融合、動態辨識、有效預警、智能決策、協同控制，建成世界一流智慧化礦山。

三、黃陵一號煤礦智能化建設成果

黃陵一號煤礦以智能化建設需求為導向，目前完成了22個智能化建設項目，構建形成了“一個智能管控云平臺引領、一個數據中心支撐、N個子系統保障”的“1+1+N”智能化礦井建設模式。

1.構建智能綜合管控云平臺

以生產及安全為核心，將綜合自動化系統和安全監控系統數據進行融合，實現對設計、生產、安全、設備管理等多角度多維度的數據分析；構建生產集成自動化、監控全局實時化、統計分析一體化的綜合管控平臺，實現了從礦井的遠程智能巡檢和礦井檢修模式到生產模式的一鍵切換；完成了從“系統智能化”到“智能系統化”的跨越，做到了調度指揮的全息可視、重大危險的智能預警、安全管理的動態診斷、生產過程的協同控制、經營管理的智能分析、業務流程的高效協同。

2.構建一個數據中心

建設具有服務器、網絡安全檢測、防護功能的萬兆連接的云計算平臺。基于云計算包含模型庫和算法庫的決策支持承載，實現礦井所有數據云端存儲、處理，并應用軟件在虛擬化應用平臺部署應用，實現了物聯網平臺、3D-GIS平臺、組態化編輯與展示平臺、設計協同平臺等組件編輯與展示平臺、設計協同平臺等組件承載的功能。

3.構建N個子系統

（1）礦井云GIS系統。對安全生產信息共享平臺進行改造升級，形成一套礦井云GIS系統，融入礦井智能綜合決策管控平臺，將存儲的地質數據進行關聯分析，將分析處理后的成果以可視化的方式呈現，然后構建三維地質模型，結合揭露的實際地質信息與工程信息對模型進行修改，真實反映井上下地層結構和構造分布情況。

（2）開發AI+風險防控系統。研發建成AI+風險防控系統，形成了風險防控一體化解決方案。在信息感知層面，主要采用高清攝像機、紅外攝像機和智能安全帽等裝備，實時采集人員、設備、環境圖像、視頻和生命體征等信息，并接入監測監控、水情在線監測等各類信息化系統數據。在數據傳輸層面，通過布置交換機，以十萬兆工業環網、移動網絡等傳輸感知數據；在數據處理層面，以AI智能推理服務器、云計算虛擬化硬件平臺、云計算虛擬化服務器、流媒體服務器等組建數據中心，統一主數據、元數據格式，規范數據索引和建表，實現數據實時匯入、存儲洗選、融合交互，滿足算法需要；在決策響應層面，基于算法模型，正常狀態下保持靜默，異常狀態下即刻通過聲、光裝置進行報警；在指令反饋層面，在特別情況下發出報警的同時，向關聯設備發出指令，使設備停止運轉、閉鎖。

通過對人的不安全行為、物和環境不安全狀態、關鍵作業不規范操作的防控，并進行全程跟蹤、辨識風險、分析預警，開創了“人工和AI+風險防控智能系統雙重風險監管”先河，消除了單一人工風險監管在時間上的漏洞和空間上的盲區，確保了風險始終“可控、在控”。

（3）布局智能化開采技術與“110工法”的融合。通過在后巷應用垛式液壓支架，配合使用支架搬運機器人、單軌吊輔助運輸系統，實現沿空留巷尾巷支護和支架前移自動化，降低了勞動強度，提高了安全系數。

（4）搭建智能掘進管控平臺。通過對快速掘進裝備進行升級，搭建一套具備遠程總控制管控平臺，對關鍵部位進行視頻監測、一鍵啟停、異常遠程干預等操作；掘進機具備自動定位與導向功能，能夠進行自適應截割與行走，具備掘進工作面環境（粉塵、瓦斯、水等）智能監測功能和監測環境數據智能分析功能。

（5）完善生產輔助系統智能化建設。一是在現有供電系統的基礎上增加相關電力保護軟硬件、防越級、電度計量、節能運行、數據實時采集、多源異構整合分析等功能，達到對供電系統能力安全分析、實時在線計算等；二是將排水與礦井水文監測系統智能聯動，實現根據水壓、水位進行固定作業點的智能抽排、負荷調控、管網調配功能、給排水管線與設備故障分析診斷預警；三是建立礦井智能通風控制系統，實現對監測數據的實時自動分析，并與通風網絡解算系統相融合，對礦井通風網絡進行解算，自動給出調風方案，自動建立礦井動態三維立體通風系統圖，實現實時在線監測與預警功能；四是建立火災監測系統和自動噴霧系統，實現對監測區域火災參數的智能監測、分析，根據分析處理結果進行智能預測、預警和火災的實時監測仿真，對避災路線智能規劃，并實現自動識別煤流自動噴霧除塵、人員感知、智能調節噴霧等功能；五是建立智能可視化打鉆系統，實現打鉆作業過程自動化、智能化及瓦斯抽采作業全過程的管控。