七五煤業智能礦山建設的實踐研究

李彭波 鄧海賓

（山東能源棗礦集團七五煤業公司，山東 棗莊 277000）

煤礦生產中面臨著水、火、煤塵、瓦斯、頂板等災害，給煤礦的安全管理工作帶來了很大的隱患。隨著各項技術的發展，應用于煤礦井下的技術也在不斷更新，煤礦智能化發展成了煤礦發展的必然趨勢。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，建設煤礦智能化協同控制系統[1-2]，實現煤礦各生產環節的智能化運行，對實現井下少人化和無人化作業具有積極的推動作用。

1 工程概況

山東能源棗礦集團七五煤業公司位于山東省濟寧市微山縣歡城鎮南，井田呈不規則分布，井田南北長約7.70 km，東西寬約7.50 km，面積46.192 9 km2，開采深度標高-50～ -1000 m，工業儲量3.2 億t，年設計生產能力60 萬t，主采3上煤層。

七五煤業數字礦山創新應用“一個平臺，兩個系統”，實現了煤礦各系統的融合與聯動，消除了信息孤島，實現了采掘、機運、“一通三防”、分選、裝車等各系統的數據采集與遠程集中控制。數據采集點超過7 萬個，將礦井生產狀態與信息化進行全面融合，為實現煤礦的轉型發展開辟了新路徑，為推動煤礦智能化轉型發展奠定了堅實基礎。

2 搭建井下萬兆環網

網絡作為煤礦智能化發展的中框神經，是實現煤礦各系統聯動、各設備協同的基礎。根據七五煤業的開拓方式以及采掘布局，搭建井下萬兆工業環網，以萬兆交換機為節點，實現井下各工作面的網絡覆蓋。智能礦山建設的方向應為“化繁為簡”，盡可能實現設備集成與多網融合，能滿足智能礦山設備接入點多、接入面廣、接入形式多樣等特點。礦井“一網一站”配合萬兆工業環網，實現了網絡與業務的融合，具有無線通信、精確定位、WiFi 覆蓋以及多業務、多接口接入功能，簡化了礦并通信網絡和線纜敷設網絡，提高了系統的可靠性，同時降低了運行維護難度，為智能礦山的發展提供了重要保障。

3 建設智能化管控系統

煤礦地面的智能化管控系統作為煤礦調度指揮的核心，同時兼顧集成展示和遠端控制功能，既展示了煤礦井下設備的實時運行狀態，也實現了遠程集中控制。

七五煤業搭建了智能化管控平臺，實現了跨系統融合和聯動控制，實現了設備信息的橫向連接和縱向貫通，橫向實現多系統的信息交互，縱向實現了跨系統的統一控制；同時也為煤礦實現大數據分析提供了平臺，對實時數據進行存儲，從而進一步提高煤礦各系統的整合性和關聯性，為煤礦智能化提升提供了保障。七五煤業分別搭建智能一體化生產控制系統和生產執行系統，實現了控制功能與執行功能，兩系統基于一個平臺，打破了信息壁壘，解決了數據共享不及時的問題。

綜合智能一體化生產控制系統，主要應用于控制層，按系統實現設備信息的采集上傳，設備運行狀態的實時監控，改變了“上傳下達”的傳統調度模式，提升了調度的管控能力；系統本身具備報警聯動、趨勢分析與遠程監控等功能，實現了采集數據的初步分析，很大程度上解決了人為判斷的工作量，對實現礦井無人值守和智能調度提供了探索。

綜合智能一體化生產執行系統，將七五煤業各業務管理流程進行固化，以實現電子化辦公和線上審批為主，提升了便捷性和高效性。生產執行系統實現了生產、機電、調度、“一通三防”、綜合分析、能耗管理等功能模塊的集成，具有數據共享與自動統計等功能，為管理者提供了數據支撐和管理依據。

4 智能化實踐成果

4.1 智能化綜采工作面

七五煤業綜采工作面地質條件較好，煤層相對穩定且近水平，在探索綜采智能化的實踐中，主要建設目標是在傳統記憶割煤的基礎上，應用多種、大量的傳感器，盡可能地代替人工跟機，實現設備自身的穩定運行。對于地質條件較好的煤層，工作過程中突發情況較少，煤機割煤以平緩過渡為主，在綜采數據中心增加AI 算法，通過對截割歷史數據分析，判斷煤層變化趨勢，通過對鄰架、鄰刀等數據對比，以及對傳感器實時數據進行AI 分析，應用分析結果反向控制煤機自主運行，很大程度上可實現煤機截割的平穩過渡。煤機與支架的自主運行能力提高，綜采控制方式逐漸由就地操作向跟機監護以及遠程監護運行轉變，形成了“自主預測、局部干預、遠程控制”的割煤新模式。

4.2 掘進運輸系統智能化

七五煤業公司的掘進智能化發展，以掘進運輸系統為起點，投用掘進長運距單點永磁變頻驅動膠帶機，以固定設備遠程控制、移動設備聯動控制為主，實現了膠帶機的遠程集中控制以及梭車、破碎機的聯動控制；通過視頻分析與智能保護等手段，提高對膠帶機固定設備的監護能力，取消了固定崗位，由此開始了連掘智能化的探索。

4.3 主運系統無人值守

主運系統作為煤流運輸的核心，遠程集中控制技術已趨于成熟，主運設備相對固定不變，為實現主運系統無人值守提供了便利條件。主運系統無人值守的重點在于對主運系統本身的檢測以及對外物損傷的及時判別和控制。巡檢機器人的逐步成熟，完全可代替人工巡檢，設備的監護可通過檢測與識別技術實現，如設備在線點檢、鋼絲繩無損監測、防縱向撕裂技術、膠帶機防滅火技術以及智能視頻識別技術等。相較而言，主運系統實現無人值守已逐步趨于成熟。

4.4 供電系統智能化

供電系統智能化主要以實現高低壓設備智能控制和高可靠性為主，通過實現高壓設備的“五遙”功能以及防越級跳閘，實現高壓供電的穩定；低壓設備的遠控與持續可控性需要依托于網絡通信設備，并通過配備后備電源的方式，實現斷電可控，確保送電功能的實時有效。對于固定的變電所宜采用軌道式或輪式機器人，根據需要搭載各類型傳感器，實現代替人工巡檢，具備固定供配電場所無人值守和定位巡檢。對于供電線路，宜采用感溫類、檢測類或智能視頻等技術，實現防滅火功能，提高系統可靠性。

4.5 礦井排水系統智能化

礦井排水系統智能化需要建立多系統集成的排水模型，將地表水、裂隙水以及老空水等多種補充水源情況通過探測數據建立供給水導向趨勢模型，同時將采集、中轉、處理等過程和工藝建立聯動關系，通過水位、水質變化，實現自主運行和關聯控制。七五煤業建立了基于水量、水質與設備能力的均衡排水模型，將地面污水處理廠處理能力與排水泵進行關聯，輔以管路自動切換功能以保證污水處理質量，提高礦井排水能力，避免環保事件發生。

4.6 礦山的綠色轉型

礦山的綠色開采也依托于煤礦的智能化發展，需要智能化技術作為支撐。七五煤業于2018 年投用的全國首套純水支架，通過改變綜采液壓設備的介質，將難降解的乳化液更換為純水，再解決密封自潤滑、油缸的防銹等問題。該套系統成功回采兩個綜采工作面，環保效益顯著，是建設綠色礦山的有益實踐。利用新型熱管系統取代燃煤鍋爐，將礦井回風流中的低溫熱焓通過工質相變進行回收；通過間壁換熱實現氣氣直換方式提取乏風熱能交換給礦井新風，將礦井新風由室外溫度加熱到所需溫度（不低于2 ℃），以保障礦井井筒冬季生產安全，并帶來了環保效益。

4.7 輔助裝備智能化提升

目前七五煤業首次投用巷道巡檢機器人，通過搭載的各類傳感器與視頻智能分析系統，實現了巷道巡視、多氣體采集以及異常狀態報警等功能，同時也將進一步探索圍巖變化分析以及巷道其他裝備的智能識別分析等功能，進一步代替人工巡視，提高了礦井巷道安全系數。

對輔助類裝備的自動化提升，對降低員工勞動強度、提高工作效率有重要意義，如巷道修復車、掏槽機器人以及履帶式液壓自動鉆機等，代替人工使用風動工具作業，提高安全系數的同時，改變了作業模式。同時應用多種單兵作戰裝備，如智能礦燈、智能防爆終端和智能安全帽等裝備，輔助提高礦井安全管理能力。

5 智能化礦井關鍵技術

5.1 建設智能化管控平臺

七五煤業基于現有生產控制平臺存在的問題，進一步開發了融合大數據、智能分析等技術的智能化管控平臺，充分利用采集的多源異構的海量數據，充分挖掘數據價值，利用平臺既可以實現遠程的集中控制，又可以實現檢修任務的自動編制以及指導檢修。該智能化管控平臺將具有更豐富的接口和數據處理能力、異常診斷能力以及故障處理能力，改變傳統的檢修與運行模式，變被動搶修為主動維護，提高設備有效運行時間。

5.2 關鍵技術應用

（1）礦井5G 技術的應用。七五煤業5G 技術的應用，加快了該煤礦無人化進程，將煤礦井下的重要系統通過5G 實現物聯網，具有低延時、大帶寬、高可靠性和高速率的特點。

（2）慣性導航技術。七五煤業慣性導航技術的應用對實現綜采工作面調直以及掘進自動化具有重要意義，輔助激光雷達、定位以及激光識別等技術，為自動掘進技術的突破提供了方向。

（3）智能視頻分析技術。七五煤業智能視頻分析技術在煤量檢測、電子圍欄和異常狀態檢測等方面得到廣泛應用。

6 結語

對山東能源棗礦集團七五煤業智能礦山建設的探索實踐從搭建井下萬兆環網、建設智能化管控系統、智能化實踐成果、智能化礦井關鍵技術四方面進行了分析，通過智能化轉型發展解決了該煤礦安全管理、綠色發展以及高效運行的問題，應用效果理想。但該礦在智能礦山建設過程中同時存在技能型人才缺乏、智能化裝備不足等問題，期待后續進一步完善。