煤礦機電設備的智能化建設研究

摘要：目前，煤炭資源仍是我國的主要能源。隨著物聯網、大數據和人工智能等新一代信息技術的快速發展，煤礦開采逐步進入智能化階段，而礦井智能化是推動大型煤炭企業高質量發展的關鍵。因此，本文主要分析煤礦智能化建設的意義，提出相應的煤礦機電設備智能化建設對策，以供參考。

關鍵詞：煤礦開采；機電設備；智能化

DOI：10.12433/zgkjtz.20232249

我國的煤炭資源在國民經濟中起著舉足輕重的作用，而我國的煤炭資源開發也有著悠久的歷史。過去，煤礦企業大多屬于勞動密集型企業，主要指標是煤炭產量和效益。但不少企業在生產時，忽略了對生產過程中的人員安全和生態的保護，存在風險與污染并存的情況。隨著我國現代化進程的加快以及網絡技術的不斷完善，煤炭行業也隨之發生了相應的工業技術更新。一方面，在礦井機電設備上，自動化技術的應用與推廣，極大地解放了人的勞動，節省了人力，提高了生產的安全性與可靠性；另一方面，通過引入先進的生產管理理念，借助現代化管理手段，能實現對機電設備的有效管理和維護，從而確保煤礦生產安全高效進行，為煤礦轉型和智能化建設服務。

一、開展煤礦智能化建設的意義

第一，通過礦井的智能化建設，確保礦井施工的安全。加速煤礦智能化建設，利用機械化換人、自動化減人、智能化無人等方式，將高危崗位人員的數量降低50%，在條件好的情況下，形成井下工作面無人采煤、少人值守的情景，以免礦工直接面臨災害事故的風險，減少工作人員的誤操作，從而消除安全生產隱患，從根本上遏制重特大事故的發生。

第二，實現礦井的智能化，提高礦井的安全性。煤炭作為國家的主要能源，對國家的能源安全起著重要的“壓艙石”與“穩定器”作用。加快煤礦智能化建設，提高煤礦柔性生產能力，能根據市場供求情況，靈活釋放產能，從而提高供給的質量和彈性。從近年來的煤炭保供情況看，那些已實現了機械化和自動化，并已經進行智能化建設的大型先進煤礦，有著中流砥柱的作用，是穩定煤炭供應的主要力量。

第三，實現煤炭資源的智能化，促進煤炭資源的高效利用和低碳利用。在大規模低成本儲能尚未取得突破、以新能源所占比重逐步增加的新型電力系統加速建設的背景下，需要煤電及煤炭發揮調峰和兜底保障作用。通過加快煤礦智能化建設，提升煤礦的綠色安全生產水平，從而形成一定的生產能力儲備，更好地保障能源供需總量的平衡，并在水電來水偏枯、新能源出力波動和不確定因素的影響下，及時填補缺口，為能源的綠色低碳轉型提供有力的支撐。

二、我國煤礦智能化建設的現狀

煤炭企業智能化已成為發展的必然趨勢，煤炭企業將進入加速發展的拐點。在全國范圍內的工業制造智能化大潮中，作為國家主要能源產業的煤炭產業，它的智能化建設與國家經濟與社會的智能化進程有著密切聯系。目前，我國煤炭企業的智能化正處于由起步走向加速的轉折點。從頂層設計到實施細則的相繼出臺，再到標準制定和科研創新協同發力，煤企、高校和科技公司進行了多方合作，可以看到，中央、重點省區以及煤炭、科技行業都對煤礦智能化予以高度重視，還在大力推進。在煤炭行業高景氣的情況下，煤炭企業資金充裕，加之“科技強安”戰略的實施，企業有足夠的意愿和實力推進智能化建設，這是一個天時、地利、人和的好時機。

近年來，大部分煤炭企業、科研單位、高等院校和高新技術企業都在順應科技的發展趨勢，將信息技術和煤炭行業進行了更深層次的融合，并加速了對煤礦智能化技術裝備的研究和開發，取得了一定成效。在設備上，一系列新的高速掘進設備在現場投入使用，生產輔助系統實現了智能化集中控制，并開始了礦井機器人的研究與應用，例如，金雞灘礦井已建成了世界上最先進的智能化綜采工作面；鮑店礦井已完成了智能化掘進，65%的變電所、75%的泵房和84%的壓力通風室都已實現了自動化；在新一代信息技術的應用上，已啟動了“煤智云”大數據平臺的建設，推出了礦井鴻蒙操作系統，已實現了20類裝備的398個應用模塊的適配。選煤廠的智能化建設已取得了很大進步，國產選煤DCS統已在選煤廠投入使用，完全可以實現選煤廠的自主可控。因此，在我國的煤炭工業中，煤礦智能化技術的研究與開發已成為一個技術創新與開發的熱點。

三、煤礦機電設備的智能化建設研究

（一）智能化生產系統建設

1.智能化綜采工作面

智能化綜采工作系統是指在采煤過程中，通過對煤礦機械設備的智能化改造和優化，實現對采煤過程的自動化控制和監測。智能化綜采工作系統的建設是煤礦智能化建設的重要環節，主要目標是提高采煤效率，降低采煤成本，保障煤礦生產的安全和可持續發展。以一個核心控制系統和七個子系統為基礎，構建出一個智能控制系統，可以對工作面液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉運機、破碎機、帶式輸送機、乳化液泵站和電力負載系統進行協調聯動控制，從而實現綜采工作面生產過程的自動化控制，提高生產效率。對主要生產裝置的運行情況進行實時、在線監控，并及時檢測可能出現的問題，以提高裝置的開機率；對工作面的有關信息展開歸類和整理，再利用工業環網把數據上傳到地面調度中心，利用地面調度中心把數據整合到以物聯網技術為基礎的綜合礦井設備智能管理系統中，實現數據共享、遠程管理和深度利用的目的。

2.智能化掘進工作面

使用EBZ系列縱軸掘進機、先進的隧道臨時支護、履帶錨桿鉆機、快挖錨一體機+運錨破錨一體機以及TBM盾構掘進等多種快挖工作面設備，實現多個挖掘錨的快速機械化挖掘作業和挖掘錨并行作業的目的。同時，研究“以工作面自主控制為主，集控中心遠程介入為輔”的采掘作業方式，減少采掘作業人員的數量，為實現煤礦安全、高效、快速開采奠定基礎。

3.智能化主運輸

建立主運輸智能控制系統后，能實現對帶式輸送機的智能保護、智能聯動控制、智能調速以及對煤流運輸的全方位、多角度的智能監控。智能化主運輸系統主要包括以下三點：

第一，主運輸機智能化控制。這是智能化主運輸系統建設的重要環節。通過對主運輸機的智能化改造和優化，實現對運輸過程的自動化控制和監測。具體包括對主運輸機的自動控制、自動調整和自動診斷等方面的技術應用。

第二，主運輸機聯合控制。這是智能化主運輸系統建設的另一個重要方面。通過對不同類型主運輸機的聯合控制，實現對運輸過程的自動化控制和優化。具體包括對不同類型主運輸機的聯合控制、聯合調整和聯合診斷等方面的技術應用。

第三，主運輸設備的智能化監測和故障診斷。這也是智能化主運輸系統建設的重要方面。通過對主運輸設備的智能化監測和故障診斷，實現對運輸過程的自動化監測和優化。具體包括對主運輸設備的智能化監測、故障診斷和預警等方面的技術應用。

（二）高速安全的傳輸網絡系統建設

1.傳輸平臺建設

企業管理網絡是指以地下光纜為基礎，在生產和運營層次上，聯系區域間的信息，形成一個高速的網絡結構。同時，設立了一套單獨的網絡，覆蓋了煤礦的各個工作地點，管理辦公室、安全和視訊會議。連接設計中，采用了萬兆骨干，千兆匯聚，千兆到臺式機，并在礦井中覆蓋無線網絡；工業控制網絡是以解決各個子系統之間的物理通道為手段，將礦井（采煤、采掘、機電、運輸、通風等）各系統的設備工作狀態信息、生產信息和安全信息，實時傳送到礦井安全生產調度指揮中心，從而形成一個高速、安全、高效的工業控制網絡，為煤礦生產綜合監控平臺提供一個可靠的信息傳輸基礎平臺。

2.井下4G/5G通信網絡

構建一個以4GTD－LTE為基礎的礦山無線寬帶專用網絡通訊平臺，實現無線寬帶覆蓋，其下行速率為100Mbit/s，上行速率為50Mbit/s，能實時傳輸監控數據、語音、圖像、控制等信息，并與工業環網進行無縫集成，具備有線、無線網絡優化功能。與4G相比，5G會極大地提升網絡的部署與運營效率，是5G的幾倍甚至十幾倍。最終達到1Gbps的用戶體驗率，100萬/km2的連接密度，毫秒級的時延，每平方公里幾十Tbps，移動速率超過500km/h，最高傳輸峰值達到幾十Gbps。系統對智能工作面和智能采掘等要求高流量和低延遲的遠程無人作業有較大的實用價值。該平臺能完成對井上、井下無線終端的部署，實現全網有線和無線調度的功能，具有“視頻+語音+數據”多媒體通信能力，實現對全網數據的無障礙傳輸和采集。

（三）智能支撐平臺建設

1.云數據中心

以“云—邊—端”三位一體的信息服務體系結構，為實現礦井智能化的智能感知、智能交互和智能決策提供技術保證。云計算提供了對整個網絡的結構化數據進行推理分析的能力，并提供了對網絡中各分支網站的管理和配置；邊緣計算能提供快速、高效和精確的實時響應，并承受海量的數據處理和計算，可以減輕云計算負擔；終端完成了物聯網數據的實時采集和傳輸。

2.煤礦應用支撐服務平臺

煤礦應用支撐服務平臺包括智能網關、三維GIS平臺、組態化平臺、實時數據綜合服務平臺、設計協同平臺、后端服務平臺、BI及報表工具，共同構成了一個整體，最終實現了煤礦各系統的統一數據、統一接口、統一服務和統一應用。通過智能網關，實現對礦井各系統之間數據的統一，并定義接口；利用2D、3D地理信息系統及配置平臺，實現對煤礦生產、安全等方面的“一張圖”的集成顯示；實時數據集成服務包括收集、存儲、查詢和統計、訂閱和推送等，并為用戶提供數據界面服務；建立礦井各部門、各部門之間的協作平臺；后端服務平臺是對上層應用進行統一的支持；BI工具被用來為工作提供報告，進行大屏幕顯示以及支持其他應用程序。

（四）智慧協同管控系統建設

智慧協同管控系統是一種集成化的智能化系統，可以實現對煤礦生產全過程的實時監控和管理，提高生產效率和安全性。該系統主要包括數據采集、信息傳輸、數據處理、智能分析和決策支持等功能。通過對各個環節的數據采集和處理，可以實現對煤礦生產各個環節的實時監控和管控，從而提高生產效率和安全性。

該系統可以實現對煤礦生產全過程的實時監控和管理，包括礦井進出口、礦井內部、礦井地面等各環節，可以提高生產效率和安全性。例如，在礦井進出口處實現對車輛和人員的實時監控和管控，避免違規進入和出入，從而提高礦井的安全性。在礦井內部，實現對煤礦生產設備的實時監控和管理，及時發現設備故障和異常情況，從而提高生產效率和安全性。在礦井地面，實現對煤礦生產過程的實時監控和管理，及時發現異常情況，從而提高生產效率和生產安全性。

除此之外，智慧協同管控系統還可以實現對煤礦生產數據的智能分析和決策支持，通過對生產數據的分析和處理，提供決策支持，幫助企業進行生產管理和決策。綜上所述，智慧協同管控系統的建設可以提高煤礦生產的效率和安全性，為企業的可持續發展提供有力支撐。

（五）建設智能物流管運系統

煤礦井下的輔助運輸可采用無軌膠車的運輸方法，配置各類無軌膠車輛，用于人員、設備、材料的運輸。系統在每輛膠輪車上都安裝了一張帶有獨特編碼的標識卡，并主動定時地將車輛的號碼、類型等信息發送。該系統是利用設置在道路兩旁的讀卡分站，對從標識卡中發送的車輛號碼和車輛種類進行探測和接收，再由附近的控制分站經計算機網絡傳輸至交通調度計算機，并以仿真圖的形式顯示在圖像顯示裝置上。同時，通過分析各個站點的車輛信息和調度工作狀態，自動控制各站點信號設備，實現了對各個站點的車輛進行自動調度。此外，該系統還可通過礦井底部的LED大屏幕將多種交通引導信息發送給駕駛員。將具有調度車輛、通訊、定位、測速等功能的智能車載終端安裝在膠輪車上。調度臺可以利用軟件對井下車輛進行一鍵直呼、一鍵組呼和一鍵全呼，實現對全部車輛的調度。所述的車載終端由車載電源供電，具有備用電源的功能；實現材料的集裝化，裝卸自動化，為各種運輸方式間的銜接提供自動化幫助。汽車運行有一個在線的視頻監控系統，能自動識別汽車在運行中出現的掉道、斷繩、跑車等異常狀態，并自動報警提醒。在運載工具上實現對運載工具的定位、調度以及對運載工具的智能化控制。對輔助運輸材料進行編號，進行全程信息閉環管理。

四、結語

總之，煤礦機電設備的智能化建設是提高生產效率和安全性的重要手段。通過智能化建設，可以實現設備自動化、信息化、智能化，從而提高設備的穩定性、可靠性和安全性，減少人為因素的干擾，提高生產效率和質量。未來，煤礦機電設備將更加智能化、自動化、信息化、網絡化和集成化，確保煤炭生產全過程高效、安全、可靠。

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作者簡介：張召毅（1988），男，山東省鄒城市人，大學本科，助理工程師，技術員，主要研究方向為機電專業。