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1、 国家能源局 2023 年 6 月 全国煤矿智能化建设典型案例汇编(2023 年)全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)前 言 前 言 近年来,各产煤省区、煤炭企业认真贯彻落实党中央、国务院加快新一代信息技术与传统产业融合发展的决策部署,创造性推进煤矿智能化建设,涌现出了一大批技术先进、管理科学、运行可靠的煤矿,为推动煤炭行业技术进步、装备提升、管理创新、效益改善做出了重要贡献。为充分发挥典型煤矿的示范引领带动作用,推动煤矿智能化建设迈向更高水平,国家能源局煤炭司组织 23 个产煤省区和 7 家涉煤中央企业,从全国范围征集遴选了80 项智能化煤矿生产建设典型案例。本次选出的 80 项煤矿智
2、能化建设典型案例,是从各地、各企业推荐的 154 项典型案例中,经专家评选出的。案例覆盖信息基础设施、智能掘进、智能采煤、智能露天、智能运输、智能防灾、智能洗选 7 个方向。现编辑形成全国煤矿智能化建设典型案例汇编(2023 年),供各地、各有关企业和研究机构在工作实践中学习借鉴。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)目 录 I 目 录 第一章 信息基础设施.1 案例 1 老石旦煤矿 5G 系统与 AI 分析平台.2 案例 2 大海则煤矿 700MHz&2.6GHz 多频段云网融合系统.6 案例 3 刘庄煤矿感知矿山数据应用 .11 案例 4 庞庞塔煤矿 5G+工业互联网应用.15 案例
3、5 王坡煤矿生产调度一体化管控系统.20 案例 6 伊犁一矿智慧矿山指挥中心建设.25 案例 7 小纪汗煤矿一张图数字化管理平台.32 案例 8 高河煤矿生产经营一体化智能管控平台.37 案例 9 新元煤矿作业流程智能管控平台.44 案例 10 张家峁煤矿智能化综合生态巨系统.48 案例 11 小纪汗煤矿智能地质保障系统.54 案例 12 杨柳煤矿地质三维建模与可视化系统.60 第二章 智能掘进.64 案例 13 黄白茨煤矿薄煤层智能采掘工作面.65 案例 14 布尔台煤矿一次成巷高机动性快速掘进工作面.70 案例 15 鲍店煤矿记忆截割掘进工作面.74 案例 16 小保当煤矿大断面煤巷护盾式
4、快速掘进系统.78 案例 17 大柳塔煤矿 5G+连采机器人群协同作业系统.83 案例 18 曹家滩煤矿大断面智能快速掘进工作面.88 案例 19 隆德煤矿 5G+智能连掘系统.94 案例 20 华阳一矿高抽巷全断面快速掘进系统.102 案例 21 可可盖煤矿超长斜井全断面智能掘进系统.105 案例 22 山脚树矿 5G+智能化综掘系统.109 第三章 智能采煤.122 案例 23 保德煤矿基于 F5G 网络的采放协同工作面.123 案例 24 金凤煤矿透明化综采工作面.126 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)目 录 II 案例 25 华宁煤矿一次采全高智能化工作面.130 案例 2
5、6 纳林河二号煤矿基于地质融合惯导的智能综采系统.134 案例 27 王家岭煤矿智能化综放工作面.139 案例 28 转龙湾煤矿中厚超长千万吨级智能综采工作面.143 案例 29 黄陵一矿基于透明地质规划截割的智能开采系统.149 案例 30 新巨龙煤矿智能化采煤工作面.155 案例 31 小保当煤矿 450m 超长智能开采工作面.162 案例 32 龙王沟煤矿特厚煤层智能高效综放工作面.166 案例 33 三元煤矿智能综采工作面.170 案例 34 顾桥煤矿 5G+智能化综采工作面.173 案例 35 钱家营煤矿薄煤层智能化开采工作面.180 案例 36 平宝煤矿 5G+智能化采煤系统.18
6、4 案例 37 龙滩煤矿复杂地质条件薄煤层智能化开采工作面.191 案例 38 嘉阳煤矿薄煤层智能化综采工作面.196 案例 39 麻地梁煤矿 5G+智能开采系统.201 案例 40 晓南煤矿智能化采煤工作面.207 案例 41 东怀煤矿 5G+智能综采工作面.214 第四章 智能露天.221 案例 42 宝日希勒露天煤矿极寒环境下 5G+无人驾驶卡车编组运行.222 案例 43 西湾露天煤矿 5G 多频混合组网与矿卡无人驾驶.227 案例 44 胜利能源露天矿基于机器人的智慧运维新模式.236 案例 45 东露天煤矿基于 5G 网络多车编组常态化运行.240 案例 46 伊敏露天矿 5G+无
7、人驾驶绿色清洁运输新模式.245 案例 47 北露天煤矿卡车无人驾驶融合调度系统.249 案例 48 扎哈淖尔煤矿输煤智慧消防系统.252 案例 49 五彩湾一号露天煤矿智慧物流平台.254 案例 50 南露天煤矿 5G+无人驾驶系统.259 第五章 智能运输.265 案例 51 上湾煤矿辅助运输绿电+无人驾驶系统.266 案例 52 唐口煤矿立井提升智能化控制系统.269 案例 53 赵楼煤矿辅助运输精准调度系统.275 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)目 录 III 案例 54 塔山煤矿辅助运输安全智能管控系统.281 案例 55 九龙煤矿辅助运输智能调度系统.286 案例 56
8、 赵固二矿单轨吊车智能化管理系统.290 第六章 智能防灾.293 案例 57 乌东煤矿冲击地压多元融合智能监测预警系统.294 案例 58 布尔台煤矿灾害综合预警监控系统.300 案例 59 大海则煤矿智能巡检和辅助作业机器人应用.306 案例 60 王家岭煤矿全矿井 AI 视频安全管理系统.310 案例 61 付村煤矿通风系统智能决策与动态管控平台.313 案例 62 郭屯煤矿设备健康管理与故障诊断系统.318 案例 63 东滩煤矿智能通风系统.331 案例 64 小庄煤矿复杂地质条件下 5G+安全管控系统.335 案例 65 黄陵一矿综采智能安全管控系统.342 案例 66 砚北煤矿冲击
9、地压多参量综合预警云平台.345 案例 67 龙王沟煤矿动力灾害精准防控系统.350 案例 68 张双楼煤矿深井开采多元灾害智能化防治平台.356 案例 69 俄霍布拉克煤矿工作面智能监控系统.362 案例 70 新田煤矿 5G 专网与视频 AI 分析系统.365 案例 71 高河煤矿智能供电系统.368 案例 72 杨家村煤矿井下零散排水点智能控制系统.374 第七章 智能洗选.381 案例 73 准能选煤厂两级标准选煤数据库及管理系统.382 案例 74 骆驼山洗煤厂关键设备故障监测与预测性维护系统.388 案例 75 神东选煤厂智能决策系统.392 案例 76 金鸡滩煤矿快速定量智能化装
10、车系统.399 案例 77 沙曲选煤厂重介智能分选系统.405 案例 78 鱼卡一号井智能化选矸系统.408 案例 79 龙泽选煤厂智能干选系统.412 案例 80 王坡煤矿装车智能管理系统.417全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 1 第一章 信息基础设施 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 1 2 案例 1 老石旦煤矿 5G 系统与 AI 分析平台 主要完成单位:国家能源集团乌海能源有限责任公司 一、主要建设内容(一)矿井概况 老石旦煤矿位于内蒙古自治区桌子山煤田西翼的老石旦矿区,隶属于国家能源集团乌海能源有限责任公司,行政区划归于乌海市海南区
11、管辖。矿区走向长7.12km,宽 1.7km,面积为 9.7766km2。矿井为低瓦斯煤矿,核定生产能力为 1.50Mt/a,可采储量为 21.63Mt,水文地质类型为中等。开拓方式为斜立井混合式开拓,采用单一水平开采,现布置 1个综放工作面和 2 个综掘工作面,是乌海市首家推广应用 5G 无线通信网络的智能化矿井。(二)建设现状 乌海能源公司老石旦煤矿从 2020 年开始 5G 无线调度通讯系统服务项目建设,项目建设单位为中国移动通信集团内蒙古有限公司乌海分公司,建设规划为:中国移动提供5G核心网网络,通过PTN传输网连接到矿上,矿上部署MEC+UPF,BBU 通过光缆和 RRU 连接,井下
12、还可以提供具有煤安证的 CPE、5G 手机、4K高清摄像仪等终端。根据老石旦煤矿现状及要求,按照基于 5G 调度通信系统部署井下无线信号覆盖,其组网架构如图 1 所示。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 1 3 图 1 5G 调度通信系统组网架构 目前,井下已安装 5G 基站 40 套,矿井地面和井下已实现 5G 信号全覆盖。基于 5G 网络应用方面,目前实现井上下视频通话、AI 智能分析系统、全景工作面、智能矿灯等应用。(三)煤矿 AI 智能分析平台应用 AI 核心技术是首次融入到煤矿安全生产工作中,应用在我矿的主运输系统及智能检身系统中,与主运输相关设备实现互联互
13、通,实时将识别信息以预警、报警的方式上传到调度大厅,为值守人员提供决策依据。利用布置在带式输送机沿线的摄像机实时监测,煤矿 AI 核心平台现场识别分析的机器视觉技术、边缘计算技术,对运行过程中空载、大块煤、异物、堆煤、跑偏、煤流量不均、煤重心不稳、人员违规穿越皮带、皮带坐人等进行智能识别,并及时进行告警及提醒;智能 AI 系统煤流量监控,可以有效分析监控皮带运行情况,后续可以通过智能变频实时调速以降低能耗。(四)全景工作面应用 老石旦煤矿采用 4K 超高清视频与 5G 技术结合应用到实际生产过程中,实现采煤工作面的超高清视频监控、远程现场实时展示;在采煤工作面安装了 45台 5G 高清网络摄像
14、机,利用图像拼接技术将采煤工作面生成一个 360 度的全景图像。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 1 4 采用 4K 的高清网络摄像机画质相比于 200 万像素,垂直分辨率更高,画面细节层次更精准,显示更清晰、更干净细腻、更给人以身临其境的感觉,通过全景工作面拼接软件实现整个工作面的展示。(五)智能矿灯应用 智能矿灯是基于 5G 网络的应用,将照明、精确定位、语音调度、拍照、对讲、灯光报警、视频调度、本地记录、蓝牙连接等功能融为一体;通过智能矿灯,可以有效提升安全生产效率,对井下工作人员的安全管理提供极为有力的帮助,依托智能矿灯的视频通话、实时对讲等功能,我矿也将智
15、能矿灯应用到了设备检修工作上,检修人员在井下利用矿灯与井上的专家进行实时连线,由专家指导检修人员进行设备维修,由于矿灯是直接佩戴在安全帽上的,因此检修人员解放了双手,可以一边连线,一边维修,极大的提升了检修效率。(六)井上下视频通话 我矿为安全管理人员、岗位操作人员配备 5G 防爆手机 200 部,通过井下 5G网络,实现与地面视频连线、语音通话、视频会议、隐患治理等功能,进一步提升矿井安全生产、隐患治理、智能办公的高效性、安全性。二、技术特点及先进性 5G 矿井无线通讯网络可实现与万兆工业环网的无缝对接,全矿地面和井下实现 5G 信号全覆盖,适用于多种应用场景,将开启煤矿行业的物联网时代,并
16、渗透进矿井各个智能化系统。利用 5G 网络高速率、低延时、广连接的优势,可实现井下采煤机的远程控制,海量连接可连接更多的终端,为此在 5G 网络上可增加更多的应用。基于 5G 高速率,低延时,广连接的特点,老石旦煤矿已开发 5G+智能化应用场景有:智能矿灯,实现照明、人员定位、语音调度、短信收发、拍照、对讲、灯光报警、视频调度、本地记录、蓝牙连接等功能;全景工作面,采用无线传感器、无线摄像仪,借助 5G 网络的高带宽、高可靠性实现所有传感数据、视频信息、参数控制信号的高速传输,同时作为有线控制总线的冗余网络,可以有效保证总线正常运转。最终实现在顺槽集控中心,甚至地面调度中心,完成对全国煤矿智能
17、化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 1 5 采煤机、液压支架、运输三机、泵站系统的远程自动作业,实现真正的远程集中监控;AI 智能分析平台,在 5G+MEC 平台上搭建 AI 智能分析平台,构建煤矿前端两级平台,实现井下人的不安全行为、物的不安全状态、环境的不安全因素等隐患智能分析、报警,构建业务应用平台,实现隐患报警处理、分析、上报,形成业务闭环,辅助监管人员,提升监管效率 20%,减少煤矿井下事故的发生。智能移动终端,现已实现井上下 5G 信号全覆盖,并发放手持移智能动终端 200 部,可实现井上下实时视频通话,进一步降低了事故相应处置时间,为安全生产搭建了一条高速信息通道。
18、设备监测与报警系统,井下重要设备安装温震传感器,通过 CPE 与 5G 基站无线对接,上传数据到中央数据库,实现在线监测与智能分析,形成诊断报告。智能供水系统,应用 5G 高速率实时传输供水水量、水位、流量等数据,通过一体化管控平台进行换算,实现智能供水,无人值守作业。三、智能化建设成效(一)安全风险进一步降低 智能化煤矿建设,变革了煤炭生产组织方式,提高了矿井自动化、信息化、智能化水平,有效提高生产效率,促进由劳动密集型向人才密集型转变作出积极的贡献,为打造煤炭产业升级版进行了有益探索,取得了良好的社会效应、经济效益和生产效率。通过固定岗位实现了无人值守,减少岗位用工。井下少人或无人,降低井
19、下人员伤亡的可能性,减少由于矿井灾难所造成的损失,践行了“无人则安”的理念,促进了安全生产。(二)作业人员进一步减少 随着煤炭开采实现自动化、信息化和智能化,固定岗位实现无人值守,重点岗位实现无人值守+机器人巡视,通过开拓设计、地质保障、精准预警、采掘、运输、通风、洗选等系统的智能化决策和自动化协同运行,形成完整配套的智能化生产、管理体系,石旦煤矿通过智能化系统建设及应用,转变岗位作业模式,以实现固定岗位无人值守、减少一线苦脏累作业人员为目标,截止到目前我矿已实现减员 112 人。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 2 6 案例 2 大海则煤矿 700MHz&2.6G
20、Hz 多频段云网融合系统 主要完成单位:中煤陕西榆林能源化工有限公司 一、主要建设内容 5G 作为新一代移动通信技术,具有高速率、低时延等特点,满足了工业领域数字化、网络化、智能化需求,有力支撑了采矿行业的安全生产、提质增效、转型升级。本项目以在大海则煤矿智能化建设中的实际应用为基础,进一步推广“5G+煤炭”的融合发展模式。项目以研究 5G 多频段融合组网和应用为核心,旨在解决煤矿井下信号传输延迟,信号多样性,工作面设备布置繁多,采掘工作面拐弯、上山/下山环境起伏等死角覆盖难题。主要研究内容包含两方面,一是 5G 700 MHz+2.6 GHz 频段的研究,包括在大海则矿实施不同频率井上、井下
21、覆盖的建设,5G 700M 基站仅接入本地专网核心网,提供专网 5G 覆盖服务,5G 2.6G基站采用 MOCN 方式同时接入本地专网核心网和运营商公网核心网,提供公/专网两种方式的 5G 覆盖服务,实现基于覆盖规则进行全矿井井上/井下 5G 信号覆盖;二是云网融合技术的研究,内容为基于业务需求和技术创新并行驱动的创新型 5G 网络架构,使云和网高度协同,互为支撑,互为借鉴,要求 5G 承载网络可根据各类云服务需求按需开放网络能力,以云网融合平台(含 i5GC 和 IMS)基础设施来保障低时延、高可靠、大带宽的网络能力,实现网络环境(5G、WiFi、IOT 等)与虚拟化服务的快捷打通、按需互联
22、,支撑远程控制、智能终端、移动巡检机器人等煤矿智能化应用。5G 多频段(700 MHz+2.6 GHz)融合组网的建设完成,降低了整体的组网成本,提升了网络安全性的同时赋能工业控制、融合调度等应用。通过前期调研及规划,在大海则煤矿建设 5G 无线通信网络,实现大海则煤矿地面及井下无线信号无盲区覆盖和其他井下巷道部分无线信号覆盖,构建矿山“多元化”云网融合平台,为未来无人驾驶、自主导航运输、无人采掘、远程工业控制等应用提供低时延、广连接、大带宽的技术保障。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 2 7(一)第一阶段 建设井上井下 700 MHz+2.6 GHz 融合组网系统
23、;基于 i5GC 核心网部署 1 套云网融合平台、1 台 SPN、1 台 BBU、3 台 PB、20 套 pRRU 等设备实现中央变电所、井底车场、换装硐室、2 煤南翼辅助运输大巷、20101 首采工作面、地面工业广场办公区及洗煤厂等区域 5G 无线网络覆盖。实现了全矿井 5G VoNR 通信及云网融合,首次构建了基于新型云网架构的矿井“一网管控”,矿山“多元化”云网融合平台拓扑图如图 1 所示。研究出适用大海则井下通信的 5G 700 MHz频段和 2.6 GHz 融合技术,并成功举办大海则煤矿 5G 700M 融合网络全球发布会,如图 2 所示。(二)第二阶段 在井下北翼辅运大巷、南翼胶运
24、大巷、井下 20201 工作面等区域建设 5G 基站及传输设备,进行全矿井无死角覆盖。为大海则煤矿开展“5G+”虚拟交互应用、无人驾驶、智能穿戴装备、智能巡检、采煤机、掘进机智能化等应用。在大海则煤矿地面工业广场共规划 2 套 2.6 GHz 宏站和 2 套 700 MHz 宏站,其中 1 图 1 矿山“多元化”云网融合平台拓扑图 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 2 8 图 2 大海则煤矿 5G 700M 融合网络全球发布会 套 2.6 GHz 宏站和 1 套 700 MHz 宏站位于大海则煤矿厂区,1 套 2.6 GHz 宏站和 1套700 MHz宏站位于大海则
25、煤矿选煤厂,建设完成后可实现大海则煤矿办公区、选煤厂等区域的 5G 覆盖。SPN、BBU 安装在大海则煤矿机房,大海则煤矿厂区AAU 安装在新建办公楼旁铁塔,选煤厂 AAU 安装在选煤厂内 30 m 单管塔上,通过光纤分别连接到厂区和选煤厂 AAU;700 MHzBBU 安装在大海则煤矿机房,大海则煤矿厂区 700 MHzRRU 安装在办公楼楼顶,选煤厂 700 MHzRRU 与 2.6 GHzAAU 共同安装在选煤厂内 30 m 单管塔上,通过光纤分别连接到厂区和选煤厂 RRU 上。大海煤矿通过 5G 井下 2.6G+700M 无线网络全覆盖建设,运用 700M 频段高穿透、强绕行的技术特性
26、和 2.6G 频段上行带宽的特点,满足煤矿井下生产高可靠、数据不出园、业务安全隔离、低时延、大带宽等诉求。在智能采煤方面,通过云网融合平台实现人员位置信息、设备位置信息、设备状态信息的实时监测。运用云网融合技术将 5G、WiFi、有线网络等多频、多网进行融合,满足矿区多网段、多协议组网,减少基站和射频等设备的投入,逐步实现少人化、无人化采矿,从整体上降低了生产成本,在矿山领域具备较强的经济效益及实用价值。二、技术特点及先进性“基于 5G 在煤矿深部复杂环境下的智慧安全开采研究和应用”项目在大海则煤矿全矿井进行应用。该套 5G 700M+2.6G 频段融合通信系统在使用期间各项全国煤矿智能化建设
27、典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 2 9 功能运行正常,能够采用 5G(700 MHz+2.6 GHz)多频段创新型融合组网,实现了煤炭行业首次 5G 多频段融合独立专网的组建。全矿井采用 MOCN 技术实现专网+公网无缝衔接,完成了全国首次“一张卡”在两矿区多网段下的 5G VoNR专网互通,实现了真正的 5G HiFi 级的超清语音通话。同时,大海则煤矿运用云网融合技术,实现了国内煤炭行业首次 5G 独立专网+4G+WiFi+IOT+有线调度多网元融合通信。三个“全国首次”保障了大海则煤矿智能化建设的先进性。(一)5G VoNR(HIFI 级别超清通话)井下首通 5G 700M+
28、2.6G 专网建立,打通井下第一通 VoNR 电话业务;相比较于之前4G 的 VOLTE,5G VoNR 采用了 EVS 技术实现了人的听觉范围全带宽的编码,有效提升语音通话的音质到 HiFi 的级别。(二)MOCN 首次赋能煤矿融合通信 井下首次采用MOCN方式(Multi-OperatorCoreNetwork)指一套无线网络可以同时连接到多个核心网节点,实现专网+公网无缝衔接,5G 通话与地面公网对接互通。CN 节点属于不同运行商,共享无线网络资源,允许各个运营核心部署 Iu-Flex,内部的各个 CN 节点形成 CNPool;同一个共享区域中的手机终端将由 RAN路由到各自签约运营商的
29、 CN。(三)煤炭行业首次采用 5G 700M 频段 煤炭行业首次采用 5G 700M 频段;覆盖能力强、绕射能力强、传输损耗低,提升井下覆盖范围。采用 FDD 与 TDD 传输融合模式,有效通信距离较传统 5G单频组网提高了 46 倍,有效覆盖范围达到 16001800m。解决井下大巷数据业务需求不高且容易造成无线资源浪费的痛点问题,既能满足巷道内数据和通话业务,又能减少部署成本。三、智能化建设成效 大海则 5G 700M+2.6G 多频段融合组网建设项目,运用 700M 频段低延时、低频、高穿透、强绕行的技术特性,增加南北翼大巷的有效通信距离,运用 2.6G上行带宽的特点来满足采掘方面的需
30、求,二者结合实现复杂工况环境的低成本5G 全矿井覆盖。将 5G 2.6GHz 频段结合 700 MHz 频段,井下网络有效覆盖范围全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 2 10 可达 600m;提升绕射和穿透能力,有效解决采掘工作面拐弯、上山/下山环境起伏等死角覆盖问题。与 700M 相比,同等技术条件下其他频段站点数量:2.6 GHz多约 3 倍、3.5 GHz 多约 3.5 倍、4.9 GHz 多约 12 倍,用 700M 组网的成本会有效降低矿山 5G 组网建设成本 40%。在大海则煤矿运用云网融合技术将 5G 700M&2.6G、WiFi、有线网络等多频、多网进
31、行融合,满足矿区多网段、多协议组网,可减少基站和射频等设备的投入成本。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 3 11 案例 3 刘庄煤矿感知矿山数据应用 主要完成单位:中煤新集能源股份有限公司 一、主要建设内容(一)建设情况 为认真贯彻落实中煤集团煤矿智能化建设工作推进会要求,加快推进煤矿智能化建设工作,中煤新集公司在 2021 年底各矿基本实现各车间在集控中心综合自动化平台上实现远程监视监控的基础上。为充分利用新集公司各矿平台与本地资源数据,现对数据的采集与转换进行统一规划、统一设计、统一存储等,建成中煤新集感知矿山应用。(二)主要内容 按照煤矿感知数据接入细则(试行
32、)规范规定的编码规则要求将供电监控数据、主运输监控数据、矿压监控数据、瓦斯抽采与利用数据、粉尘监测数据、火灾预警监测数据、地理信息坐标系、视频监控系统监测数据生成标准文件格式,传到安徽省能源局等单位。具体施工内容如下:项目主要利用 JDBC 中间件访问关系型数据库的表和视图,每分钟采集安全监控数据、水文地质监控数据、井下作业人员管理数据、地理信息坐标系的数据;利用国际工业标准开放式过程链接 OPC_UA 协议每分钟采集提升监控数据、排水监控数据、通风监控数据、压风监控数据、供电监控数据、主运输监控数据、矿压监控数据、瓦斯抽采与利用数据、粉尘监测数据、火灾预警监测数据;利用流媒体实时流 RTSP
33、 协议转发视频监控系统监测数据。工业数据采集和上传:与 SCADA 软件配套,满足矿井各子系统的接入需要,支持但不限于西门子、GE、AB 等主流厂家 PLC 的接入,支持 Mosbus-TCP、Modbus-RTU、ODBC 等通讯协议,定制开发数据接口软件。同时新集公司总部服务器之间采用工业自动化标准 OPCUA 协议,依据国家和省部室下发的标准文件,采集各矿重大设备的数据、安全监测数据、人员定位数据并编码。以一定时全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 3 12 间间隔生成 ftp 文件,上传至公司指定的 ftp 服务器中,由省能源局相关部室取走。传输过程监视:系统实
34、时监视各矿各类 ftp 文件的上传状态。对超时未上传产生报警,通知管理员介入、查找原因,及时恢复数据上传。二、技术特点及先进性(一)技术路线图 1.总体架构 本系统采用 BS 架构,Java 语言开发,mysql 数据库。其总体架构如图 1 所示。图 1 煤矿感知数据接入系统架构 重大设备:在新集公司总部建设一套 IFIX SCADA 系统,接入各矿重大设备数据至总部。再由 KEPOPC 软件使用 OPCUA 协议,从总部 IFIX 系统实时采集各矿重要设备如通风机、提升机、井下主排水泵、压风机、供电、煤流系统等数据,按国家标准要求编码数据,并生成 FTP 文件,上传至总部 FTP 服务器。水
35、文地质:利用 ODBC 或 OLEDB 协议实时采集水文地质系统数据,并生成FTP 文件,上传至总部 FTP 服务器。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 3 13 设备信息:利用 ODBC 或 OLEDB 协议访问机电设备系统,采集重要设备静态台账和设备安标信息等,生成 FTP 文件,上传至总部 FTP 服务器。用户输入:支持用户输入设备安标防爆等信息。矿压系统:按国家标准要求,生成 FTP 文件,上传至总部 FTP 服务器。人员定位:按国家标准要求,生成 FTP 文件,上传至总部 FTP 服务器。安全监测:按国家标准要求,生成 FTP 文件,上传至总部 FTP 服务
36、器。传输监控:开发一套传输监控软件,实时监控各条在册传输路径上的实时传输情况,并以图形形式展示出来。如遇到传输中断情况,短信通知相关人员。(二)主要经验和技术创新点 协议转换网关:开发了一套协议转换网关软件,该网关对下使用建设煤矿智慧矿山过程中采用的 OPC UA、OPC DA 和 ODBC、OLEDB、FTP、MSMQ 等协议采集数据。经过数据整理、编码后,对上输出为有关部门对煤矿感知数据标准统一规范的数据上传格式文件,且具备以下优点:1.集中化程度高,数据采集、转换、上传一体化。2.传输监控可视化,系统拟对 ftp 文件传输情况实时监控,传输情况在 WEB页面上实时动态展现。3.自动化采集
37、能力强,管理员仅仅通过配置即可完成数据采集,无代码开发。4.国家标准编码数据全,系统采集上传功能针对国家标准做到全覆盖。三、智能化建设成效 感知矿山通过全面感知,可对刘庄煤矿矿区的人(人员定位、无线通信)、设备(综合自动化)、环境(安全监控、矿压监控等)进行全面感知。并通过高速网络、全面覆盖矿区地面井下,实现感知矿山数据全面共享;同时还具有直观形象的应用。感知矿山实施的难点是如何将所有与矿区安全、生产相关的感知层不同系统接入统一的网络平台,实现数据共享及应用平台集中展示;感知矿山技术的价值是发挥其智能化实际应用。感知矿山不仅可提高矿山的安全管理水平,更多的是涉及到生产,如利用信全国煤矿智能化建
38、设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 3 14 息技术、网络技术以及传感网络对矿区各个生产相关设备系统的感知和控制,可很大程度提升矿区的自动化生产能力。为加快推进“互联网+监管”应用工作,实现新集公司对各矿数据的实时监视。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 4 15 案例 4 庞庞塔煤矿 5G+工业互联网应用 主要完成单位:霍州煤电集团有限责任公司 一、主要建设内容(一)5G+工业互联网 2020 年 4 月,庞庞塔煤矿与联通(山西)产业互联网公司合作,建成了一张高质量的 5G+工业互联网。矿井真正形成了“万兆光纤环网+5G 无线宽带专网+窄带物联网”的一体化
39、传输网络,工业互联网带宽整体承载能力达 40 万兆规模。5G+工业互联网主要包含 4G/5G 无线通信系统(接入层网络)及 IPRAN 环网(主干网络)两大部分。井下布置 8 台 IPRAN 环网交换机、8 台 BBU、24 台 RHUB、138 台 4G/5G 多模基站(基站同步开通 NB-IoT),光缆共铺设 100km,覆盖井下所有进风系统大巷及采掘工作面,实现了井下无线及有线的一体化传输,井下4G/5G 系统结构如图 1 所示。图 1 井下 4G/5G 系统结构 地面机房布置 2 台 NE8000 环网核心交换机,井下 8 个节点交换机采用并联组网方式与地面核心设备分别独立组环,最终通
40、过地面的核心环网设备上联到公网的传输设备(地面部署 6 个 5G 公网宏站),实现与公网的互联互通。井下单个节点交换机带宽能力为 50G,整体带宽能力为 400G。(二)云计算中心 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 4 16 矿井云计算中心占地 150m2,共布置两列共 28 台标准机柜,2 台强电列头柜,2 台弱电列头柜,4 台空调机柜,安全防护等级达三级。模块化机房部署计算区、核心交换区、网络边界区、控制网区、应用服务区等;网络边界采用网络等级保护三级标准进行建设,确保了矿区网络的安全性。在云服务中搭载了华为 ROMA 平台,大数据平台、数据库平台等,为矿井数据
41、采集、处理、分析提供了高效的环境;同时在云服务中建设了矿井的智能综合管控平台,矿井所有监测、监控系统数据全部接入,实现了监测监控系统、应急广播系统、人员定位系统、水文监测系统等多系统与智能化控制系统的联动。同时,结合 GIS 一张图,完成了水害、火灾等灾害仿真系统,能根据异常报警参数智能分析灾害影响范围,自动规划避灾路线,结合矿井应急预案,联动控制应急广播设备与单兵装备,实现灾害事故的快速响应、智能决策,提高了应急处置能力,综合管控平台如图 2 所示。图 2 庞庞塔煤矿智能化综合管控平台(三)5G+智能应用 矿井基于 5G+工业互利网,开展了一系列智能化应用与实践,主要包括 5G+全面感知、5
42、G+高效指挥、5G+安全管控及 5G+智能控制等方面,实现了减人提效,提高了矿井的整体安全生产管理水平。1.在井下主要硐室和设备作业点安装 5G 高清摄像头 200 余个、NB 无线传全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 4 17 感器 270 余组,对井下瓦斯、顶板、水文等监测监控系统进行实时数据统一采集、存储、分析、展现及预警报警。2.投用 500 部 4G/5G 手机、无线和有线实现融合通信,投用 70 套单兵装备(智慧矿灯),内置 5G 模组,具备瓦斯监测、调度台面对面通讯等功能,实现了智能语音调度和视频调度。3.建成了全国首个大倾角厚煤层远距离智能化综放工作面
43、,井下 20 个主要硐室、运输系统实现无人值守、远程集控,减员 102 人。4.开发了双预控系统 APP,利用 5G 防爆手机,实现了智能安全管控。二、技术特点及先进性 1.矿井建成了一张安全、高效、快速的高质量工业互联网,具备大带宽(整体承载能力达到 40 万兆)、低时延(小于 1ms)、广连接(可接入 50000+传感器、1000+视频、1000+终端)、高可靠性(99.999%)的优势。2.通过信息化基础设施建设,打破了之前“烟囱式”系统布置的业务壁垒,通过云计算中心统一发放的虚拟机及云存储,实现了数据的统一传输、统一分析,统一呈现;同时,数据保存在本地,为后续智能化管控平台多系统联动、
44、实现数字化矿井提供了坚实的基础。3.建立了井下 5G 网络切片模型,遵从网络切片逻辑完整、相互隔离以及可定制化的原则,设计面向井下视频监控、可视化操控等 eMBB 场景和智能化工作面等 uRLLC 场景的网络切片方案。通过为井下视频监控、可视化操控等应用切片分配较多的无线、计算和存储资源满足用户高速率的业务需求,通过将 uRLLC切片核心网用户面部署到 BBU 侧减少了用户端到端传输时延;两种切片通过共享核心网控制面实现核心网切片的集中式管控。4.5G 及云计算中心采用租赁服务的模式建设,分别由联通(山西)产互公司及华为公司进行后台运维,在降低建设成本的同时,又弥补了矿井因信息化及智能化人才短
45、缺造成运维困难的不足。三、智能化建设成效(一)5G+全面感知 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 4 18 基于矿井 5G+工业互联网,利用有线、无线、NB 等多种传输方式实现了各种监测监控数据的统一采集、存储、分析、展现及预警报警,解决了传统监测监控系统独立建设、专网专用、信息孤岛、建设成本高、周期长的问题,既提高了各监测系统的可靠性,又降低了建设成本及维护工作量。实现了矿井的全面感知、精准预测预报。全面感知系统架构及井下信息化系统联合布置如图 3 所示。图 3 全面感知系统架构及信息化系统联合布置(二)5G+高效指挥 无线和有线实现融合通信,实现了智能语音调度和视
46、频调度,提高了调度指挥的协同性、高效性。(三)5G+智能控制 1.井下固定场所及设备作业点利用工业互联网有线传输方式进行远程集中控制。目前,已建成全国首个大倾角厚煤层远距离智能化综放工作面,井下 20个主要硐室、运输系统实现无人值守、远程集控,减员 102 人;2.采用 5G 无线网络,实现了井下系统大巷的卡轨齿轨车远程控制和无人驾驶。(四)5G+安全管控 利用 5G 防爆智能手机安装新开发的双预控系统 APP,一是实现了井下现场隐患录入、整改拍照、取证上传、视频语音互通互联功能;二是系统具备信息推送功能,通过建立规则匹配,管理人员能够及时收到与本人相关的信息;三是融全国煤矿智能化建设典型案例
47、(2023 年)信息基础设施 案例 4 19 合人员精确定位系统,对检查人员准确定位,通过手机终端实现风险、隐患、三违信息、重点人员预警信息等的精准定位推送。双防系统 APP 如图 4 所示。图 4 双防系统 APP 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 5 20 案例 5 王坡煤矿生产调度一体化管控系统 主要完成单位:山西天地王坡煤业有限公司 一、主要建设内容(一)建设情况 天地王坡智能一体化管控平台自 2021 年 4 月开始建设,同年 12 月底建设完成,整合了生产控制类、安全监测类 17 个应用系统,为解决企业数字化转型过程中面临的“信息孤岛”,管理模式落后,设
48、备通信接口不统一,数据协议标准不一致等问题着力打造的生产调度“智慧大脑”。(二)主要内容 天地王坡智能一体化管控平台基于先进的工业互联网架构,将物联网、大数据、人工智能、三维虚拟仿真等技术与煤矿生产技术充分融合,遵循统一数据、统一模型、统一平台、统一架构的原则,PaaS 平台、大数据平台、云组态工具等核心组件拥有自主知识产权,打造科工集团自主产品,掌握煤炭核心软件主导权,解决煤矿“卡脖子”技术问题,实现矿井各业务系统的设备标准接入、数据融合共享、智能协同管控。智能一体化管控平台总体架构如图 1 所示,设备层支持接入煤矿各种智能设备、传感器、SCADA 系统等多源异构数据;管控平台具备通用 Pa
49、aS 能力和煤炭行业 PaaS 能力,提供各类数据库、消息中间件、缓存等基础组件,具备已有应用的上云和新应用的云原生开发能力,通过煤炭工业知识的软件化封装,构建煤炭行业算法模型库和行业知识库,提供三维 GIS 开发平台、组态工具和可视化工具等行业开发组件,实现煤炭工业技术的共享和复用,形成中国煤炭科工集团研发一体化模式;应用层集成了“采、掘、机、运、通”等煤矿专项子系统和生产类、安全类、综合管理类煤矿智能化综合应用,打造矿井级工业互联网 APP 生态。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 5 21 图 1 天地王坡智能一体化管控平台总体架构 智能一体化管控平台部署架构如
50、图 2 所示,主要包括大数据服务集群、PaaS服务集群、采集节点、监控工作站等基础设施。图 2 天地王坡智能一体化管控平台部署架构 二、技术特点及先进性 智能一体化管控平台支持在集团、二级公司和煤矿端多级灵活部署,打破下全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 5 22 属公司数据不透明的屏障,并且支持远程交付和部署,简化运维。智能一体化管控平台云边协同、多级部署和平台主界面,如图 3、图 4 所示。图 3 天地王坡智能一体化管控平台云边协同、多级部署示意 图 4 天地王坡智能一体化管控平台主界面 智能一体化管控平台的核心技术如下:1.多源异构数据的集成和煤矿全域子系统的数
51、据接入。数据采集服务支持Modbus、OPCUA、EtherNet/IP、S7、IEC101、IEC104、DL645 等煤炭行业主流工控协议,并支持集成其他工业私有专用数据协议,支持主流框架(X86、ARM),支持国产操作系统(SylixOS、中兴、中标麒麟、欧拉、深度等)。2.统一的煤炭行业数据结构模型体系。即 EIP 对象模型,按照设备孪生方法全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 5 23 对全矿井设备进行抽象建模并支持动态扩展,实现矿用装备层的数据标准化。3.覆盖井上井下作业过程的数据主题和专题库。如综采主题、综掘主题、矿井设备主题、能效分析专题等,形成煤矿行业
52、的数据治理标准。4.涵盖生产过程监测、生产管理、设备管理、能耗管理、安全管理等关键主题的煤炭行业专用算法模型库,支持一站式算法模型定制服务。5.统一的数据共享标准,保障数据的安全,实现数据资产的统一管理和共享。6.桌面组态和云组态工具开发一体化。云组态解决监控系统上云的难题,桌面组态保留控制的可靠性、实时性和稳定性。桌面组态支持主流框架(X86、ARM),支持国产操作系统(SylixOS、中兴、中标麒麟、欧拉、深度等)。7.三维 BIM+GIS 服务。采用标准化数据处理及转换流程,可快速便捷地转换矿山基础信息数据,实现对煤矿井上、井下静态模型进行动态仿真,对煤矿各系统的实时监测数据进行动态展示
53、,并支持矿井灾害应急救援指挥和多系统的融合联动。8.系统管理。实现集中运维式的管理,针对矿井组织架构,人员信息,生产情况主数据进行统一管理、支持统一认证和权限管理。9.管理驾驶舱面向矿领导、生产、机电、调度中心、安监、通风、信息中心七个部门和角色需要,动态展示生产、经营、安全类综合性指标,服务于领导决策。10.智能化综合应用系统“主煤流协同经济运行”,打通底层数据,从工作面到主运输到煤仓实现一键启停,实现多系统间的互通联动。三、智能化建设成效 目前,天地王坡平台智能一体化管控平台实现了“采、掘、机、运、通”等主要生产环节、井下环境安全、经营管理、分析决策等实时信息综合集成与可视化展示,实现了子
54、系统的预警报警、指挥调度与协同控制,矿井综合管理效率提升了 40%。在智能一体化管控平台“智慧大脑”一个标准的前提下,构建以“一朵云、一张网、一张图、一个标准、一个平台、加一系列智能化子系统”为主要内容的全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 5 24 智能化体系,重构部门管理职能,实现天地王坡采掘自动化、平台智能化、运营信息化,将天地王坡打造成一个能用、实用、管用的国家智能化示范矿井,形成统一的信息化建设标准与规范,在中国煤科内部全面推广和应用,最终实现“管、控、营”一体化、安全可靠化、管理高效化、效益最大化的目标。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施
55、 案例 6 25 案例 6 伊犁一矿智慧矿山指挥中心建设 主要完成单位:山东能源兖矿新疆能化有限公司 一、矿井建设基本情况 伊犁一矿位于美丽的“塞外江南”新疆伊犁哈萨克自治州察布查尔锡伯自治县琼博拉镇,距离哈萨克斯坦 50km。矿区北距县城 34km,距离全国最大的国际陆路口岸霍尔果斯口岸 150km,交通便利,位置优越,是国家发改委核准的新疆第一座千万吨特大型现代化井工矿井,设计生产能力为 1000 万 t/a,服务年限为 142a,概算总投资 51 亿元。矿井分南、北两个工业场地,采用斜立混合开拓方式,分别如图 1 和图 2 所示。投产时,共布置 5 条井筒,分别为北工业广场的进风立井,南
56、工业广场的材料斜井、回风立井、主斜井和缓坡副斜井。图 1 北工业广场鸟瞰图 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 6 26 图 2 南工业广场鸟瞰图 矿井为 I 类易自燃煤层,自然发火期为 32 天,属低瓦斯矿井,水文地质类型为中等,非冲击地压矿井。回采工作面采用走向长壁综合机械化放顶煤工艺,全部垮落法管理顶板;掘进工作面采用综合机械化掘进工艺。目前共有 1 个采煤工作面、2 个掘进工作面,分别为 1503E 综放工作面,1504E 上顺槽、1507W 下顺槽综掘工作面。二、案例介绍 伊犁一矿作为山东能源在新疆地区的唯一的智能化引领型示范矿井,按照“高起点、高装备、高智
57、能、高效率、高收益”的建矿要求,坚持走矿井“重装大型、智能高端”的云之路,秉承集聚高端装备、集成先进技术、集汇颠覆创新、集结前沿管理的理念,紧紧围绕“安全高效绿色少人智能”的建设思想,弘扬“建百人工程、创百年矿井”的“双百工程”奋斗目标,努力打造煤炭行业“安全开采、高产高效、绿色和谐、智能管理”的无人化生产新模式,探索出一条以大数据中心为基础,智能化工作面为特色,智慧机电运输系统为支撑的“极简矿井”发展之路。全力打造出了彰显伊犁一矿 IMCC(Intelligent Mine Command Center)特色的智慧矿山指挥中心。(一)搭建模块化数据中心,实现云端化运行转变 搭建新疆煤炭行业第
58、一座现代化微模块数据机房,建设了华为超融合云平台,利用虚拟主机,实现各自动化子系统在云服务器中运行,解决了传统数据机房多全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 6 27 服务器罗列的空间浪费问题。通过构建数据产业结构、建立标准体系、打通信息交互链条,实现由传统的“人力密集型、重复操作型、海量数据型”生产场景向云用户感知、运营态势一点可视的转变。运行中的微模块数据中心如图 3 所示。图 3 运行中的微模块数据中心 新建成的机房将全矿办公网络核心、万兆工业环网核心、调度交换核心、大数据超融合核心集成到一体化机房进行统一管理,配置独立环境监测、配电、制冷、新风、照明、安防、消防
59、等系统,通过 10 寸触摸屏+后台 web 界面,实现各系统数据实时监控、快速故障定位和问题处理,缩短管理需求响应时间,提升数据中心的防护能力,保障安全运行。数据机房按照国标规范进行综合布线,提高数据中心的整体运营效率,实现网络、信息核心设备快速部署、弹性扩展和绿色节能功能,为智慧矿山建设提供了可靠的硬件和链路基础。微模块数据中心监控系统如图 4 所示。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 6 28 图 4 微模块数据中心监控系统(二)架构安全生产综合管控平台,为矿井生产保驾护航 运用3D虚拟仿真和物联网技术,架构安全生产综合管控平台,实现对矿区、建筑和各种设备的三维模
60、型展示和远程监视。基于数字孪生技术实现了矿井主要生产环节如主煤流、通风、排水、压风等系统的集中控制,保证全矿井主要生产系统的数据采集及统一展示,达到无人值守、少人巡检的目的,有效提高了矿井生产效率,主通风机房三维自动化控制系统如图 5 所示。图 5 主通风机房三维自动化控制系统 矿井各自动化系统在异构条件下达到信息联通、共享和联动的目的,保证了生产调度、决策指挥的网络化、信息化、科学化,为矿井安全生产、有效预防和及时处理各种突发事故和自然灾害,提供有效手段,为矿井信息化的应用和发展奠定基础,安全生产综合管控平台如图 6 所示。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 6 2
61、9 图 6 安全生产综合管控平台(三)建成“智慧管控+数据共享”型智慧矿山指挥中心 在“一调度+两中心”高度集控生产新模式的基础上,全力打造了“伊犁一矿智慧矿山指挥中心(IMCC)”,装备“智慧指挥官”操控系统及全光纤架构的可视化坐席协作管理平台,服务器与交换机均布置在数据中心,实现了人机分离,既节约了工作区空间,降低环境热量,又提高了服务器数据的安全级别。该系统以光纤 KVM 技术为核心,借助一组键盘、鼠标和显示器完成多台服务器之间的切换,鼠标滑屏操作零延时、超流畅,简化桌面环境,改变了传统的一对一的控制方式,坐席人员操作本地显示屏数据的同时,其数据也可以在大屏或其他坐席显示终端互动显示,使
62、得管理更为简易方便,铁力山“智慧指挥官”MT-1-C1 操作台如图 7 所示。图 7 铁力山“智慧指挥官”MT-1-C1 操作台 智慧矿山指挥中心集“智能显示+智慧互动+可视化显控+分布式控制”于一全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 6 30 体,通过智慧硬件与坐席系统的深度融合,全面整合、管理集控中心各子系统,实现了超高清画面传输、超低传输延时及无损压缩的功能,有效解决了人机一体化交互困难、多系统互动操作复杂的难题,铁力山云桌面操作系统如图 8 所示。图 8 铁力山云桌面操作系统 操作人员坐在独立的操作台就可以完成矿井采、掘、机、运、通、煤销、发运、安全监测等调度指
63、挥工作。该模式作为智慧矿山的大脑中枢,摒弃了原有煤矿管理经验的束缚,摆脱传统意义上的运行方式,将管理重心由劳动密集型向技术密集型转变。集“声、光、电、感、控”为一体的五维空间,实现数据采集、生产调度、决策指挥的信息化和科学化,完成所有信息的实时自动化采集、高速网络化传输、规范化集成、三维可视化仿真、自动化运行和智能化决策,使整个矿山具有自我分析和判断能力,“人、机、物、环、管”处在高度协调的统一体中运行,实现矿井生产管理过程的可视化、自动化、智能化直至少人化。在“人机一体、高度集成、全面智能、立体控制”的云端体验中轻轻松松完成体面生产工作,运行中的智慧矿山指挥中心如图 9 所示。全国煤矿智能化
64、建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 6 31 图 9 运行中的智慧矿山指挥中心 三、智能化建设成效 伊犁一矿智慧矿山指挥中心通过高度集成的安全生产综合管控平台进行数据采集,利用模块化数据机房归纳分析,借助高规格的集控中心下发决策指令,形成了一套规范性、借鉴性较强的智慧化矿井信息基础设施系统,实现了安全高效、减人提效、降低劳动强度、改善劳动环境的目标,让职工“体面劳动、尊严生活”,为相似矿井智慧化建设提供了借鉴。作为新疆地区首座千万吨井工矿井,伊犁一矿的智慧矿山建设在煤炭行业中的创新发展与实践,必将成为煤矿开采史上的一个划时代的里程碑,让广大干部职工享受智慧化带来的福利,颠覆行业、翻
65、新历史,造福煤矿,惠及边疆。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 7 32 案例 7 小纪汗煤矿一张图数字化管理平台 主要完成单位:陕西华电榆横煤电有限责任公司 一、主要建设内容 小纪汗煤矿数字煤矿一张图管理平台是将数字化、网络化、智能化能力深度融合,将人工智能 AI 技术、大数据云计算能力与专业领域应用相结合的矿山信息化综合管理平台。平台基于开放式的耦合服务模式,有效整合煤矿采、掘、机、运、通等专业系统,构建实时、透明的智能生产、安全保障、经营管理多业务功能平台。平台支持分区域、分个体、分场景化多种服务模式,采用可视化的标准、流程、字典、权限、场景等期初元素配置功能,
66、可随时通过零代码、解耦式功能配置适配多种业务需要。(一)“一张图”GIS 平台建设“一张图”通过矿井基础 CAD 图纸文件深度解析构建统一的 GIS 底图平台,实现信息图层化管理,包括:采掘一张图、人员安全一张图、机电运输一张图、通风系统一张图、防治水专业一张图、调度专业一张图等专题图,可将矿井生产相关的人员、环境、设备等生产运行信息在“一张图”上进行综合展示和应用,平台能够实现跨系统的报警联动、数据调用、根据人员所在位置与预设的避灾路线进行空间分析,动态计算自动生成最佳避灾路线、辅助应急指挥等功能,见图 1。(二)数据中台建设 以工业智脑为核心,集合智能输入、策略模型、运营模型、数据投影、感
67、知体系、事务中心六大功能,与 AI 技术、云计算大数据能力和垂直领域行业知识相结合,基于类脑神经元网络物理架构及模糊认知反演理论,实现从单点智能到多体智能的技术跨越,打造出具备多维感知、全局洞察、实时决策、持续进化的信息化平台系统,见图 2。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 7 33 图 1 一张图 GIS 平台 图 2 数据中台系统(三)场景化专业系统建设 平台建设整合接入矿井现有所有自动化类、监测监控类、通信广播类及信息管理类子系统,完成了小纪汗煤矿现有主要系统数据集成,包括安全监测、人员定位、通风系统、主煤流运输系统、工业视频、矿压监测、束管监测、智能化综采掘
68、进工作面设备等。平台基于各专业场景系统归属的信息数据进行源头聚合、耦合、分析,构建多形式展现、综合预报警的信息化应用,完成了采掘专业“一张图”、机电运输专业“一张图”、通风专业“一张图”、防治水专业“一张图”、调度专业“一张图”、安全专业“一张图”等场景化专业应用系统建设。平台建立了基于自定义表单的数据填报功能,开发业务导向的人为数据填报全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 7 34 入口,完善平台数据采集能力。同时实现小纪汗煤矿通风、地测防治水、调度、采掘、机电运输、安全管理、培训、洗选的专业档案信息化,建立并规范了技术档案管理体系,形成资料文档的全生命周期管理,见图
69、 3。图 3 场景化专业系统 二、技术特点及先进性(一)融合实现主业务系统一体 通过数据中台万物互联能力以及策略定制与调度能力,获取矿井现有监测监控、自动化、MIS、决策系统间数据,提供更直观的场景化应用,提供原生完整、流程化、闭环的管理系统,提供轻量级表单定制化工具,增强业务管理信息化应用能力。业务系统涵盖生产调度、安全、机电运输、防治水、通风、采掘六大场景决策“一张图”。数据对接矿井现有系统,提供基于数据属性的快速定制场景、角色、表现形式的工具,快速构建场景化智能应用“一张图”、仪表盘。(二)融合实现云雾智能一体 基于有向无环图(DAG)方式构建智能策略,可实现不同开发语言、架构建立的 A
70、I 算法进行组合及复用,配置基于时间或周期性、条件性、常驻性的调度执行。边缘策略建模后分发到指定设备执行。无论边缘端、云端,实现统一建模、调度、分发、监视。(三)融合实现万物互联一体 建设涵盖窄带通信、流媒体、工业协议等范畴的支持场景化定制开发的万物全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 7 35 互联互通平台,实现全在线终端配置、数据协同。跨越不同网络形式、通讯协议、报文格式、终端类型、数据量级差异,除原生支持的各项适配器,可通过策略扩展任意数据适配,实现融合通信。(四)融合实现大数据同源同构 基于图式数据库作为主业务、分析应用数据库,融合实现非结构、关系型、空间、列式
71、等类型数据库数据采集至图数据库,实现数据建模、采集、序列化、转换、计数据建模、采集、序列化、转换、计算能力一体化,实现业务、分析、过程数据同源同构。(五)融合实现多感官体验一体 基于纯 WEB 无插件化的 MVVM 实现单页面应用,实现 CAD 矿图、GIS、3D、流媒体、上位组态融合一体,多级调优,性能卓越。基于标准的 CAD 矿图图元矢量化分解转换至空间数据库,进而坐标转换脚本化协同,重绘渲染。流媒体实现 AI 算法融合拼接,组态进一步感官化、逻辑化,构建平台统一 UI 界面,将多专业数据信息融合至单页面应用,实现多维度信息增强展现、预警预报,见图 4。图 4 多维信息展现 三、智能化建设
72、成效 小纪汗煤矿数字煤矿一张图管理平台深度贴合煤矿日常生产业务,辅助完成全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 7 36 了生产说明书编制、生产预测预报、技术档案管理等日常技术工作,减少了工程技术人员的工作量,提高了工作效率,规范了业务及数据处理流程,避免了人工主观性技术差错。一张图管理平台深度整合了矿井现有各生产子系统和业务管理系统,实现了矿井智能化数据基于统一数据中台的融合分析和综合利用,为矿井日常生产管理带来诸多便利,明显提高矿井生产指挥效率,也有利于矿井逐步积累数据资产,优化生产组织,统筹资源配置等。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 8
73、 37 案例 8 高河煤矿生产经营一体化智能管控平台 主要完成单位:山西高河能源有限公司 一、主要建设内容 山西高河能源有限公司作为国家首批智能化示范煤矿之一,同时也是山西省10 座国家智能化示范矿井之一。积极贯彻落实国家八部委联合印发的关于加快煤矿智能化发展的指导意见,以潞安化工集团“1+3+N”智能煤矿建设理念为指引,按照“以机械化为基础、自动化为主导、信息化为支撑、智能化常态应用为方向”思路,推行“机管代人管、自动代主动、智慧代智能”革命,系统推进矿山智能化建设落地。(一)建设情况 高河能源一体化智能管控是以智慧矿山工业物联网操作系统(RED-MOS)为基础,以“位置服务”为基石、数据支
74、撑为核心着力打造的煤矿行业领先的一体化智能管控平台,依托“物联网整合、互联网传输、数字化集成、可视化保障、智能化操作”技术,建立了统一数据集成机制,实现了生产全过程一体化智能控制、经营全流程一体化协同管理,全面提升了矿井智能化水平;最终实现安全生产、风险预警、应急联动、智能决策、设备全生命周期管理、综合调度等智能应用与管控,见图 1。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 8 38 图 1 一体化智能管控平台(二)主要建设内容 1.构建基于统一数据标准、以 GIS 空间位置服务为主线的矿井各类数据综合应用,实现协同“制图”、规范“管图”、整体“看图”、决策“用图”的管理模
75、式,即“一张图”全息智能管控,见图 2、图 3。图 2 智能管控一张图 图 3 智能管控一张图数据展示 2.根据矿井煤层赋存条件以及灾害类型,组合配置出相对应的安全监控与评价体系,分析结果与双预控系统联动,并实现应急救援指挥、避灾路线的动态规划,最大程度降低灾害对矿井安全生产的影响,最终构建高河能源灾害综合决策全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 8 39 分析模型与体系,见图 4。图 4 灾害综合决策分析系统 3.基于 RED-MOS大数据分析服务,建立覆盖全矿各专业业务的多维度预警报警模型,基于“一张图”位置服务实现重大危险源预警报警融合智能联动,见图 5、图 6。
76、图 5 大数据驾驶舱 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 8 40 图 6 安全生产态势感知平台 4.基于 RED-MOS可视化 Web 组态服务,实现数据接入、组态画面自由定制和快捷更新,实现生产过程各类自动化子系统的集中管控,并可基于 Web 浏览器及手机移动端实现便捷应用,见图 7。图 7 综合自动化监测平台 5.利用手机 APP 实现安全隐患日常智能巡检,井上下巡检人员可进行点对点、点对多集群的视频语音通话,实现隐患、故障等远程排查及应急处理。6.基于 RED-MOS数字孪生技术和 AI 语音服务,建立高河能源三维全景智能调度管控,为调度人员提供集“人、机、料
77、、法、环”为一体的日常调度、人机交互数据查询及决策分析,并实现了智能 AI 语音调度功能,见图 8。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 8 41 图 8 智能综合调度平台 7.基于 RED-MOS的 3DGIS 服务与“数字采矿”理论,构建高河能源透明矿山模型,实现煤矿安全、生产、工程动态数据与地质模型的深度融合与动态预警,为煤矿安全生产提供“可视可查、可推演、可分析”的软件工具,见图 9。图 9 透明矿山系统 8.构建高河能源专属 VR 实训基地,实现井下关键作业场景漫游,最大程度还原采掘工作面工况并进行相关工艺、设备教学讲解和灾害应急逃生演练,有效提高职工的岗位操
78、作水平和事故应急处置水平。(三)工作经验 1.深入调研完成一体化智能管控规划设计 建设应以规划先行,通过行业对标和经验借鉴,选取先进适用技术,构建矿山“智慧大脑”的顶层设计。2.以轻量化、便捷式交互体验提高平台使用率 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 8 42 通过“一步即达”交互设计,形成轻量化视频流媒体服务、Web 组态化服务和 AI 语音调度机器人“小矿”等应用,其即时反馈、便捷的交互体验深受技术人员喜爱,平台使用率不断刷新。3.推动一体化智能管控建设成果共享应用和普及 采取开设短视频、专题广播、报纸专版、电视频道等多种形式,广泛开展一体化智能管控平台的功能特
79、性和应用情景等知识宣传和普及工作。制订详尽的系统培训计划,提升和发挥各部门参建共建的能力和积极性,充分汇集全矿智慧和力量,不断促进一体化智能管控建设完善和成果共享。二、技术特点及先进性(一)统一智慧矿山工业物联网操作系统 智慧矿山工业物联网操作系统(RED-MOS)作为智慧矿山建设的基础,其向下兼容各种矿用智能设备、传感器、子系统的数据接入与设备控制,向上为矿山智能应用子系统提供服务。实现多源异构感知数据的集成和融合,打通感知数据和基于感知数据的智能应用之间的屏障。(二)RED-2D/3DGIS 提供多业务在线协同管理与位置服务 基于 RED-MOS的 RED-2D/3DGIS 服务,采用“一
80、数同源、一源多用”的设计理念,为精准定位、地质保障、灾害防治、应急救援等多业务场景应用提供全方位的位置服务;为采、掘、机、运、通等业务在线协同管理提供二三维一体化数据同步更新服务、协同设计服务、组态化服务等基础服务,实现矿井安全生产“一张图”全息智能管控与可视化展示“所见即所得”。(三)智能网关赋能 OT 子系统,确保一体化的“可视、可管、可控”基于完整、适用的数据标准和智能管控体系。智能网关具有广泛的通信协议兼容性,能够屏蔽不同子系统厂家的接口差异;支持向第三方提供标准化数据接口,实现跨平台、跨应用的数据共享交换;同时,基于内置的联动控制规则库,可为用户自定义多系统联动控制规则提供可视化编辑
81、与低代码开发。(四)智能 AI 语音调度机器人“先进、易用、实用、可靠”国内首台智能 AI 语音调度机器人,使用户仅通过简单的“人机对话”,为全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 8 43 智能管控提供自动交互与快速反馈的应用,同一界面同步定位、信息调取与智能分析且自动呈现,真正实现了“脱离鼠标键盘、解放双手”的高度智能化应用。三、智能化建设成效(一)管理提升。平台使得高河能源传统的线下工作流程处理转变为信息化平台自动驱动流程执行,优化企业管理、减少流程冗余。通过打造高河能源煤矿“智慧大脑”,有效提升企业对于信息及资源的掌控能力、调度能力和决策指挥能力。(二)安全提质。
82、平台通过大数据分析量化安全风险并预警报警,建立专家决策知识库促进安全管理提升,透明化矿山系统让矿井安全生产全景可视可控,信息化手段和智能化交互提升矿井应急救援指挥能力,促进本质安全实现。(三)降本增效。平台建立统一的数据输入与输出标准,打破“信息壁垒”,避免重复建设。原离散的工控系统全部实现无人值守和统一调度集控,部分岗位被智能化管理手段替代。由于实现了数字孪生、流程优化、智能调度、集中控制,减少了设备空转时间,提高了运行效率,降低了能耗。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 9 44 案例 9 新元煤矿作业流程智能管控平台 主要完成单位:山西新元煤炭有限责任公司 一、
83、主要建设内容 2020 年 4 月,联合中国移动、华为建成了全国首座 5G 煤矿,2020 年底新元公司开始进行作业流程管控平台的技术研讨,并随后在综采设备检修、供电巡线、主通风机房巡检等场景进行了试验。2022 年开始正式进行作业流程管控平台的建设,完成了对其服务的本地化部署,并在三大场景进行设计配置,目前已经开始上线运行。(一)5G 网络建设及技术应用 1.煤矿 5G 网络技术创新突破 一是部署全国首个井上、下 5G 网络,解决井下环境复杂、无 GPS 信号问题。二是全国首家完成井下基站防爆煤安双认证。三是完成公网专用+边缘计算部署,实现了主数据处理不出矿,确保了数据安全,降低了数据传输时
84、延。四是1:3 超千兆上行网络部署,满足工业大上传网络需求。五是“UPF+”方案部署,保证网断业务不断。六是完成了 SPN 切片分组网络,实现控制、视频等不同业务数据隔离传输。七是煤炭行业首个完成 MEP 应用部署,实现 MEC 边缘计算平台应用。2.煤矿井下 5G 技术典型应用 新元公司目前正在开展 5G 应用接入的基础探索研究,包括煤矿固定岗位无人值守、综采工作面、掘进工作面、井下物联网、视频 AI 识别的 5G 应用探索测试。(1)5G+智能化综采工作面:探索基于 5G 技术的综采工作面高清视频大容量同步传输和生产监控数据低时延远程交互技术研究。(2)5G+智能化掘进工作面:试验基于 5
85、G 网络的掘进机远程监控、自主导航行走,自动定位截割等功能。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 9 45(3)NB 物联网井下应用:通过 5G 网络实现监测数据采集和上传,可解决有线传感数据组网复杂、供电困难、数据传输易丢失、人为抄表数据失真等问题。(4)5G+巡检机器人应用:探索基于 5G 技术的机器人巡检技术,为解决井下设备无人巡检提供技术积累。(5)视频 AI 智能识别:实现井下透明可视化,利用视频识别系统辅助决策,对现场安全监管意义重大。(二)作业流程管控平台建设 在新元公司 5G 网络覆盖和虚拟化数据中心的基础上,建设了“智能作业管理平台”,重塑公司井下流程
86、化作业传统管理模式,彻底改变目前验收、检修质量不高等现状。基于 5G、AI、云计算技术,助力新元公司推进数字化进程。1.巡检作业 大量岗位都需要进行例行巡检,巡检过程中,巡检结果采用线下纸面管理,巡检过程并没有详细记录,存在一些管理监督上的问题,此场景应用将传统的纸面巡检方式,转移到线上。系统通过覆盖的 5G 通讯网络定时下发检修任务,巡检工接收到任务信息开始执行巡检任务,完成后上报,系统自动生成报告并存储至数据中心。使用系统后巡检任务由系统定时下发,预先设定后无需人工干预。巡检过程中可以保存视频、图片等,并且方便查询历史记录。巡检时间由系统自动生成,巡检工不能随意填写。可以一键生成报表,报表
87、样式排版可以自定义,报表字体工整、格式统一。2.问题隐患排查 在问题隐患排查过程中,传统的记录方式是将发现的问题用纸件记录,通过面对面的方式或者在例会上将问题进行传递,系统上线后,将传统的纸面管理问题的方式,转移到线上处理。问题排查人员井下发现问题后在系统上创建问题单,关联到整改责任人,责任人通过 5G 通讯网络接收到消息后处理问题,并在系统上进行进展反馈,直至问题处理完成后申请关闭,问题排查人员系统上确认问题处理情况,完成闭环。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 9 46 问题记录可以采用文字、图片、视频等多种方式,描述清晰。问题提交后,对方可以在系统上查看,也可以
88、随时随地在手机端查看。问题由系统进行跟踪,未及时处理的问题,系统会通知提醒,不会出现问题遗失的情况。系统可以自动对问题进行分类分析,找到故障率高的类别,还可以查看问题处理的全貌,方便问题管理。3.工程验收 井下工程需要验收时,需要牵头部门协调相关队组负责人到现场进行验收,验收过程中采用纸质记录,然后将存在的问题纸件传递,验收结果纸件归档,此场景应用将传统的作业验收转移到线上。工程验收组织人员在系统创建验收任务,并填写验收基本内容,现场验收人员进行验收信息采集,并通过 5G 通讯网络进行信息上传,所有参与验收的责任人确定验收结论,系统自动生成报告后归档。验收过程中通过防爆手机直接录入到系统。所有
89、的验收记录都保存在系统中,存在数据库中,不存在丢失的风险。事后无论多久,可以一键查询,方便快捷。可保存验收过程中的视频、图片、语音等多种形式的信息,多方位记录作业现场的情况。二、技术特点及先进性 新元公司从 2012 年开始进行全矿井智能化的探索实践,开展了基于 5G 技术的智能化研究与应用。新元公司在综合智能化监测监控方面取得了一些成果经验,但是在现场作业管理方面仍存在技术短板,尤其在巡检、隐患排查、工程验收、临时作业等过程,大多仍采用传统的纸面、线下方式,数字化、信息化水平低,甚至在一些环节仍存在大量的监管空白。煤矿传统行业数字化基础差、水平低,为了提升公司信息化水平,2020 年新元公司
90、与华为公司深入创新合作,建成了全国首座 5G 煤矿,开创并引领了中国矿业领域 5G 技术应用潮流,同时将作业流程管控平台引入到煤矿的巡检、问题管理、工程验收等现场作业环节。三、智能化建设成效 1.将原先线下的作业逐步迁移至线上,系统可以实时反馈作业进度,管理人全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 9 47 员可以及时掌握现场作业情况,原先基本靠现场岗位人员的汇报。2.有效保证现场作业的真实性、客观性,系统设计需要现场作业人员进行图片、视频等佐证信息的录入,并在作业过程中自动添加防伪水印,无法进行人为造假。3.便于现场作业的管理,可以通过设备、时间、人员等多个维度进行自动
91、统计分析,实时评判各项作业的安全质量水平,并配套指挥运营大屏系统,方便管理人员进行决策。4.现场作业实现规则在线化,作业人员使用防爆手机等终端作业时,系统关联各作业岗位的操作标准和技术指导,助力岗位的标准化。5.大幅提升协同作业效率,部门之间协作消息自动推送,执行过程在线流转,减少原先批票、沟通、开会等的频次,降低沟通成本。6.形成数据资产,系统提供多种查询功能,方便进行历史追溯,还对重要事件进行跟踪和超时提示,解决原先线下业务纸面资料造成遗失、时间久造成遗忘、资料多造成查找困难等等难题。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 10 48 案例 10 张家峁煤矿智能化综合
92、生态巨系统 主要完成单位:陕煤集团神木张家峁矿业有限公司 一、主要建设内容 神木张家峁煤矿作为投产多年、年产千万吨煤矿,亟需智能化改造提升企业竞争力,而改造面临子系统众多、架构不一致、协议不统一、数据不集中、生产工艺装备无法满足智能化建设和运营需求等问题。为解决这些问题,本项目以“全矿井信息全面感知、数据融合及分析”和“关键装备智能化改造”两类问题为出发点,以智能化煤矿巨系统顶层规划设计方案为核心,以全矿井跨域融合智能综合管控平台为手段,以开采、掘进、安全保障等系统智能化改造为基础,形成以“1+3+8”为基本架构、覆盖生产生活办公各个环节的智慧便捷高效的全矿井智能化综合生态巨系统。(一)智能化
93、煤矿复杂巨系统顶层规划设计 国内首次面向全矿井提出了智能化煤矿复杂巨系统“矿山即平台”顶层规划设计理念。搭建了全矿井跨域融合智能综合管控平台,构建了全矿井地面井下空间信息虚拟化服务体系和采掘全时空孪生再现技术,实现了全矿井 92 个在用系统的数据服务集成和运营决策优化。(二)智能化少人生产系统管理 研发出支架压力、位姿及视频等智能监测传感器,提出了工作面“感知-决策-执行”一体化生产系统,实现了综采装备协同控制、故障诊断、智能预警干预,工作面内无人操作,设备开机率提升 20%,整体生产效率提高 30%。(三)智能化巷道快速掘进系统 研发了“掘锚一体机-锚破运一体机-过渡运输”的智能化快速掘进系
94、统。实现了掘进工作面装备成套化、监测数字化和控制自动化,提高了掘进装备掘进效率,最高日进尺 120m,月进尺达到 2702m。(四)开发了全矿井网络化智能防灭火监测预警系统 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 10 49 提出了矿井通风系统装备的智能化策略,搭建了集巡检机器人多点移动式测风、风量远程定量智能化调节、风门联动灾变应急响应等功能的智能通风综合管控系统,实现了 120s 内智能辅助决策控风方案,主要井巷控风精度95%;构建了防尘、防瓦斯、防灭火智能化架构。(五)创新和规范了智能化煤矿管理体系 首次实现矿区级全域多源数据深度融合,构建需求动态预测、生产精准组织
95、、自适应控制、信息实时反馈、全员核算与智能分析为一体的智能系统,构建了业务横向协同、流程纵向贯通的智能化运行管控模式。二、技术特点及先进性(一)数字煤矿智慧逻辑模型研究 1.分析解构了煤矿复杂巨系统结构,提出了基于系统数据流向和功能逻辑的系统架构拓扑图,为构建具有多特征、层次化的数字煤矿智慧逻辑模型奠定基础,智慧煤矿各系统及其功能关联关系如图 1 所示。图 1 智慧煤矿各系统及其功能关联关系 2.构建了基于 BIM+GIS 融合的全矿井地面井下空间信息虚拟化服务体系和全时空孪生再现技术。采用二维、三维数据共享技术,实现三维地质模型的动态快速精准更新;采用激光点云连续化全景扫描,实现对开采空间、
96、设备快速建模与动态更新。3.建成全矿井跨域融合智能综合管控平台。综合管控平台由智能化感知控制系统(操作层)、大数据支撑系统(管理层)、智慧矿山应用系统(决策层)构成,彻底打通信息孤岛,实现了全矿井 92 个在用系统的集成和优化,为全矿管理提供数据服务,运营决策依据,跨域融合智能综合管控平台总体架构如图 2 所示。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 10 50 图 2 跨域融合智能综合管控平台总体架构图(二)智能化生产工艺和装备研发 1.研发了液压支架三轴倾角位姿监测传感器、液压支架推移行程高精度监测传感器和 AI 摄像头,构建了综采面压力、位姿、行程及视频等多传感器综
97、合感知体系,实现了对综采设备群空间位姿关系、自身状态的全面感知,综采装备全位姿测量方案如图 3 所示。图 3 综采装备全位姿测量方案 2.搭建了综采工作面数据采集-监控中心-数据中心的三层平台软件体系,研发了基于区域协同与数据共享的综采智能化控制系统,构建了综采设备群智能化分析决策技术体系,实现了综采装备协同控制、故障诊断、智能预警干预。3.探究了巷道掘进“激光-传感器”融合高精度导航机理,充分发挥激光制全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 10 51 导误差稳定,双轴倾角仪实时在线监测的特点,形成一种全新掘进装备导航系统集成体,实现了最大 500 m 以上超长距离导航
98、。4.首次开发了基于 GIS 的智能掘进工作面三维数字化远程操控平台。建立多机精准定位体系及协同控制算法,实现掘锚一体机等自动运行;开发掘进作业装备的数字化孪生驱动模型和三维可视化远程集控平台,实现掘进工作面“全息”实时感知与场景再现,智能化掘进系统远程操控平台如图 4 所示。图 4 智能化掘进系统远程操控平台(三)安全保障和智能化管理系统建设 1.研发了集巡检机器人多点移动式测风、风量远程定量智能化调节、风门联动灾变应急响应、全矿井反风智能化调节等功能的智能通风综合管控系统,实现了矿井“一键测风、一键调风、一键反风”等八大功能,提升了矿井安全等级,风量远程定量智能化调节系统如图 5 所示。2
99、.构建了防尘、防瓦斯、防灭火智能化架构,提出了适用于张家峁煤矿 5-2煤层煤自燃分级预警体系,建立了分级预警模型,开发了全矿井网络化智能防灭火监测预警系统。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 10 52 图 5 风量远程定量智能化调节系统 3.创新和规范了智能化煤矿岗位设置、关联关系和行为规范,构建了安全管理智能双重预防机制,率先在行业内落地 AI+煤矿人员作业行为智能辨识安全管理系统,形成矿区智能化网络管理、高效协同运行新生态,全矿井智能化管理总体架构如图 6 所示。图 6 全矿井智能化管理总体架构 4.矿区采用乏风余热利用、光伏发电、热泵供热、发电地砖、智能逆变器
100、、智慧灌溉、智慧灯杆等绿色能源供给,以及先进的储能技术,通过通讯闭环控制,实现矿区能源的互补。三、智能化建设成效 建设的智能化综合管控平台具备了信息实时反馈、生产精准组织、装备自适应控制、安全智能分析、趋势动态预测功能。综采生产链系统每班生产人员由 69全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 10 53 人减至 26 人,减员 43 人;首次开发了智能化掘进工作面三维数字化远程操控平台,实现了掘进作业流程自动化、监测数字化和掘进少人化,月进尺可达到 2702m。构建了防尘、防瓦斯、防灭火智能协同安全保障系统,全方位提升了矿井智能化水平。全国煤矿智能化建设典型案例(2023
101、 年)信息基础设施 案例 11 54 案例 11 小纪汗煤矿智能地质保障系统 主要完成单位:陕西华电榆横煤电有限责任公司 一、主要建设内容 小纪汗煤矿地质保障系统依托物联网、大数据、人工智能等技术将矿井地质及各系统数据深度融合,建设了具有地质数据数字化管理,三维地质模型自动构建、展示、推演分析的透明矿山业务管理系统。(一)空间地测数据库 建立地质数据库、水文数据库、钻探数据库、物探数据库、测量数据库、储量数据库、文件存储服务模块、地质数据传输模块。1.统一地质保障数据标准 按照煤矿相关规程、规范,将煤矿地质、水文地质、测量、储量、物探等方面以图纸、台账、文本、报告等形式表达的成果数据(包括地质
102、、水文钻孔数据、地层、煤层、地质构造数据、煤质数据、储量数据、工程地质数据、水害隐蔽致灾因素调查成果、水文监测数据、抽水试验成果、物探成果资料、水质化验资料、涌水量观测资料等)标准化处理,基于统一架构、统一标准、统一认证和统一运维管理理念,建设智能化煤矿地质保障数据和应用标准,实现数据采集、数据编码、数据存储、数据交换和传输的规范统一,见图 1。图 1 空间地测数据库 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 11 55 2.数据库管理模块 运用大数据技术,数据库管理模块,实现地质数据可视化和检索、查询、编辑维护、统计、输出等功能。B/S 端、C/S 端、可视化数据管理界面
103、,包含表、文件、图件等数据的实时查看、数据的实时管理等;设计权限系统,规范数据的访问规则;设计地质报表及分析系统,实时展示重要地质数据,见图 2。图 2 数据库管理(二)多源地质数据融合 1.空间地测数据库融合包括地面、井下、采煤工作面的全空间、多方位、立体式综合勘探理论及技术手段及高精度智能化钻、物探监测设备成果;不同探测、监测设备需具备数据转换服务,提供 IoT、OPC、WEB API 等接口,实现数据采集标准化及各系统的无损对接、有效共享,建立工作面围岩及致灾因素的透明感知技术体系。2.空间地测数据库提供矿方原有地测及各系统数字化数据(各类图形文件、数据库)转化对接功能,降低现有地测管理
104、系统向云平台转化时所需的人力、物力成本。3.空间地测数据库提供地质编录数据管理系统及地质编录服务,采用智能化地质数据采集工具,实现地测数据的自动回传、入库。4.空间地测数据库提供专业化 OCR 数据采集功能,采用自动化图纸、台账识别工具便捷地将煤矿各类纸质图纸、台账资料提取并数字化,转化为标准的数全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 11 56 据结构后编录入库。(三)空间信息可视化展示 1.数据驱动成图 以空间地测数据库中数据为依托,自动提取所需地质、水文地质、测量等要素,可根据具体分析需要自动生成各类平面图、剖面图以及各类专题图件,自动生成标准的矿井地质和水文综合图
105、,如钻孔柱状图、采掘工程平面图、地质剖面图、井田构造纲要图及其他图件,当云平台中对地质要素数据进行更新后,综合图可做到相应地同步更新,实现矿图的全数据驱动,见图 3。图 3 综合柱状图 2.空间数据可视化管理 空间地测系统支持 C/S、B/S 架构可视化数据展示界面,依据设置的数据获取权限,可实时访问、查看文本、表格、图件等各种形式的地质保障数据及其关联分析和预测分析结果。同时,具有图形管理操作功能。(四)地质模型动态更新 充分利用煤矿生产各个阶段的多源异构地质数据,通过这些数据提取出可利用于煤炭智能开采的地质信息,进而实现工作面地质透明化。基于多源数据融合技术和三维可视化建模技术,将井下各类
106、物探、钻探数据进行集成、融合和分析,实现模型的动态更新和实时可视化表达。在此基础上,构建数字孪生模型,将真实开采工况映射至虚拟空间,对物理实体的几何、构造特征进行仿真描述,基于一个多维多属性矢量空间框架与平台,真实展现出物理模型的几何形态和属性状态,指导智能开采,实现三维动态地质模型与煤矿生产决策系统实时互馈和动态全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 11 57 优化,见图 4。图 4 地质模型动态更新(五)水文监测系统 针对采掘存在的水害相关因素,在矿井现有水文观测系统建立多参数实时水文动态监测系统,通过地面及井下水文因素传感器实时在线监测地面及井下水体重要水文参数,
107、并以图表、曲线等模式将水文监测数据以数字化、图像化形式动态显示与输出分析,对超限指标及时预警异常水情状况,实现与排水系统应急联动控制。(六)水害智能仿真 系统实现水灾避灾路线规划,根据人员定位展示,与矿井监测系统同步。通过实时获取矿井人员定位信息,定位井下真实人员数量点击可查看人员信息,附近环境相关信息,实现系统联动,保障人员安全;系统接入井下水文监测系统,实时监测水文条件,监测水文观测孔的水压,变化情况,支持设定阈值出发报警;井下发生紧急涌水或透水事故时,依据水害智能决策系统和大数据分析技术,平台及时启动应急响应机制,自动分析排水设备设施运行状况、事故区域划分、大功率应急排水设施设备启停,为
108、智能排水系统提供预警信息,实现实时联动,实时三维映射全矿井供排水管网的实际运行工况并具备历史回溯功能。二、技术特点及先进性 地质保障系统结合煤矿日常地测业务,采用数据“分子化”结构搭建了煤矿全要素地测数据管理及分析平台,实现了矿井地测数据标准化存储、跨系统融合全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 11 58 以及二、三维展示;以数据驱动自动化生成常用矿图,取代了传统繁复的手工制图;基于 GIS 平台针对矿井地质条件构建分析模型,推演地质规律,开展预测预报;构建了高精度、实时更新的三维地质模型,提供三维场景模式下的地质要素展示、查询、分析及预警功能,做到了对矿井生产安全的
109、保驾护航。构建了地测数据融合平台、数据驱动成图系统、地测业务协同系统、GIS 分析平台、透明开采三维地质辅助决策系统 5 个子系统。地测数据融合平台将矿井所有地测相关数据全覆盖建模,将分子化的数据带属性的规范存储于地测空间数据库中,并将这些数据共享给采掘机运通等各生产、安全系统提取使用,有效解决了地测数据实时共享问题,确保了全矿采用的地测数据质量可靠、同一来源,同步更新。数据驱动成图系统以地测数据融合平台为依托,提取地质、水文地质、测量等要素数据,驱动绘图引擎自动生成各类矿图,包括采掘工程平面图等常用矿图和按需定制矿图。解决了人工绘制矿图耗时、易错、数据不统一、图例不规范的问题。采用地质条件约
110、束下的隐式空间插值算法,考虑了插值特征值空间分布上的局部各向异性。基于面体混合建模技术,构建了“透明地质”结构和属性模型;并应用预测地质体与真实地质体交互反馈的数字孪生技术,实现了生产过程中地质基础数据与“透明地质”模型的动态互馈,提高了三维地质建模精度。三、智能化建设成效 智能地质保障系统实现了地质数据数字化管理和深度融合,实现空间信息可视化展示和动态更新,实现地测业务协同及仿真预警,为矿井地测业务管理带来极大便利,提高了工作效率,规范了业务及数据处理流程,避免了人工主观性技术差错。GIS 分析平台实现了矿井地质要素的关联分析、地质规律的推演预报,并通过以等值线、玫瑰图等方式来展示煤层赋存、
111、构造展布、水文特征等分析成果。借助数据融合平台及大数据分析方法提高了地质分析预警的能力。透明开采三维地质辅助决策模块构建了矿井、工作面动态更新的高精度三维全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 11 59 地质模型,直观展示地层、煤层、地质构造的空间形态以及它们之间的相互关系,解决了当前工作面采掘前方地质数据精度不满足智能化采煤要求这一问题。利用三维地质自动建模、GIS、UE5 等先进技术,建立小纪汗煤矿基于数据驱动的智能综采、掘进工作面数字孪生管控系统,实现了小纪汗煤矿采、掘工作面透明化、智能化及各子系统之间的智能融合联动。企业的控制层和经营决策层通过调度中心可随时掌握
112、综采工作面的生产经营状况,基于数据驱动的智能综采、掘进工作面数字孪生管控系统的建立,为小纪汗煤矿管理者提供了更精准的决策分析,有效提高小纪汗煤矿经营管理水平和效益。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 12 60 案例 12 杨柳煤矿地质三维建模与可视化系统 主要完成单位:淮北矿业股份有限公司 一、主要建设内容 地质保障是矿山采掘生产技术管理的基础,为此杨柳煤矿将地质数据与工程数据深度融合,建成三维智能建模与可视化系统,实现矿井地质基础信息、关联信息、预测信息三维可视化,为矿井生产技术管理提供三维可视化数据分析平台,推进智能采掘生产技术升级。(一)空间交互,优化采掘生产
113、设计,提升本质安全 采掘巷道设计与地质构造密切相关,最大限度地优化生产设计是巷道快速安全掘进、工作面安全高效回采的关键。杨柳煤矿通过三维地质模型进行空间交互式采矿设计,根据设计意图,自动计算设计巷道与地层间法距,优化掘进路线及巷道间空间关系;通过配准功能将工作面煤巷设计与煤层三维模型高度拟合,实现工作面设计三维立体化,自动计算工作面设计巷道的预计施工坡度,并进行智能动态调整,提前模拟、规划工作面煤巷掘进遇地质构造施工方案,优化设计成果,从设计源头不断提升矿井采掘生产安全性。(二)智能分析,强化采掘技术管理,助力精准决策 杨柳煤矿三维智能建模与可视化系统,能够可视化呈现煤岩体空间赋存状况、地质构
114、造产状、煤层与巷道开拓之间的空间位置关系、主要生产系统设备管线布置等关键信息,同时系统具备强大的数据推演和并行计算能力能,可基于三维模型智能空间融合统计分析,在矿井采掘技术管理中发挥重要作用。1.三维模型智能动态透明剖切 三维地质模型可在任意方向、任意角度进行透明剖切,按需要移动剖切线位置,动态切割地质体,滚动平、剖面对照显示剖切位置地质模型前向形态和剖面视图,技术管理人员可随时查看矿井任意位置地质剖面视图,及前方地层分布及地质构造产状,动态模拟采掘施工及揭露地质构造过程。为采掘施工方案编制、全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 12 61 技术措施制定等提供三维空间地
115、质数据分析平台,如图 1 所示。图 1 杨柳煤矿可采煤层三维智能动态透明剖切 2.智能生产计划编制+4D 动态模拟分析 三维采矿设计成果与地质模型相结合,技术管理人员可根据矿井生产计划安排,编制详细的生产接续计划,自动生成生产接续计划甘特图,并根据生产计划调整智能更新。采掘计划可以直接以动画的形式,按设定流动时间进行三维空间采掘过程的动态模拟,可以直观地查看采掘巷道施工时间内的动态空间关系,检验生产计划编制的合理性和施工的安全性,如图 2 所示。图 2 智能生产计划编制 3.煤层赋值工作面信息透明分析 通过块体模型将瓦斯参数、水文地质、煤质等地质关联信息赋值到煤层中。可查看煤层任意位置的地质基
116、础信息、关联信息和预测信息,实现煤体属性信息透明化,为工作面智能采煤提数据支撑,如图 3 所示。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 12 62 图 3 杨柳煤矿 1077 工作面煤层 HARP 块体模型赋值(三)系统融合,指导采掘智能施工,深化减员提效 三维地质模型如何应用于智能采掘系统指导施工,是矿山智能化建设中一直研究的主题,杨柳煤矿采用了如下做法。1.创建 1077 工作面精细模面型指导智能采煤 在杨柳煤矿 10 煤层三维模型中切块 1077 工作面开采范围,进行高精度再创建,集成工作面巷道、钻孔、各系统设备管线等三维模型,模型数据精确且体量较小,采煤系统接入方
117、便,动态更新灵活、快速;能随时查看回采前方煤层产状、断层、钻孔等相关信息;可在模型任意位置动态透明剖切,动态查看地质剖面,模拟工作面回采前方煤层起伏及过地质构造情况,指导智能采煤施工。2.创建 1076 工作面切块模型指导煤巷智能掘进施工 为指导 1076 工作面两巷智能化掘进施工,制作 1076 工作面切块模型,可随时查看掘进进度和施工前方巷道空间关系,煤层厚度、坡度及地质构造情况,为智能综掘机提供施工参数,指导智能掘进施工。3.创建 109 采区胶带大巷迈步切块模型指导盾构机施工 109 采区胶带大巷盾构线掘进距离超长,全线创建三维地质切块模型,体量较大且动态更新慢,系统接入模型入后操作不
118、便捷,鉴于此,按 400m 每组迈步创建巷道对应的切块三维地质模型,集成该段巷道内的所有地质数据体及设备管线模型,可随时查看掘进进度和施工前方巷道空间关系,地质构造及巷道距煤层和灰岩的法距,指导盾构智能掘进施工。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)信息基础设施 案例 12 63 二、技术特点及先进性 杨柳煤矿三维智能建模与可视化系统基于矿井真三维基础信息数据库创建,实现了地质体三维模型智能动态透明剖切,并同步接入瓦斯监测、水文监测、人员定位、视频监控数据信息,创建井下各系统设备管线模型,将矿井地质基础信息、关联信息、预测信息可视化呈现,能有效提高矿井采掘生产技术管理能力;在与智能采掘系统
119、融合中采用局部模型切块导入的方式,在保证地质模型精度和兼容性的同时,控制了模型导入的体量和模型日常更新工作量,模型接入后操作灵活、更新迅速,能有效指导智能采掘施工。杨柳煤矿三维模型在采掘生产技术中的应用,适用于井工及露天煤矿智能化矿井建设,能显著的提高矿井采掘生产技术管理能力。三、智能化建设成效(一)安全效益 地质保障是煤矿采掘安全生产的眼睛,杨柳三维智能建模与可视化系统将矿井基础数据全面三维化,井下地质全貌进行三维可视化透明呈现,系统建成以来运行流畅,模型精度充分满足安全生产需要。为矿井灾害治理、采掘施工方案等决策提供空间分析平台和地质保障数据支撑,安全效益进一步提升。(二)经济效益 依托三
120、维智能建模与可视化系统,通过三维地质模型优化采掘生产设计,提高设计精度,从设计源头控制生产成本;基于三维地质模型超前模拟采掘工作面前方过地质构造情况,合理超前规划采掘工作面过构造施工方案,可极大减少采掘生产中的人、机、环、管各方面投入,同时加快采掘施工进度,取得了良好的经济效益。(三)社会效益 通过三维智能建模在智能采掘系统中的应用,大幅提高可矿井采掘系统生产技术管理能力,助力智能煤矿高效、安全建设,进一步迈向本质安全。符合智能煤矿的宗旨,在大环境中为淮北矿业集团智慧化矿山建设提供有力支撑,对矿山智能化建设、安全生产具有重大意义。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 64 第二章
121、 智能掘进 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 13 65 案例 13 黄白茨煤矿薄煤层智能采掘工作面 主要完成单位:国家能源集团乌海能源有限责任公司 一、主要建设内容(一)概况背景 国能乌海能源黄白茨煤矿地处内蒙古自治区乌海市乌达区,是国家能源集团乌海能源公司所属的重点矿井之一。该矿智能化控制系统应用于 021301 工作面,位于 1312 上山采区南翼区域。021301 工作面倾斜长度为 235m,走向长度为1266m,煤层自然厚度 0.712.20m,平均 1.49m;可采厚度 0.701.95m,平均1.42m,大部分为中厚层煤,部分为薄层煤。倾角为 3-14。0
122、21301 工作面采高低、空间小,采煤工人劳动强度大,作业环境差。0213 上 201 综采工作面采用走向长壁、综合自动化、一次采全高、全部垮落采煤法。(二)典型做法及经验 1.超前谋划,统筹下好“先手棋”。对于 021301 智能化工作面安装,该矿党委高度重视,积极部署,统筹安排,成立了安装领导小组,多次召开专题协调会议,研究制定科学周密的安装工作方案,协调处理运输、安装工程中存在的问题,同时加大干部带班、跟班力度,对安装工作线路进行巡查,对存在的隐患、困难、安装进度、质量等方面提前进行统筹计划与安排,做到有安排、有计划、有部署。为使业务人员尽快掌握智能化设备的相关知识,前期开展安装人员技术
123、培训,组织学习新薄煤层工作面的先进技术及设备安装布置方案,掌握智能化综采设备的性能及工作原理。作业人员每天带着技术资料深入现场进行安装,从不懂到熟知,一步一个脚印,有序地开展智能化工作面建设工作。2.因地制宜,规范操作保安全。在安装期间,该矿将精细化管理落实到每个环节,根据现场实际情况,利用“清单式”管理方法,将安装所需的设备、配件、工器具及材料等列出安装清单,对照清单按照时间节点逐一进行解体、装车、运输,确保工作面安装准备工作有序开展。同时狠抓现场管理,组织职能业务科室全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 13 66 管理人员进行现场跟班,指导并监管现场安全;设专人开展“
124、敲帮问顶”、巡查轨道、维护保养绞车等工作,严格落实各项规程措施,严把进度关和质量关。二、技术特点及先进性(一)边掘边锚快速掘进成套技术及装备 1.锚护系统快速移动技术,提出了支架分步式跟机方法,设计了自移式联排支架,建立了联排支架与锚杆协同支护体系,使临时支护与锚杆支护的配合更紧密,保障掘进工作面支护工作的安全性与灵活性。自移联排支架如图 1。图 1 自移联排支架实景图 2.设计了窄型液压锚杆台车进行机械化锚杆作业,提高锚护作业的安全性、高效性。通过对自移联排支架、掘进机、除尘装置、锚护机械的性能、外形尺寸进行分析、改进,在狭窄的掘进工作面合理布置,结合理论分析,借鉴已有的生产工艺、地质条件,
125、形成边掘边锚快速掘进成套技术及装备。并对工作设备自动控制进行应用设计。3.构建了掘进机自适应快速截割系统,得到了截割参数与位姿对负载的影响规律,明确了掘进机截割头与摇臂的协同调速、调位机制。4.运输系统快速移动技术,研究了皮带自贮技术,提出了转载机、控尘系统在皮带机上的“机拖式”布局,形成了伸缩式皮带输送系统,实现后配套设备的快速移动,保证掘进系统的快速性,运输系统的连续性。5.控尘系统快速移动技术,研究了压风风筒自贮、自移装置,在高瓦斯等复杂地质条件下的高效控尘,保证供风、控尘系统的安全性、连续性及高效降尘。(二)沿空留巷无煤柱开采技术 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案
126、例 13 67 通过地面搅拌站搅拌干混料,井下加水制备混凝土拌合料,通过混凝土制备输送机组注入柔性模板内,形成连续、密闭的混凝土连续墙,在沿空留巷挡矸支架和巷道支护作用下,使留巷巷道保持稳定。同时将沿空留巷挡矸支架全部配备SAC 电液控系统,融合到智能化薄煤层综采工作面中,现已在 021301 首采工作面应用成功,多回收煤炭资源 4.6 万吨,减少回采巷道 1270m。沿空留巷施工流程如图 2。图 2 沿空留巷施工流程(三)基于 Wi-Fi6 通讯综采工作面液压支架前探梁状态视频识别系统 采用基于 WI-FI6 通讯的视频识别系统,有效识别采煤机滚筒与支架顶梁位置关系,当滚筒接近顶梁时,及时闭
127、锁采煤机,实现了工作面设备防碰撞功能,避免了采煤机滚筒误伤支架或损坏采煤机滚筒扭矩轴的事故发生。(四)综采工作面上窜下滑在线测试及智能控制 利用激光测距、激光雷达等扫描、测量巷道三维立体信息,使用 MCU 配套处理器对激光雷达传感器的数字量反馈信号进行采集,并利用 MCU 编程,对存储的激光点云数据进行滤波、去噪、无缝拼接,拟合巷道凹凸曲面平整度模型,在初始位置测量激光雷达与两侧壁的距离,记录为 A,B。在采煤机推进过程中确定激光雷达传感器的实时位置,记录其与侧壁的实时距离为 a,b。与初始值比较得到上窜下滑的偏移量,同时记录两侧壁间的距离,用以排除两侧凹陷凸起的全国煤矿智能化建设典型案例(2
128、023 年)智能掘进 案例 13 68 影响。最终形成综采工作面上窜下滑偏移在线测试系统,实现巷道三维信息实时可视化。设备产生上窜下滑偏移时,采用底调液压系统驱动液压支架调整偏移,在其调整综采工作面设备偏移的过程中,将调整结果发送给 MCU,经处理后得到可视化信息,从而保证对于上窜下滑偏移量的调整精度;控制系统通过检测底调液压缸的调整结果,并将其反馈给 MCU,形成可视化信息,并使上窜下滑偏移量归 0。MCU 与激光雷达连接,矿用防爆显示器用来实现信息实时可视化,对整个系统进行控制监测。系统利用预留的 RS485 接口或者网络接口,经串口通讯协议或 TCP/IP 协议,向智能化采煤工作面总控制
129、系统反馈,由总控制系统完成对综采工作面液压支架的控制调节,从而实现综采工作面上窜下滑智能控制。三、智能化建设成效 根据快速掘进系统应用地点(13 上 2 煤)的地质特征,确定了快掘系统总体布局,所得应用效果表明,基于悬臂式掘进机的边掘边锚即掘锚平行作业的快速掘进技术,实现煤矿巷道掘进与锚杆支护平行作业即前掘后锚工艺,实现供风风筒的随动接续,保证出风口距工作面距离一直不变,到工作面的风量始终不变;同时实现掘、支、锚、运全机械化作业及高效除尘,保证小空顶距,不仅投入成本低,适应范围广,确保即割即护,满足安全要求。原综掘机掘进安排班次与快速掘进相同,每班平均 3.5m,一天 7m,使用快速掘进系统后
130、每班平均 6m,一天 12m,功效提升 70%。边掘边锚快速掘进成套装备如图 3。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 13 69 图 3 边掘边锚快速掘进成套装备 黄白茨煤矿薄煤层智能化工作面具备采煤机记忆截割、支架自动跟机、人员定位闭锁、远程集控和一键启停等功能。人员定位闭锁保护功能的实现有效保证了工作面工人的人身安全,避免了支架挤人、伤人等安全事故的发生。采煤机记忆截割功能在地质条件变化不大的情况下使用良好。割煤过程中,在煤层变化大及采煤机过煤空间小、过煤通道堵塞、自动跟机功能在顶板破碎严重的情况下需要人工进行干预。薄煤层智能化工作面的人工干预率不到 10%。薄煤层智
131、能化工作面每个生产班可从 15 人减少至 5 人,同时生产效率提高了 40%,经济效益突出。薄煤层工作面智能化开采技术可以提高开采效率、资源利用率,并且增加了薄煤层开采的可行性。薄煤层智能化设备的选型使用,使得工人劳动强度大幅降低,工作面安全生产效率显著提高,为煤矿安全高效生产创造了有利的条件。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 14 70 案例 14 布尔台煤矿一次成巷高机动性快速掘进工作面 主要完成单位:国能神东煤炭集团有限责任公司 一、主要建设内容 由于国能神东煤炭公司布尔台煤矿地质条件复杂,支护量大,支护效率成了制约生产的最大因素,探索采用掘锚机锚运破一体机大跨距
132、桥式装载机+机器人群的一次成巷高机动性快速掘进新模式(图 1)。引进锚运破一体机取代履带式转载破碎机,在保留了履带式转载破碎机破碎和运输的基础上增加了锚护功能,支护效率成倍增加,完全实现了掘支平衡。由于支护效率的成倍增加,生产效率得到显著提升,为了解决桥式转载机行程对于生产效率的制约,引进大胯式桥式转载机,行程由以前的 30 米增加到 50 米,保证生产效率达到最大化。图 1 快掘配套示意图 同时由于掘进效率的提升,我们通过在锚运破一体机机尾安装张拉绞车,每天通过绞车的收缩实现掘进工作面机尾自移。随着掘进效率的提升,掘进工作面的配套工程的工作量显著增加,工作人员的劳动强度大幅提升,针对以上问题
133、,我们引进掏槽机器人和管路抓举机器人,机器人群取代人工作业,不仅解放劳动力,工作效率得到显著提升。机械化设备的大批量应用,对于井下的安全生产提出了不小的挑战,引进人员接近防护系统,在锚运破一体机,掏槽机器人、管路抓举机器人安装人员接近防护系统,防止外来人员闯入作业区域,引发安全事故;全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 14 71 随着掘进工作面机械化设备的普及,安全和效率得到双提升。为了采掘设备的稳定运行,引进设备状态在线监测系统,通过采集胶带机、锚运破一体机电机减速器的温度振动情况,实时监测设备的运行状态,有效减少设备的故障率。在井下建立完善的视频监控系统,在锚运破一体
134、机、掘进工作面、井下配电硐室、胶带机机头。胶带机卸载点安装高清摄像仪实现掘进全方位监控。建立掘进工作面集中控制系统(图 2),通过采集配电点移变馈电保护器的数据,实现配电点的远程控制,同时采集锚运破一体机、胶带机的数据,实现采掘设备的远程控制,从而实现采掘设备的可视化控制,在集控室安装 UPS 后备电源、声光报警装置、语音对讲装置实现集控室的大脑作用;同时建设区队地面集控室,实时监测井下要害节点的视频画面,同时每天进行地面风机远程切换,配电点远程停送电。由于掘进工作面支护过程中,胶带机一直处于空转状态,对能源形成了极大的浪费,通过改进胶带机控制逻辑,通过采集履带式转载破碎机的跨装信号,实时掌握
135、工作面的出煤情况,实现胶带机的变频调速;在胶带机机尾安装金属探测仪,监测胶带机运行状态,遇到铁器停机报警,保障运输系统的稳定运行;在掘进工作面进水和出水安装流量计,通过数据采集,实现每天工作面用水量和工作面涌水量的统计,保障生产的稳定运行。图 2 掘进集控室 二、技术特点及先进性 引进锚运破一体机(图 3),实现锚护、破碎、运输一体化功能,取代履带式转载破碎机,实现支护效率的成倍增加。同时采用全套国产化设备,实现自动一键打钻,实现支护工况监测,受煤料斗自动收缩等功能,实现掘支的高度平衡。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 14 72 图 3 锚运破一体机 引进掏槽机器人(
136、图 4)、管路抓举机器人(图 5)取代人工作业。掘进工作面水泵窝一般都是人工手持风镐作业,不紧效率低,而且劳动强度大,危险系数高,引进掏槽机器人后,完全机械化作业,不紧解放劳动力,而且工作效率成倍增加。掘进工作面的管路安装不仅劳动强度大,而且费时费力,每天耗费了大量的人力物力,现在引进管路抓举机器人,不仅方便快捷,而且彻底解放劳动力。图 4 掏槽机器人 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 14 73 图 5 管路抓举机器人 胶带机变频调速,通过以太网采集掘进工作面连运的跨转信号,精确掌握工作面出煤时间;同时利用霍尔传感器采集胶带机的运行电流,精准判断胶带机带面上的煤量多少
137、,经过合理的逻辑计算,胶带机变频器通过以太网与连运和胶带机的进行联动,实现胶带机的智能调速:当连运启动时,胶带机迅速提升至满速,保障胶带机的运输能力。连运停机后 120s,胶带机逐渐降速至满速的 75%。该小组通过采集胶带机电机的负载电流判断胶带机上是否有物料堆积,当负载电流达到额定电流的 70%判定为满载,胶带机不再降速,当电机负载电流降至额定电流的 50%之后,再延时 60s,此时胶带机自动降速,进而实现胶带机智能调速。同时,为避免连运试机时频繁启停对胶带机电机的冲击,在胶带机开机后 300s 内不检测其它触发信号和电流信号。三、智能化建设成效 通过视频监控系统以及胶带机集中控制的常态化应
138、用以来,取消了掘进中夜班的胶带机巡检工;引进管路抓举机器人、掏槽机器人、喷浆机器人、钻锚机器人等作业类机器人,不仅解放了劳动力,而且工作效率和工作面的机械化水平显著提升;引进掘进工作面自移机尾,由绞车的伸缩取代了采掘设备的拉拽,省去了退机清煤、栓大链等繁琐工序,省时省力;井下移动设备安装高清摄像仪和人员接近防护系统,实现人员接近自动停机,有效保障了作业人员的生命安全,幸福旷工;引进锚运破一体机,增加锚护效率,掘进效率显著提升,人员收入得到大幅提升,矿工的幸福指数显著提升。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 15 74 案例 15 鲍店煤矿记忆截割掘进工作面 主要完成单位:
139、山东能源兖矿能源集团股份有限公司 一、主要建设内容 巷道掘进是保障矿井生产接续的先决条件,传统煤巷掘进存在煤流系统复杂、岗点占用人员多、支护效率低、施工工艺落后等诸多问题;加之,鲍店煤矿已建成投产36年,迎来自然减员高峰期,传统掘进工艺难以支撑矿井高质量发展。为保障职工生命安全,实现减人提效,鲍店煤矿与中煤科工集团太原煤科院开展深入合作,以胶轮车副巷工作面智能化掘进工作面为试点,重点围绕煤巷广泛使用的纵轴掘进机开展智能化研究,探索掘进智能化新技术、新工艺,全力打造了5G+智能化掘进安全高效生产新模式。(一)优化工作面配套装备 选用DSJ100/63/2*110kW大功率胶带输送机,配套45kW
140、同步永磁变频自动张紧和ZY1500/1000型遥控自移机尾,实现皮带自动张紧和机尾快速延伸。安装智能机器人,代替作业人员进行智能巡检,实现胶带机重点部位温度、巷道烟雾、甲烷浓度等数据实时监控;采用CMM2-21Z型自动双臂钻车,配合机载临时支护,最大程度实现锚网支护的自动化;配备KCG-500D型干式除尘风机,大幅降低工作面粉尘浓度。(二)升级矿用 5G 专网系统 在矿井万兆主干环网基础上,装备使用由山东能源北斗天地公司自主研发,全球首套矿用高可靠 5G 专网系统,布置 1 台 5G 基站控制器和 3 台 5G 基站,实现巷道 5G 专网全覆盖。通过掘进机电控箱内置 5G 无线信号转换器,实现
141、掘进机运行状态数据、机载传感器数据、工作面视频数据等信息实时传输到集控中心,平均网络延时 13ms;系统还备有 UPS 后备电源,可保证 4 小时以上应急供电,确保通讯传输稳定可靠。(三)建设掘进设备远程操控平台 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 15 75 远程操控平台依托矿用 5G 专网系统,实现工作面掘进设备的远程集中通讯控制。主要由控制主机、4 台宽屏显示箱、嵌入式操作面板以及各类高清摄像仪等设备组成,能够实现掘进工作面各设备的自动化控制、视频监控和远程人机智能交互;平台还具有 3D 模拟仿真显示功能,根据传感器检测数据实时显示掘进机动作工况。通过远程操控平台,
142、可以查看、修改、设置记忆截割参数,发送轨迹并启动远程自动记忆截割程序。(四)实施掘进机智能化改造。机身安装高精度传感器 12 个、高清摄像仪 4 个、惯性导航仪 1 台,用于环境感知和掘进机动作检测。通过悬臂、铲板、后支撑和机身各布置 1 个倾角传感器,实现机身姿态控制;悬臂布置 1 个位移传感器,实现悬臂伸缩控制;左右履带各布置 1 个转速传感器,实现行进控制;机身布置 4 个测距传感器,实现机身与两帮距离控制;回转机构布置 1 个角度传感器,实现截割臂左右摆角控制。惯性导航仪用于检测掘进机的偏航角、俯仰角和横滚角,进而控制巷道掘进的直线度。(五)完善全轨迹记忆截割程序 建立截割系统专用坐标
143、系,利用位姿解算软件实现截割头位姿数据和机身姿态数据融合,经控制单元计算出截割头实时位置,在误差范围内准确的实现截割头位置轨迹监测。将轨迹定位点由 12 个增加到 24 个,能够适应复杂截割条件,真实模拟记录截割全过程,实现全轨迹模拟。当现场条件发生变化时,可重新学习新轨迹并单独存储(最多可存储 5 条轨迹),从而实现掘进机记忆割煤的连续自动化。(六)探索自动记忆截割新工艺 创新应用纵向截割工艺,替代传统的横向截割,有效避免横向截割掘进机摆动距离长反作用力矩大导致的机身偏移;将单次大步距进尺改为小步距多循环截割,大幅提升截割质量。针对截割断面进行轨迹优化,正常截割完成后,对巷道全断面进行一次全
144、面修边,进一步提升掘进断面成型质量。以上各项工艺的改进,可以实现自动记忆截割功能的持续有效使用,大幅减少人为干预,真正做到了全全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 15 76 过程自动记忆截割。二、技术特点及先进性(一)割煤系统 通过掘进机加装倾角、行程、转速、测距等 12 个传感器,应用纵向截割工艺,实现了掘进无人、多循环、一次成型高质量全自动记忆截割,全国首家在纵轴掘进机智能化关键技术上取得新突破。(二)支护系统 使用智能双臂钻车进行锚网支护,具备自动钻孔、遥控行进等功能。两部钻机同时作业,仅需 3 人就可以完成原 6 人施工的永久支护作业;岩石顶板支护单根锚杆作业的时
145、间不超过 8 分钟,提升 30%施工效率。(三)除尘系统 干式除尘风机与压入通风构成长压短抽的除尘系统,大幅降低了工作面粉尘浓度达 98%,有效改善了现场职工作业环境。(四)运输系统 遥控自移机尾用于掘进机转载机与带式输送机机尾的快速推移和搭接,仅需1 人即可实现机尾自移及调偏操作;使用自移机尾替代传统掘进机拉移机尾的生产工艺,巷道支护和机尾延伸可平行作业。(五)视频监控系统 开发智能化掘进工作面视频画面拼接系统,投入使用高清宽光谱、红外摄像仪,高粉尘复杂现场环境下,可清晰展示掘进机机身和周边环境,为实现远程精准操控奠定坚实基础。三、智能化建设成效(一)区域示范作用较为明显 鲍店煤矿率先建成“
146、掘进机自动记忆截割”常态化运行的智能化掘进工作面,积累了大量可推广、可借鉴的经验做法,提高了掘进行业的智能化技术水平,更好的辐射带动了省内同类矿井智能化建设工作。(二)系统集控功能显著增强 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 15 77 通过掘进设备远程操控平台,运用同步采样、信息建模、智能传感等技术,地面及井下集控中心实现对掘进设备运行参数动态监测、故障智能分析诊断、远程“一键启停”等功能。(三)通讯保障能力明显改善 通过 5G+智能掘进技术应用,实现高可靠、低时延、广连接网络传输,精准做到对掘进工作面设备的实时远程控制和准确反馈,为煤炭行业 5G+掘进设备远程控制场景
147、提供可靠保障。(四)安全生产水平大幅提升 该套掘进智能化技术,显著提高了掘进工作面安全性、降低了工人劳动强度、保障了掘进效率和施工质量,实现了综掘工作面少人化作业,井下作业人员由原来的 9 人减至 5 人,切实保障了矿工健康和安全。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 16 78 案例 16 小保当煤矿大断面煤巷护盾式快速掘进系统 主要完成单位:陕西小保当矿业有限公司 一、主要建设内容 国家高度重视煤矿智能化发展,2020 年 2 月 25 日国家发展改革委、国家能源局等八部委联合印发的关于加快煤矿智能化发展的指导意见,明确了煤矿智能化的发展目标和主要任务,2021 年 6
148、 月 5 日国家能源局、国家矿山安全监察局研究制定的 煤矿智能化建设指南(2021 年版),进一步强化了这一观点。我国 95%的煤矿采用井工开采方法,始终坚持“采掘并重,掘进先行”的方针。长期的煤炭开采实践使我们深刻认识到,煤矿智能化的核心就是要实现综采工作面和综掘工作面智能化。在煤炭人的共同努力下综采工作面智能化初见成效,而综掘工作面智能化严重滞后,导致“采掘失衡”,严重影响煤矿实现安全、高效、智能生产。陕西小保当矿业公司公司以“高起点设计、高标准建设、高水平管理、高效能运作”的建设理念为指导,以“集群建设、统筹兼顾、协调一致,做到技术最先进、安全设施最完善、产能工效最领先、环境最友好、管理
149、最集约,建设国家级现代化示范矿井,打造世界一流标杆煤炭企业”的建设目标为愿景,瞄准小保当煤矿大断面巷道掘进片帮与夹矸并存难题,剖析履带式掘锚成套装备应用效果不佳的原因,依据“安全、高效、绿色、智能”发展理念,集成掘进技术、机器人技术、人工智能技术、现代信息技术等,建立了国内首套 EBH270D 护盾式掘进机器人,对实现煤矿安全、高效、绿色、智能掘进具有极其重要的意义,加快了煤矿智能化建设。申请及授权专利 15 件,其中发明专利 8 件。针对小保当煤矿夹矸厚度大(0.82.1m)、硬度高(f5f7)与片帮共存的快速智能掘进难题,首次提出了研发护盾式掘进机器人,其主要由截割机器人、临时支护机器人和
150、、钻锚机器人、锚网运输机器人、运输与通风除尘系统和电液控平台等组成。该研发成果解决了影响我国煤矿巷道掘进过程中的探、掘、支、锚、运、除全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 16 79 尘等系列工艺过程中存在的关键技术难题,尤其是掘进工作面巷道断面尺寸大、夹矸与片帮并存的智能掘进难题,使掘进中各环节有序、高效、通畅的衔接,提升掘进装备的开机率、掘进效率,改善工作面迎头的安全性,净化井下环境等,大幅降低巷道支护成本,形成煤矿巷道智能掘进机器人系统和技术体系,提升了小保当公司的核心竞争力。该成果是集截割机器人、临时支护机器人、钻锚机器人、锚网运输机器人等多机器人于一体的智能成套装
151、备,解决了智能掘进机器人系统与巷道围岩的耦合关系、多任务多机器人的并行协同控制、精准定位定向和定形等难题,有效提升了煤矿掘进装备和工艺水平,最大限度的解放生产力,推动煤炭实现安全、高效、绿色、智能生产。该成果配备了超前探测设备,具备巷道成形质量与三维地质模型融合功能,能够基于巷道掘进过程揭露信息进行掘进工作面地质信息三维建模功能,模型自动更新。具有精确自主定位、自主定向导航功能,实现了智能定形截割功能。该成果通过综合降尘的方式确保工作面的除尘工作,包括净化水幕降尘、巷道冲洗降尘、掘进机器人内外喷雾降尘、泡沫除尘、除尘风机降尘、湿式打眼等降尘方法,除尘效果良好。该项目的研究方法和成果在小保当 1
152、 号煤矿成功应用,平均月掘进 1050m,并创造了大断面巷道掘进单班支护 45m、单日最高进尺 56m 的掘进记录,掘进速度充分满足小保当一号煤矿采掘接续,形成陕北矿区高效、快速、智能化掘进的示范;为研究适用于关中、黄陵等矿区地质条件的煤矿智能掘进机器人系统提供科学依据和实用技术。目前,该项目成果正在铜川、彬长矿业等煤炭企业推广应用,对于有效解决采掘失衡问题,推进陕煤集团快速掘进技术向纵深发展、全面提升陕煤智能掘进整体水平,具有极为广阔的推广应用价值。二、技术特点及先进性 根据掘进工艺及智能化掘进要求,研发了国内首套护盾式煤矿智能掘进机器人系统,该系统由截割机器人、临时支护机器人 I 和、钻锚
153、机器人、锚网运输机器人、电液控平台以及运输通风除尘系统等组成。通过深入研究智能掘进系统全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 16 80 关键部位运动学和动力学特性,保证了掘进系统设计的可靠性。提出了智能掘进多机器人协同控制方法和智能导航控制方法,构建了“本地+近程+远程”的控制系统架构,实现了“数据驱动+虚实同动”的智能掘进多机器人远程智能测控。主要技术创新包括:1.提出了上下两层、前后两级的护盾式机体结构,克服了履带式掘进装备对复杂煤岩条件下的适应性难题,解决了临时支护、截割稳定性、平行作业等问题,实现了掘进机器人系统整机安全、可靠、高效运行。2.建立了截割机器人与护盾式
154、临时支护机器人之间的稳定性模型,研发了集成于护盾式临时支护机器人中的全宽横轴截割机器人,提高了截割的自适应性、稳定性和高效性。3.提出了钻锚和锚网运输机器人并行协同控制方法,研发了集钻孔、锚固、护帮、运网、布网等功能于一体的钻锚和锚网运输机器人,提高了钻锚效率和可靠性。4.构建了集“本地-近程-远程”控制的智能控制系统,研发了数字孪生驱动的远程虚拟测控系统,实现了掘进机器人系统自动截割、自主导航、多机协同与“人-机-环”安全预警(图 1、图 2、图 3)。图 1 煤矿智能掘进机器人系统构成 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 16 81 图 2 智能控制系统架构 图 3
155、掘进机器人远程虚拟测控平台 本项目研究成果形成了大型煤矿智能掘进新理念,对研发新一代智能掘进机器人系统,全面提升大型煤矿掘进装备和工艺水平,最大限度的解放生产力,确保巷道掘进的“安全、高效、绿色、智能”具有极其重要的意义;同时,形成了一整套煤矿智能掘进机器人技术的自有知识产权,带来了显著的经济效益和社会效益。三、智能化建设成效 该项目于 2020 年 9 月进行了现场工业性实验,通过了 0.82.1m 厚的夹矸严酷地质条件考验,日进尺突破 56m,掘进工作面操作人员由 18 人减少到 8 人。经综合计算,应用后新增产值 9436.7 万元,新增利润 4897.6 万元,新增税收全国煤矿智能化建
156、设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 16 82 1226.8 万元。大幅提升了巷道掘进效率,有效解决了片帮与夹矸并存复杂地质条件下的采掘失衡问题,确保了矿井安全、高效、智能生产。护盾式掘进机器人主要社会价值包括:1.改善掘进工作面人员环境,降低工人劳动强度和减少掘进工作面人员,保证了掘进工作面操作人员的安全。2.解决智能快速掘进难题,培养了一批智能掘进人才,形成了榆北大断面智能快速掘进技术体系。3.响应国家煤矿智能化号召,引领煤矿智能掘进技术发展,对促进煤矿智能化掘进技术发展具有重要作用,社会意义巨大,符合国家煤矿智能化建设的要求。4.社会影响不断扩大,自发布以来得到社会各界的广泛关注和
157、高度评价。5.知识产权成效显著。本项目现已申请及授权专利 10 余件,其中发明专利 4件,发表学术论文 10 篇。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 17 83 案例 17 大柳塔煤矿 5G+连采机器人群协同作业系统 主要完成单位:国能神东煤炭集团有限责任公司 一、主要建设内容 国能神东煤炭集团大柳塔煤矿利用矿井优势条件为智能化建设搭建发展平台,让智能化为矿井高产高效提供硬件支撑,成为煤矿安全、高效生产的“护身符”。根据煤矿智能化建设指南(2021 年版)井工煤矿智能化建设目标,大柳塔煤矿通过 5G 通讯网络实现连采机、锚杆机、破碎机、卷缆车的集中监控,与胶带机、局部通风
158、机、供配电设备在同一平台实现协同作业,连采机远程控制、自主割煤、人工干预的生产方式,锚杆机自动钻锚、自动间距定位、自动行走与排距定位功能,卷缆车与连采机无缝对接,大柳塔煤矿连采三队 52508 掘进工作面实现了减人提效和远程控制目标,形成了完整的一套掘进智能化技术体系。主要做法如下:1.部署掘进工作面 5G 通讯网络。设计 5G 无线通讯系统,系统主要由地面的 5G 核心网设备(5GC)、地面操控中心、KT606-K(5G)矿用隔爆型基站控制器(基带控制单元(BBU)+远端数据汇聚单元(RHUB)、KT606-F(5G)矿用隔爆兼本安型无线基站(微型射频拉远单元(pRRU)、KZC127(5G
159、)矿用隔爆兼本安型信号转换器(CPE)、KT606-S1(5G)矿用本安型手机和连采机设备产品构成。2.部署工作面集控中心协同连采机智能化作业。部署工作面集控中心(图 1),借助 5G 无线通信技术,采用传感器实时采集并显示连采机运行参数、工作状态等信息,工作人员通过视频、监控软件所提供的信息,从工作面撤离至离工作面较远的安全区域进行自动截割作业。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 17 84 图 1 工作面集控中心 3.部署地面分控中心协同井下分控中心协同作业。通过工业以太网将工作面集控中心数据传送至地面数据中心,工作人员可控制距离地面 14 公里的井下智能连采机远程记
160、忆截割、定位截割、自主截割控制模式,完全摆脱作业人员强度大、风险高、条件差的作业环境,能够真正地将作业人员从井下艰苦复杂的环境中解放出来,作业人员坐在地面分控中心就能实现对井下生产的全过程干预及控制(图 2)。图 2 地面分控中心 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 17 85 4.智能化连采机控制系统协同智能化作业。结合惯导系统提供的连采机位置和姿态信息,控制系统主要实现的连采机运动控制功能包括:确保单刀前进/后退时按照规定的基线方向走直线;连采机从左帮到右帮的调机功能;扫帮时的巷道宽度保证。在单刀进刀时,以实时获取的连采机的航向角信息为测量输入量,采用 PID 算法控
161、制两条履带的行走电流大小,确保一旦发生航向角偏移,能及时纠正;截割控制目前结合煤矿截割工艺和连采机司机建议,采用 13 步截割法;调机控制采用了“NV 型”调机法,通过连采机的旋转、退机、前进等组合操作,实现连采机平移。智能化连采机控制系统协同智能化作业技术方案如图3。5.配套自动卷缆车协同连采机作业 自动卷电缆车用于掘锚机、掘进机等设备进线电缆收放工作,具备电缆无人收放和定位激光仪自动跟踪、校准功能。通过替换连采机跟机电缆,使用内部 4芯控制线载波通信,实现连采机与自动卷缆车通讯,连采机 PLC 控制箱采集卷车信号,通过跟机电缆 4 芯控制线接入连采机馈电开关并进入工业环网,完成跟机电缆自动
162、收放。图 3 智能化连采机控制系统协同智能化作业技术方案 6.智能化连采机定位定姿系统协同连采机智能化作业 采用惯性导航+激光导引的方式实现连采机定姿定位,惯性导航安装于连采机,激光导引安装于自动卷缆车,两者互为基准,连续测量,实现连采机和自动全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 17 86 卷缆车定位定姿定向功能,激光导引装置实时追踪定位连采机,组合惯导系统实时提供精确的角度和位置,包括航向角、俯仰角、横滚角以及连采机在巷道 xyz坐标,为自动控制提供位置基础。7.连采机与梭车协同作业 梭车驾驶室安装控制器并自带通讯天线功能,连采机驾驶室安装基站,两者互相接收,利用无线
163、WiFi 技术实现梭车选择性控制连采机运输机尾的启停和姿态。二、技术特点及先进性 1.基于“惯性导航”关键技术实现连采机姿态控制,辅以激光导引和视觉识别等技术,实时修正累计误差,通过对“三角、三标”的控制,将连采机控制在标准航线内;利用无线 WiFi 技术实现梭与连采机协同作业。2.负载敏感自适应技术可根据负载情况自主调节进刀深度、截割速度等参数,实现与现有采掘工艺完美契合。3.基于采高、振动、电流、视频等多传感器检测数据,运用合理算法辅助煤岩分界识别,进行顶底板控制。4.应用 5G 无线传输技术,确保了传输的可靠性和稳定性,实现了传输视频画面,远程操控无延时。5.利用惯性导航技术实现连采机定
164、位、定姿,利用激光导引技术与惯性导航互为基准,连续测量,实现卷缆车自动收放缆线距离。6.采用红外线原理,增设时间继电器实现破碎机与梭车协同作业;利用红外发射原理实现破碎机与梭车协同作业。7.利用 5G 无线通讯技术实现连采机全方位跟机视频监控,跟机视频既有客户端又有网页版,即能在井下集控中心监控也能在地面分控中心监控。8.利用胶带运输机空载可控停机原理和特点实现可视化管理。掘进工作面胶带运输机空载可视可控自动化管理系统成功将胶带机运行过程中的“人、机、环、管”数据信息相融合,利用自动化数据挖掘技术,实现掘进工作面胶带运输机空载运行可视化管理。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进
165、案例 17 87 三、智能化建设成效 基于 5G 技术连采机器人群智能控制及自动化协同作业系统应用,通过掘进工作面 5G 通讯网络、工作面集控中心协同连采机智能化作业、地面分控中心协同井下分控中心协同作业、智能化连采机控制系统协同智能化作业、配套自动卷缆车协同连采机作业、智能化连采机定位定姿系统协同连采机智能化作业技术手段,将作业人员从危险恶劣的环境中解放出来,远离煤矿“五大”灾害,免受粉尘、噪音等职业病侵害,实现远程自动割煤。实现工作面生产区域无人化,为传统掘进系统实现智能化积累了宝贵的实践经验;连采机全方位跟机视频监控使煤机司机在生产过程中全方位、零死角、高清晰监控,以达到身临其境的感觉,
166、保证煤机在生产中更智能、更高效、更安全地运行;胶带运集中控制及空载可视可控管理减少设备损坏和节约设备电耗,促进了掘进工作面不断向自动化安全高效发展。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 18 88 案例 18 曹家滩煤矿大断面智能快速掘进工作面 主要完成单位:陕西陕煤曹家滩矿业有限公司 一、主要建设内容 曹家滩煤矿作为特大型现代化智慧煤矿,如何实现大断面煤巷的快速掘进,成为曹家滩煤矿亟待解决的主要问题。为解决上述问题,曹家滩公司成立科研专班,与科研单位及院校合作,开展煤巷大断面快速掘进研究。研究具有适用性煤巷快速掘进顶板稳定性机理及主要影响因素,形成基于顶板稳定性的成套支护
167、理论和技术,选择安全有效的支护方法;同时分析影响快速掘进的因素,对掘支各工艺、全要素、全时段关键流程判别,优化制约煤巷掘进速度的瓶颈,确定“以掘定支、掘支平行”为准则的施工工艺及劳动组织。二、技术特点及先进性 针对大断面煤巷快速掘锚成套装备的运行效果,构建以人机协同、掘支同步的智能化信息化装备创新为硬件,以减量提质、强帮护顶高强度、高刚度围岩控制技术创新为理念,以空间交叉、掘支平行高匹配高融合精细卓越施工工艺创新为抓手,以实时实地、由表及里全方位高质量安全创新监测系统架构为保障,充分体现思维方式、技术、装备、工艺、安全管理现代化与创新。(一)思路创新 快掘装备初期引进的失败经验,揭示了地质条件
168、对工业性试验的重要性,要想取得试验的阶段性成果,在地质条件的选择上一定要从简单到复杂,由单一到全面。曹家滩煤矿主采 2-2煤层,属于稳定型厚煤层,平均埋深 286m,矿井地质结构简单,取得成功后再逐步向相似条件、复杂条件及不同工艺的矿井推广。(二)装备创新 结合曹家滩煤矿地质条件及掘锚机组运行情况,全方位优化了设备结构和性能,对自动化锚护系统、自移式连续运输机、记忆式自适应截割系统、可视化远程操控系统、隔绝式全覆盖立体除尘、机身姿态自纠系统、动态感知安全防护系全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 18 89 统、组合式精准定位系统、超前钻探等方面进行了十大类 102 项改造
169、。优化提升后的快掘装备具备大断面巷道“探、掘、支、运”一次成巷、可伸缩式超大宽度截割控制、大断面快速支护与超前钻探、物料输送、多机协同控制等功能,最终实现掘进、支护和运输一体化连续作业,大幅提高掘进效率。1.智能化快掘装备(1)快掘 3.0 成套装备 曹家滩煤矿与科研单位、装备制造厂家合作,结合自身地质条件,研发了“掘锚一体机+煤矿用锚杆钻车+自移式超长远距离胶带输送机”快掘成套装备(图1)。在保证快掘的前提下增加智能控制功能,实现了精准定位、自主导航、超前钻探、智能截割、自动支护、连续转载、故障自诊、远程集控,将掘进工作面作业人数减少至 79 人,在“少人则安”理念的基础上实现了掘进工作面的
170、智能化生产。图 1 掘锚成套装备整体示意图(2)快掘 4.0 成套装备 快掘 4.0 成套装备包括掘锚一体机、锚杆转载机、智能连续运输系统、除尘系统、集控中心以及物料配送机器人等 6 大模块(图 2、图 3)。其快掘工艺是在快掘 3.0 成套装备的基础上研发新型掘锚一体机,适应巷道宽度 6.6m,巷道高度5.5m。增加物料输送系统,可将锚护物料运送至掘锚机机尾,并将物料举升至离地 3m 处。增加多模式通风除尘系统,通过机载高效湿式除尘技术和泡沫除尘技术相结合,有效降低工作面煤尘。研发新型喷涂材料,告别传统锚网支护技术,大大降低了工人劳动强度。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进
171、案例 18 90 图 2 快掘 4.0 成套装备整体示意图 图 3 快掘 4.0 成套装备联调 2.辅助保障装备(1)防爆柴油机滑模混凝土摊铺机 配套了防爆柴油机滑模混凝土摊铺机+防爆混凝土输送罐车施工巷道混凝土地板(图 4)。滑模摊铺机安装的传感器测定巷道基线信号传输到控制器,控制器控制整机动力部件按照基线滑模施工。采用持续补料、振动棒提浆密实、抹平板成型的智能化施工工艺,日均施工混凝土地板 200m 以上。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 18 91 图 4 混凝土摊铺机(2)煤矿用巷道修复机 配套了煤矿巷道修复机(图 5),解决了遗煤影响拉移机尾和巷道清理问题,减
172、少了辅助作业人员,降低了劳动强度。图 5 煤矿用巷道修复机(3)防爆柴油机履带运输车 配套了防爆柴油机履带运输车(图 6),解决了窄型顺槽、快速掘进工作面等受限空间内锚护材料、散装物料及小型机电设备的运输问题,减少了辅助作业人员,降低了劳动强度。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 18 92 图 6 防爆柴油机履带运输车(三)工艺创新 研究巷道快速成巷理论与工艺技术,突破新型钻锚预紧一体化锚杆、“一键打锚杆”、高效喷涂等关键技术与材料,研发巷道变形实时监测技术,研发新型掘锚一体机、运输、控制等先进技术与装备,形成领先的集理论、设计、材料、技术、装备于一体的快速掘进成套技术
173、与装备,引领快速掘进发展方向。三、智能化建设成效(一)安全效益 1.“少人则安”的本质安全型掘进工作面。智能快速掘锚成套装备通过配备机械手、智能材料库、一体化中空树脂锚杆、自动探放水设备、远程操作台、高效喷涂等设备实现掘进智能化工艺。作业人数由 15 人减少至 79 人,打造了“少人则安”的本质安全型掘进工作面。2.现场安全管理全覆盖。机身配备了临时支护护盾,永久支护紧跟临时支护,从根本上杜绝了空顶作业;左右机身侧均安装了大空间高作业平台,平台与煤壁加装了防砸挡板,杜绝了片帮煤从高空坠落对人员伤害;侧翼安装自动报警系统,设备运行期间人员靠近时,系统自动报警停机,保证了人员安全;截割大臂前配备了
174、自动超长钻探,实现了水患的有效预警。(二)经济效益 巷道掘进速度由传统施工工艺的月均进尺 500m 提升至 2020m 以上,每月增加近 4 万 t 掘进煤量;同时快速掘进技术的应用将传统成巷周期由 10 个月缩全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 18 93 短到 4 个月,采煤工作面巷道形成周期缩短了 60%,大幅度降低了掘巷周期和巷道维护费用,具有广阔的推广应用前景和经济效益。(三)社会效益 1.解决了采掘失衡难题 积累了大量的快速掘进巷道围岩支护参数优化、掘锚成套装备优化、工艺优化及施工组织优化经验,锻炼了一大批经验丰富的技术管理人员和成熟的快速掘进施工人员,形成了
175、大断面快速掘进技术体系,大幅度提高了巷道掘进速度,解决了矿井采掘失衡的难题,为矿井高质量发展奠定基础。2.打造行业标杆,成为行业典范 2020 年 11 月 26 日,在曹家滩煤矿召开了全国煤矿快速掘进现场推进会。参会代表对曹家滩煤矿大断面快掘建设成果给予了充分肯定。国家能源集团、山东能源集团、延长石油集团、徐矿集团等先进煤炭企业先后派学习组来公司对标学习。中国煤炭报、中国能源报、中国化工报、陕西日报、榆林日报、新浪新闻等煤体对曹家滩公司快掘系统进行了报道。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 19 94 案例 19 隆德煤矿 5G+智能连掘系统 主要完成单位:神木县隆德矿
176、业有限责任公司 一、主要建设内容 隆德煤矿 5G+智能连掘系统建设对连续采煤机、梭车、破碎机、带式输送机等设备控制系统进行升级,实现连续采煤机远程可视化智能控制、高精度定向、多参数感知、一键启动、自适应截割、自主移机、自动掘进、状态监测与故障预判的功能,梭车自主装、运、卸,锚杆钻车、破碎机、输送机集中监控等功能。运用 5G 网络传输技术,使得全套设备具备井巷掘进作业集中控制、视频监控、远程干预功能,以降低人员的劳动强度,改善作业环境,提高工作安全性。实现以连采机为核心装备的掘进工作面的智能化,解决制约巷道掘进无人化、智能化的关键性难题,补齐矿井的无人化和智能化的“短板”,为智能化矿井建设提供基
177、础支撑。系统主要包括井下 5G 核心网的搭建,进口设备电气控制系统国产化升级改造,连采机、梭车、破碎机之间的顺序联动作业。具体如下:(一)5G 核心网建设 掘进工作面多设备智能化运行离不开高速、可靠稳定的信息网络,连采机、梭车、锚杆钻车、破碎机、输送机、供电、通风、供排水等多系统均需要通过可靠网络建立数据传输通道进入统一的协同平台。掘进工作面设备位置不确定,尤其是连续采煤机、梭车均为移动设备。远程视频监控、人工干预、智能化控制、参数设定等功能的实现都需要高速稳定的数据传输网络。连采机、梭车、锚杆钻车等频繁移动设备优先考虑无线网络,因此本系统采用了5G无线网络进行传输,以满足数据量和实时性的要求
178、,根据项目目标需要,配置了 5G 无线网络。在矿端布置 5G 核心网,5G 无线网络传输上下行带宽不低于 200M,井下重点区域覆盖,根据连采工作面特点,在连采双巷掘进的工作面布置 5G 基站,1000M 的工业以太环网,控制延迟小于 50 ms,以满足连采机、梭车等设备的高速率大流量全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 19 95 传输,实现井下和地面调度指挥中心远程控制系统互联互通。图 1 井下安装示意图(二)掘进工作面系统建设 隆德煤矿主要对久益 12CM15-10D 型进口连续采煤机、久益 10SC32-48B 型进口梭车、山西天地煤机 PZL460/150 型履带
179、式转载破碎机等设备电气控制系统进行国产化升级改造,兼容原机外接设备,实现远程集中控制、可视化监视、一键启停、自主生产、人工干预,梭车自主装、运、卸,锚杆钻车、破碎机等功能融合。图 2 系统配套装备示意图 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 19 96 图 3 掘进工作面系统示意图(三)连续采煤机智能化功能 基于智能化功能需要,需要对电气控制系统功能进行国产化替换升级,电机和液压系统采用原机配置,此外,还根据需要增设智能化控制的中央控制器、组合惯导系统、行走手柄、声光报警器、摄像仪、倾角传感器、角度传感器等其它外接设备。图 4 电气系统外设示意图 矿用隔爆兼本安型中央控制器
180、是连续采煤机机器人化的核心设备之一,主要全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 19 97 实现掘进机数据采集、自适应截割、自主移机、煤岩分界探测识别等核心控制功能。图 5 中央控制器 组合惯导测量系统包括激光跟踪导引装置和惯性位姿测量与导航装置两部分,结合激光高精度惯性导航技术、激光测量技术、图像识别技术、组合导航技术、无线通信技术、多元信息融合技术,开发使用于煤矿井下设备定向、定位、定姿测量产品。通过特定算法克服传统惯导产品在井下无外接辅助输入信息条件下测量误差的关键问题,同时解决煤矿机械井下侧滑、振动、冲击等恶劣工况条件下的精准定位和测量问题。图 6 为组合惯导位姿测量
181、系统中的激光跟踪导引装置和惯性位姿测量与导航装置。图 6 组合惯导位姿测量系统 通过激光跟踪导引装置对连采机进行实时跟踪和精确定位,精准测量连续采煤机的航向、姿态和位置信息。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 19 98 图 7 激光跟踪导引示意图(四)梭车智能化功能 基于智能化功能需要,对梭车电气控制系统、转向系统、牵引系统、制动系统进行升级。增设中央控制器、惯性导航装置、激光雷达扫描系统、操作箱、脚踏开关、声光报警器、摄像仪、速度传感器、角度传感器等其它外接电气件。中央控制器是梭车智能化系统的控制中心,自主运行所涉及的传感器全部接入该控制器,完成相应的功能。为实施梭车
182、自主装运卸功能,需要增设定位定姿及自主导航系统,该系统包含巷道建模及位姿测量系统、轨迹规划及自主导航系统两部分,分别如下:通过“高精度惯性导航装置+激光雷达”的组合测量系统对巷道实时扫描,建立透明三维工作面。以 SLAM 技术为基础,依靠惯导精准的航向、俯仰和横滚角度测量以及特定算法,进行地图匹配,进而获得梭车精确的姿态和位置。图8 为巷道建模示意图。图 8 巷道建模示意图 基于巷道三维地图以及位姿信息的指引,对梭车进行轨迹规划,设计相应的控制策略,实现自主导航,结合转向、速度等精确控制,实现梭车自主运行。配全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 19 99 置前后向雷达,能
183、够有效的对连采机和梭车进行识别,进行自动对接,实现自动装、运、卸功能。同时配置前、后向及料仓摄像仪,可以远程对梭车周围环境及物料情况进行监视,以便人工干预。(五)给料破碎机智能化功能 基于自动控制的需要,对给料破碎机本机控制系统进行升级,提供 AC127V电源,增加自动启停泵站功能,与梭车智能化联动闭锁,其余功能保留不变。针对遥控控制的需要,升级液压系统,实现电液控制履带行走,方便延伸皮带时操作设备。配置遥控装置,实现破碎机的部分遥控功能。(六)工作面集控中心 工作面集控中心是全工作面设备的综合监控中心,是工作面的数据中枢,是各设备协同作业、远程控制和人工干预的平台。接入设备涵盖连采机、梭车、
184、锚杆钻机、破碎机、输送机以及供电、通风、瓦斯等;集设备控制、参数设置、状态显示、音视频监控、网络传输、对话交互等功能于一体。此外,考虑掘进工作面粉尘较大,集控中心设置空气过滤系统,以改善工作人员作业环境。图 9 集控中心示意图 二、关键技术及先进性(一)基于 5G 技术的大带宽、低时延、高可靠、移动连接、大连接的特点,轻量化核心网:具有易部署、易操作、易维护等特点。(二)组合惯性导航技术 由于惯性导航技术具有不需要外界辅助信息的特性,在航空、航天、航海等军事领域得到了广泛的应用。而煤矿井下设备的实际工况,不具备 GPS 的定位条件和加速度计的应用环境,可借助的外界辅助信息也非常有限,因此非常适
185、合全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 19 100 惯性导航这种独立导航的技术应用。惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其基本工作原理是通过测量载体在惯性参考系的加速度,将它对时间进行积分,且把它变换到导航坐标系中,就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。结合高精度惯性导航技术、激光测量技术、图像识别技术、组合导航技术、无线通信技术、多元信息融合技术,通过特定算法克服传统惯导产品在井下无外接辅助输入信息条件下测量误差的关键问题,同时解决煤矿机械井下侧滑、振动、冲击等恶劣工况条件下的精准定位和测量问题。提出利用组合惯性导航技术
186、,解决单纯惯性导航累计误差和航向漂移的难题。(三)连采机自动控制技术 目前连采机控制采用本机或视距遥控的方式实现机械化生产,不具有任何自动控制功能,自动化程度低。对连采机控制系统进行研究,设计自动控制策略和软件,实现连采机的自动掘进、自主移机、自动扫帮等智能控制功能。(四)负载敏感自适应技术 目前连采机完全由人工操作,司机根据负载变化实时调整截割负载,以免设备过载或引起前级开关保护跳闸。通过负载识别算法,使连采机具有了自学习功能,能够学习并模拟人的主观能动性,可以很好的适应环境。对截割负载、截割速度等参数进行 PID 匹配,实现恒功率截割。具有自主判断识别、自适应巷道起伏、煤层变化、煤岩分界、
187、岩层硬度变化等各种工况。(五)协同作业控制技术 连采机与梭车的运输联动配合完全依靠连采机司机和梭车司机通过喊话、灯光等原始手段进行协调,两设备之间不具有自动协同控制的功能。对连采机与梭车的配合作业的工艺进行分析,设计协同作业控制策略及控制软件,实现系统高效作业。(六)梭车自主装、运、卸技术 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 19 101 实现自主导航,结合转向、速度等精确控制,实现梭车自主运行,配置前后向雷达,对连采机和梭车进行识别,二者自动对接,实现自动装、运、卸功能,同时配置前、后向及料仓摄像仪,可以远程对梭车周围环境及物料情况进行监视,以便人工干预。三、智能化建设
188、成效 该案例的应用,实现了生产管控一体化,解决了掘进工作面有线传输的难题,实现了连续采煤机和梭车的远程控制、可视化监视、一键启停、人工干预等多种功能,具体建设成效如下:一是减人增安方面,减少了工作面固定岗位工,提高了工作面的安全系数和掘进效率,降低工作面人员劳动强度,达到了减人提效的目的。系统建成之前,每班至少需要作业人员 4 人操作(一名连采机司机,一名破碎机岗位司机,一名梭车司机,一名拖曳电缆工人,一人安全监护)。系统建成后,只需 2 人操作(一人操作控制台,一人安全监护)。人工费以 15 万元/人年算,两个生产班每年减少的费用大约 60 万元。二是提质增效方面,改变了矿井掘进的生产模式,
189、真正让掘进智能化与矿井信息化无缝连接,显著提高了矿井掘进工作面设备的自动化程度。系统建成后,设备运行协调性显著提高。建设之前,连采机、梭车工作协调性只能依靠人工操作;建成后,连采机、梭车依靠控制系统进行协调作业,更安全可靠。三是作业人员健康安全方面,掘进工作面环境恶劣,工作人员人身安全和职业健康受到严重威胁的区域,连续采煤机智能控制系统的研制成功,能够将人员从极度危险和职业病频发的区域中撤离出来。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 20 102 案例 20 华阳一矿高抽巷全断面快速掘进系统 主要完成单位:山西华阳集团新能股份有限公司 一、主要建设内容(一)智能化快速掘进系
190、统构成 华阳一矿 81405 高抽巷运用 EQS-3000 型全断面岩巷盾构机顺利实现截割和装载一体,矸石经刀盘中心的溜渣槽,落到一运皮带机、二运皮带机,后经高抽巷 DJS80/20/2160 型高强度皮带机运输,再经采区 2 部皮带机转载至充填巷立眼。立眼安装 P-90B 型耙岩机将矸石转载至 DJS80/255 型可伸缩皮带机,至HDJA00 型充填抛矸上料机和 TCJ-D80/30/67 型抛矸机,实现井下就地充填(图1)。图 1 81405 高抽巷智能化快速掘进系统构成(二)创新完善运输排矸系统 考虑盾构机渣石较碎和含水量大的实际,为避免渣石成泥糊状造成运输难题,选择在采区口施工一条大
191、断面充填巷,巷道实际施工长度 750m,沿 15#煤层顶板掘进,净宽 6.0m,净高 5.0m,净断面 30,设计充设计充填体积 20000m,经测算基本满足 81405 高抽巷掘进矸石量。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 20 103(三)智能化快速掘进系统实现的具体目标 建立以集中控制系统为核心,利用井下环网和光纤将井下数据上传至地面工控机和安全管控平台,实现盾构机、动力馈电分路开关、皮带变频开关、局扇变频开关、风专馈电分路开关的工况显示及远程控制启停、故障诊断、数据监测、各系统风、水用量统计。并增加热释传感装置具备危险区域人员接近识别与报警功能。(四)设备运行优势
192、 一是 EQS-3000 型全断面岩巷盾构机集智能导向、远程监控、多级保护、应急防护、故障诊断、趋势预警、精准支护、连续排矸数字化、自动化、智能化系统于一体。二是综合运用撑紧系统、推进系统、截割系统等多种传感器,同时对关键位置实时在线监测,避免发生机械损伤和人员伤害事故。三是支护工人通过遥控器操控机载液压型锚杆钻机进行支护,可实时调整锚杆钻机在盾构机上的位置,保证钎杆或锚杆与钻孔始终重合,保障支护的连续性。四是采用多级皮带运输方式排矸,减少皮带延伸量,并配备用液压绞车,用于移动机尾。五是盾构机配备多种保护装置,实现盾构主控室集中控制启停,可实现连续运输和无人值守。二、技术特点及先进性 一是掘进
193、效率高。盾构机通过在 81405 高抽巷的成功应用,单日最高进尺完成 51m,刷新了全国同类巷道最高生产纪录,月最高进尺完成 641m,平均班进10.13m,最高班进 28.2m,改写集团公司岩巷月进历史,单进水平是原来的 35倍,工效也是原工艺的 23 倍。二是机械化、成套化、智能化程度高。盾构机实现截割、装运、支护工艺的全部机械化、连续化作业,且有自动作业、调整、监控的信息化和智能化模式。三是安全性高。通过刀盘截割、护盾临时支护,人员在永久支护下作业,具有较高的安全性。四是支护成本低。巷道断面为圆形,且成型质量好,围岩破坏少,现场锚杆布置数量少,支护成本大大降低(图 2)。全国煤矿智能化建
194、设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 20 104 图 2 巷道断面布置及支护图 三、智能化建设成效 一是盾构机实现机械化破岩,破岩速度快,工作面粉尘少,只需 1 人操作完成作业,2m 循环用时 1h。二是盾构机巷道顶板支护简单,顶帮锚杆数量少、支护强度小,单排用仅 20min,平均每米材料成本 300 元,支护成本不到原来的三分之一。三是盾构机永久支护采用盾体后掘锚平台机载式钻机进行,实现了机械化施工和截割平行作业。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 21 105 案例 21 可可盖煤矿超长斜井全断面智能掘进系统 主要完成单位:陕西延长石油矿业有限责任公司 一、主要
195、建设内容 可可盖煤矿是陕西延长石油(集团)有限责任公司在“十四五”期间的重点项目,该矿井坐落于陕西省榆林市榆阳区小纪汗镇,井田面积 177km2,可采储量 12 亿 t,设计产能 1000 万 t/a,服务年限 88.5a,建设有主、副斜井,中央进、回风立井以及北一回风立井,全矿井采用分区式通风。作为在建的大型矿井,可可盖煤矿秉承“智能化建井,建智能矿井”理念,在建井全机械化和远程操控平台的基础上,建立集智能感知、智能决策和智能控制为一体的智能控制平台,探索出切实可行的斜井智能化建井模式。可可盖煤矿采用主、副斜井开拓方案,主斜井设计全长 5304.9m,5.6缓坡下山;副斜井全长 5302m,
196、6缓坡下山,每隔 1000m 设 50m 的缓冲平段。采用全断面敞开式掘进机施工基岩段,断面形状为圆形,掘进断面面积为 39.9m2,采用锚网喷联合支护。可可盖煤矿基于全断面敞开式掘进机,斜井施工采用全机械破岩工艺,实现了斜井“探-掘-支-锚-运”五大工艺的机械化作业,为建井模式智能化奠定了工艺基础。可可盖煤矿进一步借助物联网、智能感知、大数据、5G技术、仿真技术、云计算等新兴技术,联合铁建重工集团,结合煤矿敞开式斜井施工工艺,研发了全断面掘进机智能掘进控制系统(图 1),将五大工艺中的掘进工艺实现了全流程智能化控制。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 21 106 图
197、1 全断面掘进机主机组装完成(一)掘进机智能控制系统 根据地质勘察数据与实际掘进参数,建立围岩可掘性的动态评估模型,并物联网与远程高效视频监控技术,研发出全断面掘进机掘进装备运行智能监测控制系统。掘进机智能监测控制系统(图 2)通过围岩特性分析结果和方位感知,实现对推进速度、掘进状态、刀盘转速等多动作多功能区的智能控制。(二)方位感知 全断面掘进机精准钻进和装备姿态智能调控系统,建立了激光+传感器组合导航系统,直观实时掌握设备姿态和偏离设计轴线程度,同时以数值的形式准确地描述全断面掘进机设备主机前部与后部相对于巷道设计轴线的实际偏移量,通过地层处理和远程操控技术实现装备姿态调整和掘进方向的精准
198、控制。图 2 掘进机智能控制系统(三)截割部工况感知与过载保护 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 21 107 基于截割部温度、压力、转速等感知原件,智能控制系统可自主分析掘进机工作时各系统运行状态,并通过掘进机工况报警子系统,预警故障。根据报警信息,掘进机操作人员可切换至人工控制操控掘进机,智能控制系统会将人工控制动作进行分析并自主学习。此外,针对刀盘温度过高、刀盘压力过载等严重问题,智能控制系统会通过自分析决策,启动刀盘及相关附件自我过载保护。(四)自动喷混系统 混凝土喷射系统主要由混凝土输送泵、喷射机械手、供电及电气控制装置、液压驱动装置、速凝剂泵送系统和平台附件
199、构成。整套系统安装在喷混桥上实现与全断面掘进机掘进同步混凝土喷射支护,全断面掘进机喷混系统已预设喷浆泵压力、机械手移动路径,并可远程控制喷混系统启停。(五)智能化支护系统 全断面敞开式掘进机的支护环节主要包括锚杆索施工、钢拱架安装、仰拱块铺设和全断面喷浆,协同智能控制上述四个施工环节,是智能支护控制系统的主要内容。本案例通过信息化、全面感知、智能控制等前沿技术相融合,研发了基于全断面智能掘进信息互联协同控制的智能支护系统。智能支护系统通过分析人工支护方式作业运动原理,模拟人工施工行为动作,极大提高了支护作业智能化。(六)推进控制系统 全断面敞开式掘进机调向直接简便,可适应可可盖煤矿 6斜井的掘
200、进调向及防栽头,其具体调向方式为:调节扭矩油缸伸出和缩回来进行上下调向,调节左右撑靴油缸行程差来进行左右调向。(七)车辆失速智能保护 车辆失速智能化柔性拦截系统采用先进的通信、监测、信息处理、计算机等技术构建,以无线通信技术(无线传感器网络)为技术基础的井下无轨胶轮车运输监控系统,使用工业以太环网网络和无线传感器网络的网络结构,实现对煤矿井下无轨胶轮车运输的监测、控制、拦截管理等功能,提升车辆运输系全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 21 108 统安全及效率。该系统集监测监控、智能预警、智能联动、融合共享及数据可视化于一体,具有设备自诊断、通信双保障、拦截双触发、车辆准
201、拦截、拦截柔性化、控制智能化等优点。该系统安全可靠维护方便,具有较好的安全性和实用性。二、技术特点及先进性 本案例研发了煤矿超长斜井全断面敞开式掘进机掘进成套工艺技术装备体系,突破了“深埋超长、连续下坡、地层富水、地层多变、岩性软弱”复杂地质条件斜井智能化高效建设的技术装备瓶颈,展现出了机械化程度高、无需爆破作业、井下人员少、施工效率高、施工质量好、安全性高等诸多优势。项目创建了“有人安全巡视、无人掘进操作”的安全高效建井新模式,将矿工从危险环境中及高强度劳动中解放出来。具体表现在:1.本案例创新采用智能化、全机械化破岩技术,相对于钻爆法施工减少炸药消耗量约 1100t、雷管约 140 万发,
202、减排二氧化碳 220t;机械破岩对巷道围岩扰动小,减少了超欠挖,减少了支护材料消耗,节约了支护成本;全断面敞开式掘进机智能掘进技术装备大幅度减少了斜井掘进工作面作业人员,掘进效率较传统综掘法、钻爆法分别提高了 3 倍和 5 倍以上;实现了“无人则安,少人则安”智能安全建井模式的成果实践,改善了矿工的作业环境。2.项目研究成果创新了全断面敞开式掘进机智能掘进工艺技术体系,实现了复杂地质条件下全断面敞开式掘进机施工超长(5000 m)斜井施工,是我国煤矿智能化建井技术的重大技术突破,具有安全可靠、绿色低碳、高效智能等多方面优势,在我国矿井安全高效建设方面具有显著的应用潜力和价值。三、智能化建设成效
203、 项目研究成果是智能化建井领域重要实践,将为煤矿智能化建设提供有力技术支撑,为我国西部煤炭资源高效煤矿开发建设提供了可复制、可借鉴、可推广的智能化建井新模式,具有典型的示范引领作用。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 22 109 案例 22 山脚树矿 5G+智能化综掘系统 主要完成单位:贵州盘江精煤股份有限公司 一、主要建设内容(一)建设情况 贵州盘江股份山脚树煤矿智能化综掘 230310 工作面在引入成熟的智能化综掘机基础之上,再次引入掘进巷道钻探、运输、锚固成套工作装备,采用与 5G相结合的通讯方式,实现综掘工作面掘进系统数据传输高效稳定,基于综掘巷道施工作业较为繁
204、琐的实际情况,优化了综掘工作面掘进工艺,采用多工序智能掘进系统作业方法,实现掘进巷道探、掘、支、锚、运一体化掘进机组智能作业,提高掘进面作业效率。总体布置情况分为两部分,分别为巷道“地面作业”和“空中作业”,“地面作业”主要是掘进装备,实现综掘工作面掘进机自动截割、装载、运输等,“空中作业”主要是探测、锚固、运输等,合理利用了巷道地面和空中的空间,优化巷道内锚护的作业工序,实现巷道迎头“分节拍”锚护,结合智能化和5G+的控制系统,最终建成山脚树煤矿综掘全工作面成套装备自动化掘进及多工序锚护的示范面。在瓦期抽采治理上,抽采智能化钻机增加了大容量钻杆箱及机器视觉人工智能技术,并实现了地面调度中心远
205、程集中控制井下智能化钻机作业,一箱钻杆就能完成一个钻孔,提高了工作效率,大幅减轻了工人的劳动强度。建成了贵州省瓦斯抽采智能化打钻示范点,也为其他类似矿井的瓦斯抽采智能化建设提供借鉴。(二)主要内容 山脚树矿智能化成套掘进系统由地面综掘系统、空中单轨吊系统、智能化控制系统、5G+掘进控制系统(如图 1 所示)组成。地面综掘系统是以综掘机为基础,增加多部锚杆装置,实现掘进智能化,锚护机械化。空中单轨吊系统主要是结合探测、锚固、运输为一体,可完成井下材料运输工作,同时可参与掘进工作,实现迎头探水、探瓦斯;并且增加两部锚杆钻机,可完成巷道内任意位置的锚固。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能
206、掘进 案例 22 110 智能化控制系统以掘进装备姿态监控与智能感知系统、掘进装备定形定向截割系统、掘进系统协同控制及远程遥控系统、掘进机人员定位系统、掘进机集控系统为主要构成,实现地面掘进系统的智能化作业。5G+掘进控制系统主要是建设山脚树煤矿专用 5G 网络,地面 5G 覆盖山脚树煤矿绞车房和办公区,井下 5G 覆盖山脚树煤矿采区综掘面;在矿用 5G 无线通信系统基础上,运用 5G 网络实现对井下掘进机的无线远程控制功能,从而在远程操作的条件下,完成高效、安全的井下掘进作业,实现煤矿井下掘进工作的智能化、少人化的目标。图 1 智能化成套综掘装备系统示意图 1.总体配套情况建设效果 如上图所
207、示,总体为掘锚机+第二运输机+自移机尾系统+单轨吊系统成套方案:(1)智能掘进:远程智能截割、截割轨迹在线监测。(2)第二运输机:将物料转运至自移机尾上方。(3)自移机尾系统:独立的液压系统,可以自行迈步前移,不需掘锚机后退拖拽;增加补打锚杆机构,用于后方锚杆施工。(4)单轨吊系统:单轨吊系统安装在巷道的上方,不占用下方空间,并且在单轨吊上增加超前钻探和锚杆系统,用于探水和探瓦斯,锚杆系统可以进行锚杆作业。(5)协同控制:协同控制成套设备,达到协调、连续、高效、安全运行的目的。(6)锚护平行作业:掘锚机在前面打部分锚杆,其他部件在后面补打锚杆、锚索,根据顶板条件,按同节拍作业时间分解前、后锚杆
208、作业,实现锚护平行作全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 22 111 业。掘锚机主要是在掘进机基础上增加两部机载锚杆钻机,同时优化整体结构,实现一体化作业。图 2 掘进机 自移机尾的末段有液压泵站,液压缸实现机尾迈步前移与横移功能。三运机尾向前移动时,不再需要掘锚机后退拖拽机尾,自移机尾自带动力,可以自己迈步前移,为掘锚机节省时间,提高掘进效率。自移机尾后方增设锚杆机构,锚杆机构可以用于补打锚杆或锚索,减少人工操作,见图 3。图 3 自移机尾 补打锚杆机构安装在自移机尾上方,用于后方锚杆或锚索的补充施工,可有效减少人员搬运锚杆机带来的高强度劳动。整体与掘锚机锚杆部一致,保
209、证通用性,减少配件数量。单轨吊系统整体结构,见图 4,主要分为三大部分:(1)蓄电池单轨吊(2)锚杆机构(3)超前钻探装置 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 22 112 图 4 单轨吊系统 单轨吊采用防爆特殊型蓄电池单系统,以德标 I140E/I140V 工字钢为运输轨道,以车载防爆铅酸电池为动力源,与专用吊装设备配合,来完成井下材料、设备和人员等辅助运输任务,同时将超前钻机安装在设备前端,用于探水、探瓦斯,见图 5。锚杆钻机整机结构如图 6 所示。图 5 单轨吊系统 图 6 锚杆钻机 超前钻探装置钻臂通过承载连杆、调节油缸、推动油缸连接在起吊梁上,起吊梁上方加装两个
210、承载起制小车,用于进行制动刹车。2.智能化控制系统部分建设效果(1)掘进装备姿态监控与智能感知系统 整体基于惯性导航技术的掘进机定位技术。惯性导航技术是通过陀螺仪和加速度传感计测量掘进机的三轴角速度和三轴加速度信息,通过积分运算得到掘进机的姿态与位置信息,是一种不依赖外部信息的自主导航技术,见图 7。惯性导全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 22 113 航系统的无源特性特别符合在井下的使用要求,目前惯性导航系统在煤矿井下救援机器人、综采工作面直线度测量与控制中的研究与应用正得到国内外的广泛关注。图 7 掘进装备姿态监控与智能感知系统 对于掘进机位姿偏向位移的测量用激光指
211、向仪光斑检测系统和激光测距仪实现,主要分为数据获取和数据处理,见图 8。图 8 掘进机位姿偏向位移的测量原理图 掘进机可视化系统主要由数据采集设备、数据传输设备、核心控制设备三部分构成,见图 9。(2)掘进装备定形定向截割系统 基于断面自动截割成形控制运动学分析,提出了截割头空间位置坐标的检测方式,运用神经网络控制算法等建立掘进机定位断面自动切割控制系统,提出截割轨迹优化方法及工艺,提高掘进精度及效率。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 22 114 图 9 掘进机可视化系统示意图 掘进机的智能控制有掘进机行走部的智能路径跟踪和掘进机截割臂自动断面成形截割两部分。由此基于
212、三维重建数据、期望巷道模型和截割工艺,提出了一种基于有限状态机切换的高阶滑模控制方法,并设计了控制系统。采用云端-远程-本地三级运动控制架构,利用三维测量信息,实现截割导航与断面自动截割。利用惯性导航系统实时获取掘进机在空间巷道内位置关系,重建工作面作为三维地图。根据掘进机器人当前位姿,利用随机路图(PRM)方法,自动规划至截割面的运动轨迹。对于掘进机来说,巷道断面的截割环境是全局已知、局部未知的准静态环境,虽然截割过程中可能发生遇到夹矸的情况,需要基于多参数对夹矸位置及截割臂的位置进行描述,但是轨迹规划是要针对掘进机的整体截割工艺流程及断面进行设计,因此采用栅格地图作为掘进机的环境建模模型,
213、并基于该地图对截割轨迹进行规划。(3)掘进系统协同控制及远程遥控系统 掘进系统协同控制及远程遥控技术主要包含四个系统,分别为掘进机智能控制系统、掘进机远程可视化系统、掘进机人员定位系统、掘进机集控系统。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 22 115 掘进机智能控制系统 掘进机智能控制系统主要包括数据采集与传输单元、智能截割单元、远程控制单元。掘进机远程控制系统 掘进机远程控制系统立足于新型机械产品技术领域,面向工程机械装备制造产业,将煤炭巷道掘进技术升级换代,解决现有煤巷掘进带来的管理、安全、环保、效率等一系列问题。系统针对巷道工作面进行研究,以一种具有实时性的掘进机机
214、身位姿参数测量系统作为基础,提出悬臂式掘进机智能远程控制方案,研究一种新型实用的掘进机智能远程控制系统,能够长期适用于现场恶劣的采掘环境,让司机远离粉尘和现场危险地段,改善操作人员的工作环境,减少人员伤害事故,提高掘进作业的安全性。多机协同控制系统 掘进设备的电控系统实现对设备上多电机的复合逻辑控制和保护、电磁阀控制和比例调节、传感器数据采集、远程遥控、图形显示、人机交互等功能。各设备电控系统通过无线通信装置、机载分站 5G 模组与矿方 5G 基站完成通讯,进行数据双向交互,实现高效快速掘进系统的协同控制,见图 10。图 10 多机协同控制系统(3)智能瓦斯抽放钻机远程集中控制系统 智能瓦斯抽
215、放钻机远程集中控制系统以用户为中心,遵循安全、生产与经营管理业务线,基于私有云&公有云搭建的混合云云计算平台基础,提供云平台全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 22 116 IaaS、PaaS、SaaS 产品服务,围绕监测实时化、控制自动化、管理信息化、业务流转自动化、知识模型化、决策智能化目标进行相应业务应用设计,提供煤矿智能化控制门户、智能监控、安全生产管理、精细化运营管理、四维时空数字化服务和智能决策支持服务,实现煤矿抽采智能管控。地面远程集中控制系统(图 11)由矿端地面智能控制站、云端地面智能控制站和移动端智能监视站组成,通过显示屏结合混合现实和操作杆力反馈等技
216、术实现对井下设备的远程操控,达到亲临现场操作的感觉。其中,矿端智能控制站通过模块化设计的嵌入式软件,支持多种远程通讯模式及主流工业总线,采用多项技术提高系统远程通讯的可靠性,自诊断能力强,能监视主要硬件和软件的工作状态,并通过有线或无线方式传送数据,实现设备的远程监控和故障诊断、故障保护、故障记录等功能。图 11 地面远程集中控制系统(4)智能化钻机 智能钻机(图 12、13、14)采用 73*1000mm 规格的钻杆,设计钻孔深度300m,一次钻杆箱装载 300 根,钻杆净重大于 6t;倾角和方位角可自由调整;整体采用主机钻车和钻杆车分离方式。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘
217、进 案例 22 117 图 12 智能化钻机 图 13 主机钻车结构示意图 图 14 钻杆车结构示意图(5)钻孔轨迹测量系统 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 22 118 利用地面空间位置测量的成熟技术,以及基于高精度姿态检测传感器模块获取钻孔轨迹,利用成熟的无线通讯技术,实现钻孔轨迹测量系统,实现钻孔轨迹随机记录,开孔角度实时测量。钻孔内的无磁探管将数据无线传输至现场测量主机上,在测量主机上可以查看、存储、查询所获取的钻孔三维轨迹及其相关参数,钻孔轨迹测量装置配套智能化抽采钻机,协作开孔姿态角度调整、获知瓦斯抽放钻孔施工中位置偏差,在保障煤矿生产安全方面发挥积极作用
218、。(6)瓦斯抽采钻孔群质量评价系统 瓦斯抽采钻孔群质量评价系统(图 15)能够将钻孔数据显示为二维及三维图,并能够形成 Excel 数据报表,图形轨迹能够保存为 CAD 格式。计算机软件能够展示钻孔群的设计及实钻轨迹,形成二维及三维图形;实现钻孔质量评价数据化、对钻孔和钻孔群进行有效性评价,实测钻孔与设计钻孔比较分析、钻孔质量评价标准化和输出钻孔竣工图。其评价结果可以指导和修正钻孔施工开孔参数,修正区域或局部钻孔设计方案,从技术手段上和根本上解决打钻空白带问题,有效解决由于打钻不到位而引起的煤与瓦斯突出、瓦斯超限、瓦斯爆炸等重大煤矿安全生产问题。图 15 瓦斯抽采钻孔群质量评价系统 二、技术特
219、点及先进性 1.5G+掘进控制技术 建设 5G 网络后与矿上现有网络形成清晰的组网架构、保障网络具备良好的性能;通过 5G 模组在掘进机上的安装和改造,实现基于 5G 的远程低时延控制,见图 16、17。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 22 119 图 16 5G+掘进控制技术示意图 图 17 5G+智能掘进规划-远程智能控制技术 5G+掘进控制系统可实现井下环网达到 5 万兆带宽,且支持不更换设备的条件下,平滑升级至 10 万兆,在国内煤矿属领先水平;井下既建立了 5G 宽带网络,又建立了 NB 窄带网络,更加切合煤矿使用需要;全网交换机连接均可基于单、多模光纤或铜
220、介质,可按需要任意选择;网络采用环网结构,光纤网络中的任何位置发生一个断点事故均可在瞬间内完成链路通信的恢复;主要网络节点设备均有主备切换,单一节点故障不影响整个网络使用;全网基于统一、简洁的网络管理。同时,地面控制中心远程控制井下掘进机指令传输时延不超过 50ms;井下通过遥控器远程控制掘进机指令传输时延不超过 20ms;掘进机可通过地面控制中心实现远程一键启停。2.智能防卡钻技术 智能抽采钻机为提高钻机防卡钻自动化水平,增强防卡钻效果,结合现场施工经验,基于大数据专家库采用人工智能算法,建立以 PID 与信号选择器相结合的控制器,实现煤矿钻机自动防卡钻电液控制系统。该系统可实现回转动力的自
221、全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 22 120 适应变化,避免回转动力不足引发的卡钻,降低了系统能量损失。控制器实时监测回转压力信号,控制电液伺服阀阀芯运动,实现给进力的自适应变化;同时系统可根据回转压力自动判别卡钻程度,并自动采取相应的防卡钻措施,增强了防卡钻的效果。通过软件进行系统仿真试验,验证了自动防卡钻电液控制系统的可行性。在自动防卡钻电液控制系统中,PID 控制器用于回转压力的控制。控制器设定值为 16MPa,输入值为油压传感器实时反馈的回转压力值,偏差值为设定值减去输入值,PID 控制器以偏差值为输入信号,在对偏差进行比例、积分、微分运算后输出控制信号。当回
222、转压力超过设定值 16MPa 时,PID 控制器通过 3 种不同形式的控制作用消除系统偏差,抑制回转压力持续上升。3.机器视觉伺服控制技术。利用工业六轴机械手臂应用在煤矿井下,通过视觉伺服控制系统判断视野内是否有待抓取钻杆,对摄像机、目标和钻机的模型进行实时校准、实时跟踪空间目标并获取抓取目标的三维位姿信息,规划抓取路径,从而控制机械手臂对目标的准确抓取。三、智能化建设成效(一)提高劳动效率 受工综掘工作面掘进程序繁多的影响,并且锚护作业占用时间长的影响,严重影响采掘比例失调,我矿创新地采用多种装备协同同坐,并且采用多工序“分节拍”锚护方法,实现锚杆作业分散化,实现多位置锚护并行作业,大大提高
223、了巷道掘进的效率。同时综掘工作的施工均由人工改为机械化,并增加智能化控制系统,进一步提升了煤矿井下的安全性和智能化程度。相对于传统人工控制机械设备作业方式在效率上有了明显的提高,为矿区智能化探索与发展打下坚实基础。(二)加强安全保障,减轻劳动强度 为进一步提升智能化水平,我矿提出了井下 5G网络建设,实现智能掘进 5G+远程控制,不仅对煤矿提供强有力的无线通信网络保障,还可为井下移动音视频通话、井下传感器无线通信、移动机器人巡检、低延迟大型设备远程控制等应用全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能掘进 案例 22 121 场景提供优质的网络环境保障,为煤矿智能化建设提供更多无线化应用的可
224、能;光电缆及设备数量的减少,维护工作量下降;随着自动化和智能化系统的逐步增多,维护人员在原有基础上可维持不变甚至减少,不但提高了安全性,同时提高了作业效率、减轻了劳动强度。(三)精准施钻,为瓦斯治理提供更加强大有效的数据支撑 普通钻机施工过程中主要依靠人工经验调节钻进参数,操作人员操作技能参差不齐,钻孔施工时出现喷孔现象或瓦斯超限时,存在安全隐患;卡钻、掉钻事故频发,无法按照钻进工况及施工工艺自动调节钻进参数,进行自适应钻进。智能瓦斯抽采钻机根据抽采工艺所设定的技术参数,以及现场传感器传回的数据,实现抽放钻孔的自动钻进、退杆、自动装卸钻杆、自适应钻进调节等。系统采集了包括压力传感器、温度传感器
225、、位移传感器、编码器、接近开关、转速传感器、瓦斯传感器、一氧化碳传感器、流量传感器等传感器数据,实时监测钻机设备的数据(钻机的打孔轨迹、钻头压力、钻孔速度、钻孔深度、倾角度、钻杆箱现有杆数量、存取机器手臂位置),并且该数据通过网络上传到地面控制站,实时显示进退钻过程中的状态,再结合经验数据(推进压力、钻速、图像分析等)预防卡钻、喷钻。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 122 第三章 智能采煤 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 23 123 案例 23 保德煤矿基于 F5G 网络的采放协同工作面 主要完成单位:国能神东煤炭集团有限责任公司 一、主要建设内
226、容 结合国能神东煤炭公司保德煤矿 81309 综放工作面地质条件、装备进行研究,以智能煤矿为依托,建设智能控制平台、网络平台(F5G 网络、5G 网络),融合采放协同工艺、煤矸识别、智能放煤、自动找直、人员定位、机架安全联动、瓦斯安全联动等技术,最终为 81309 综放工作面提供一个智能化综放解决方案及应用实现。首先,在矿井规模部署 F5G 工业光网络,颠覆网络架构、将逐级汇聚的传统三级网络简化为一跳上井的新型二级网络。井上设备ORH(Optical Ring Head,光环网头端设备)提供多个万兆接口,井下设备ORE(Optical Ring End,光环网末端设备)支持上行万兆/下行千兆,
227、ORH 和ORE 之间连接采用 ORP(Optical Ring Passive,光环网无源设备),实现井下业务一跳到井上。创新性的与现有井下综合分站相融合,ORE 安装在综合分站,满足综合分站里人员定位、语音广播、温度及振动传感、视频监控等业务接入综合承载需求。此外,利用井下光缆资源,同一个光缆不同光纤,实现 1+1 芯(主备)光纤从井上机房直达综采面,通过 F5G 网络实现综采面的万兆视频专线。其次,通过搭载防爆视觉传感器,建设具有视觉巡检扫描与工作面建模功能的巡检机器人,实现回采工作面高精度三维动态地质模型实时调整;提出煤矸图像高效预处理与精准识别算法,开发适用于综放工作面高粉尘环境的长
228、效防尘、主动除尘的智能摄像头;研究煤矿煤矸的视频图像数据特点,通过卷积神经网络对样本图像数据进行半监督学习,提取煤、矸目标的视觉特征,建立起煤、矸目标对象的检测、识别模型;研究基于煤矿煤矸特点的振动传感频率与时域能量分布特点,通过试验给出合理的煤矸识别频率区间;形成基于振动、视频信号的煤矸识别,实现综放开采智能化控制;最后在胶带输送机机尾全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 23 124 安设灰分仪,实现放煤效果的实时检验。在上述智能化项目建设的基础上,建立自动化放煤模式下的多放煤口协同冒放理论,建立采放协调智能放煤算法及工艺模型,开发采放协调综放工作面的智能放煤决策算法,
229、开发透明开采智能综放控制系统软件,形成透明开采智能综放控制系统,最终实现“智能采放、远程干预”。二、技术特点及先进性 1.F5G 工业光网络采用两层网络架构,全光工业网终端万兆上联,一跳上井,支持视频传输网、远程控制网、安全监控网、人员定位网等系统的业务统一接入的智能化传输高速低时延通道。2.采用先进的 LASC 高精度三维惯导系统对采煤机进行定位,不受粉尘、光照等因素干扰,能够自主全天候获取采煤机实时姿态,全工作面通过推移控制逻辑阀基于提出的“一刀检测、一刀找直”的方案实现支架自动高精度找直控制。3.应用智能煤矿云网融合技术,建设井下 5G 移动网络、高速固网快速接入云平台,实现策略统一调度
230、,资源高效访问,提升综放系统调度和指挥的效率。4.通过研究磁探伤技术,实时对刮板机的断链情况进行监测,同时融合工作面三机设备的健康状态监测、采煤机及三机的集中定点润滑系统,为工作面设备健康运行保驾护航。5.巡检装置具备搭载高清摄像仪、红外热成像摄像仪、三维激光扫描雷达、位置检测系统、通讯系统的功能,结合轨道系统实现跟机同行走、同步高清视频和高清红外视频拍摄、工作面三维激光扫描建模,为构建三维透明工作面提供基础数据。6.开发适用于综放工作面高粉尘环境的采集频率大于 20 帧/s,COMS 传感器靶面尺寸 2/3 英寸的智能摄像头,开发煤矸图像高效预处理与精准识别算法,同时基于煤矸灰度图像特征实现
231、煤矸识别。7.开发高频采集振动传感器,通过研究煤矸冲击振动信号的预处理与分析方法,获得能够表征放煤过程的特征参量及其识别算法。8.解决智能化采放协调控制机理与方法的科学问题,建立自动化放煤模式下全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 23 125 的多放煤口协同冒放理论,建立采放协调智能放煤算法及工艺模型,开发采放协调综放工作面的智能放煤决策算法。通过创造性的结合多种智能控制算法,实现对采煤机智能放煤控制,实现综放工作面的“智能采放、少人干预”,最终将保德煤矿 81309 工作面建成高级智能化综放工作面,并在行业内推广应用。三、智能化建设成效 通过一年多的系统建设,保德煤矿
232、F5G 网络优势初步显现,在行业内首次将现有综合分站和 ORE 设备融合集成,实现了矿井现有通信网络的平滑升级,为矿井生产数据上传、视频流等数据提供了高可靠、大链接、低延时的重要保障。81309 综放工作面已实现采煤机记忆割煤、自主导航、自动喷雾,液压支架实现了自动跟机拉架、自动收打互帮、自动推溜和采煤机的协同作业,三机已实现远程控制和一键启动,地面和井下监控中心已具备实时监控和远程操作,工作面已实现 5G 网络全覆盖;初步实现了自动放煤,已完成按时间放煤和记忆放煤的控制逻辑,并且达到放煤与后部刮板运输机的智能联动;完成了自动找直功能验证,lasc 系统的调试,实现每刀后的数据准确生成率;完成
233、工作面三维智能巡检机器人的安装与调试,为透明开采和采煤机远程控制奠定了坚实基础;实现了前、后部运输机机头大块煤的视频识别、采煤机滚筒、护帮板回收状态的视频识别、人员进入危险区域的视频识别和预警;采用UWB的定位系统,实现人员接近防护、人员轨迹、采煤机轨迹的数据查询。目前 81309 智能化综放工作面单班作业人数由原来的 13 人减少为单班 7 人常态化作业。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 24 126 案例 24 金凤煤矿透明化综采工作面 主要完成单位:国家能源集团宁夏煤业有限责任公司 一、主要建设内容 煤矿智能化建设指南(2021 年版)中智能采煤系统架设内容为根据
234、煤层赋存条件、工作面设计参数、产能指标等要求,建设不同模式的智能化采煤工作面:薄煤层和中厚煤层智能化少人开采模式、大采高工作面人机环智能耦合高效综采模式、放顶煤工作面智能化操控割煤+人工干预辅助放煤模式、复杂条件智能化+机械化开采模式。其中,条件适宜的薄及中厚煤层实现智能化少人开采,逐步推广应用采煤机自适应截割、液压支架自适应支护、智能放顶煤、刮板输送机智能运输、智能供液、综采设备群智能协同控制等技术。鼓励条件适宜的工作面应用基于地质模型的智能化开采实践。国家能源集团宁夏煤业有限责任公司金凤煤矿在建设透明开采工作面之前,所有自动化工作面采用采煤机记忆截割+液压支架自动跟机移架模式,作面采用SA
235、M 综采自动化控制系统,通过融合采煤机智能记忆割煤控制,液压支架跟随采煤机自动移架支护、推移刮板输送机控制,工作面设备可视化视频监控,无线以太网数据传输,基于惯性导航技术的工作面自动找直控制、综采设备集中控制等功能,建立综采成套装备自动化控制系统,实现在工作面监控中心和地面调度中心对工作面设备进行自动化监测控制。金凤煤矿 011815 工作面位于金凤煤矿一分区,回采煤层为 18 煤,采用综合机械化一次采全高,走向长壁后退式采煤方法,全部垮落法管理煤层顶板。工作面走向长度 838.2m,倾向长度 288.36m,煤层厚度 2.8-3.4m,平均厚度 3.1m,煤层倾角 216,平均倾角 9,01
236、1815 工作面回风巷、机巷、切眼掘进期间共计揭露断层 9 条,全部为正断层,可采范围内为 9 条,工作面采高为 3.40m。金凤煤矿 011815 透明化综采工作面采用钻孔雷达勘探、槽波勘探等技术进行工作面精确建模,结合矿井原有地质、钻孔、三维地震等资料,开展三维地震全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 24 127 数据解释。利用地震多属性数据综合解释研究区的断裂系统,精细刻画断层、裂缝及裂隙的形态和展布;利用三维地震高精度反演技术预测煤系地层包括煤岩在内的各岩层厚度及其展布状况。融合断裂系统、煤系地层解释成果数据,构建开采区地质模型,为智能开采的透明工作面构建提供参考
237、和基础数据。011815 工作面建模全局视角如图 1。图 1 011815 工作面建模全局视角 金凤煤矿 011815 透明化工作面是构建面向煤矿智能开采的综采工作面高精度三维动态地质模型,建立数字孪生工作面,并实现模型的动态修正。研究面向智能开采的工作面及巷道成套开采装备实时数据驱动的三维模型构建技术,在开采工作面复杂条件下,实现移动设备的空间绝对位置快速测定方法。研究基于“透明工作面”地质模型的割煤基线实时生成技术、基于“透明工作面”地质模型的工作面直线度基线实时生成技术研究、基于“透明工作面”地质模型的工作面俯仰采控制基线实时生成技术,提供给控制系统下一刀截割模板数据,指导采煤机、液压支
238、架等设备的自适应开采。最终形成三维可视乎智能开采管控平台,实现对综采设备及地质模型的动态可视化管控功能。数字孪生控制界面如图 2。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 24 128 图 2 数字孪生控制界面 通过项目的研究,形成透明化工作面核心技术和主要平台实现国产化,形成了透明化自适应智能开采成套技术,初步实现“基于大地坐标的自适应智能采煤”目标,确保在装备智能化的基础上,实现智能开采的地表或远程“决策在线化,控制协同化”,为煤矿工人变为采矿员,最终实现少人或无人采煤奠定坚实的高科技基础。二、技术特点及先进性 金凤煤矿 011815 工作面构建工作面模型的过程中采用法国斯
239、伦贝谢 Petrel地震解释与测井软件技术,开展三维地震数据精细解释工作,技术包括三维地震数据的叠前偏移处理、三维地震数据的加密解释,同时利用地震波运动学和动力学信息进行三维地震数据的动态解释。该方法的核心技术就是基于贝叶斯判别的马尔可夫链蒙特卡洛地质统计学反演。这种反演方法有别于一般的确定性反演和普通地质统计学反演,充分利用了地质信息、地震信息、岩石物理信息,通过对其进行充分融合,得到高分辨率地质模型。具体工作如下:1.开展三维地震数据和钻孔数据的质量控制分析工作,进行该煤层解释的可行性分析,主要包括钻孔数据评价和地震数据频谱分析;2.以岩石物理分析为基础,利用钻孔与地震标定建立三维地震数据
240、与钻孔数据的联系,进而开展叠后反演工作;3.结合反演成果和地震相干、曲率等属性,开展煤层三维立体精细解释;全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 24 129 4.结合区域内煤层以及顶底板岩性和厚度特点,开展高分辨的叠后地质统计学反演。该反演可以精细的刻画煤层厚度及顶底板厚度与岩性,对于煤系地层解释构造成果分辨率远高于常规地震解释;5.分析钻孔、地震、地质资料对地质模型精度的影响,利用断裂系统、煤系地层岩性及厚度等成果数据,对开采区内煤系地层进行精细地质建模,重点解决开采区内各种类型断层和煤层、地层的一体化快速建模。金凤煤矿透明开采工作面率先提出基于三维透明化工作面的智能开采
241、控制技术,基于历史和最新的钻探、地震、生产、煤岩层探测等数据,自动构建“透明工作面”地质模型;综合采用数字化、信息化、网络技术构建工作面的智能开采系统,与“透明工作面”的三维信息充分融合,实现自适应的割煤和设备的连续推进,保障工作面的连续生产。平台配套复杂煤层条件的智能化开采成套装备,引领该领域研究发展方向,项目整体达到国际领先技术水平,形成煤矿智能开采的成套技术体系,适用于同等煤矿煤层赋存条件,全面提升煤炭行业开采水平和安全保障能力。三、智能化建设成效 金凤煤矿在建设 011815 透明开采工作面过程中构建了基于 GIS 的透明化工作面智能开采与安全管控平台,建立了高精度的透明化工作面地质模
242、型,利用 5G技术集成工作面成套装备和人员的实时数据、惯导系统定位信息,利用人工测量及传感器实时数据动态修正工作面地质体和煤岩层数据模型,为工作面控制系统提供采煤截割线、直线度基线、俯仰采基线,指导工作面装备在复杂地质条件下的少人或无人自适应开采,为工作面实现煤矿智能开采的提供了必要的基础条件。本工作面研究最终实现少人或无人开采,建立了基于网络技术的远程可视化管控,构建了透明化工作面和数字孪生系统,提供可视化的三维交互式操作平台,实现对井上下工作环境、机电设备和矿体的实时控制和决策,为操作人员提供了重要的辅助决策依据。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 25 130 案例
243、 25 华宁煤矿一次采全高智能化工作面 主要完成单位:山西华宁焦煤有限责任公司 一、主要建设内容 山西华宁焦煤有限责任公司(以下简称“华宁公司”)在智能化发展方面始终以坚持“机械化换人、自动化减人、智能化作业”的发展理念,围绕“安全、高效、绿色、智能”的创新发展理念,以“信息化、数字化、网络化、智能化”为手段,坚持管理创新与合作创新。2019 年,建成 6.3m 大采高智能化工作面,达到了设备就地、集中、远程三级网络管理,大大降低作业人员劳动强度,减少了现场作业人员数量,提高了作业安全性和工作效率,全员日工效达到 145.8 吨/人,综采队劳动组织由“三八制”调整为“四六制”,取消了夜班生产,
244、实现了一周双休和法定节假日休假。根据国家发展改革委、国家能源局等八部委关于加快煤矿智能化发展的指导意见 和国家能源局全国煤矿智能化建设现场推进会精神,山西省市场监督管理局发布了智能煤矿建设规范,其中提出了多项煤矿智能化建设的发展方向和建设原则。为响应号召和严格落实集团公司要求,围绕“安全、绿色、高效、智能”主攻方向,坚持“机械化换人、信息化减人、智能化少人”的发展理念,以引领行业智能化发展方向,建设世界一流能源企业为目标,华宁公司坚持管理创新与合作创新,加大智能化关键技术攻关与工程实践力度,坚持“前瞻性、先进性、可靠性、实用性、开放性”的原则,吸收国内外成熟、先进的智能化技术,致力于智能化建设
245、。二、技术特点及先进性 以党建为引领,高起点、高标准、高质量推进,全力打造中煤集团一次采全高智能化综采工作面的精品工程、示范工程、标杆工程。实施过程中完成智能化技术改造 31 项,总结各项成果 80 余项,打造“两巷五线两齐一色、工作面九线一齐一色”(图 1、图 2)的工作理念,做到有标准、有考核、有验收,坚持从全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 25 131 每个细小环节抓起,做到工程“安装一段、达标一段、验收一段”,打造了 22109、22106、22111 智能化工作面安装精品工程。图 1 工作面两巷“五线、两齐、一色”图 2 工作面“九线一齐一色”(一)工作面人员
246、精准定位 工作面人员精准定位系统具有工作面“人机环”闭锁联动功能,能准确的根据不同工种人员在工作面的具体位置和设备的安全距离有效的对设备进行闭锁。(二)皮带机尾自移 皮带机自移机尾自移实现了高产高效工作面顺槽转载机与带式输送机尾的快速推移和正确搭接,满足工作面高进度、快推进的需要,同时该装置具有胶带跑偏调整、调高、转载机推移方向校正和自行前移等功能,保证顺槽转载的通畅和衔接。由 8 个两位两通阀分别控制在四个调平缸、两个推移缸,四个侧移缸和两个调高缸上,各油缸以高压乳化液为动力,液压系统工作压力不低于 20MPa,而且在四个调平缸进液回路(升起机架)设有液压单向阀,以保证机架维持所要求的状态,
247、而不至导致机架在自重压力下自行下落。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 25 132(三)割三角煤工艺及自移架 整个工作面采煤机割煤过程轨迹呈现 z 字形,先行采煤机割透整个工作面,然后由液压支架推行形成三角煤弯曲段,采煤机斜切进刀,然后回刀吃掉三角煤,完成完整一刀的采煤过程;液压支架跟随采煤机位置进行跟机作业,采用提前过架支撑,实现三角煤割煤过程中的超前支护,采煤机到达指定位置后等待支架动作完成信号,采煤机接收到支架完成信号后进行下一步指令,建立闭环的控制系统。(四)前部刮板运输机机尾自动张紧 自动张紧系统的工作原理为根据压力传感器所采集的数据判断伸出阀或者收缩阀的动作
248、。其中,液压泵站为整个系统的动力源,伸出阀和收缩阀为整个系统的执行机构,通过其液压缸的收缩和伸出来控制伸缩机尾的收缩和伸出。为保证系统的稳定运行,当乳化液压力超过限值时,减压阀动作以达到减压的目的。(五)支架防碰撞 采煤机记忆切割模式运行时,通过机器视觉方式及传感器检测方式相结合,对液压支架侧护板收缩情况进行感知,液压支架侧护板距离采煤机前滚筒 5 架时采煤机正常速度运行,距离 3 架时采煤机减速 50%,距离 2 架时采煤机停止运行。(六)煤量自动监测 通过煤量扫描仪对通过刮板输送机和转载机的煤量进行扫描,通过对采煤机采高、行走速度、截深、电流、刮板输送机电流、电压、运行速度等数据采集和分析
249、,实现刮板输送机实时煤量的计算,实时掌握刮板输送机的煤量数据,为刮板输送机运行过程中根据煤量自动调速提供数据基础。(七)采煤机倾角传感器改进 将倾角传感器从油缸位置改进到采煤机机械摇臂,通过在采煤机机械摇臂上安装高精度的倾角传感器,能够及时准确检测机械摇臂的横滚角和俯仰角的动作信号,并通过数字方式,将监测到的摇臂角度数据,传送至操作系统,以便操作人员及时调整设备姿态。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 25 133(八)安全监控智能联动 实时监测综采工作面运、回上隅角、采煤机周围瓦斯浓度,将瓦斯浓度上传至采煤机综合控制平台,控制平台根据瓦斯浓度控制采煤机的运行速度。三、智
250、能化建设成效(一)工效大幅提升,推行正规循环作业 一次采全高智能化开采设备的应用极大提高了劳动生产率,劳动组织由放顶煤开采时“三八制”调整为“四六制”,取消了夜班生产,并且实现了一周双休,原煤回采工效提升了 46.4%,日工效达到 145.8 吨/人,实现了“少时则安”的目标。(二)减轻劳动强度,实现安全高效生产 一是一次采全高工作面相比放顶煤工作面减少了放煤工序,且通风断面增大,上隅角瓦斯得到有效管理;二是增设跟机自动化喷雾系统,有效降低了工作面煤尘;三是沿顶、底板回采,回采期间顶板更加稳定可靠,安全系数进一步提升。四是通过在地面控制中心或顺槽控制中心操控采煤作业,将工人从艰苦的环境中解放出
251、来,从高强度体力劳动中解放出来,大幅度的降低了员工的劳动强度,保护从业人员安全健康。(三)推进智能生产,实现减员增效 通过一次采全高智能化设备的应用,实现了在调度指挥中心、井下专用操作集控室即可实时监控、操作设备运行,进入割煤、拉架等自动化生产流程,直接减少生产环节流程及现场作业人员,实现了本质安全。综采队由原放顶煤期间的定员 124 人减至 87 人,生产班期间,集控室操作工 1 人,采煤机巡视工 1 人,支架巡视工 2 人,三机巡视工 1 人,胶带机巡视工 1 人,初步达到了减人效果。(四)提高资源回收,增加企业经济效益 一是工作面回采率由放顶煤时 93%提升至 97%,增加 4%。多回收
252、煤炭资源11.1 万吨,按照全年预算煤炭价格 893 元/吨,将增加收入 9 900 万元;二是精煤回收率由放顶煤时 65%提升至 73%,提升 8%,精煤回收增加 21 万吨,按照全年预算精煤价格 1223 元/吨,将增加收入 2.56 亿元;三是矸石排放量减小,降低矸石排放费用。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 26 134 案例 26 纳林河二号煤矿基于地质融合惯导的智能综采系统 主要完成单位:中煤西北能源化工集团有限公司 一、主要建设内容(一)煤机路径规划 实现目标数据的刀数根据目标数据与现工作面数据对比确定,通过路径规划可实现工作面的平稳推进,当路径规划完毕后
253、,艾柯夫采煤机在固定位置或启机位置向 IFC 系统发出数据请求,IFC 系统会将系统规划好的每一刀数据通过Ethernet/IP 协议下发给煤机,至此便完成了煤机的路径规划割煤。在割煤过程中,煤机根据各支架处的规划数据结合煤机数据状态表,驱动煤机在工作面的各触发点执行相应指令,完成对煤层的路径规划切割。为了使割煤顺利进行,煤机在运动过程中会根据复杂的地质条件使用相应的传感器对煤机本身的动作和姿态作相应调整。割煤过程中,煤机因底板的变化产生横向或纵向倾斜时,煤机通过自身的倾角传感器进行倾角补偿,防止卧刀或漂刀,使煤机保持在合理状态。由于地质条件复杂多变,煤机运行的速度也会受到影响,集控台岗位工通
254、过视频观察截割摇臂的抖动情况,在不影响自动化情况下对采煤机进行远程降速,实现煤机自动截割。(二)三维建模 工控平台上位机可根据陀螺仪获取的当前工作面数据与目标刀数据进行三维建模,从而形成“三维数据模型”,在割煤过程中,marco 可通过读取煤机实时数据和陀螺仪反馈的煤机实时数据进行割煤。所有卧底量、提刀量、采高可通过 marcoifc 平台算法结合规划路径实现;在煤机司机跟机过程中,可根据实际割煤情况,通过支架控制器适当调整下一刀或后几刀的局部数据,从而生成新的三维模型。并且三维模型具有纠错功能,以保证工作面平稳推进。(三)两巷超前支架自移 滑移支架自移:工作面胶运顺槽使用两组滑移支架进行超前
255、支护,当工作面全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 26 135 推移机头完毕后,触发滑移支架自动推移程序,第一组滑移支架控制器报警并进行自移,自移时,第一组支架 1、3 组立柱作降移升动作向前移动一个步距,之后,2、4 组立柱做出同样动作完成自移。当第一组移动完毕后,第二组滑移支架控制器开始报警并按照第一组滑移支架移动步骤完成自移。回风超前支架自移:工作面回风顺槽使用 4 台垛式支架进行超前支护,当工作面推移机尾完毕后,自动触发垛式支架自移程序第一台滑移支架控制器开始报警并进行自移,当第二次推移机尾完毕后,第二台垛式支架开始自移,然后第一台垛式支架再进行自移,以此类推。(
256、四)皮带自移机尾 当推移转载机触发推移油缸接近传感器后,皮带机尾自移系统通过配置电液控制器、跑偏传感器、立缸行程传感器、水平缸行程传感器、倾角传感器、实现自移机尾自动向前推移,并进行自动调平。(五)设备列车自移 设备列车自移包括轨道自移、板车自移、全自动自移,通过时间参数控制抱闸、驱动、推移等动作。该系统具备:就地控制、遥控器控制、集控室远程控制三种控制模式,同时在设备列车上配备视频监控系统,将实时画面传输至及集控室、地面调度中心进行整体监控,结合语音报警功能实现设备列车的智能自移。二、技术特点及先进性(一)“以架调溜”的自动调直方法 在回采时,上位机根据惯导与里程计的位姿检测系统形成刮板输送
257、机曲线和根据液压支架推移杆信息形成液压支架曲线,并根据刮板输送机曲线与液压支架曲线对比计算下一刀的液压支架推移补偿量,从而实现工作面自动调直,井下试验结果为工作面自动调直的最大直线度误差为 30cm,攻克了因少推溜导致采煤机割支架顶梁而无法上刀的难题,如图 1 所示。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 26 136 图 1 工作面自动调直流程(二)自动加刀和甩刀方法 针对工作面复杂煤层开采,提供一种自动化加刀和甩刀的工艺及系统,采用支架辅助的采煤系统,由采煤机、液压支架、刮板输送机组成,如图 2 所示。在割煤过程中,由于工作面的推进速度较快,出现的机头和机尾推进度不一致、
258、输送机上窜下滑等问题,通过及时安排加刀和甩刀整工作面推进方向和推进度,保证工作面支架齐直。图 2 智能化采煤自动加刀和甩刀的工艺示意图(三)自动摆底调技术 通过人工巡视的方式掌握工作面推进时运输机的窜动、架型和架间距情况,根据采煤工作面的实际情况,在集控中心上位机合理的选择支架摆底调功能和控制模式对支架进行连续调整,直至工作面运输机、支架架型符合安全生产标准化要求。(四)两巷超前支架与端头支架自动跟机移架技术 根据综采工作面现场实际情况,决定自动跟机移架推溜动作的执行顺序,采用成组推溜方式,从第 16 架开始推溜。工作面煤壁和顶板条件较好时,无严重片帮和冒顶时,执行先移架后推溜;工作面煤壁和顶
259、板条件较差,片帮和冒顶严全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 26 137 重时,工作面支架需全部拉超前架加强顶板和帮部支护,执行先推溜后拉架。通过工作面滑移支架和垛式支架,实现两巷支架按照预定模式向前自移。(五)液压支架远程智能化控制研究 在顺槽控制中心对综采工作面液压支架进行单动作和成组动作控制,结合采煤机位置,两巷超前架、端头支架和中间支架均可实现自动跟机移架。对液压支架实施自动控制;对系统参数进行修改或程序进行升级;实时记录液压支架的运行状态参数,根据人工操作的工艺和动作,对实时运行状态进行模拟显示,历史数据查询。(六)刮板输送机直线度精确检测技术 采用 RFID
260、射频,行程传感器实现工作面精确定位,以及辅助惯性导航技术修正的工作面精确定位技术,如图 3 所示。原理:采用 RFID 技术确定采煤机实时位置,通过编码器对由 RFID 技术确定采煤机位置校准工控平台推导出板运输机位置曲线,辅助以惯导技术对工作面刮板运输机位置曲线校准,实现工作面精确定位功能。图 3 工作面精确定位技术(七)工作面带式输送机自移机尾和纠偏技术 为了使皮带横向跑偏位移自动减少,防止皮带撕裂,同时提高效率和消除人员工作中的隐患和危险,提出了一种胶运顺槽皮带机尾横向跑偏自动调整方法,如图 4 所示,当跑偏传感器检测到皮带跑偏时,系统将尾端架的滑架收起,通过水平油缸将滑架沿跑偏方向推出
261、并得到的相应的补偿位移,之后将滑架落地并支全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 26 138 撑起尾端架,由水平缸推移滑座向偏移方向移动相应的补偿位移,皮带的跑偏位移与尾端架的补偿位移相互抵消,纠正皮带跑偏。整个过程都由系统根据传感器的反馈自动进行调节,提高效率并减少工作人员的危险程度。自移机尾调整跑偏传感器尾端架立缸抬升滑架跑偏水平缸推移滑架伸出立缸伸出抬起尾端架水平缸推移尾端架停止动作超程(大于200mm)行程传感器未超程(10mm-200mm)自移机尾调整结束未跑偏 图 3 胶运顺槽皮带机尾横向跑偏自动调整方法 三、智能化建设成效 随着程序及工艺的进一步测试优化,从开
262、始 3 小时 40 分钟割 2 刀煤,到稳定在 3 刀 3.5 小时完成,单班最大割煤刀数 7 刀。该智能化综采工作面实现了全工作面程序割煤和跟机自动化,普通综采工作面人工操作时,工作面正常作业人员至少需要 11 人,采用智能化回采后,工作面单班生产仅需要 5 人,煤机、支架巡视工 1 人、班长 1 人、机头、机尾巡检各 1 人、控制台需要 1 人,工作面人员主要是调整和监护设备运行,设备所有动作自动完成。项目的顺利实施,促进了煤矿开采技术的进步,探索了一条工作面智能化开采的路子,对探索中厚层工作面智能化开采的推广具有重大意义,同时也为解决蒙陕地区煤层具有冲击倾向性矿井地安全高效开采问题提供了
263、新思路。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 27 139 案例 27 王家岭煤矿智能化综放工作面 主要完成单位:中煤华晋集团有限公司 一、主要建设内容 以“智能放煤机理-智能放煤方法与工艺智能放煤控制技术-智能放煤系统装备-工程示范”为主线,基于厚煤层综放开采顶煤体破碎与冒放机理、采放协调控制机理与方法和放煤过程控制原理,研究了厚煤层协同智能放煤工艺决策、多模式融合的智能化放煤控制机理,并研发了智能协调控制关键技术与装备,建立智能综放工作面示范工程。先后经历 12309、12302、12313、12303、12315 和12316 六个工作面应用,提高综放工作面智能化水平
264、,达到减人提效增安的目的。主要建设内容如下所示:(一)采放机理研究 基于有限差分及颗粒流耦合数值方法,利用 FLAC3D 及 PFC3D 数值模拟平台,借助 Fish 语言编程,开发了以“随机自由落体-逐步伺服夯实”的耦合建模方法、“实时压力监控-支架自动增阻”的放煤支架全历程模拟方法、“煤矸动态识别-自主关窗判别”的放煤控制数值模拟方法为核心的采、放动态全历程一体化模拟技术,为后续综放开采基础理论的研究提供了技术支撑。依据采放协调工艺原理,确定了智能综放面割煤速度、放煤时间、不同位置放煤口数目,获得了综放工作面产能、时间协调关系。(二)大数据专家决策系统建设 鉴于设备采集的数据来自不同系统,
265、且不同系统间无论是结构还是数据收发方式都存在一定区别,数据结构也未有统一标准,因此大数据健康管理平台采集过程中需要对多元、多系统数据进行异构处理,形成统一的数据源和数据格式,便于系统分析和调用。案例采用 StreamSets 实现数据交换平台,外出系统外部数据源到结构化数据库的数据交换和同步。建立的大数据专家决策系统(如图 1 所示),实现对工作面设备数据的价值挖掘,系统具有故障诊断、预警、自学习等全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 27 140 功能,构建设备全生命周期健康监测模型,减少生产过程设备故障率,间接提高生产效率。图 1 大数据专家决策系统(三)井上下协同控制
266、系统建设 通过大量实践,综放工作面智能化开采技术研究与应用将采煤机控制系统、支架电液控制系统、工作面运输控制系统、三机通信控制系统、泵站控制系统及供电系统有机结合,实现对综合机械化综放工作面设备的协调管理与集中控制,如图 2 所示。采煤机以记忆割煤为主,人工远程干预为辅;液压支架以跟随采煤机自动序列(前端跟机开采、后端跟机放煤)动作为主,记忆放煤、多轮放煤、远程放煤控制为辅;综采运输设备实现集中自动化控制。本案例实现了集视频、语音、远程集中控制为一体综采工作面装备远程控制,实现工作面采煤机、刮板运输机和自动化放煤等设备的联动控制和关联闭锁等功能。图 2 井上下协同控制系统 主要工作经验如下所示
267、:1.建立“产-学-研”闭环技术发展模式。软硬件设备依托中煤集团装备制造优势保障设备稳定运行,各项技术依托中煤集团研究院技术支持推动生产工艺的全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 27 141 革新,“采放机理”、“自动放煤”等技术依托国内采矿智能院校重难点攻关。以生产应用为导向,推动智能化技术落地生根。2.建立以主要领导为核心的工作组,倒排时间节点,下发管理制度,稳步推定工作面智能化建设。制定智能化常态作业推进方案,针对使用率、应用效果等指标设置进阶性奖惩机制和后评价机制,持续提升智能化设备及系统的可靠、适用,把减员、提效、增安落到实处。3.建立技术反馈优化机制,依据生产
268、过程优化各项技术。例:惯性导航系统加装减振装置与后备电源,并增加数据维度,提高惯性导航系统精度与稳定性。二、技术特点及先进性 1.顶煤破碎及运移全历程模拟技术 传统的放顶煤模拟技术采用采、放单独工况进行计算,无法实现支架与围岩的耦合作用过程,本案例基于有限差分程序,开发了放顶煤液压支架工作阻力全历程模拟方法,获得了高水平应力条件下顶煤主应力驱动路径;结合工业 CT 扫描数据为基础,运用 Sobel 均值滤波及空域锐化算法,采用 Matlab 程序开发了原生裂隙三维重构方法,借助 PFC3D 程序,建立了裂隙煤体三维数值模型,基于顶煤应力边界条件,反演了其裂隙演化过程。2.采放协调智能放煤工艺及
269、方法方面 国内外关于采放协调工艺的研究多依据采放协调工艺原理,确定了智能综放面割煤速度、放煤时间、不同位置放煤口数目,获得了综放工作面产能、工序间的协调关系,而本案例在此基础上,建立了综放工作面煤机不同运行阶段割煤、移架、放煤等主要工序位置协调关系,为智能化综放工艺参数设计提供了依据。3.智能化放煤控制关键技术与装备方面 本案例基于煤矸振动信息特征,研制了煤矸识别传感器,设计了多元放煤控制功能模块;构建了高仿真度工作面三维虚拟现实与人员智能定位感知的智能化放煤辅助系统,实现了综放工作面智能化放煤全景展示。研发了顶煤精准预探测空间扫描技术、支架放煤机构尾梁、插板精准测量与整体姿态三维展示技术,建
270、立了支架放煤机构防碰撞模型,实现了厚煤层综放工作面放煤机构精准监测。研全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 27 142 发了一套基于放顶煤开采技术的惯性导航系统,实现了横滚、水平、俯仰三个方向精度均小于 50mm;基于 SparK 技术的 SVM 算法,有效解决了工作面综采设备无效数据的过滤和有效数据的提取,实现了对综采设备的工况数据的有效采集和分析。三、智能化建设成效 1.采煤工作面实现减人 30%,工效达 181 吨/工,达到了矿井减员提效的目的,同时将职工从操作工变为巡视工,并从危险的工作采场解放到相对安全的监控中心,在进一步节约了人工投入的同时,全面提高生产作业安
271、全性,。2.采用智能化综放技术后,生产能力较之前有明显的提升,年生产能力提高了 96 万 t/a。3.综放智能化综采技术的成功应用,标志着智能化技术在除薄煤层、中厚煤层以外,厚煤层综放工作面的全方面的应用,形成了覆盖智能化开采完备的示范工程体系,为行业、国家国家和煤炭行业推广智能化少人开采技术扫清了障碍。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 28 143 案例 28 转龙湾煤矿中厚超长千万吨级智能综采工作面 主要完成单位:山东能源兖矿能源集团股份有限公司 一、主要建设内容(一)项目背景及目标 1.项目背景 煤矿产业的快速发展引进了越来越多的现代化技术,而本身的开采技术也在不
272、断开发与完善,在“十三五”期间,我国的煤矿行业成功攻克了智能化开采技术难关,研发出综采成套智能控制系统,实现了无人现场操作的智能化开采作业。山东能源集团、兖矿能源集团和鄂尔多斯公司根据转龙湾煤矿中厚煤层占整个资源储量的 38%的实际情况,明确了实施中厚煤层智能高效开采战略思路,要求矿井在实现均衡生产、延长矿井年产 1000 万吨服务年限和中厚煤层智能化开采、提升矿井核心竞争力上“走在前、做表率”。2.项目目标(1)建设一个高产高效的中厚煤层超长智能化综采工作面。(2)培养一支能够熟练应用自动化采煤工艺、熟练掌握自动化系统设备使用标准的专业队伍。(3)培养一批素质高、能力强、精通自动化工作面系统
273、的专业技术人员。(4)探索一条可复制、可推广的高产高效中厚煤层自动化采煤工作面创建模式。(二)研究内容 本项目的研究重点包括液压支架自动跟机移架技术应用,采煤机程序化割煤技术应用,高链速刮板运输机、转载机技术应用,高链速刮板运输机自动张紧技术应用,工作面直线度检测及自动找直功能技术应用。完成综采智能化工作面工程示范应用,实现超长中厚煤层综采工作面高产高效及智能装备的稳定可靠。2022 年 4 月在转龙湾煤矿 23301 工作面建设完成(图 1),实现工作面设备全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 28 144 远程集控、视频监控功能,采煤机实现全工作面程序化自动割煤,割煤速
274、度平均15m/min,液压支架全面实现中部及三角煤自动跟机移架功能,跟机率达到100%。图 1 智能采煤工作面(三)工作经验 1.人员培训问题。重点解决矿管理人员认知问题,区队及技术人员认识问题,现场操作人员的熟练程度问题。一是根据自动化工作面建设工作的推进进度,适时组织相关专业理论培训,按层级分别对矿层面的管理技术人员、区队管理技术人员、区队岗位人员进行培训;二是根据不同层级制定培训内容,分别从自动化系统架构设计、自动化工作面各子系统功能原理、具体设备构成、设备安装标准、设备使用标准、设备检维修标准等方面进行不同层级管理和操作人员培训。进一步提高人员对系统的认识程度;三是培训以现场实际操作为
275、重点,开展系统维护、故障判断分析、维护重点培训,培训人员明确学习重点,逐步提高人员操作熟练性。2.人员协调问题。统筹协调矿管理人员、技术人员及区队实操人员,一方面解决由于安装调试期间两面正常生产,一面安装调试带来的人员短缺问题,另一方面确保管理、技术和实操人员不间断全流程参与自动化工作面建设,避免带来培训实践盲区,确保投产后三班连续性自动化生产。3.过程管控问题。每天组织自动化建设推进协调会,统计每天工作计划落实情况,研究解决自动化推进过程中遇到的问题,制定下一步工作计划,确保问题全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 28 145 得到及时有效解决。二、技术特点及先进性 根
276、据中厚煤层高产高效自动化采煤工作面总体工作要求,矿井从技术论证、工作面设计、装备配套、设备改造等各个方面开展创新研究。(一)液压支架方面 一是供液系统方面,为保障工作面液压系统整体供液压力和流量,泵站至工作面分别建立 3 路供液管路和回液管路,同时在工作面内布置 7 路供回液分支,形成“三进三回、五路分支”的供液系统,有效保障供液质量稳定可靠;二是程序优化方面,通过优化阻尼阀介入距离(由 300mm 改为 350mm),有效提高了液压支架自动找直的精准度;三是参数设置方面,通过优化液压支架自动跟机 61个关键参数,调整抬底和降抬底延迟时间等方法,实现支架动作的快准稳,单架移架时间全部控制在 9
277、s 以内,完全满足采煤机 15m/min 的截割速度,无丢架现象,图 2 所示。图 2 智能采煤电液控信息系统(二)三机控制方面 一是选用高链速和大功率刮板输送机和转载机,解决运输系统运量低、转载机入料口卡堵问题;二是升级刮板运输机机尾自动张紧系统,融入自动张紧控制算法,提升了刮板的精准监测和控制能力,实现链条自动张紧基于负载信息随动控制,形成更加符合现场的自动张紧功能;三是通过增加断链保护装置,有效降低了刮板运输机断链风险;四是配备工况监测系统和健康管理系统,通过对三机减速箱进行实时数据采集和分析,实现故障报警和关键零部件维护提醒功能,如图 3 所示。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年
278、)智能采煤 案例 28 146(三)采煤机方面 选用生产能力高(截割功率 610kW)、智能化功能全的采煤机,具备 8 种智能割煤工作模式。1.采煤机 图 3 智能采煤三机控制系统 通过采集采煤机在工作面不同位置的割煤速度和刮板运输机、转载机煤流淤煤次数,制定出符合现场实际的采煤机状态表,实现了煤流运输系统平稳运行。采煤机滚筒装配弧形挡煤罩,实现在工作面不同位置自动切换状态从而有效提升采煤机装煤效果,如图 4 所示。图 4 采煤机控制系统 2.LASC 自动找直 液压支架全部安装高精度行程传感器和液压阻尼阀,通过电液控系统与LASC 惯性导航系统无缝配合,有效实现精准的工作面自动调直功能。现场
279、采取4 刀循环(学习刀、下放刀、执行刀、效果刀)模式进行找直,经过不断调试,全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 28 147 达到了 420m 工作面最大偏差值 50mm、平直度 99.95%的找直效果,如图 5 所示。图 5 智能采煤系统自动找直 3.3D 可视化建设 利用工作面 3D 虚拟现实和实体仿真技术建立工作面模型,确定采煤机、液压支架几何尺寸,通过采煤机俯仰角度传感器及支架倾角传感器检测的数据,能够再现工作面的实际设备位置关系,实时反映工作面设备运行状态,从而辅助工作面生产管理,最终建成“面内少人巡视、顺槽远程干预”的智能化采煤工作面,实现面内 2 人生产,进
280、一步提高了生产工效,如图 6 所示。图 6 智能采煤系统 3D 实景仿真 三、智能化建设成效 23301 智能化工作面建设成功以来,已三班常态化运行 6 个月,工作面每天自动化割煤刀数最高 25 刀,日最高产量 4 万 t,工作面支架工由原来 4 人减为 1人,正常生产人数不超过 2 人,达到了减人增效的目的,满足矿井中厚煤层高产高效的生产要求,智能化水平达到国内外领先水平。相比常规综采工作面产量提全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 28 148 升 359%以上,即每天提升产量 3.13 万吨,按照吨煤利润 400 元,累计生产 6 个月计算,创效:3.13400306
281、=22.54 亿元。本项目各项指标均已达到国内外领先水平,在支架自动跟机移架,采煤机程序化截割、端头自动化、综采设备智能协同调速运行等主要技术指标方面优势明显,实现了全工作面综采设备智能化协同运行。成套的综采智能控制技术与装备等创新成果可在更多中厚煤层综采工作面进行推广应用。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 29 149 案例 29 黄陵一矿基于透明地质规划截割的智能开采系统 主要完成单位:陕西陕煤黄陵矿业有限公司 一、主要建设内容 黄陵矿业公司在实现传统记忆截割智能开采的基础上,另辟蹊径从基于透明地质模型建立、大数据精准决策平台、装备精准控制这个新思路进行探索攻关,开
282、展透明地质规划截割智能开采技术研究与实践。(一)关键技术及建设情况 1关键技术(1)综采工作面动态三维地质模型构建技术。利用多源数据融合系统,实现钻探、物探、测量数据的耦合分析。基于隐式迭代三维建模技术构建高精度多属性动态地质模型。通过规划截割系统对三维模型进行“CT”剖切,提供规划截割曲线。通过数字孪生系统,搭建三维虚拟场景配准地质与设备模型,将真实开采工况映射至赛博空间。(2)智能精准开采控制技术。通过流程管控、精准开采控制、自动化控制、规划参数控制等系统,根据规划截割模型控制采煤机自主完成截割高度、运行方向、运行速度、折返换向点的精准执行;液压支架自主完成中部与三角煤部分的规划控制精确跟
283、机、拉架、推溜,实现全工作面设备根据规划截割模型生产循环的自主执行。(3)综采大数据智能分析决策技术。根据透明地质模型“CT”切片、开采工艺、设备工况等数据分析决策出最优的生产信息,建立规划截割模型并传递至智能精准控制系统。通过大数据运营、地质数据分析、采煤工艺决策、采煤机规划、电液控规划等系统指导全工作面设备自主规划截割。2建设情况 2020 年 3 月在黄陵矿业一号煤矿 810 工作面实施,4 月完成巷道测量、槽波地震勘探、钻孔探测,构建了工作面三级静态模型。2020 年 5 月进入工业性试全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 29 150 验阶段,8 月项目通过陕煤股
284、份公司组织的专家验收。二、技术特点及先进性(一)技术特点 1.研发了隐式迭代算法的三维建模技术,构建了综采工作面高精度地质模型。(1)提出了以综采工作面为研究对象的综合探测与分析方法,包括煤层厚度统计分析、煤层厚度变异系数分析、煤层倾角变化分析、煤层厚度变化趋势分析、地质异常体分析,准确预测工作面内异常构造体,为智能开采提供地质保障。(2)基于地质写实、钻孔雷达探测、槽波地震勘探收集数据,进行数据分析,构建综采工作面静态地质模型(图 1)。图 1 建模数据来源(3)研发了隐式迭代建模、动态更新算法,通过开采过程中采煤机采高、惯性导航俯仰角等监测数据,实现对静态地质模型的动态更新,更新后模型精度
285、误差 150mm 以内(图 2、图 3)。图 2 更新后的模型图 图 3 更新后的模型分析结果图 2.首创了一套可“预测、预判、预控”的综采大数据智能决策平台,实现大数据技术在生产决策中的应用。(1)研发了基于地质模型对综采设备智能精准控制和空间感知的大数据分全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 29 151 析、决策应用平台(图 4)。搭建高性能大数据集群设备,构建针对综采工作面地质、设备和感知数据的高可靠、高通量、高运算量、高精准度的大数据分析决策平台。开展大数据融合、模型数字化、分析决策、机器学习等技术研究,实现对地质模型、综采设备、空间感知的海量数据融合应用、自主分
286、析和精准决策。图 4 大数据智能分析决策平台(2)开发了 IMS-P 智慧矿山综采智能化管控系统平台(图 5),对透明地质模型与综采设备进行坐标统一和相对坐标传递。应用惯性导航技术,实时测量刮板输送机的直线度和采煤机在三轴方向的位移变化,为工作面自动找直和精准定位提供技术依据。应用激光雷达测距技术,实时监测运输机机头和机尾距两巷煤帮的距离,得出工作面整体姿态(进尺、上窜下滑量),为工作面调整的精准控制提供决策依据。扫描识别两巷安装的雷达反射板,实时监测工作面推进度,实现综采设备在透明地质模型中的精准导航和定位。图 5 智慧矿山综采智能化管控系统平台(3)设计了一种集聚合、插值、补偿、无界流的机
287、器学习算法,实现对综采工作面规划截割模型的决策优化和透明地质模型的动态更新修正(图 6)。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 29 152 图 6 地质模型的动态更新修正 3.首创了基于“CT”切片技术的精准控制方法,实现工作面无人开采。(1)构建了智能化综采工作面精准控制中心,研发了精准控制系统(图 7)。图 7 综采工作面精准控制中心(2)研发了基于透明地质模型的“CT”切片技术,生成规划截割模型(图8)。图 8 地质模型“CT”切片技术(3)设计了一套拟人化的自主规划截割开采工艺,形成采煤机 22 道规划截全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 2
288、9 153 割工艺和液压支架 14 道规划控制工艺(图 9)。图 9 规划截割工艺和规划控制工艺(4)创新了全工作面无人干预规划截割的生产模式,实现了无人化开采(图10)。图 10 全工作面规划截割生产模式(二)实现的主要功能 1.实现了精准控制中心对工作面设备的工况监测与远程控制功能,并可以按照逆煤流顺序“规划”启停。2.实现了利用隐式迭代建模、动态更新算法等技术对工作面静态三维地质模型的动态更新。3.实现了利用“CT”切片技术生成规划切割曲线功能,切割曲线包括有等间距网格点的煤厚、顶底板倾角、俯仰角等信息;并根据反馈的当前工作面切眼实际位置,自动生成之后 10 刀的规划曲线。4.实现了根据
289、透明地质模型和综采设备的工况监测数据和开采工艺,利用大全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 29 154 数据机器学习、数据聚合、插值、补偿、无界流等算法对规划截割模型进行实时修正,形成高精度的规划截割模型。5.利用惯性导航技术、雷达测距技术和大数据算法,实现综采工作面在三维地质模型中的精准导航、定位和工作面自动找直。6.利用雷达测距技术,可以测量运输机机头机尾距两侧巷帮的距离,大数据中心利用实时测量数据,提示进行上窜下滑控制。7.实现了利用数字孪生系统,对工作面主要设备以及虚拟巷道进行实时展示。(三)技术优势及推广应用情况 该技术首次实现大数据分析决策技术在煤矿综采作业中
290、的应用,增加了智能控制系统的“自动分析、提前预测和自主控制”功能,全面提升智能开采技术在复杂地质条件下的自适应调整能力,具有很强的推广应用价值,同时也为高科技技术在煤矿生产决策中的深度应用进行了有益探索。该技术的成功实践,实现了由传统的记忆截割向三维空间感知、智能规划和自主截割的技术跨越,带动了我国在煤机装备自动化、智能化方面的整体技术进步,为建设大型现代化矿井提供了保障,有力的推动了我国煤炭工业的转型升级。三、智能化建设成效 1.该技术的成功应用后,工作面实现了无人开采,彻底将工作面巡检人员和远程监控员解放出来,减人增效成绩显著。2.生产过程中大大减少了干预控制和调整作业时间,生产效率提升约
291、 30左右。3.实现了由传统的记忆截割向三维空间感知、智能规划和自主截割的技术跨越,全面提升智能开采技术在复杂地质条件下的自适应调整能力,对推动煤炭行业智能化开采技术进步具有重要意义。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 30 155 案例 30 新巨龙煤矿智能化采煤工作面 主要完成单位:山东能源鲁西矿业有限公司 一、主要建设内容 2020 年 11 月初,以 6305 智能化采煤工作面为建设重点,成立领导小组,抽调机电运输、生产技术以及基层单位骨干人员,组建技术攻关、安装调试、现场施工“三个专班”,并组织相关部门至先进智能化煤矿进行多次调研、论证,结合采场条件,按照“重型
292、化、智能化、引领性、可靠性”的选型目标,对液压支架、采煤机、刮板运输机、顺槽带式输送机等设备进行全面升级,6305 智能化工作面记忆截割、跟机移架、自动割三角煤实现了常态化运行。聚焦装备升级、管理提升、科学治灾三条主线,凝心聚力、合力攻坚、全速推进 6305 智能化工作面建设步伐。1.液压支架重型化,促进支护强度提升 工作面液压支架工作阻力由 15000kN 升级为 18000kN(图 1),支护强度由1.49MPa 提高至 1.7MPa,立柱、千斤顶采用激光熔覆、镀铜锡合金等防腐工艺,应用 5 级精密过滤水处理装置,消除乳化液配比用水中的杂质,为工作面提供高质量的纯净“血液”。2.采煤机高功
293、化,促进截割效率提升 采煤机由 MG620/1540-WD 型升级为 MG900/2400-WD 型(图 2),截割功率由 620kW 提高至 900kW,同时配高强度、高抗压弯摇臂及破岩型截割滚筒,提升了截割效率。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 30 156 图 1 工作面工作阻力 18000kN 的液压支架 图 2 MG900/2400-WD 型采煤机 3.原煤运输高效化,促进运行效率提升 刮板输送机中底板全部使用 HARDOX(悍达)450 型耐磨钢板(图 3),厚度由 45mm 增加至 60mm,过煤量可达到 600 万 t 以上。顺槽带式输送机选用DSJ14
294、0/300/4500S 型带式输送机(图 4),带宽 1400 mm,带速 4m/s,运输距离1920m,运输能力 3000t/h。采用“永磁电机+变频器”驱动方式,能够实现带式输送机由 04m/s 的智能调速运行,相比传统带式输送机节能降耗 35%以上。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 30 157 图 3 工作面刮板输送机 图 4 DSJ140/300/4500S 型带式输送机 4.供电供液远程化,促进安全环境提升 集中配电点、泵站布置在大巷车场,采取远距离供电、供液模式。乳化泵流量由 630L/min 升级到 800L/min,供电、供液距离均达到 3500m 以
295、上,远离动压区,实现了“一点多面式”供电、供液(图 5)。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 30 158 图 5 “一点多面式”供电、供液 二、技术特点及先进性(一)强化意识形态,筑牢思想防线 真正树牢“办矿先治灾”的理念,坚定不移走专家治灾、技术治灾、超前治灾、管理治灾之路,坚持将区域治理与局部治理、井下治理与井上治理有机结合、全盘分析,确保灾害可预、可防、可治。(二)强化卸压效率,筑牢装备防线 引进 CMS1-4500/55Y 煤矿用深孔双臂伸缩式卸压钻车,实现了 200m 远距离全遥控操作、系统故障自诊断、一次稳钻施工 46 个钻孔、液压系统快速推进等功能,保证工
296、作面快速高效卸压。(三)强化数据分析,筑牢监测防线 1.升级防冲预警台网 实现了监测系统双电源自动切换、应力系统 UPS 备用电源三重电路供给,形成了“动载+静载、区域+局部”的防冲全要素、全时段、全频段、全领域的监测预警管理模式(图 6)。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 30 159 图 6 冲击地压防治监控系统 2.应用井下槽波地震勘探技术 精细探查开采区域断层等地质构造,认真分析槽波投射能力 CT 图及反射剖面,地质保障作用不断强化。建立底板突水监测预警系统。通过在上、下巷安装监测分站 2 个、电极 95 个,实现底板突水预警的动态监测,为开采期间防水安全提供保
297、障。3.建立地表沉降自动监测系统 安设 25 个 GNSS 地表沉降自动监测点,实现地表沉陷的在线监测(图 7)。4.建立 KJ1234 防火监测系统 采用多参数传感器就近取样分析,监测数据无线数字传输,每月可减少防火观测工入井个数 60 个。(四)强化措施落实,筑牢治灾防线 多梯次卸压,保障安全稳采。通过实施“超前长距离预卸压、坚硬岩石顶板爆破卸压、断层应力区加密爆破卸压、厚底煤短柱卸压”等措施,防冲卸压工程始终超前工作面 300m。全方位降温,实现舒适开采。建立了以 WAT 集中制冷降温为核心、地面冷却水及井口全风量降温为辅助的“风冷并举、三位一体”联合制冷模式,工作面通风量控制在 200
298、0m3/min 左右,上出口进风温度控制在 22,有效保证了工作面舒适开采。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 30 160 图 7 地表沉陷的在线监测系统 三、智能化建设成效(一)实现减人提效 1.减少生产人员。通过跟机移架、记忆截割、自动割三角煤等基本功能的常态化运行,实现“7+5”(7 人生产,5 人梯队培养进行文明整治及端头放煤、浮煤清理等工作)生产模式,每天减少 8 人,吨煤工效提升 81.25 t/工。2.减少检修人员。通过设备运行数据监测分析,改变传统检修模式,创建“每天少时精准检修,三天周期集中检修”新模式,检修效率不断提升。其中:刮板输送机应用远程变频及
299、设备健康系统,实现了设备精益管理、精准检修,每天可减少运输机维护人员 2 人。顺槽带式输送机采用全硫化工艺+重型热浸镀锌支架+高分子托辊,提高带面服务寿命,每天可减少维护人员 2 人;利用 AI 智能摄像仪配合线型激光标定光源方式,实现智能调速、杂物识别及预警,每班可减少巡查人员 1 人。3.减少固定岗位人员。一是工作面风机、排水点等零星地点用电设备,全部接入集中控制系统,实现远程操控,每班可减少岗位工 1 人。二是工作面供电供液通过实时监测、远程控制等功能,每班可减少岗位工 1 人。(二)营造安全环境 1.单元支架安全便捷。工作面两巷采用迈步式支架配合单元支架支护,沿空巷道超前支护距离达 4
300、00 m 以上,实体巷道超前支护距离达 120 m 以上,利用自全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 30 161 主改造的便携快插电液控控制器和调度单轨吊,实现单元架远距离升降、快速挪移,提升安全系数。2.封闭限员区域实现“三无”。工作面两顺槽限员区域分别安装内外智能门禁,通过地面集控中心及人脸识别系统,达到生产班次封闭区域“无人化”;同时结合矿井“半小时运输圈”,防冲区域内实现“无料场”、“无备品备件”。3.设备危险区域安装“能量隔离”装置。采煤机滚筒接近保护、转载机机械和人员精准定位双重闭锁保护、带式输送机驱动部红外隔离保护,实现了工作面危险区域人员安全管控。全国煤矿
301、智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 31 162 案例 31 小保当煤矿 450m 超长智能开采工作面 主要完成单位:陕西陕煤榆北煤业有限公司 一、主要建设内容 针对中厚煤层小采场开采效益较低,以及工作面加长后顶板控制难度大、工作面装备配套复杂、安全保障函待革新、装备稳定性和可靠性较低等问题,采用450m 智能化超长工作面方案实现小保当二号井 23m 煤层年产 10Mt/a 的目标,实现了工作面“顶板可控可预测”、“智能开采提效率”、“高速截运创效益”,形成了 23m 中厚煤层 450m 千万吨智能化超长工作面成套装备及关键技术。(一)超长工作面高速截割智能控制工艺 针对生产过程
302、中煤机从机头开向机尾时煤与矸石堵塞煤机,煤机与运输机逆向行驶时煤机速度难以掌控、运输机负荷过载,严重制约生产效率的问题,创新提出了“分段控速”的采煤工艺,即在工作面前半段煤机高速割煤、后半段煤机降速,从而控制运输机负荷。为了控制运输机煤量达到跟机推溜的效果,创新提出前半部分推一半刮板输送机跟紧煤机、随后推出另一半的分段推溜模式,满足跟机需求的同时又能有效控制煤量。通过融合工作面液压支架的采高、倾角、推移行程、支架动作时的姿态,对液压支架移架及推溜过程进行建模,实现刮板运输机直线推移。(二)超长工作面高可靠性支-采-运和控制成套装备与系统 采用中煤科工开采研究院研发设计的 ZY16000/18/
303、32 D 型液压支架,实现了自动补压、自适应支护、姿态调整、人员定位、辅助降尘等功能,联合泵站实现了智能供液。工作面具有自动调直系统和精准拉架推溜控制,配合 360高清视频监控,实现了自动化、可视化、节约化的高级智能综采工作模式(图 1)。国产MG7501940-WD 采煤机具备高速牵引与高速截割,并提升了关键零部件使用寿命,解决了智能综采高清视频传输、低延时控制响应、自动化长效运行、快速便捷运维等关键问题,工作效率提高了 18%,各项性能指标均达到国际领先水平。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 31 163 国产 SGZ1100/31400 刮板输送机能够定时检测记录
304、刮板机链条伸长量、磨损量,实现设备全生命周期管理;具有煤流负荷检测和链条自动张紧功能,有效减少刮板运输机断链压死等停车风险。国产 SAM 型自动化控制系统实现了对工作面采煤机、液压支架、刮板运输机、泵站等远程一键启停;建立了智能化工作面大数据“一张图”模式,在远控模式下监测采煤机、液压支架、刮板输送机等运行情况,实现了“透明工作面”。图 1 智能化超长工作面监测系统(三)基于真实数据驱动的监控系统 基于高精度、高可靠性传感系统开发的智能截割软件,实现了全作业循环的智能截割、循环记忆截割。可修改参数配置,实现工作面采煤机、液压支架数字孪生应用(图 2)。通过数字孪生技术构建了井上下协同控制系统,
305、辅助远程开采决策及控制。支持支架动作的三维展示,实时反应井下支架状态、采煤机的实时位置和速度,并能指导截割工艺的修订。建立了机-液耦合移架运动学模型,分析移架运动学规律,辨识移架速度关键影响因素,为大流量智能供液系统和高压升柱系统提供决策。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 31 164 图 2 三维可视化开采工艺和装备动态配套 450m 高度智能化超长综采工作面的探索与实践,创新提出了“全培训”、“全岗位”“全能力”的“三全”管理理念,首创“一人多岗、一岗多能、混搭使用”新模式,减少用工 60%以上,为中厚煤层冲击“一人一面一千万吨”目标高效生产提供了“中国方案”。二、
306、技术特点及先进性 本案例建成了全球首个高度智能化 450m 超长综采工作面,形成了具有自主知识产权的首套国产 450m 超长工作面成套技术与装备,主要技术特点如下:1.针对中厚煤层高效开发、大功率需求与小空间、小功率之间的矛盾,创新提出中厚煤层智能化开采模式;建立了基于液压支架承载特性和弹性独立支座的支架群组岩梁模型,确立了超长工作面液压支架与围岩强度耦合、刚度耦合和稳定性耦合关系,为超长工作面顶板稳定控制和高效支护提供了理论基础,实现了工作面的安全支护和快速推进。2.研制了宽中心距、高可靠性智能耦合液压支架与超前支护装备,开发了大中心距、高可靠性、低矮槽帮、下链悬浮和链条动态张紧控制技术,实
307、现了超长工作面顶板和煤壁的稳定控制、超长运输距离的可靠输送,解决了超长工作面“支”、“运”难题。3.发明了中厚煤层超长工作面高速截割智能控制工艺,研发了智能耦合型液全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 31 165 压支架群组控制技术,开发了液压支架液压系统参数化设计平台、自适应支护控制系统和两侧双进双回敏捷供液系统,提出了工作面设备群高效推进协同控制策略,实现了中厚煤层安全高效开采。围绕上述创新点,获得发明专利 13 项(授权 10 项),实用新型专利 10 项(授权 9 项),制定国家标准 2 项,团体标准 1 项,出版专著 1 部,论文 20 余篇。三、智能化建设成效
308、 本案例围绕减人、增产、保安、提效目标,以智能化综合管控平台为枢纽,实现了支架状态、工作面起伏变化、采高、割煤速度的自动调整。采煤机速度达到每分钟 1015m 以上,生产效率提高了 15%,全天最高割煤达 19 刀、最高日产达 4.6 万 t。23m 煤层千万吨级全国产 450m 智能化综采工作面关键技术及成套装备的成功实施,标志着我国在高端煤机装备制造和智能化开采技术方面迈出了突破性的一步,为我国中厚煤层智能高效开采做了示范。图 3 国产首套 450m 智能化综采工作面 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 32 166 案例 32 龙王沟煤矿特厚煤层智能高效综放工作面
309、主要完成单位:鄂尔多斯市国源矿业开发有限责任公司 一、主要建设内容 中国大唐集团大力开展智能化矿井建设,通过积极探索和实践准格尔煤田特厚煤层智能化成套装备研究与应用,实现了特厚煤层综放工作面常态化智能采煤和智能放煤,通过研究工作面智能控制技术,达到了多机协同管控,实现了智能综放工作面本质安全运行,通过研究智能化技术管理体系,构建了本源-全息-模态为核心的四维地理信息系统,实现了工作面所有对象的透明化管控和智能分析决策,龙王沟煤矿通过不断探索实践特厚煤层综放智能高效开采技术,为煤炭行业特厚煤层智能化开采技术提供了经验和示范。二、技术特点及先进性 通过不断技术革新,完成了综放工作面智能化成套装备、
310、智能化控制技术、智能化技术管理等 12 项智能化关键技术攻关和应用。(一)智能开采装备与控制系统方面 1.建成内蒙古自治区首个 20m 以上特厚煤层智能综放工作面。在国内首次使用两柱掩护式特厚煤层大采高综放液压支架(ZFY18000/28/53D),其支护宽度(2.05m)、支护高度(2.8-5.3m)、工作阻力(18000KN)均为全国领先。2.首次突破了采煤机外置射频精准定位技术瓶颈,实现了采煤机精准定位和包括三角煤区域的全工作面自动跟机拉架、自动收打护帮板、自动喷雾等功能,应用采煤机高级自动化割煤逻辑控制程序和 D 齿轮行程编码器,实现采煤机、液压支架、超前支架及前后部刮板输送机的智能协
311、同联动开采控制。同时结合液压支架姿态信息实时数据反馈,有效监测伸缩梁行程、护帮板角度、支架高度、顶梁旋转角度等避免了碰撞或截割支架的情况,解决了采煤机记忆割煤过程中与支架协同控制的难题(图 1)。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 32 167 图 1 智能化截割 3.采用 LASC 惯性导航自动调直技术,在采煤机机身中部安装了高精度光纤陀螺仪,实时测量采煤机的三维坐标,根据煤机行走轨迹,基于调直基准线对推移曲线进行动态监测和三次直线度校准,并控制液压支架修正推移行程,实现了工作面的自动矫正调直功能。4.首次利用放顶煤支架插板倾角、行程传感器变化量与放煤量之间的关系实现了
312、自主控制+人工末端干预的智能放煤技术,根据现场放煤需求和现场地质条件,结合放煤大数据分析决策模型,远程自动设置放煤参数,通过程序自动控制支架尾梁角度和插板行程,实现了以分段多轮顺序自动放煤为主,人工干预为辅的常态化智能放煤,同时研制的一种特厚煤层联合放顶的间隔等量放煤工艺已取得国家发明专利。5.通过实时在线监测三机运行电流、电压、电机转速、绕组及减速器轴承温度、链条张紧油缸压力等工况,实现工作面设备一体化智能决策和负荷均衡控制,通过对前后刮板机、转载机运行电流参数实时分析,当设备电流过载时,协同自动均衡控制采煤机牵引速度及支架尾梁放煤量,达到了智能综放工作面煤流均衡控制的目标。同时自动补压系统
313、可实现运输机链条自动张紧,全时段自适应调节,避免了松链、卡链等情况的发生,并对异常监测情况进行语音报警,提高了运输全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 32 168 机设备性能和使用寿命。6.工作面移变设备具备了远程集控、远程整定和分合闸控制等功能,工作面移变数据电流、电压数据实现在线监测和远程参数配置,各类供电设备实现故障自动报警和远程故障诊断和监控等功能。7.建成了区域集中智慧无人远距离供液系统(图 2),实现了供水及供液系统远程一键启停、乳化液自动配比、液位、浓度及压力在线监测、泵站电磁卸载自动控制、主从控制及均衡开机、自动补液和远程参数设置等智能化控制功能,乳化液泵
314、站无人值守,具备了可同时供两到三个工作面,达到了智能化减人和盘区十年内不搬家的目标。图 2 智能泵站(二)开采管理技术方面 1.突破智能采矿协同设计技术瓶颈,基于四维地理地理信息系统采矿协同设计和输配电供电计算功能,实现了综放工作面施工设计、工程量计算、设备选型、电缆设计、供电计算、设备工作面安全评价和三维效果图的自动生成,为智能综放工作面安全高效开采提供了技术保障。2.研究应用了矿产资源动态勘察优化技术,结合井上下钻孔、探煤、煤质等数据,基于四维地理地理信息系统矿产资源动态勘察功能,实现了自动计算资源储量块段、开拓储量、准备储量、回采储量、损失量,并结合已经建立的煤层三维模型计算块段储量并自
315、动生成块段资源储量三维模型,实现了矿井资源储量的全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 32 169 透明化管理。3.研究应用了综放工作面大数据分析技术,构建了大数据矿压分析系统,通过对支架工作阻力、循环末阻力、最大初撑力等历史数据和矿压显现规律分析,结合矿压云图及典型工作面来压特征,应用回归分析算法、均化循环拟合方法等对典型顶板条件工作面循环增阻特征进行分析,实现了工作面来压步距、来压强度的超前预判,为工作面安全推采、保障现场人员、设备安全起到重要作用。4.探索开发了本源-全息-模态分析算法,建设了基于 SOA 架构的煤矿重大动力灾害精准预警服务平台,实现综放工作面动力灾害
316、的前兆表象精准预判、超前预警。5.构建了矿井智能化透明应急救援指挥平台,实现了综放工作面应急救援预案一键启动、智能决策分析、避灾路径自动规划、事故反演仿真等,提高了综放工作面灾害期间的应急响应能力。三、智能化建设成效 通过龙王沟煤矿 20 米以上特厚煤层综放智能高效开采技术的研究应用,实现了工作面全部设备的自主协同控制和智能化放煤,工作面直接生产人数由原来的 12 人降至 5 人。先后建成了智慧机电、智慧运输、智慧通防、智慧安监、智慧运销等,劳动定员由初步设计的 2134 人减少至现在的 956 人,年节约人工成本 1.8 亿元;采煤效率提高 3 倍,达到 96.3 吨/日人;全员效率达到 7
317、7.4t/日人;吨煤人工成本 11.66 元;综合吨煤电耗降到 8 度以下,能源消耗率降低了 30%以上,每年节约费用超过 1000 万元,实现了精益管理,践行绿色发展。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 33 170 案例 33 三元煤矿智能综采工作面 主要完成单位:山西三元煤业股份有限公司 一、主要建设内容(一)晋能控股集团三元煤业基本情况 山西省晋能控股集团三元煤业股份有限公司,1997 年正式投产,核定产能260 万吨/年。三元煤业井田面积 19.8 平方公里,保有储量 3.03 亿吨,煤层倾角 010,现开采 3#煤层。矿井地质条件简单,水文地质类型为中等。三元
318、煤业矿井为立井开拓,现有一个综采工作面、一个备用工作面和两个掘进工作面。综采工作面采用综合机械化低位放顶煤工艺。(二)三元煤业智能综采运输系统建设情况 三元煤业 4306 智能综采工作面,在综采远控的基础上,对煤机设备进行了5G 改造,并增加全景视频拼接、主运输皮带人工智能监测、5G 创新网络等子系统,全面提升综采预算智能化水平。1.全景视频拼接子系统 三元煤业综采工作面全景视频拼接子系统,通过在液压支架上安装 100 多路5G 高清摄像机对工作面进行实时监控,并通过 5G 创新网络实时上传地面,上传后的视频在领先的 AI 算法支持下,进行拼接融合,融合后可将 10 余组视频画面拼接为一副长长
319、的“画卷”实现综采面煤机范围内的场景全景可视,并且可以根据智能综采远控系统提供的采煤机位置实时更新画面,整体提供“身临其井”的煤机驾驶感受,精准进行远程操控采煤作业。在大场景监控基础上,同时获取重点视角的视频,捕捉上滚筒碰撞护帮板、下滚筒探底不到位等细节。通过与煤矿现有集控系统对接,获取煤机速度、姿态、液压支架行程等信息,实现仪表盘展示。通过将人工智能、物联网、人员定位和计算机视觉等技术有机融入综采面安全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 33 171 全生产各环节,根据远控采煤状况在综采面实时智能生成电子围栏,及时对围栏内人员进行告警,确保人员安全;实现人员违章、煤壁片帮
320、 24 小时实时监测,护帮板收放异常状态检测预警,为安全高效智能化生产提供技术支撑。全景视频方案建设架构如下:(1)井下综采面,在液压支架处部署 5G 高清无线摄像机。(2)通过 5G 把摄像机视频上传到地面。(3)在地面机房,部署人工智能 AI 视频拼接算法。(4)在地面远控中心,在远程控制台、调度大屏等对全景拼接视频进行呈现,配合远程集控中心,实现远控采煤。2.主运输皮带人工智能 AI 监测子系统 三元煤业主运输皮带人工智能 AI 监测子系统,在顺槽皮带机尾、转载点的那个位置部署 11 个摄像机,通过人工智能 AI 识别,结合传感器数据开展综合判断分析,实现皮带异物、跑偏、堆煤、皮带卡子撕
321、裂、危险区域人员侵入等异常情况的智能监测识别,实现皮带煤量识别。同时通过业务联动,优化问题处理流程,提升生产效率和安全。3.5G 创新网络子系统 为支撑全景视频远控,主运输皮带人工智能 AI 监测系统,以及整体的智能煤矿建设,三元煤业同步建设了井下 5G 创新方案以及相关 5 万兆工业环网,实现了井下网络一网承载多种业务。二、技术特点及先进性(一)全景视频拼接系统 全景视频拼接系统在地面形成一幅“长长的画卷”,核心技术包括自清洁摄像机技术、人工智能 AI 视频拼接技术。自清洁摄像机技术:通过研究综采面煤尘粘附机理,采用透明超疏表面,减少煤粉粘附力,使镜头在综采面长期保持清洁。人工智能 AI 视
322、频拼接技术:使用 AI 算法进行特征点匹配及 H 矩阵生成、AI 视差校正及拼缝处理、分层分组拼接等技术,确保拼接后的画面稳定平滑。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 33 172(二)主运输皮带人工智能 AI 监测子系统 主运输皮带人工智能 AI 监测子系统基于云边协同架构,利用晋能控股集团建设的人工智能 AI 训练中心的强大资源,实现在三元煤业部署的 AI 算法可以边用边学,在线升级,越用越准,在召回率和准确率这两大关键指标上站在了行业前列。同时,AI 算法实现了非正常即异常的效果,提升了监测范围和效率。最后,在集团内部完成算法训练迭代升级,确保了数据不出集团,保障煤
323、矿数据安全。(三)5G 创新网络子系统 5G 创新网络具有覆盖范围广、网络性能优等特点,在巷道场景下信号覆盖距离相对传统方案提升约 50%;在综采面场景下,通过机头、机尾各布置一个 5G创新方案基站,即可实现综采面 5G 信号全覆盖,无需在综采面中部再部署 5G基站。5G 创新配套建设的 5 万兆工业环网,同样是煤矿业界领先解决方案,通过切片技术能承载多种不同类型的业务(含 5G、视频监控、设备远控等),实现多网合一、降本增效。三、智能化建设成效 三元煤业 4306 综采工作面全景视频拼接系统,为井上下操控人员提供了一个更加直观、更加清晰的操控界面,提高了综采远控的安全性、可靠性,为综采远控提
324、供了另一种模式,具有推广意义。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 34 173 案例 34 顾桥煤矿 5G+智能化综采工作面 主要完成单位:淮南矿业(集团)有限责任公司 一、主要建设内容(一)建设情况 顾桥煤矿 1613(3)智能化综采工作面在引入成熟的 SAM 型综采自动化系统的基础上,采煤机采用光纤复合电缆与 5G 相结合的通讯方式,实现综采工作面惯导系统数据传输高效稳定,为自动找直创造条件;基于现场地质条件较为复杂的实际,优化了综采工作面中部回采工艺流程,实现综采工作面液压支架自动跟机移架;基于现场设备布置及具体动作,优化采煤机在端头部分的运行策略,实现端头“三角煤
325、”区域采煤机自动运行和液压支架自动跟机。最终建成淮南矿区综采全工作面自动化跟机及采煤机自动运行的示范面,为国家首批智能化示范煤矿建设奠定良好的基础,也为淮南矿区及类似条件下的综采工作面智能化建设提供借鉴。(二)主要内容 1613(3)工作面智能化开采系统由集中控制系统、网络通讯平台构成。集中控制系统以 SAM 型综采自动化控制系统(如图 1 所示)为枢纽,通过整合液压支架电液控制系统、视频监控系统、采煤机电控系统、三机泵站集控系统,构建出综采工作面智能化集中控制系统。监测与远程控制的网络通讯平台以矿井环网为基础,实现工作面设备、井下集控中心、地面调度室的信息互联。工作面顺槽控制中心主控计算机以
326、 TM.LongWallMind 自动化控制软件为平台,实现对工作面设备,包括液压支架、工作面运输机、转载机、破碎机、泵站变频器等设备工作状态的实时监测与数据上传,能够远程控制煤流系统设备的一键启停;主控计算机通过光缆与地面调度室上位机设备连接,可实现地面对井下综采工作面机电设备的监测与控制。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 34 174 图 1 SAM 型综采自动化控制系统示意图 1.采煤机部分建设效果 采煤机具有记忆截割、手动控制、紧急停机、故障诊断等功能,采用位置编码、红外信号及惯性导航技术实现精确定位或三维定位,与液压支架配合实现工作面直线度检测与控制,具有速度
327、保护作用,限速 4m/min。采煤机采用光纤复合电缆并配置 5G 信号终端,实现光纤信号传输与 5G 无线信号传输(如图 2 所示)。采煤机向 SAM 综采自动化控制系统开放远程控制权限,通过远程操作台,在工作面视频系统的辅助下,实现采煤机的控制台集控操作。为消除采煤机行走编码器长期使用产生的累积误差,特增设了编码器自动校正功能,为支架、采煤机的自动协同作业提供精确定位保障,可有效防止采煤机滚筒与护帮板、伸缩梁产生碰撞及采煤机到两端头发生越位造成的事故。图 2 智能化采煤工作面远控图 2.液压支架部分建设效果 全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 34 175 液压支架根据
328、采集到的采煤机位置信号自动跟机动作,通过支架倾角传感器及采高传感器实现支架倾角、高度等姿态感知与控制,实现立柱工作压力、推移千斤顶的行程、支架动作等工况数据可靠传输,具有声音报警、急停、本架闭锁及故障自诊断显示功能(图 3)。图 3 液压支架传感器配置图 3.运输设备部分建设效果 刮板运输机具有运行状态监测、故障诊断、就地控制及远程控制功能;带式输送机具有综合保护与运行工况监控功能,能够实时监测皮带运行工况,实现集中控制、无人值守,配备无线遥控自移机尾;设备列车采用 GY200/20 型自移装置,实现自移功能。与采煤机实现载荷联动,工作面刮板机及转载机的煤流量的连续监测,并通过其负荷的大小自动
329、调控采煤机作业强度,减少了因负荷较大造成工作面压死刮板运输机或设备损坏的现象。4.供液系统建设效果 泵站具有运行状态监测功能,基于 SAM 综采自动化系统(图 4),实现地面调度室或井下集控中心远程控制,实现远程集中供液,远程配液和工作面智能供液,集五级水过滤、乳化液自动配比、远程配液、泵站恒压供液、自动补液、系统运行状态记录与上传为一体,为综采工作面提供清洁、恒压、配比稳定的高质量乳化液。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 34 176 图 4 供液系统在线监测 5.智能控制系统 地面调度室、井下集控中心均能实现综采自动化工作面设备的集中控制和监测,集控系统实现工作面设
330、备(采煤机、液压支架、三机、带式输送机、泵站)的一键启停控制和远程干预操控,以矿井环网为通讯平台实现数据在井下、地面的高速传输,集控中心配置即时语音通讯系统实现井下、地面双向通话。工作面配置云台多摄像头,可自动跟随采煤机运行工况,并智能识别护帮板伸、收,防止采煤机与液压支架碰撞,实现协同控制。对超前支架、设备列车、自移机尾可以实现远控及遥控控制。在采煤机身安装瓦斯及一氧化碳传感器,实现采煤机、刮板机与瓦斯浓度协同控制。连续监测工作面刮板机及转载机的煤流量,并通过其负荷的大小自动调控采煤机作业强度。当刮板机电流达到160A时,采煤机自动减速;当刮板机电流达到 180A 时,采煤机自动停机,待刮板
331、机电流下降至 120A 以下时采煤机方可继续行驶。6.通讯技术 以矿井万兆工业控制环网、视频环网、5G 网络为通讯平台实现数据在井下、地面的高速传输。在 1613(3)工作面建成 5G+2.0 版智能化综采工作面,采煤机数据通讯采用光纤有线通讯为主、5G 无线通讯为辅助的工作模式,确保了远控采煤机信号的可靠性,实时远程可视化监控,有效降低了控制延时。利用 5G 网络传输、液压支架自动跟机、采煤机记忆割煤、惯性导航自动找直等技术,实现采煤机、液压支架、刮板机、转载机、带式输送机等自动控制、协同运行。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 34 177 二、技术特点及先进性 工作
332、面端头回采工艺技术在优化后的采煤机在端头部分的运行策略如下:采煤机自动记忆截割运行至机头 20 号架时,集控发出三角煤使能信号,采煤机运行至折返点 1,将机头煤体割松动后退至 13 号支架,人工进行端头帮部上部支护锚杆拆除作业,作业完成后集控发出取锚完成信号;采煤机自动运行至折返点 2,将机头煤体割透,采煤机再次退至 13 号支架,人工进行端头帮部底锚杆拆除作业,作业完成后集控发出取锚完成信号;采煤机自动在折返点 2 与 10号支架之间进行清浮煤作业 2 次(次数可根据实际情况修改),清浮煤作业完成后采煤机自动进入 20 号支架位置;待支架推溜作业完成后集控发出推溜完成信号,采煤机自动进行下一
333、循环进刀作业。下端头作业与上端头作业对称。具体流程如图 5 所示。优化后的液压支架在端头部分的自动跟机工艺流程如图 6 所示。图中给出了采煤机自动截割三角煤时各触发点及支架自动跟机动作,实现了支架三角煤阶段全自动跟机功能。以图 6 液压支架上端头自动跟机三角煤流程为例,下行回采工艺中部跟机移架阶段 8 至上端头进入阶段 9,此时 2316 号支架自动推出蛇形段(同时进行清浮煤,护帮板只收不伸);阶段 10 护帮板参与动作,触发 155 号支架补充移架;阶段 11 触发 232 号支架全行程推溜;阶段 12 补充移架 186 号支架;阶段 13 跟机移架 3419 号支架;阶段 14 清浮煤(护帮板只收不伸);阶段 15 补充移架 612 号支架(护帮板参与动作)。全国煤矿智能化建设典型案例(2023 年)智能采煤 案例 34 178 图 5 采煤机端头自动回采三角煤流程图 图 6 液压支架