山西省作為能源大省，積極推動智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，加快煤礦智化建設改造，擬將人工智能、5G通信、大數(shù)據(jù)技術(shù)引入煤礦智能化建設，推動煤礦裝備向智能化、高端化發(fā)展，建成多種類型、不同模式的智能化煤礦，基本實現(xiàn)采掘工作面無人或少人操作、煤礦重點崗位機器人作業(yè)，井下固定崗位無人值守與遠程監(jiān)控，各系統(tǒng)智能化決策和自動化協(xié)同運行。山西省煤礦智能化建設目標：2020—2022年，推動10座智能化示范煤礦和50個智能化綜采示范工作面建設；2025年全省大型煤礦、災害嚴重煤礦及其他具備條件煤礦基本實現(xiàn)智能化；2030年各類煤礦基本實現(xiàn)智能化。

基于上述背景，山西華陽集團新能股份有限公司二礦（以下簡稱華陽二礦）開展智能化礦山建設工作，要實現(xiàn)基本智能化，建成智能感知、智能決策、自動執(zhí)行的煤礦智能化體系。華陽二礦位于山西省陽泉市西北部，井田位于山西省沁水煤田的北部。井田東西走向長度8 km，南北傾向?qū)挾?/span>7.6km，井田面積為44.308 5 km2。目前保有地質(zhì)儲量為4億t，可采儲量為1.7億t，剩余服務年限15年以上。

按照山西省能源局《全省煤礦智能化建設評定辦法(試行)》和《全省煤礦智能化建設基本要求及評分方法（試行)》對煤礦智能化建設提出的要求，結(jié)合華陽二礦智能化建設現(xiàn)狀，從智能化煤礦信息基礎設施、地質(zhì)保障系統(tǒng)、主運輸系統(tǒng)、綜合保障系統(tǒng)等方面，對標智能化驗收要求，分析現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題與不足，提出升級改造建設的需求。

01

智能化煤礦信息基礎設施建設需求分析

數(shù)據(jù)中心

目前華陽二礦只有1個數(shù)據(jù)機房，始建于2013年，占地面積約80 m2 ，相比于本部其他煤礦，其基礎建設較為薄弱。數(shù)據(jù)機房核心網(wǎng)絡為千兆核心、百兆接入；共建設數(shù)據(jù)機柜17個，上架的網(wǎng)絡設備18臺，服務器70臺，硬盤錄像機20臺，機架冗余數(shù)量已經(jīng)飽和；后備電源為116塊12 V、200 A·h，后備時間為2 h，已經(jīng)不間斷運行達72 000 h，超出數(shù)據(jù)機房的服務年限，設備老化嚴重，故障率高。

2020年，華陽二礦就提出對數(shù)據(jù)中心進行升級改造的想法，但在原有數(shù)據(jù)機房的基礎上進行升級改造，存在2點問題：①升級改造周期較長，升級改造期內(nèi)華陽二礦的信息化、自動化業(yè)務服務將全面中斷，影響正常安全生產(chǎn)管理；②機房物理空間飽和，周邊環(huán)境不具備擴建條件。因此，需要新建數(shù)據(jù)中心，以滿足本礦及集團公司對智能礦山建設的需求。

新建數(shù)據(jù)中心包括：①配置地面核心網(wǎng)絡設備，實現(xiàn)萬兆核心、千兆接入，具備網(wǎng)絡安全態(tài)勢感知、入侵檢測、漏洞掃描、日志審計，滿足網(wǎng)絡安全等級保護二級要求；②配置2臺主干出口路由器、2臺核心交換機、25臺接入交換機。

主干網(wǎng)絡升級

華陽二礦是全國煤炭行業(yè)特級質(zhì)量標準化、現(xiàn)代化礦井，坐擁得天獨厚的資源賦存條件，是華陽集團特大型骨干礦井之一。華陽二礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)采用千兆單環(huán)網(wǎng)絡架構(gòu)，已運行近10年，為礦井生產(chǎn)綜合自動化平臺、人員定位、廣播系統(tǒng)、水文監(jiān)測、虹膜系統(tǒng)、車輛定位、核子秤、礦壓監(jiān)測、水風液、局部通風機監(jiān)測、猴車巷鋼絲繩監(jiān)控、防越級監(jiān)控、水泵房自動化等系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸服務。

隨著礦山生產(chǎn)工藝的發(fā)展、安全生產(chǎn)要求的演進，以及生產(chǎn)設備的網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展，自動化控制、高清視頻、無線通信等技術(shù)逐漸向智能化發(fā)展，對網(wǎng)絡的高帶寬、低時延要求更加嚴格，對傳輸網(wǎng)絡要求更高?，F(xiàn)有的千兆環(huán)網(wǎng)架構(gòu)網(wǎng)絡，已運行近10年，部分設備老化，傳輸網(wǎng)絡可靠性降低，無法滿足智能化建設語音、視頻、監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時傳輸要求。因此，華陽二礦現(xiàn)有工業(yè)環(huán)網(wǎng)亟需升級，依據(jù)煤礦智能化要求建設萬兆核心網(wǎng)絡。

生產(chǎn)調(diào)度指揮中心大屏顯示系統(tǒng)

華陽二礦生產(chǎn)調(diào)度指揮中心面積265.6 m2 ，大屏幕顯示系統(tǒng)始建于2013年1月，現(xiàn)采用DLP拼接大屏，屏幕尺寸為11.8 m×4.4 m，已使用多年，顏色和亮度衰減嚴重，色差較大；而且DLP廠家也由于技術(shù)更新問題陸續(xù)退出該市場，配件及售后無法接續(xù)。此外，DLP顯示屏表面為復合玻璃幕，屏幕對面光照良好，容易造成嚴重的反光現(xiàn)象，導致調(diào)度中心工作人員無法正常通過大屏幕獲取正確的顯示內(nèi)容。經(jīng)調(diào)研，目前使用的DLP屏已損壞5塊，由于技術(shù)更新迭代的問題，DLP原廠家已停止生產(chǎn)，相關配件缺少。另外，有視頻監(jiān)視器24塊矩陣分列大屏兩側(cè)，整體布局凌亂，其中4塊損壞不能正常顯示。因此，調(diào)度中心顯示大屏系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足華陽二礦智能礦山建設對高清、無拼縫、無色差、高穩(wěn)定性、長壽命、顯示效果靚麗等綜合顯示方面的需求，需要重新建設。

智能綜合管控平臺

目前，建設新型現(xiàn)代化礦山成為煤炭企業(yè)提高礦山安全保障程度、實現(xiàn)高產(chǎn)高效、增加企業(yè)核心競爭力的必然途徑，更是科技興礦的重要發(fā)展方向。華陽二礦在逐步推動礦山綜合自動化與信息化管理，以及智能礦山建設進程。

在基礎設施建設方面，構(gòu)建了數(shù)據(jù)中心、調(diào)度大屏、切片分組工業(yè)環(huán)網(wǎng)等；在專業(yè)子系統(tǒng)建設方面，建設了地測、通防、調(diào)度、機電等專業(yè)應用系統(tǒng)，安全監(jiān)控、頂板壓力、水文監(jiān)控、人員管理等監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，主副提升、輸送帶運輸、水泵房、變電所等生產(chǎn)自動化監(jiān)控系統(tǒng)，以及井下廣播、無線通信系統(tǒng)等調(diào)度通信聯(lián)絡類系統(tǒng)。

但華陽二礦現(xiàn)有各專業(yè)子系統(tǒng)采用不同廠家各自制定的傳輸協(xié)議和接口標準，各系統(tǒng)之間無法互通和兼容，“信息孤島”現(xiàn)象十分嚴重，信息資源難以共享，監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)不能實現(xiàn)聯(lián)動管控。從產(chǎn)業(yè)的角度看，目前煤礦行業(yè)安全生產(chǎn)軟硬件研發(fā)和服務保障系統(tǒng)相對落后，生產(chǎn)廠商的研發(fā)標準不統(tǒng)一，研發(fā)出的各系統(tǒng)難以滿足不同煤礦安全生產(chǎn)、技術(shù)升級以及智能分析的需要。因此，需要站在更高的科技與應用角度去規(guī)劃與提升礦山綜合自動化與信息化建設，真正推進智能礦山的建設工作，進而實現(xiàn)智能礦山樣板化與工程化。綜上所述，建設一套智能綜合管控平臺，解決信息孤島現(xiàn)場，以滿足智能礦山建設的需求顯得十分急切和必要。華陽二礦智能綜合管控平臺預期建設效果如圖1所示。

圖1 智能綜合管控平臺預期建設效果

02

地質(zhì)保障系統(tǒng)建設需求分析

華陽二礦OMS平臺地測部分已經(jīng)建立地測空間信息系統(tǒng)、一張圖協(xié)同管理系統(tǒng)、一張圖服務與應用系統(tǒng)、地測業(yè)務管理系統(tǒng)、地質(zhì)透明化系統(tǒng)及水文監(jiān)測系統(tǒng)集成；建立了地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、測量數(shù)據(jù)庫、圖形數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)庫的自動成圖和協(xié)同更新功能，但是現(xiàn)有地測信息化系統(tǒng)不能滿足智能化建設要求，因此需要重新構(gòu)建地質(zhì)保障系統(tǒng)，在地質(zhì)模型與應用及數(shù)據(jù)融合分析等方面優(yōu)化改造，主要包括以下3點內(nèi)容：

（1）在現(xiàn)有地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、測量數(shù)據(jù)庫的基礎上，重點解決礦井地質(zhì)設備探測數(shù)據(jù)的存儲與應需要；完善空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)接口等，開發(fā)空間數(shù)據(jù)庫服務功能，滿足為多系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)共享的要求。

（2）在現(xiàn)有地測空間信息管理系統(tǒng)、協(xié)同一張圖系統(tǒng)、一張圖服務基礎上，完善C/S、B/S架構(gòu)的空間信息可視化系統(tǒng)，對海量空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及時態(tài)數(shù)據(jù)進行存儲、轉(zhuǎn)換、管理、查詢、分析和可視化。

（3）在礦井地質(zhì)模型基礎上，重點進行采掘工作面多源數(shù)據(jù)集成與融合分析，基于地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)、井巷工程數(shù)據(jù)、井上井下鉆探、物探等數(shù)據(jù)，開發(fā)采掘工作面空間數(shù)據(jù)集成管理和高精度三維可視化系統(tǒng)，構(gòu)建高精度采掘工作面模型，通過高精度三維地質(zhì)模型局部動態(tài)修正技術(shù)，提高工作面地質(zhì)模型的精度，為智能開采工作面的建設提供基礎的地理信息透明平臺支撐。華陽二礦地質(zhì)保障系統(tǒng)預期建設效果如圖2所示。

圖2 地質(zhì)保障系統(tǒng)預期建設效果

03

主運輸系統(tǒng)建設需求分析

華陽二礦主運輸系統(tǒng)及主提升系統(tǒng)均采用帶式輸送機運輸方式。主運輸系統(tǒng)由西主運帶式輸送機及南主運帶式輸送機系統(tǒng)組成，運輸系統(tǒng)完善，且均已完成集控改造；主提升系統(tǒng)由東斜井帶式輸送機提升系統(tǒng)及西斜井帶式輸送機提升系統(tǒng)組成，且均已完成集控改造。主運輸系統(tǒng)及主提升系統(tǒng)單條帶式輸送機具備完善的傳感器、執(zhí)行器及控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)單設備的自動控制，具備完善的綜合保護裝置，裝設有防打滑、跑偏、堆煤、撕裂、斷帶、超速、輸送帶張緊力下降等保護裝置。此外，裝設溫度、煙霧監(jiān)測裝置和自動灑水裝置，具備沿線急停閉鎖功能和遠程監(jiān)控功能。但是，華陽二礦主運輸系統(tǒng)及主提升系統(tǒng)的集控系統(tǒng)相互獨立，沒有全運輸流程的集控系統(tǒng)，無法對主運輸全過程進行集中協(xié)同控制。

我國煤炭領域傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)模式正在經(jīng)歷變革，煤礦帶式輸送機智能化、自動化水平持續(xù)提升。帶式輸送機自動化控制系統(tǒng)基于PLC控制設備，可實現(xiàn)設備變頻化、遠程控制集中化；利用5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)，提升自動化控制系統(tǒng)功能，可實現(xiàn)主運輸系統(tǒng)及主提升生產(chǎn)系統(tǒng)在調(diào)度中心的遠程操作控制，從而達到無人值守、少人巡檢的目的，提高礦井運輸系統(tǒng)信息自動化水平，達到減員增效的目的。因此，華陽二礦主煤流運輸系統(tǒng)需要升級改造，實現(xiàn)煤流運輸全流程協(xié)同聯(lián)動管理，預期建設效果如圖3所示。

圖3 主煤流運輸系統(tǒng)預期建設效果

04

綜合保障系統(tǒng)建設需求分析

通風系統(tǒng)

華陽二礦共有南山、桑掌、北茹、龍門4對主要通風設備，均已完成集控系統(tǒng)改造，實現(xiàn)了對主通風機運行監(jiān)測及控制功能，能夠滿足對主通風機運行工況的全面監(jiān)測監(jiān)控，但無法實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

井下局部通風機能夠?qū)崿F(xiàn)雙風機、雙電源自動切換，同時能夠根據(jù)環(huán)境監(jiān)測結(jié)果實現(xiàn)風電閉鎖、瓦斯電閉鎖等功能，但不能實現(xiàn)遠程監(jiān)控。井下風門為氣動就地控制，無法實現(xiàn)遠程監(jiān)控。礦井尚未建設智能通風系統(tǒng)，無法實現(xiàn)通風網(wǎng)絡動態(tài)解算、預警、故障診斷分析、智能調(diào)風等功能。

因此，需要通過完善部分主通風機及井下局部通風機的信號傳輸和井下風門的集控系統(tǒng)改造，采集通風地點各類通風參數(shù)，建設礦井智能通風系統(tǒng)，可實現(xiàn)對通風設備的集中遠程控制及故障診斷分析，有效保障通風系統(tǒng)的安全可靠運行，切實增強礦井的安全風險預控管理能力，減少崗位值守人員。華陽二礦通風系統(tǒng)預期建設效果如圖4所示。

圖4 通風系統(tǒng)預期建設效果

排水系統(tǒng)

現(xiàn)有排水系統(tǒng)老化嚴重，靠人工操作管理，存在各種事故隱患，與煤礦智能化需求相關較大，需要進行設備改造和自動化控制改造，建設礦井智能排水在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)排水系統(tǒng)的無人值守，減少崗位工人數(shù)量，保障排水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，減少由于人工操作失誤所導致的各類事故隱患。排水系統(tǒng)升級改造計劃如下：

（1）現(xiàn)有設備改造

更換現(xiàn)有手動閥門射流泵為電動閥門射流泵，共計3套；新增隔爆兼本安一體式閥門電動裝置共計9套，帶減速箱。

（2）自動化控制改造

水泵房新增1套煤礦井下排水自動化控制系統(tǒng)進行集控。信號接入工業(yè)環(huán)網(wǎng)至地面上位機排水管理系統(tǒng)，系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)中心服務器進行組網(wǎng)，接入礦山綜合管控平臺，以實現(xiàn)遠程控制、無人值守。華陽二礦排水系統(tǒng)預期建設效果如圖5所示。

圖5 華陽二礦排水系統(tǒng)預期建設效果

供電系統(tǒng)

目前，華陽二礦的賽魚、桑掌降壓站電力監(jiān)測系統(tǒng)已接回機電工區(qū)調(diào)度，但2個降壓站系統(tǒng)相互獨立，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互、集中展示。電能監(jiān)測系統(tǒng)目前僅有地面電能監(jiān)測，沒有井下電能監(jiān)測系統(tǒng)。因此需要對現(xiàn)有電力監(jiān)測系統(tǒng)進行升級，實現(xiàn)對全礦井所有變電站進行實時監(jiān)控與電力調(diào)度。需要升級改造的內(nèi)容包括：

（1）對機電工區(qū)調(diào)度主站監(jiān)控系統(tǒng)進行升級改造，使其具備集中監(jiān)控的功能，并將降壓站實時監(jiān)測數(shù)據(jù)接入智能綜合管控平臺，實現(xiàn)在線監(jiān)測功能。

（2）對桃南、北茹降壓站進行無人值守改造，并將實時數(shù)據(jù)傳回至機電工區(qū)調(diào)度主站監(jiān)控系統(tǒng)，由調(diào)度主站監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對降壓站的監(jiān)控功能，在電力調(diào)度中心就可以遠程控制降壓站內(nèi)的高壓開關，具備無人值守的條件，降低人工成本，使用的電力監(jiān)控系統(tǒng)滿足遙測、遙控、遙信、遙調(diào)功能，可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的采集、電網(wǎng)實時運行狀態(tài)的監(jiān)視與顯示，實現(xiàn)遠程控制與調(diào)節(jié)、事故報警、越限/變位報警、數(shù)據(jù)計算統(tǒng)計、工作信息登錄、自動化系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視、事故追憶等功能。

05

預期效益分析

按照煤礦智能化建設要求，華陽二礦梳理各系統(tǒng)建設需求，制定系統(tǒng)升級改造目標，預期效益分析如下：

（1）智能掘進工作面建成后，掘進系統(tǒng)每班崗位工可減少2~3人，按10個工作面合計，預計減員數(shù)量20~30人；綜采系統(tǒng)每班崗位工可減少3~5人，按3個工作面合計，減員數(shù)量9~15人。

（2）對現(xiàn)有帶式輸送機集控系統(tǒng)進行升級改造，實現(xiàn)多條搭接帶式輸送機的集中協(xié)同控制。利用現(xiàn)有的1套煤流監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)采區(qū)帶式輸送機的實時煤量監(jiān)測等功能。帶式輸送機集控系統(tǒng)建設完成后，主運輸及主提升系統(tǒng)合計每班減少監(jiān)控維護人員2名。

（3）礦井智能通風系統(tǒng)初步建成后，能夠?qū)崟r監(jiān)測全礦井的通風狀況，通風設備可實現(xiàn)基于全礦井通風參數(shù)的智能調(diào)節(jié)，保證礦井通風系統(tǒng)穩(wěn)定運行。4個主通風機站實現(xiàn)集中監(jiān)測監(jiān)控，每班可減少監(jiān)控維護人員4名；局部通風機實現(xiàn)監(jiān)測監(jiān)控，每班可減少監(jiān)控維護人員6名，通風系統(tǒng)合計每班可減少10人。

綜合上述各系統(tǒng)預期建設效果，每班可減少崗位工或巡檢工數(shù)量約74人。

06

結(jié)  語

筆者按照國家和山西省煤礦智能化建設要求，從智能化煤礦信息基礎設施、地質(zhì)保障系統(tǒng)、主運輸系統(tǒng)、綜合保障系統(tǒng)等方面，分析了華陽二礦現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題與不足，為下一步智能化建設的設計和建設確定方向和目標，并對預期效益進行分析。華陽二礦智能化煤礦的建設，需要拓展智能化應用場景，逐步提高各個子系統(tǒng)的智能化水平，全面推進煤礦固定場所無人值守，關鍵環(huán)節(jié)實現(xiàn)機器人替代人工，有望實現(xiàn)智能化采煤工作面減人60%，入井人員數(shù)量減少10%~20%的目標。通過各種智能化設備的使用，由機器人逐步代替人力從事重體力勞動，不僅可以減少煤礦工人的勞動強度，還可以達到減員增產(chǎn)增效的目的。

來源：智能礦山雜志