智能矿山建设实践及关键技术

　　摘要：目前对智能矿山概念、发展规划的研究较多，对智能化建设成果和关键技术的研究较少。基于智能矿山建设的5层技术架构，以大柳塔煤矿智能化建设为例，论述了综采、掘进、运输、供电、供排水等系统的智能化建设情况及成效：共取消井下固定岗位约100个，减少作业人员200余人，降低人工成本4000万元/a，节约工业水电消耗30%，提高设备利用率5%，提高全员工效10%。指出智能矿山建设的关键点在于拓宽网络通道、统一各子系统接口、关联设备安全可靠和配备专业人才队伍，由此总结了目前智能矿山建设中存在的难点，并有针对性地提出了要攻关的关键技术，包括自动割煤、移动设备人员接近探测、无线传感、集中加油、井口智能安检、无人驾驶等。

　　关键词：智能矿山;煤矿智能化;智能化综采;智能化掘进;智能化运输;智能化供电;智能化供排水;5G

　　0引言

　　当前煤炭行业正处于全面建成智能矿山的关键时期[1-2]。针对煤矿智能化建设现状及关键技术，国内外学者进行了大量研究与探索。潘涛等[3]详细介绍了智能矿山发展历程及规划，并以大柳塔煤矿、榆家梁煤矿、上湾煤矿和锦界煤矿为例，从智能工作面开采、智能选煤厂、煤矿机器人等方面进行深入剖析，得出了智能矿山建设的积极意义。韩建国[4]概述了智能矿山的内涵，设计了适用于神华集团智能矿山的5层架构，并阐述了“智慧”与“能力”平台建设概念，以大数据为挖掘工具，为煤矿企业管理层制定决策提供数据支持。

　　矿山论文范例：矿山采矿技术安全浅析

　　文献[5-9]阐述了国内外智能化矿山建设现状、发展规划与技术路径，对煤矿综采、掘进、运输、机电、通风等系统的智能化技术进行研究，将空间信息处理、物联网、大数据、虚拟现实、云计算等技术应用到煤矿井下，实现采掘一线少人化、固定岗位无人化、安全生产智能化，有效提升煤矿智能化建设水平。通过检索国内外文献可知，当前对智能矿山概念、发展规划的研究较多，对于智能化建设成果和关键技术的研究相对较少。本文以神华神东煤炭集团有限责任公司大柳塔煤矿智能化建设为例，论述了综采、掘进、运输、供电、供排水等系统的智能化建设情况，指出了目前我国智能矿山建设面临的难题，提出了技术攻关方向，为实现智慧煤矿积累经验。

　　1智能矿山概述

　　智能矿山以信息化建设为基础，以自动化建设为手段，融合5G通信、物联网、云计算、大数据、智能传感、人工智能等先进技术，最大程度地减少井下作业人数，改善矿井员工作业环境，提高工作效率，并打造跨系统多维度的数据分析平台，为管理层制定矿井发展方向与决策提供可靠数据支持[10-11]。其包括数据采集层、传输层、数据层、平台支持层和应用层。数据采集层将前端感知的视频监控数据、安全监测数据、生产自动化数据等通过串口、网关、PLC、综合分站、移动设备等进行集中采集。传输层利用井上下工业环网、视频环网、4G/5G无线网络等传输采集数据。

　　数据层按照统一的标准对感知层数据进行分类存储。平台支撑层基于实时数据和业务需求进行数据抽取、数据可视化、大数据分析等，提供基础技术支撑服务、数据管理支撑服务、数据共享与交换服务、应用与分析支撑服务。应用层是面向业务应用的服务，主要包括基于时空GIS“一张图”的安全监测系统、基于时空GIS“一张图”的生产监控系统、生产执行系统、安全管理系统及综合决策大数据分析系统，并通过调度大屏、PC应用端、门户网站、移动APP等方式进行展示，PC端、门户网站和移动APP均可基于权限控制实现煤矿不同用户需求。

　　2大柳塔煤矿智能化建设实践

　　2.1基础网络建设

　　大柳塔煤矿建成了井上下生产环网，保障数据可靠传输。以52煤为例，在井下中央变电所、五盘区变电所、加压泵房、六盘区变电所分别布置万兆环网交换机，形成一个环形结构，在中央变电所至地面铺设2趟光缆，形成井上下生产环网。在井下变电所、带式输送机机头、运输巷及采掘工作面分别布置4G综合分站，形成“一网一站”。

　　4G综合分站是集无线通信、车辆定位、人员定位、语音IP电话、语音广播和数据交换、数据采集等业务于一体，将互联网、电信网与广播电视网“三网融合”，具有视频图像实时监控、运行数据动态监测、语音通信及时沟通功能的综合信息化网络管理平台[12-13]。在连掘工作面布置5G通信系统，其由地面核心网、IPRAN(RadioAccessNetwork，无线电接入网)环网、基带控制单元、远端数据汇聚单元、微型射频拉远单元等组成，为智能矿山建设提供低时延、大带宽传输网络。

　　2.2综采工作面智能化建设

　　综采工作面智能化建设包括工作面巷道集控中心智能化建设和工作面智能化建设2个方面。工作面巷道集控中心建设主要完成工业网络搭建和集控室软硬件建设，实现采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、液压支架、泵站、组合开关、移动变电站集控，以及矿压、采煤机位置及割煤刀数、煤流运输等数据的跨系统多维度分析。工作面智能化建设主要实现液压支架自动化跟机和采煤机自主割煤。

　　液压支架自动化跟机通过自动识别采煤机位置，触发液压支架跟机程序，实现自动拉架、推溜和收打护帮板功能。采煤机自主割煤是基于人工智能的预测算法，通过安装在采煤机机身上的位置传感器、采高传感器和俯仰摇摆传感器，以及十二工步割煤工艺逻辑控制，实现采煤机自主割煤。

　　2.3掘进智能化建设

　　掘进智能建设包括掘进工作面运输、供电、供风系统集控，工作面连采机自动化生产，破碎机与梭车自动化联动，锚杆机自动化支护等方面的建设。大柳塔煤矿8个工作面运输、供电、供风系统实现了集控，取消掘进工作面运输系统固定岗位26个，减员50余人，同时制定了设备开机率报表，为生产管理人员提供指导性数据。掘进工作面智能化实现了连采机基于5G传输网络、惯导和负载敏感等技术的远程控制和自主割煤功能及破碎机与梭车联动启停功能，并通过引进两臂自动锚杆机实现了锚杆自动定位、自动打钻、自动锚固功能，支护单根锚杆时间由5min缩短至3min，支护效率提升40%。

　　3智能矿山建设关键点

　　(1)拓宽网络通道。目前煤矿采用的4G网络通信速率为上行40Mbit/s、下行100Mbit/s，传输数据时正常，传输视频图像时卡顿。需建设井下5G网络(上行速率300Mbit/s，下行速率2000Mbit/s)，传输数据及图像时速度快，更易于实现智能矿山。(2)统一各子系统接口。现有的采掘设备数据传输接口有RS485、CAN、以太网等10余种，其中以太网接口具有数据采集方便、接入环网容易、数据传输稳定等特点，因此应尽快推广设备以太网数据传输接口。(3)各种关联设备安全可靠。智能矿山建设投入的设备必须安全可靠，保证数据真实性及数据传输的稳定性。(4)专业人才队伍齐备。需培养、配齐专业的智能矿山网络工程师、软件工程师、大数据分析工程师等。

　　4智能矿山建设难点

　　(1)缺乏顶层设计。只提出了建设目标，未对目标进行细化，煤矿在推进智能化建设过程中没有统一标准。(2)目前矿井在用设备种类多，设备生产厂商多，各厂商的设备技术参数、通信接口、通信协议不统一，互联互通性差，导致智能矿山建设过程中系统集成和数据融合困难(3)矿井已建成的信息化子系统较多，已基本实现机电设备基础数据上传功能，但仍未实现数据进一步分析、决策、推送等功能，在大数据挖掘与利用方面需不断完善。

　　(4)缺乏从事智能矿山建设工作的专业人才，且参与智能矿山建设的厂家技术力量参差不齐，不利于构建大专业化服务模式。(5)矿用传感器种类少，部分传感器故障多、可靠性差，且现有监测设备未实现自主学习、分析功能。

　　5智能矿山建设需攻坚的关键技术

　　(1)采煤机自主割煤技术，特别是煤岩识别、采煤机与液压支架数据交互、机器人巡检等技术。(2)连采机自主割煤技术。特别是连采机定姿定位技术需进一步优化，实现连采机自主生产，提升巷道掘进工程质量和掘进效率。(3)移动设备人员接近探测技术。在掘进工作面移动设备上加装360°全景影像辅助识别设备，当监测到掘进设备周围有人员接近时发出警报，避免人员伤害。(4)无线传感技术。如设备无线温度、振动等状态监测技术，工作面环境无线监测技术等，以减少人员工作量，保证现场作业安全。

　　(5)智能油脂集中润滑、集中加油技术。根据油位、油压、油质等监测数据，实现自动加油或注油，减轻现场工作人员的劳动强度。(6)井口智能安检技术。通过建设安检系统实现人员和车辆管控、车辆重点部位识别、下井人员和车辆记录、车辆闯红灯拍照记录等功能。

　　6结论

　　(1)分析了当前智能矿山研究现状，阐述了智能矿山建设数据采集层、传输层、数据层、平台支持层和应用层的5层技术架构体系，分析了各层建设内容。(2)以大柳塔煤矿为例，集中展示了综采、掘进、运输、供电和供排水智能化建设状况。煤矿智能化建设过程中，共取消井下固定岗位约100个，减少作业人员200余人，降低人工成本4000万元/a，节约工业水电消耗30%，提高设备利用率5%，提高全员工效10%。(3)分析了当前智能矿山建设的关键点和难点，从采煤、掘进、人员及设备感知、无线通信、无人驾驶等方面提出了下一步需要攻关的关键技术。

　　参考文献(References)：

　　[1]王国法,王虹,任怀伟,等.智慧煤矿2025情景目标和发展路径[J].煤炭学报,2018,43(2):295-305.WANGGuofa,WANGHong,RENHuaiwei,etal.2025scenarios anddevelopmentpathofintelligentcoalmine[J].JournalofChinaCoalSociety,2018,43(2):295-305.

　　[2]高士岗,高登彦,欧阳一博,等.煤矿智能一体化辅助生产系统及关键技术[J].煤炭科学技术,2020,48(7):150-160.GAOShigang,GAODengyan,OUYANGYibo,etal.Mineintelligentintegratedauxiliaryproductionsystemandkeytechnologies[J].CoalScienceandTechnology,2020,48(7):150-160.

　　[3]潘涛,赵永峰,丁涛,等.国家能源集团智能矿山建设实践与探索[J].中国煤炭,2020,46(5):30-40.PANTao,ZHAOYongfeng,DINGTao,etal.Practiceandexplorationofintelligentmineconstructioninchinaenergygroup[J].ChinaCoal,2020,46(5):30-40

　　作者：任文清，高小强

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