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(shè)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(shè)，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(yuǎn)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(shè)目標(biāo)：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(shè)；2025年全省大型煤礦、災(zāi)害嚴(yán)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(tuán)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(shè)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(wù)年限15年以上。
按照山西省能源局《全省煤礦智能化建設(shè)評定辦法(試行)》和《全省煤礦智能化建設(shè)基本要求及評分方法（試行)》對煤礦智能化建設(shè)提出的要求，結(jié)合華陽二礦智能化建設(shè)現(xiàn)狀，從智能化煤礦信息基礎(chǔ)設(shè)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(biāo)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(shè)的需求。
01
智能化煤礦信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(chǔ)建設(shè)較為薄弱。數(shù)據(jù)機房核心網(wǎng)絡(luò)為千兆核心、百兆接入；共建設(shè)數(shù)據(jù)機柜17個，上架的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備18臺，服務(wù)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(dá)72 000 h，超出數(shù)據(jù)機房的服務(wù)年限，設(shè)備老化嚴(yán)重，故障率高。
2020年，華陽二礦就提出對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行升級改造的想法，但在原有數(shù)據(jù)機房的基礎(chǔ)上進(jìn)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(wù)服務(wù)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(tuán)公司對智能礦山建設(shè)的需求。
新建數(shù)據(jù)中心包括：①配置地面核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實現(xiàn)萬兆核心、千兆接入，具備網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知、入侵檢測、漏洞掃描、日志審計，滿足網(wǎng)絡(luò)安全等級保護(hù)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(luò)升級
華陽二礦是全國煤炭行業(yè)特級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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(tuán)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(luò)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(fēng)液、局部通風(fēng)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(wù)。
隨著礦山生產(chǎn)工藝的發(fā)展、安全生產(chǎn)要求的演進(jìn)，以及生產(chǎn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)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(luò)的高帶寬、低時延要求更加嚴(yán)格，對傳輸網(wǎng)絡(luò)要求更高。現(xiàn)有的千兆環(huán)網(wǎng)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，已運行近10年，部分設(shè)備老化，傳輸網(wǎng)絡(luò)可靠性降低，無法滿足智能化建設(shè)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(shè)萬兆核心網(wǎng)絡(luò)。
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(yán)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(fù)合玻璃幕，屏幕對面光照良好，容易造成嚴(yán)重的反光現(xiàn)象，導(dǎo)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(guān)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(shè)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(shè)。
智能綜合管控平臺
目前，建設(shè)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(shè)進(jìn)程。
在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(shè)方面，建設(shè)了地測、通防、調(diào)度、機電等專業(yè)應(yīng)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(luò)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(biāo)準(zhǔn)，各系統(tǒng)之間無法互通和兼容，“信息孤島”現(xiàn)象十分嚴(yán)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(wù)保障系統(tǒng)相對落后，生產(chǎn)廠商的研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用角度去規(guī)劃與提升礦山綜合自動化與信息化建設(shè)，真正推進(jìn)智能礦山的建設(shè)工作，進(jìn)而實現(xiàn)智能礦山樣板化與工程化。綜上所述，建設(shè)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(shè)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(yù)期建設(shè)效果如圖1所示。
圖1 智能綜合管控平臺預(yù)期建設(shè)效果
02
地質(zhì)保障系統(tǒng)建設(shè)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(wù)與應(yīng)用系統(tǒng)、地測業(yè)務(wù)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(shè)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(yīng)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(chǔ)上，重點解決礦井地質(zhì)設(shè)備探測數(shù)據(jù)的存儲與應(yīng)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(wù)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(wù)基礎(chǔ)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(jìn)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(chǔ)上，重點進(jìn)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(shè)提供基礎(chǔ)的地理信息透明平臺支撐。華陽二礦地質(zhì)保障系統(tǒng)預(yù)期建設(shè)效果如圖2所示。
圖2 地質(zhì)保障系統(tǒng)預(yù)期建設(shè)效果
03
主運輸系統(tǒng)建設(shè)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(shè)備的自動控制，具備完善的綜合保護(hù)裝置，裝設(shè)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(hù)裝置。此外，裝設(shè)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(yuǎn)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(jìn)行集中協(xié)同控制。
我國煤炭領(lǐng)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(shè)備，可實現(xiàn)設(shè)備變頻化、遠(yuǎn)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(yuǎn)程操作控制，從而達(dá)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(dá)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(yù)期建設(shè)效果如圖3所示。
圖3 主煤流運輸系統(tǒng)預(yù)期建設(shè)效果
04
綜合保障系統(tǒng)建設(shè)需求分析
通風(fēng)系統(tǒng)
華陽二礦共有南山、桑掌、北茹、龍門4對主要通風(fēng)設(shè)備，均已完成集控系統(tǒng)改造，實現(xiàn)了對主通風(fēng)機運行監(jiān)測及控制功能，能夠滿足對主通風(fēng)機運行工況的全面監(jiān)測監(jiān)控，但無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
井下局部通風(fēng)機能夠?qū)崿F(xiàn)雙風(fēng)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(fēng)電閉鎖、瓦斯電閉鎖等功能，但不能實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。井下風(fēng)門為氣動就地控制，無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。礦井尚未建設(shè)智能通風(fēng)系統(tǒng)，無法實現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)解算、預(yù)警、故障診斷分析、智能調(diào)風(fēng)等功能。
因此，需要通過完善部分主通風(fēng)機及井下局部通風(fēng)機的信號傳輸和井下風(fēng)門的集控系統(tǒng)改造，采集通風(fēng)地點各類通風(fēng)參數(shù)，建設(shè)礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)，可實現(xiàn)對通風(fēng)設(shè)備的集中遠(yuǎn)程控制及故障診斷分析，有效保障通風(fēng)系統(tǒng)的安全可靠運行，切實增強礦井的安全風(fēng)險預(yù)控管理能力，減少崗位值守人員。華陽二礦通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)期建設(shè)效果如圖4所示。
圖4 通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)期建設(shè)效果
排水系統(tǒng)
現(xiàn)有排水系統(tǒng)老化嚴(yán)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(guān)較大，需要進(jìn)行設(shè)備改造和自動化控制改造，建設(shè)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(dǎo)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(shè)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(jìn)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(wù)器進(jìn)行組網(wǎng)，接入礦山綜合管控平臺，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、無人值守。華陽二礦排水系統(tǒng)預(yù)期建設(shè)效果如圖5所示。
圖5 華陽二礦排水系統(tǒng)預(yù)期建設(shè)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(jìn)行升級，實現(xiàn)對全礦井所有變電站進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yuǎn)程控制降壓站內(nèi)的高壓開關(guān)，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(yuǎn)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(yù)期效益分析
按照煤礦智能化建設(shè)要求，華陽二礦梳理各系統(tǒng)建設(shè)需求，制定系統(tǒng)升級改造目標(biāo)，預(yù)期效益分析如下：
（1）智能掘進(jìn)工作面建成后，掘進(jìn)系統(tǒng)每班崗位工可減少2~3人，按10個工作面合計，預(yù)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(jìn)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(shè)完成后，主運輸及主提升系統(tǒng)合計每班減少監(jiān)控維護(hù)人員2名。
（3）礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)初步建成后，能夠?qū)崟r監(jiān)測全礦井的通風(fēng)狀況，通風(fēng)設(shè)備可實現(xiàn)基于全礦井通風(fēng)參數(shù)的智能調(diào)節(jié)，保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行。4個主通風(fēng)機站實現(xiàn)集中監(jiān)測監(jiān)控，每班可減少監(jiān)控維護(hù)人員4名；局部通風(fēng)機實現(xiàn)監(jiān)測監(jiān)控，每班可減少監(jiān)控維護(hù)人員6名，通風(fēng)系統(tǒng)合計每班可減少10人。
綜合上述各系統(tǒng)預(yù)期建設(shè)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(shè)要求，從智能化煤礦信息基礎(chǔ)設(shè)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(shè)的設(shè)計和建設(shè)確定方向和目標(biāo)，并對預(yù)期效益進(jìn)行分析。華陽二礦智能化煤礦的建設(shè)，需要拓展智能化應(yīng)用場景，逐步提高各個子系統(tǒng)的智能化水平，全面推進(jìn)煤礦固定場所無人值守，關(guān)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(biāo)。通過各種智能化設(shè)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(dá)到減員增產(chǎn)增效的目的。
來源：智能礦山雜志
