郑庄煤矿智能矿山创新建设探索与实践

柴凤良

（晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部郑庄煤矿，山西 晋城 048000）

1 工程概况

晋能控股煤业集团郑庄煤矿为400 万t/a 大型现代化煤矿，配套建设相同规模的选煤厂。从2016 年起，郑庄煤矿就提出了智慧矿山建设目标[1-3]，主要包括生产智能控制、安全大数据预测预警、软件平台开发和示范工程建设。按照“6+1+1”总体建设理念，搭建智能化矿井总体架构。“6”是指6 个“一”，即：一个标准（统一的数据接口与编码标准），一个中心（智能化矿井运营管理中心），一个数据库（统一计算存储管理库），一个平台（综合管控信息平台），一朵云（矿山云服务平台），一系列装备（诸多智能化子系统与装备）；第一个“1”是指一张网，全面感知与高速传输网络；第二个“1”是指一张图，即煤矿地理信息系统。智能化矿井总体架构示意图如图1。

图1 智能化矿井总体架构示意图

智能化矿井建设以煤矿综合管控信息平台建设为核心，打通数据链条、贯穿业务流程、统一技术标准；以基础设施建设为前提，为智能化系统提供完善的信息传输、数据存储、安全防护能力；以业务系统建设为主干，全面提升矿井自动化、信息化、智能化水平。

2 智能化矿井实施方案

2.1 万兆工业以太环网建设

万兆工业以太环网采用三环加支线的有线架构，整个网络系统采用万兆工业以太环网和井下WiFi 无线通信系统的混合架构。从大巷、运输巷一直延伸到工作面，为各个子系统接入提供千兆网络接口，满足多系统数据的安全、稳定、高效传输。万兆工业以太环网建成后，各个智能化矿井建设中的子系统全部以网络接口方式接入万兆工业以太环网。

2.2 关键区域5G 通信建设

应用无线传感器通过5G 网络对采煤环境的智能感知，视频监控或智能巡视机器人的动态监测，由采煤装备自动独立完成煤炭开采。智能化矿井5G 网络智能感知示意图如图2。

图2 智能化矿井5G 网络智能感知示意图

2.3 私有云平台建设

采用虚拟化云平台方式建设，满足多套业务系统云上运行环境要求。增强数据中心可管理性，提高应用兼容性和可用性，加速应用部署，提升硬件资源利用率，降低能源消耗，动态伸缩，满足业务应用随时增长。

2.4 大数据平台建设（DAAS）

包含9 个子平台：大数据交换汇集平台、大数据治理平台、大数据存储计算平台、大数据智能运维平台、大数据智能分析平台、大数据可视化平台、大数据知识认知平台、大数据应用驾驶舱、大数据基础架构。

2.5 运营管理中心建设

运营管理中心建设是实现云化架构下所有运行系统的集中运维管理工作。

3 智能化矿井平台设计

3.1 数据接口建设

综合管控信息平台与各业务系统的接口主要是通过网络实现信息交换与信息共享，要求在网络级和串口级提供多种符合国际主流标准的接口方式，便于各种子系统接入。当前子系统有以下PLC 接入、上位机接入、以太网接入、OPC 通信、驱动通信5种接入方式，如图3、图4。

图3 PLC 接入结构图

图4 上位机接入结构图

3.2 智能矿山统一门户建设

（1）建立一个统一的监控、安全、生产、经营等信息综合管理门户平台，提供统一信息访问入口和系统运行管理。

（2）在一张时空三维地图上，实现直观管理、透明管理，并以此为基础，设计打造一个基于数据汇总、加工、分析于一体的安全生产调度管理门户。

（3）一张图综合信息展示：① 基于遥感影像一张图展示企业基本情况，用文字、图片介绍煤矿地址、性质、业务范围等企业信息。② 以矿井地理空间数据库为基础，对矿井的空间位置数据分析坐标定位。③ 利用矿井导航定位功能动态查询显示矿井的重要基础信息。④ 基于矿井GIS 一张图实现矿井分布。⑤ 基于一张图遥感影像与地形图叠加，反映井上下对应关系。⑥ 基于一张图遥感影像宏观反映全矿井安全生产重要指标及当前矿井动态诊断安全状况。⑦ 生产协同一张图。建立生产空间数据库，将地测、通风、机电、生产等专业图形数据、属性数据进行统一数据库管理。⑧ 经营管理一张图。建立经营基础数据库，在一张图基础上实现产销存和人财物统一数据显示。⑨ 安全评估一张图。基于矿井GIS 一张图动态显示生产企业安全状况，实时分析评估安全动态自动评价打分。⑩ 应急救援一张图。基于全矿井一张图建立应急值守、应急响应、应急处置、应急救援、应急管理等。

3.3 智能矿山生产管控

智能矿山生产管控应用信息技术、自动化技术、网络技术、计算机技术和煤矿生产工艺技术对矿井生产过程实现全面监控，运用G1S 三维可视化和AI 技术对系统设备进行建模仿真，通过对采掘生产设备监控系统、辅助生产设备监控系统、机电运输监控系统等子系统运行状态、参数等数据进行集中展示，实现对各系统集中监控和高效联动，建立采掘、机运、分选等系统的过程管理和3D 再现实时数据驱动的动态仿真，通过趋势、报警、报表、分析等方式实现管理驾驶舱。

3.4 智能矿山安全管控

智能矿山安全管控包括：安全监测监控、火灾束管监测、人员定位、井下应急广播、水文监测、智能双控、智能应急指挥。

（1）安全监测监控。采集井下瓦斯数据，同时设置限值，对超限或异常监测点进行报警，及时提醒相关部门采取应对措施。实时上传监控数据、报警数据、设备故障信息等数据，按照数据关联情况，及时向相关监管人员及数据监控异常区域进行联动报警提示。对各监控节点进行全寿命管理，对即将达到或已达到寿命周期监控节点进行报警，以便相关管理人员及时进行更换。

（2）火灾束管监测。通过获取火灾束管监测系统中数据，实现对所有井下气体火情数据的监测与智能分析。

（3）人员定位。通过获取人员定位系统中数据，实现对所有人员位置数据的监测与智能分析。① 实时监控井下人员信息，相关管理人员随时随地了解井下作业人员变化情况。② 动态展示实时井下人数曲线，让管理人员对井下各班次人数变化情况了如指掌，防止各班次入井人数超过规定人数。③ 对当班人员进行动态监控，如果其未出现在工作区域，而是在别的区域，则实时报警，以便相关管理人员及时掌握井下人员动态。④ 对人员误入危险区域或关键区域实时报警，防止意外人身伤亡事故发生。

（4）井下应急广播。提供专门的井下应急广播图层，支持二维、三维、图表形式实时显示所有广播设备运行情况、安设位置，采用调用广播预案的方式，向现场发送紧急指令。

（5）水文监测。实时监测井田范围内各含水层的水位和水温，监测井下各涌水地点的水量和水温，监测地面河流的水位和水温，实现超限报警，建立水文动态观测数据库。

（6）智能双控。系统融合接入已建设的智能“双控”安全管理系院，实现安全风险分级管控、隐患排查治理、不安全行为管控、开工许可证签批、规程措施审批等功能。结合煤矿“一张图”展示区域风险分布、隐患合账、管控记录，融合安全监测监控系统数据，动态评估显示全矿与各区域安全风险水平。

（7）智能应急指挥。智能应急指挥包含应急预案管理、救援队伍管理、救援装备管理、应急救援案例、智能避灾路线分析、应急演练计划等功能，实现应急指挥从预案到演练、到救援、到全面管理。

3.5 智能矿山经营管控

智能矿山经营管控平台可以展示全矿经营管控数据。建设机电设备管理系统对全矿井资产信息进行维护记录，在设备全生命周期过程中所产生的有关设备业务信息，可通过自动更新或手动记录方式在设备档案中体现，并且可对设备资产净值按月进行计算，达到一定净值金额后，进行报废流程处理等。

3.6 智能分析

将人工智能（AI）引入智能辅助决策业务场景，在基础设施、调度管理、计算框架、模型算法、系统管理、服务管理的基础上，训练模型、发布模型，使模型发布后与具体的综合管控信息平台功能进行对接，实现人员行为分析、安全动态分析、设备能耗分析、大型机电设备健康诊断分析、设备寿命周期预测、视频AI 分析、语音AI 分析等功能。

4 效果

郑庄煤矿智慧矿山的建设和应用，大幅度提高了煤矿生产效率，降低了煤矿企业安全管理成本，安全水平跃上了一个新的台阶。智慧矿山的建设，能够适应煤矿安全工作新形势的需要。该系统以灾害预防、事故救助、电子信息化管理为主要目标，提高安全管理效率，满足安全策略综合性、预见性、跨区域管理要求，为井下安全生产管理提供实时、可靠的技术保障。