耿村煤矿智能矿山建设研究与实践

2022-06-05文/陈卓

中国煤炭工业 2022年3期

文/陈卓

智能矿山是我国重点培育发展的产业之一。河南能源义煤公司耿村煤矿在国家推动煤炭安全建设的大背景下，大力开展智能矿山综合自动化系统建设。系统覆盖智能矿山生产系统、安全监测和应急调度指挥等关键环节，实现了对生产现场的各类动态数据实时在线采集和高速传输，为煤矿井下安全生产过程的监测、控制和跟踪管理，以及生产统计管理等方面提供了有效的科技支撑，保证了安全管理实时化、系统化、科学化。

一、实施智能矿山建设的背景和意义

随着煤矿安全生产新技术的不断推广应用，矿井安全生产综合监控已向智能化方向发展。开展智能矿山综合自动化系统项目建设，符合《国家中长期科学和技术发展规划纲要》关于“安全生产”的战略目标。煤炭企业在生产过程中，不仅要对采煤机、刮板运输机、液压支架、转载机、破碎机、输送机等大型设备的工况进行实时监测，还要对矿山压力、瓦斯、一氧化碳、煤尘等环境参数进行实时监测。目前，实现矿山智能化、无人化的核心技术与瓶颈问题，是煤矿主要生产系统的智能控制与安全监测大数据关键技术研究与相关产品的研制。智能矿山综合自动化系统的建设，能够实现智能矿山主要生产系统（综采工作面、主煤流运输系统）智能集中控制；实现主要生产区域人员精确定位管理；实现煤矿安全生产实时监测，综采工作面、主运输巷道等关键生产场所安全监测与重大灾害预警；实现多网融合通信、智能化调度。

耿村煤矿综合智能化总体改造力求保证未来投资与已有的投资高效整合，真正为耿村煤矿提高生产的安全性和生产效率打下一个良好的基础。项目的实施将填补耿村煤矿主要生产系统和装备自动化集中控制等领域的研究与应用空白，对探索煤矿无人化、少人化开采，提高煤矿安全生产技术水平具有重大意义。

二、主要做法

1.主要研究及开发的内容

（1）研发智能矿山生产与安全一体化综合自动化平台，包括矿山生产系统智能控制、安全大数据实时监测等多个子系统。

（2）研发综采工作面生产设备控制子系统，实现工作面生产及配套设备协同工作、集中控制、故障诊断。

（3）研发主煤流运输自动化控制子系统，实现顺/逆煤流全自动顺序集中控制、故障诊断、音视频联动，实现无人值守。

（4）研发煤矿安全生产监测平台，实现矿山主要生产设备、人员以及环境安全实时监测。

（5）研发多网融合通信系统，实现矿井异构通信系统互联互通、统一调度指挥。

2.实现的主要技术及经济指标

（1）基于物联网的智能矿山模型理论体系。提出基于物联网的智能矿山理论模型，建立智能矿山三层平台综合自动化系统层次结构体系和智慧矿山多协议转换网络协议层次模型。

（2）基于物联网的智能矿山安全生产综合监控系统全覆盖传输平台体系。开发建立了100/1000/10000Mbps工业以太环网+WiFi+CAN现场总线全覆盖网络传输体系，实现矿山各种自动化及监测监控子系统的接入和信息共享。

（3）矿井宽带无线通信支撑平台。本项目研究矿山复杂环境条件下，高效、动态、灵活的组网与实时可靠的信息传输关键技术，研究自组织与新型矿山地下无线传感器网络动态多跳组网技术，给出有效的覆盖和连通性保持及障碍物避免算法，实现快速自组织重构的抗毁路由技术和自适应物理层访问技术。依托高速工业以太网，建立矿山冗余、有重构能力的基于无线传感器网络的救灾应急系统平台。

（4）智能矿山安全监控系统及接入关键技术的研究。研究基于IP的煤矿融合通信系统，实现煤矿调度通信的革新和升级换代。矿井安全生产自动化监控各子系统开发，实现了对井上/下运输、四大运转（通风、压风、提升、排水）、井下供电等矿井各安全生产环节的“遥测、遥信和遥控”。开发流媒体信息传输及控制技术，研制了矿井数字化图像监视系统及数字音视频一体化摄像仪等设备，解决了矿井上/下之间的远程图像、图形交互传输与控制技术。

（5）智能矿山综合监控信息集成软件系统。构建三层平台，以安全生产、自动化等信息系统为其子系统，将实时数据流和管理信息流等各子系统集成统一的信息平台。通过企业内部计算机网络，基于分布式实时数据库，实现了各子系统的无缝集成和实时数据Web浏览。

（6）预警及应急救援系统。煤矿受瓦斯、煤尘、水灾、火灾、顶板、地温、冲击地压等灾害威胁，关口前移，做好事故的预防是关键。开发预警及应急救援系统，若一旦发生事故，可以最大限度地减少事故造成的人员伤亡和经济损失。

（7）矿井融合扩播通讯及联动系统。系统设计以安全、可靠、先进为原则，系统实现在安全生产指挥调度中心对井下所有区域进行网络监视和控制，做到无通讯盲区。

3.采取的技术路线及关键技术

（1）提出智能矿山综合自动化理论模型。建立智慧矿山综合自动化系统平台三层结构体系。三层结构体系包括感知层、网络传输层、应用层，如图1所示。

图1 智能矿山网络模型

（2）开发综合自动化平台。综合自动化平台以信息集成为核心，有效整合各种资源信息，从总体角度对矿山信息进行调度管理。采用分布式的系统架构，建立数据接入、数据处理，数据表示三层应用体系结构。

（3）进行智能矿山自动化系统和接入技术的研究及关键装置的开发。依托现有的综合自动化子系统，相关开发系统主要包括：①采掘设备遥测遥控技术研究和开发；②矿井自组织无线传感网络关键技术研究和开发；③煤矿井下人员管理与救援支持系统研究和开发；④网络化的煤矿井下风网监控关键技术开发；⑤煤矿井下斜巷绞车轨道运输远程安全综合监控系统研究和开发；⑥煤矿应急救援广播与播音通信系统开发；⑦流媒体信息传输及控制技术研究和产品开发；⑧多功能综合接入网关开发，实现了矿井安全生产综合监控与联动控制。

建立了基于物联网模式的矿山综合自动化技术体系，促进了耿村煤矿采矿技术向可视化、智能化、自动化方向发展。

（4）自主研发智能化监测预警信息系统平台。实现煤矿井上/下人员、设备和环境的实时、安全、高效的协同管理和综合监控，提升了煤矿安全监控智能化水平，实现灾害预警、安全生产、无人/少人开采的智慧模式。

三、效益预测分析

1.直接效益

智能矿山综合自动化系统的建设与应用，提高了劳动生产率。项目实施后，预计可使耿村煤矿生产能力提高2.5%以上，按目前的产量360万吨/年计算，每年至少可以多生产原煤9万吨，按每吨300元计算，可增效2700万元。同时，该系统建成后，可减少约40人，按2021年度煤矿人均工资4.0万元计算，每年可节约工资及其他福利约160万元。