七五煤业智能矿山建设的实践研究

李彭波 邓海宾

（山东能源枣矿集团七五煤业公司，山东 枣庄 277000）

煤矿生产中面临着水、火、煤尘、瓦斯、顶板等灾害，给煤矿的安全管理工作带来了很大的隐患。随着各项技术的发展，应用于煤矿井下的技术也在不断更新，煤矿智能化发展成了煤矿发展的必然趋势。将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人智能装备等与现代煤炭开发利用深度融合，建设煤矿智能化协同控制系统[1-2]，实现煤矿各生产环节的智能化运行，对实现井下少人化和无人化作业具有积极的推动作用。

1 工程概况

山东能源枣矿集团七五煤业公司位于山东省济宁市微山县欢城镇南，井田呈不规则分布，井田南北长约7.70 km，东西宽约7.50 km，面积46.192 9 km2，开采深度标高-50～ -1000 m，工业储量3.2 亿t，年设计生产能力60 万t，主采3上煤层。

七五煤业数字矿山创新应用“一个平台，两个系统”，实现了煤矿各系统的融合与联动，消除了信息孤岛，实现了采掘、机运、“一通三防”、分选、装车等各系统的数据采集与远程集中控制。数据采集点超过7 万个，将矿井生产状态与信息化进行全面融合，为实现煤矿的转型发展开辟了新路径，为推动煤矿智能化转型发展奠定了坚实基础。

2 搭建井下万兆环网

网络作为煤矿智能化发展的中框神经，是实现煤矿各系统联动、各设备协同的基础。根据七五煤业的开拓方式以及采掘布局，搭建井下万兆工业环网，以万兆交换机为节点，实现井下各工作面的网络覆盖。智能矿山建设的方向应为“化繁为简”，尽可能实现设备集成与多网融合，能满足智能矿山设备接入点多、接入面广、接入形式多样等特点。矿井“一网一站”配合万兆工业环网，实现了网络与业务的融合，具有无线通信、精确定位、WiFi 覆盖以及多业务、多接口接入功能，简化了矿并通信网络和线缆敷设网络，提高了系统的可靠性，同时降低了运行维护难度，为智能矿山的发展提供了重要保障。

3 建设智能化管控系统

煤矿地面的智能化管控系统作为煤矿调度指挥的核心，同时兼顾集成展示和远端控制功能，既展示了煤矿井下设备的实时运行状态，也实现了远程集中控制。

七五煤业搭建了智能化管控平台，实现了跨系统融合和联动控制，实现了设备信息的横向连接和纵向贯通，横向实现多系统的信息交互，纵向实现了跨系统的统一控制；同时也为煤矿实现大数据分析提供了平台，对实时数据进行存储，从而进一步提高煤矿各系统的整合性和关联性，为煤矿智能化提升提供了保障。七五煤业分别搭建智能一体化生产控制系统和生产执行系统，实现了控制功能与执行功能，两系统基于一个平台，打破了信息壁垒，解决了数据共享不及时的问题。

综合智能一体化生产控制系统，主要应用于控制层，按系统实现设备信息的采集上传，设备运行状态的实时监控，改变了“上传下达”的传统调度模式，提升了调度的管控能力；系统本身具备报警联动、趋势分析与远程监控等功能，实现了采集数据的初步分析，很大程度上解决了人为判断的工作量，对实现矿井无人值守和智能调度提供了探索。

综合智能一体化生产执行系统，将七五煤业各业务管理流程进行固化，以实现电子化办公和线上审批为主，提升了便捷性和高效性。生产执行系统实现了生产、机电、调度、“一通三防”、综合分析、能耗管理等功能模块的集成，具有数据共享与自动统计等功能，为管理者提供了数据支撑和管理依据。

4 智能化实践成果

4.1 智能化综采工作面

七五煤业综采工作面地质条件较好，煤层相对稳定且近水平，在探索综采智能化的实践中，主要建设目标是在传统记忆割煤的基础上，应用多种、大量的传感器，尽可能地代替人工跟机，实现设备自身的稳定运行。对于地质条件较好的煤层，工作过程中突发情况较少，煤机割煤以平缓过渡为主，在综采数据中心增加AI 算法，通过对截割历史数据分析，判断煤层变化趋势，通过对邻架、邻刀等数据对比，以及对传感器实时数据进行AI 分析，应用分析结果反向控制煤机自主运行，很大程度上可实现煤机截割的平稳过渡。煤机与支架的自主运行能力提高，综采控制方式逐渐由就地操作向跟机监护以及远程监护运行转变，形成了“自主预测、局部干预、远程控制”的割煤新模式。

4.2 掘进运输系统智能化

七五煤业公司的掘进智能化发展，以掘进运输系统为起点，投用掘进长运距单点永磁变频驱动胶带机，以固定设备远程控制、移动设备联动控制为主，实现了胶带机的远程集中控制以及梭车、破碎机的联动控制；通过视频分析与智能保护等手段，提高对胶带机固定设备的监护能力，取消了固定岗位，由此开始了连掘智能化的探索。

4.3 主运系统无人值守

主运系统作为煤流运输的核心，远程集中控制技术已趋于成熟，主运设备相对固定不变，为实现主运系统无人值守提供了便利条件。主运系统无人值守的重点在于对主运系统本身的检测以及对外物损伤的及时判别和控制。巡检机器人的逐步成熟，完全可代替人工巡检，设备的监护可通过检测与识别技术实现，如设备在线点检、钢丝绳无损监测、防纵向撕裂技术、胶带机防灭火技术以及智能视频识别技术等。相较而言，主运系统实现无人值守已逐步趋于成熟。

4.4 供电系统智能化

供电系统智能化主要以实现高低压设备智能控制和高可靠性为主，通过实现高压设备的“五遥”功能以及防越级跳闸，实现高压供电的稳定；低压设备的远控与持续可控性需要依托于网络通信设备，并通过配备后备电源的方式，实现断电可控，确保送电功能的实时有效。对于固定的变电所宜采用轨道式或轮式机器人，根据需要搭载各类型传感器，实现代替人工巡检，具备固定供配电场所无人值守和定位巡检。对于供电线路，宜采用感温类、检测类或智能视频等技术，实现防灭火功能，提高系统可靠性。

4.5 矿井排水系统智能化

矿井排水系统智能化需要建立多系统集成的排水模型，将地表水、裂隙水以及老空水等多种补充水源情况通过探测数据建立供给水导向趋势模型，同时将采集、中转、处理等过程和工艺建立联动关系，通过水位、水质变化，实现自主运行和关联控制。七五煤业建立了基于水量、水质与设备能力的均衡排水模型，将地面污水处理厂处理能力与排水泵进行关联，辅以管路自动切换功能以保证污水处理质量，提高矿井排水能力，避免环保事件发生。

4.6 矿山的绿色转型

矿山的绿色开采也依托于煤矿的智能化发展，需要智能化技术作为支撑。七五煤业于2018 年投用的全国首套纯水支架，通过改变综采液压设备的介质，将难降解的乳化液更换为纯水，再解决密封自润滑、油缸的防锈等问题。该套系统成功回采两个综采工作面，环保效益显著，是建设绿色矿山的有益实践。利用新型热管系统取代燃煤锅炉，将矿井回风流中的低温热焓通过工质相变进行回收；通过间壁换热实现气气直换方式提取乏风热能交换给矿井新风，将矿井新风由室外温度加热到所需温度（不低于2 ℃），以保障矿井井筒冬季生产安全，并带来了环保效益。

4.7 辅助装备智能化提升

目前七五煤业首次投用巷道巡检机器人，通过搭载的各类传感器与视频智能分析系统，实现了巷道巡视、多气体采集以及异常状态报警等功能，同时也将进一步探索围岩变化分析以及巷道其他装备的智能识别分析等功能，进一步代替人工巡视，提高了矿井巷道安全系数。

对辅助类装备的自动化提升，对降低员工劳动强度、提高工作效率有重要意义，如巷道修复车、掏槽机器人以及履带式液压自动钻机等，代替人工使用风动工具作业，提高安全系数的同时，改变了作业模式。同时应用多种单兵作战装备，如智能矿灯、智能防爆终端和智能安全帽等装备，辅助提高矿井安全管理能力。

5 智能化矿井关键技术

5.1 建设智能化管控平台

七五煤业基于现有生产控制平台存在的问题，进一步开发了融合大数据、智能分析等技术的智能化管控平台，充分利用采集的多源异构的海量数据，充分挖掘数据价值，利用平台既可以实现远程的集中控制，又可以实现检修任务的自动编制以及指导检修。该智能化管控平台将具有更丰富的接口和数据处理能力、异常诊断能力以及故障处理能力，改变传统的检修与运行模式，变被动抢修为主动维护，提高设备有效运行时间。

5.2 关键技术应用

（1）矿井5G 技术的应用。七五煤业5G 技术的应用，加快了该煤矿无人化进程，将煤矿井下的重要系统通过5G 实现物联网，具有低延时、大带宽、高可靠性和高速率的特点。

（2）惯性导航技术。七五煤业惯性导航技术的应用对实现综采工作面调直以及掘进自动化具有重要意义，辅助激光雷达、定位以及激光识别等技术，为自动掘进技术的突破提供了方向。

（3）智能视频分析技术。七五煤业智能视频分析技术在煤量检测、电子围栏和异常状态检测等方面得到广泛应用。

6 结语

对山东能源枣矿集团七五煤业智能矿山建设的探索实践从搭建井下万兆环网、建设智能化管控系统、智能化实践成果、智能化矿井关键技术四方面进行了分析，通过智能化转型发展解决了该煤矿安全管理、绿色发展以及高效运行的问题，应用效果理想。但该矿在智能矿山建设过程中同时存在技能型人才缺乏、智能化装备不足等问题，期待后续进一步完善。