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文章來源：《智能礦山》2023年第1期“智能示范礦井”專欄 第一作者：薛國華,，高級工程師，現任陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦礦長 作者單位：陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司 引用格式：薛國華,，張玉良,，宋燾，等.黃陵一號煤礦智能礦井建設探索與實踐[J].智能礦山,，2023,，4（1）25-34. 點擊文末左下角“閱讀原文”，免費下載閱讀pdf全文 陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦（簡稱黃陵一號煤礦）嚴格按照公司智能化礦井建設任務及要求,，對照《智能化煤礦驗收管理辦法（試行）》文件標準及相關規(guī)定，按照“健全系統,、完善功能,、改造升級、確保一流”的總體思路,，通過與王國法院士團隊溝通合作,，堅持“先井下、后地面,，先生產,、后輔助”的建設方針，黃陵一號煤礦2021年初組建了11個智能化建設專班,，合計28個建設項目,，現已全部完成建設，項目累計投資6.3億元左右,，主要建設內容如下：黃陵一號煤礦信息基礎建設包含通信網絡,、數據中心與服務,、綜合管控平臺3大板塊。通過采用中興通訊股份有限公司等國產一線品牌,，全面升級自主可控技術與裝備的通信網絡。礦井主干網絡采用冗余環(huán)形結構,，井下,、地面分別布設10萬兆、萬兆,、千兆3組環(huán)網,，形成控制千兆、監(jiān)測萬兆,、視頻10萬兆分鏈路組網傳輸模式,，實現了網絡流量及網絡拓撲自動生成功能的智能網絡管理，全面提升了機器視覺,、語音識別,、高采樣頻率大體量數據上行帶寬；與中興通訊股份有限公司,、中國聯通,、陜西智引科技有限公司研究建設5G通信技術礦井應用，融合4G,、WiFi形成井上井下泛在感知網絡全覆蓋,數據傳輸形成立體式綜合性網絡架構（圖1）,，綜合承載井下語音通信、數據傳輸,、視頻監(jiān)測,、人員定位信息等共網傳輸，不斷推動5G+礦山物聯系統建設,。
黃陵一號煤礦與技術研發(fā)單位合作建成以智能礦井數據中心為主,、AI+NOSA數據中心為輔的智能煤礦大數據服務中心（圖2），利用超融合設備組成私有云及華為云,，形成智能礦井混合云,，具備非結構化和結構化數據存儲能力，結合公司云端形成異地災備配置功能,；數據服務端建設數據中臺,，形成數據資產管控體系和數據治理系統，通過建立統一標準規(guī)范的數據體系,，規(guī)范主數據,、數據索引格式、元數據格式,、數據表結構等,，完善數據質量管理組織架構,，制定規(guī)范的數據質量改善流程，形成數據應用場景的數據質量管理閉環(huán),，實現了礦井業(yè)務過程數字化,；通過數據平臺沉淀，不斷豐富礦井模型和知識庫,，形成了礦井頂層平臺應用綜合承載,。
根據集團公司“2+2+N”智能化建設整體架構，黃陵一號煤礦與設備廠商合作建立煤礦智能化綜合管控平臺（圖3）,，基于大數據服務中心綜合承載,，通過統一主數據標準、統一數據接口標準,、統一系統入口標準,、統一GIS圖形標準“四統一”，利用云計算,、協同GIS,、數字孿生、智能識別,、大數據等信息化前沿技術,，對煤礦監(jiān)測、控制,、通信等系統的統一管理,，實現了煤礦地質勘探、巷道掘進,、煤炭開采,、通風排水、供水供電,、安全防控等系統數據融合,、分析決策和聯動控制；業(yè)務系統實現了多部門,、多專業(yè),、多管理層面的數據集中應用、交互共享和決策支持,；融合安全生產,、經營管理、生態(tài)環(huán)保,、智慧民生等管理系統,，實現了全要素集中共享分析、智慧決策,，達到礦井從檢修模式向生產模式的一鍵切換,，生產全過程協同控制,，真正實現了“智能化系統、系統智能化”,。
黃陵一號煤礦基于GIS空間數據庫動態(tài)構建煤礦透明地質模型(圖4),，實現了從數據處理、數據更新,、可視化,、空間分析等方面的二三維一體化模型，并基于隨掘地震實時動態(tài)監(jiān)測系統和智能工作面地質模型動態(tài)更新技術,，構建采掘工作面動態(tài)更新的高精度地質模型,，實現了工作面內異常構造體動態(tài)智能探測,。另外,，采用4DGIS技術對采、掘,、機,、運、通各專業(yè)子系統及工業(yè)廣場建筑進行精細化仿真建模,，并基于統一的GIS平臺將煤礦安全,、生產、經營等數據進行融合呈現,，實現了全礦井“監(jiān)測,、控制、管理”的一體化管控和可視化巡檢,。
2021年,，自主研發(fā)了“掘錨機+錨運轉載機+智能快速自移機尾”的半煤巖巷道智能快速掘進機器人系統，配置的“慣導+數字式全站儀”精準定位系統可實現數據遠程傳輸及監(jiān)控,、聯機啟停,、智能截割、設備狀態(tài)感知和調整,、自主定位導航等,，進一步提升了掘進作業(yè)的智能化水平。這項成果的成功實施開啟了智能掘進技術在高瓦斯礦井中厚煤層應用的先河,，破解了高瓦斯礦井,、中厚煤層、復雜地質條件下智能快速掘進難題,，實現了掘,、支、運平行作業(yè),，提高了巷道掘進速度和單進水平,。2022年,，黃陵一號煤礦與山西天地煤機裝備有限公司合作研發(fā)了“掘錨一體機+錨運轉載機+橋式轉載機+自移機尾+履帶運輸車+抓管機器人”成套智能快速掘進裝備（圖5），掘錨機裝配6臂鉆機對掘進工作面頂板,、側幫錨桿進行快速支護,；錨運轉載機搭載4臂鉆機，對剩余頂錨,、幫錨進行永久支護,；利用履帶運輸車+抓管機可完成管路自動機械化安裝；智能控制系統配備慣性導航,、數字式全站儀,、激光測距等高精尖傳感器，融合應用5G網絡,、電液控制等技術,，實現了實時紅外高清視頻監(jiān)控、設備狀態(tài)感知,、一鍵啟動,、自主導航定位、故障自診斷等功能,，全面提升了巷道掘進速度和智能化水平,。
2014年，黃陵一號煤礦在全國范圍內率先完成較薄煤層全國產裝備智能化開采技術研究與應用,，首創(chuàng)了地面遠程操控采煤模式,，整體技術達到國際領先水平，實現了從“0”到“1”的突破,，填補了我國煤礦智能化無人綜采技術的空白,。2015年，完成首個中厚煤層智能化工作面建設,，實現了地面采煤作業(yè)的常態(tài)化,，至此黃陵一號煤礦井下所有工作面均實現智能化開采，形成了薄煤層到中厚煤層智能化開采技術應用的全覆蓋,。2019年,，在智能開采技術成功實踐的基礎上，黃陵一號煤礦積極探索研究基于動態(tài)地質模型大數據融合迭代規(guī)劃控制策略的智能開采技術,，通過綜合探測技術獲取工作面地質數據（圖6）,，建立高精度三維地質模型，應用慣性導航和激光雷達等實時監(jiān)測數據,，對開采模型進行動態(tài)修正,，首創(chuàng)了基于“CT”切片技術的精準控制方法,，根據生產進程進行實時切片,、生成截割曲線,，指導采煤機生產，采煤機按照大數據智能分析決策中心下發(fā)的規(guī)劃截割模型進行自主截割,，無需人工干預截割過程,，實現了從傳統“記憶截割、遠程干預1.0”向“自主截割,、無人干預3.0”的技術跨越,，相關技術成果于2020年9月通過中國煤炭工業(yè)協會科技成果鑒定，達到國際領先水平,，目前該技術已在黃陵一號煤礦所有采煤工作面推廣應用,。
黃陵一號煤礦主運輸系統采用帶式輸送機接力運輸原煤，地面遠程集中控制開停機,，主運輸系統監(jiān)控系統齊全完好（圖7）,。通過煤流監(jiān)測系統、視頻監(jiān)控系統與原有的地面集中控制系統的高度融合,，實現了順煤流啟動,、智能調速,、重點部位實時監(jiān)測等功能,；建設全礦井主煤流運輸巡檢機器人系統，實時采集巡檢現場的圖像,、聲音,、溫度、氣體,、異物識別等數據,，并將數據進行智能篩選、分析,，實現了設備運行實時監(jiān)視和故障超前預判,、預警等功能；利用AI+NOSA智能風險管控系統,，在主運輸機頭,、機尾處均裝設電子警戒圍欄，對人員違規(guī)穿越輸送帶,、進入設備旋轉部位等行為進行實時語音報警,、現場聯動停機等。
黃陵一號煤礦輔助運輸系統采用無軌膠輪車運輸,，通過實施基于4G通信的礦井車輛管理及人員定位系統建設（圖8）,，以精確定位技術為基礎，以輔助運輸系統安全管控為目標,，以車載智能終端為控制核心,，將4G+5G通信,、無線WiFi技術與井下信號燈、智能調度,、GIS地理信息和人員定位管理系統相融合,，實現了運行車輛的實時跟蹤、定位,、通信,，達到車輛可視化管理和高效調配，提高了車輛運行效率,，讓井下“打車”成為現實,；同時搭配車輛危險駕駛、特殊運行路段,、紅綠燈語音報警功能,，輔助駕駛員規(guī)范駕駛，實現了輔助運輸系統智能,、高效,、安全運行。
黃陵一號煤礦智能通風控制系統（圖9）主要由通風智能感知監(jiān)測系統,、高效全自動測風系統,、風量遠程定量調控風窗系統、遠程自動控制風門系統,、智能通風應急指揮系統和礦井通風智能分析決策與控制系統等組成,，可實現對用風點的需風量實時進行計算，通風狀態(tài)的三維動態(tài)可視化自動呈現及通風系統故障診斷與預測預警,，基于監(jiān)測數據對通風系統實時進行網絡解算和風量調整方案的動態(tài)決策,，主扇的一鍵倒機，風量,、風壓,、溫度、濕度及設備運行參數實時監(jiān)測,，過車風門和關鍵通風節(jié)點的風窗地面遠程控制等功能,。智能通風控制系統的建設有效提高了礦井在通風安全領域全系統、全時段,、全面關聯信息的實時匯集,、分析、規(guī)律提取與預警水平,。
通過利用礦井現有的信息管控平臺,，對生產輔助系統進行完善，供電監(jiān)控系統（圖10）可以實現對井下變電所的供電參數監(jiān)控、智能定值計算與檢驗,、防越級跳閘,、電能計量管理（能耗分析、峰平谷電量統計等）,、電能質量監(jiān)測,、變電所視頻聯動、實現高壓操作票及智能高壓開關設備的順序控制功能,，對重要區(qū)段（地面到井下中央變電所及采區(qū)變電所）的電力電纜進行測溫和電纜溫度過高預警,、火災自動探測預警、門禁控制系統管理等功能,；主排水系統（圖11）可實現對井下水泵房內各水泵的遠程啟?？刂啤⒅悄艹榕?、自動匹配排水設備,，自動選擇合理排水方式、避峰填谷智能運行,、在線監(jiān)測主排水系統工序能耗,、負荷和管網調控及故障分析診斷與預警等功能；同時在變電所,、主排水泵建設機器人巡檢系統,，實時采集巡檢現場的數據，可實現“無人值守,、無人巡檢”的目標,。
黃陵一號煤礦針對礦井瓦斯,、水災,、火災、頂板等災害建立了安全監(jiān)測監(jiān)控系統,，融合應用一體化通信系統,、礦壓監(jiān)測系統、水文監(jiān)測系統,、束管監(jiān)測系統,、光纖測溫系統、AI+NOSA智能風險管控系統,，實現了對各類災害的實時監(jiān)測,、預警及統計分析；通過智能綜合管控平臺實現了全礦井人員,、車輛及各類災害的信息共享,、數據監(jiān)測與計算分析，為調度指揮及應急救援提供了技術保障，并融合安全風險分級管控和隱患排查治理雙重預防機制,、各類監(jiān)測監(jiān)控系統,，形成綜合多種災害監(jiān)測數據的融合共享，實現了煤礦安全態(tài)勢的動態(tài)評估,、預測,、預警；整體提升了應急救援工作管理及指揮能力,，根據災害監(jiān)測預警,、綜合評估結果，自動調用應急救援預案和避災路線,，實現了應急救援輔助指揮功能,。各類安全監(jiān)控系統界面分別如圖12—圖16所示。
自2020年以來,，黃陵一號煤礦對調度指揮中心進行多次優(yōu)化升級,，不斷融合智能子系統，按照主調,、分控布局形成了礦井智能調度指揮控制“一張網”,。結合智能綜合管控平臺，建設智能調度坐席系統,，形成了綜合決策（圖17）,、智能采掘、安全管理,、災害防治,、智能巡檢、園區(qū)安防等9個功能區(qū),，集智能化指揮,、調度、管控,、辦公,、培訓、展示等功能為一體,，實現了對井上井下各系統的統一協調管控,。
持續(xù)優(yōu)化園區(qū)建設，完善經營管理系統,。一是完善智慧路燈,、智能安防、智慧灌溉,，增加了礦區(qū)LED大屏,；二是建設智能化會議室，實現會議預約、無紙化會議等功能,；三是為職工配備智能單兵裝備（智能礦帽）,，完善礦工健康管理體系，實現了礦工入井生命信息實時監(jiān)測,；四是通過集團西煤云倉平臺實現了智能倉儲管理,；五是通過綜合管控平臺實現了智能信息發(fā)布和個人移動終端管理，以及工業(yè)設施保障系統的智能決策和數據共享,。以“三網一平臺”（安全生產網,、經營銷售網、物流供應網及安全生產信息共享平臺）,、OA辦公系統,、財務系統、人力資源管理系統,、崗位價值核算等智能系統融合一體化集成,，依托數據中心，打通管理孤島,、數據孤島,，構建覆蓋管理決策、財務,、生產,、人力、物資,、機電,、計劃預算、調度,、項目管理等領域的智能化經營管理平臺,，實現了經營數據、生產數據,、績效數據,、管理分析數據等實時展現，為經營決策提供參考,、經營管理提供依據、生產提供數據,、績效提供指導,。智能礦井建設推進中，先后申報專利67項,，完成創(chuàng)新成果309項,，攻克技術難題1108個，對礦井災害治理、設備革新等方面優(yōu)化和提升起到了事半功倍的效果,，為行業(yè)發(fā)展提供了參考模板,。綜采工作面每個生產班可減少作業(yè)人員2人,，每天減少作業(yè)人員4人,；生產輔助系統機器人代替人工巡檢，每天可減少53人,；礦井輔助生產系統全部實現無人化,。（3）效率與效益發(fā)展多元化升級穩(wěn)通過礦井智能化建設，生產效率提升約30％,，每年可多產煤炭90萬t,；每天減少人員投入57人，每年可節(jié)約人工成本1380萬元,。AI+NOSA智能風險管控系統可全面,、實時掌握生產過程中的安全狀態(tài)，規(guī)劃,、跟蹤,、控制礦井安全管理，實現了礦井本質安全,。在智能掘進過程中,，利用“慣導+數字全站儀”系統定向檢測精度小于0.01°，定位檢測精度可控制在±30mm,，截割巖石硬度達到≤f7,，月進尺≥800m，智能掘進機器人系統工作面所需操作人員數量少于8人,。管控云平臺是國內首次基于WEB三維數字孿生礦井的智能管控平臺,，可實現全礦井的一鍵智能巡檢和全生產系統的集中協同控制2大創(chuàng)新功能，解決了黃陵一號煤礦“看什么,、控什么,、算什么”的問題，真正實現了“系統智能化”到“智能系統化”的技術跨越,。（1）采用UWB技術升級定位監(jiān)測系統（圖18）,，研究井下移動設備定位技術，為后期智能礦井輔助無人駕駛,、智能安全保障（人與環(huán)境,、人員設備等）、智能采掘升級,、機器人群作業(yè)等研究項目提供精準的基礎數據保障,，不斷提升礦井的智能化程度,。
（2）繼續(xù)加大動態(tài)地質模型智能化開采技術的推廣力度，不斷優(yōu)化地質模型精度,，提升慣導系統,、雷達測距系統、智能決策平臺等模型與算法的深度開發(fā)與相互融合,，解決推廣應用中出現的技術空白,。智能綜采地質模型精度算法如圖19所示。
（3）結合礦井地質條件,，不斷強化智能快速掘進機器人項目的技術攻關（圖20）,，解決掘、支,、運智能化平行作業(yè)中鉆臂智能裝卸鉆桿,、智能鋪網、定位智能修正等問題,，提升智能化水平和掘進工效,。
（4）持續(xù)深挖AI+NOSA智能風險管控系統（圖21），不斷擴大煤礦風險監(jiān)管范圍,，豐富人員的不安全行為,、設備的不安全狀態(tài)、環(huán)境的不安全因素,、管理上的缺陷等內容,，做到礦井實時預警全覆蓋，提升現場風險管控水平,。
（5）根據礦井機器人應用情況,，結合國家礦山安全監(jiān)察局發(fā)布的《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》指導方針，在主運輸,、變電所成功應用的基礎上,，聚焦關鍵崗位、危險崗位,，在全礦范圍內推廣應用多類型礦用機器人（圖22）,，達到減員增效的目的。（6）完善設備全生命周期管理系統（圖23）,，實現設備從計劃,、選型、采購,、庫存,、安裝、驗收,、使用,、維護、修理,、改造,、更新直至報廢的全過程智能化管理；同時結合設備日常維修和庫存,，指導人員對設備進行強制性檢修,，提高設備開機率，延長設備使用壽命,。
（7）拓寬智能礦井建設范圍,，加大在礦井經營、礦井辦公,、黨建宣傳,、紀委監(jiān)察、民主公開等方面的建設,，進行智能化礦井多元化發(fā)展（圖24）,，豐富智能礦井建設內涵。
（8）需探索研究掘進工作面地質信息三維建模功能,，能夠基于巷道掘進過程中常態(tài)化自動探測及采集的地質信息進行模型自動更新,；研究無軌膠輪車常態(tài)化無人駕駛，研究智能安防,、智能車輛管理,、智能門禁閘機管理系統，研究智能倉儲系統,，研究基于地質模型與工程數據模型對煤礦地層,、地質構造、煤層,、煤質,、瓦斯、水文地質和其他地質條件,、地質特征及變化規(guī)律進行展示功能,，研究智能地質探測設備，最大程度降低人工勞動強度,，提高勘探數據的精度與廣度,；研究礦井經營管理系統包括辦公自動化管理、企業(yè)管理信息化系統等系統,，使各系統之間能夠交互數據,。掘進工作面地質信息三維建模如圖25所示。
煤礦智能化是“十四五”乃至今后很長一段時期國家煤炭科技發(fā)展的主要支撐領域,，是煤炭工業(yè)技術進步的必然要求,，加快煤礦生產經營和數字經濟融合,，推動人工智能、大數據,、互聯網與煤礦智能化建設深度融合,，持續(xù)做好“兩化”深度融合，推動煤礦智能化快速發(fā)展,，發(fā)揮數據的基礎資源作用,，研發(fā)并投用一批關鍵核心技術，突破環(huán)境的智能感知,、采掘作業(yè)的自主導航,、采掘裝備的智能調控等一批行業(yè)重大難題，支撐煤炭行業(yè)由勞動密集型向技術密集型轉變,，并加快智能,、安全、高效的現代智能煤炭生產體系建設,，對提高煤礦企業(yè)技術革新具有重要意義,。
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