龙王沟煤矿智能化系统在智慧矿山建设中的研究与应用

文/代业滨

随着国家环境保护力度的加大和能源消费结构的转型，倒逼煤炭产业必须走绿色智能的清洁化生产之路。近年来，国源矿业开发公司加快了智能化矿山建设步伐，在智能煤炭开采、高效快速掘进、智能通风、智能排水、视频调速及智能供配电系统等方面取得了实质性突破。国源公司龙王沟煤矿作为全国71处智能化煤矿试点之一被国家能源局、国家煤矿安全监察局成功纳入智能化示范煤矿建设目录，标志着国源公司智慧矿山建设进入引领阶段。

一、龙王沟煤矿智能化系统介绍

龙王沟煤矿的智能化系统可分为智能采煤系统、智能掘锚一体机、智能通防系统、智能供排水系统、主运输胶带输送机智能视频调速系统、智能供配电系统六个方面，各系统稳定运行，智能化矿山建设成效显著。

1.智能采煤系统

龙王沟煤矿61617工作面采用德国玛珂基于高精度陀螺仪惯性导航技术和采煤机外置式射频精准定位技术，实现了工作面智能采煤和地面调度室远程一键启停集中控制功能，目前已实现该工作面配置5人智能采煤常态化运行。

在采煤机选择方面。61617工作面配置美国久益采煤机，具备智能割煤、自动往返、滚筒换向、自动扫底进刀、运行工况及姿态监测、机载无线遥控、三角煤机架协同控制截割、远程自动控制、故障诊断分析、环境安全瓦斯联动控制功能。

在电液系统控制方面。61617工作面配置德国玛珂PM32电液控制系统，已实现液压支架自动跟机移架、自动补液、自动反冲洗、自动喷雾降尘、移架报警、收伸护帮、自动推溜、成组程序化拉后溜、时序自动放煤，前后刮板机、转载机、集中泵站及顺槽皮带远程集中控制等功能，实时在线监测采煤机、液压支架、三机、泵站、顺槽皮带等各类技术参数数据。

在定位方面。采煤机具有位置精确定位，应用惯性导航技术结合四维地理信息系统煤层赋存曲线，实现采煤轨迹自动生成的记忆割煤功能；采煤机通过高精度陀螺仪设备实现对采煤机位置、姿态的准确检测，描绘出采煤机沿工作面方向及工作面推进方向的曲线数据，实现对工作面刮板运输机直线度检测，实现工作面刮板机自动调直与修正功能；61617工作面还具有初次来压和周期来压监测和预警、工作面人员位置精准定位功能。

在监控系统方面。工作面视频监控系统已实现在工作面、转载点、超前支架等重点位置，实时显示工作面视频，并进行跟机旋转和视频画面切换功能。

在数据传输方面。工作面工业以太环网系统，通过控制器、电源箱、耦合器、节点交换机、矿用光缆等，形成工作面以太环网，实现数据高速实时传输，通过交换机划分VLAN，实现工作面数据流和视频等信息隔离，保证重要数据网络带宽和数据安全。

此外，为了降低采煤工作面人员劳动强度，实现安全高效智能化工作面，结合放煤工艺流程与德国玛珂合作，并进行深入技术交流，目前已把多轮顺序智能放煤程序编制完成，准备进行工业性试验。

2.智能掘锚一体机应用

龙王沟煤矿已成功应用智能化掘锚一体机煤巷快速掘进装备，实现设备遥控器操作、全断面截割、键盘式操控锚杆机、自动喷雾除尘、工作面环境智能监测分析等功能，实现了掘、支、锚、运、破一体化连续平行作业和掘进工作面安全、高效、快速掘进。

掘进系统。具有坡度追踪、全断面截割等功能，具备完善的传感器、执行器及控制器，能实现单系统或单设备的远程自动控制、工况在线监测、故障诊断功能。

支护系统。具有自动确定锚护位置等，实现工况在线监测及故障诊断、锚固质量自检验等功能。

锚杆系统。配备机载顶部锚杆机和帮部锚杆机，顶锚杆机应用键盘式操控锚杆机，可显示扭距、钻进方位、钻箱位置等参数，具备顶板临时支护功能，实现锚杆作业流程自动化。

运输设备。转载机组具备过载保护功能，带式输送机机尾具备自移和张力自动控制功能。

除尘喷雾系统。配备新型湿式除尘风机系统，具备较强的除尘、降尘能力，可有效降低现场作业环境粉尘浓度。

3.智能通防系统

龙王沟煤矿智能通防系统取得一定成效。目前主通风机实现无人值守在线监测，可实时显示电流、电压、功率、风量、负压、温度、振动等运行参数，超限时报警。通过远程控制调整频率，实现风量调整；采用AFM型风机在线监控系统，可以实时对风机、风门等运行状态及参数进行在线监测，具备一键启动、一键调风、一键倒机、一键反风、故障自动切换功能。

局部通风机设备开停已实现远程监控、主备风机自动切换，并配备性能可靠的低噪音局部通风机，局部通风机实现远程控制，煤及半煤巷局部通风机具备调速功能。

为适应智能矿山建设发展需求，逐步实现矿井通风实时监测感知、故障智能诊断、灾害智能预警、安全智能管控和灾变智能应急控制，提高了矿井通风自动化、信息化和智能化水平。目前，正在开展智能通风建设工作，阶段性实现对矿井风阻、风量、风压等参数的智能感知，对通风网络阻力进行实时监测与解算；实现主要地点风门和风窗自动和半自动开关；通过智能通风软件系统，实现分风解算、通风网络实时解算及灾变状态下风流模拟仿真，能够进行通风系统优化、风速传感器和调节设施的优化布置以及可测性和可控性评价。

4.智能供排水系统

通过建设智能供排水系统，实现矿井供排水系统的智能联动控制，动态预警分析，供排水量智能平衡控制，还可实现矿井强排系统、水处理系统、主排水系统、水文系统的智能联动、预警分析和灾害期间的应急管理，达到智慧化排水的目标。

智能供排水系统已具备井下主要排水泵房实现无人值守、远程数字传输、地面集中可视化监控。并具备两种可靠的抽真空及风水射流引水装置及双水位双报警功能，具有远程、就地自动、手动三种控制方式，实现了多系统的智能联动和预警分析功能。智能供排水系统根据水仓水位高低和用水量的变化进行自动起泵、自动调节排水泵运行台数，自动切换排水管路，在线检测主排水系统工序能耗，实现多台水泵自动轮换和自检功能。

龙王沟煤矿通过建设智能供排水系统，提高了排水效率，降低了设备故障，取消了岗位人员，降低了人工成本，实现了矿井无人少人的目标。

5.主运输胶带输送机智能视频调速系统

通过智能视频调速实现主运输胶带输送机煤流智能启停、智能调速、智能异物识别等功能；实现煤流大提速、煤流小降速，降低了皮带运输系统能耗，减少了运输系统设备磨损，达到了延长设备寿命的目的。

智能视频调速系统具备各类运行参数自动采集显示、自动分析判断、异常报警停机、异物智能识别、自动启停皮带、远程集中控制等功能，实现根据煤流大小、方向、煤仓煤位进行煤流均衡自动控制的目标。通过主运输系统地面远程集中控制，机器人巡检代替人巡检，达到了无人少人高产增效的目标，

6.智能供配电系统

智能配电系统的应用，使主要机电硐室实现无人值守，配电系统实现高（低）压电气设备遥信、遥测、遥控、遥调、遥视信息在线监测及远程实时传输和可视化监控。

智能配电系统具备防误操作及远程闭锁，各变电所实时远程集中监控及智能调度、数据采集、运行监视、智能告警、故障录波分析、防越级跳闸、自动故障定位等功能。此外，还具备峰谷电能计量、能耗统计、在线电能质量分析、绝缘监测功能。

二、龙王沟煤矿智能化系统的应用效果

龙王沟煤矿统筹规划，从多角度进行智能化系统设计、建设，全力打造智慧绿色安全的一流矿山。

1.践行绿色发展理念，推进了节能减排工作

龙王沟煤矿通过建设四维地理信息系统，利用钻探数据地质体连续建模技术，在内蒙古自治区率先建成了首个透明化可视矿山系统，助力矿山地质环境保护和生态修复工作；全面开展TDS智能化煤矸分离系统建设，利用分离矸石回填采空区或用于井巷地坪施工，提高了资源回收率，减缓了地面沉降，实现了矸石零排放；构建矿井水洁净高效智能化循环利用系统，实现了矿井水零排放；利用智慧矿山管理系统，通过对生产系统智能化管控，动态监测矿井各系统能耗，分析制定节能降耗措施，实现了能源高效利用和低碳发展；大力推进矿井节能降耗工作，在矿井110KV主供电系统上，应用无功补偿新技术和新产品，使系统功率因数由原来的0.7提高到0.9以上；在主煤流系统、主通风系统、井下供液系统等主要系统全面推广应用变频技术，实现了煤流速度、风机功率、供液泵功率的自动调节，实现了节能降耗，全年累计节省电量230万度以上。

2.加强私有云系统建设，营造了良好的网络安全环境

智慧矿山系统建设离不开数据保障和网络安全保障，面对复杂的外部网络环境和海量智慧矿山数据，建设一套高可靠的网络安全系统和大数据中心尤为重要。龙王沟煤矿于2019年建成智慧矿山私有云系统，系统集成了虚拟集群系统、物理存储系统、Oracle数据库系统、备份一体机系统，采用了业界先进的虚拟化集群技术和存储双活技术，实现了主系统发生故障后备系统的自动接管业务以及系统数据的负载均衡，保障了系统稳定可靠运行。同时建成网络安全态势感知平台、日志审计平台、上网行为等网络安全系统，实时监测和防护内外网攻击和系统非法访问，严格按照“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的原则开展网络防护体系建设，成功阻断防御了勒索病毒、蠕虫等各类病毒木马攻击，为矿井的安全生产和智能化系统建设提供了良好的网络安全环境。

3.加强透明矿山建设，提高了三维地质模型精度

龙王沟煤矿利用四维地理信息系统，通过井上下钻孔数据、探煤数据、物探数据等，应用槽波探测、定向钻探、超前钻探、地球物理探测等技术，高质量完成了61610、61617工作面连续地质体建模和井田范围内连续地质体建模，实现了国内首家连续60多层连续地质体建模，为建设智慧透明矿山、实现工作面智能透明开采提供了基础保障。同时，开展智慧矿山三维组态系统建设，完成了井上下三维虚拟场景的搭建，建立了供水、通风、运输、避灾线路模型及各种三维漫游场景，实现了对矿井的生产环境、生产过程、设备分布、工艺流程、巷道分布、设备运行状态的实时动态掌握，达到井上下透明化管理的目的。

三、结语

龙王沟煤矿在现有的智慧矿山基础上重点建设煤矿智慧大脑和智慧矿山大数据平台，积极借鉴其他智慧矿山建设的优秀经验和做法，加强智能化系统协同管控体系建设。积极将人工智能、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。在5G+智能透明开采、高效快速掘进、远程故障诊断、数字孪生技术应用等方面实现创新突破，实现煤矿开拓、采掘、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等过程的智慧化运行，打造了国内一流智能化示范矿井。

采煤工作面