三维虚拟矿井技术在矿井自动化管理中的应用

王尊营

(彬县煤炭有限责任公司，陕西 彬县 713500)

0 引言

三维虚拟矿井是一项集物联网、数据库、可视化、虚拟现实、信息管理技术于一体的矿井生产安全管理平台。该平台以3D动画的形式展示煤矿井下环境、安全、生产等方面信息，采用物联网技术实时管理井下生产子系统，远程管控井下设备，从而达到安全生产的目的。

三维虚拟矿井，以当前最先进的人工智能思想为指导，采用虚拟现实技术和建模技术，通过物联网技术，利用计算机远程控制技术构建井上、井下虚拟环境，接入井下所有管理子系统，实现数据分析与共享，将矿井实时情况动画展示，更大程度地方便了对整个矿井的人与物的远程管理，对当前国际国内自动化矿井的建设有良好的指导意义。

1 三维虚拟矿井实施背景与建设原理

1.1 三维虚拟矿井实施背景

2006年，彬县煤炭有限责任公司(以下简称“彬煤公司”)利用自有技术完成了下沟煤矿300万t综合机械化技改工程，把下沟煤矿建成了陕西省地方煤矿中第一个年产300万t的大型现代化矿井，成功探索出了地方能源企业工业化发展新思路、新模式。

2013年，彬煤公司为了响应党的十八大报告精神，推进企业信息化与工业深度融合，建设“数字型、安全型、效益型、创新型、环保型、学习型”六型为特征的安全生产矿井。彬煤公司决定投资4 000余万元，工期4年，建设以三维虚拟矿井为核心的数字化矿山应用管理系统，有效连通各个信息孤岛，全面汇聚矿井大数据，建设集团信息化集中管控的数字化、智慧化矿井。

1.2 三维虚拟矿井系统建设原理

三维虚拟矿井系统采用3D显示技术，实时动态展现整个矿井及矿井中的设备、人、环境数据，通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将井下人、物、设备相连，进行信息交换与数据共享，借助物联网技术实现对矿井设备的智能化识别、定位、追踪、监控、管理。利用数据库全面记录数据的变化，形成矿井管理的大数据。

2 三维虚拟矿井系统实现的功能

2.1 矿井安全生产总体状态查询

矿井采掘工程实时查询：通过三维视图可以直观地了解当前矿井采掘工程状态，即各井巷的位置、各回采工作面的位置、各掘进工作面的位置、煤层的开采情况、井上下位置关系等，形成一张三维立体的采掘工程图。

生产系统的查询：通过选择“通风、运输、安全路线、排水、压风”等系统进行查询。实时显示当前所选系统的运行线路布置状况，例如，通风系统的进风、回风方向及路线，动画演示每个生产系统的运行。

安全监测状态查询：通过系统查看矿井各个生产位置的瓦斯、一氧化碳、温度、风速等实时环境监控数据，掌握矿井安全状态。

2.2 井巷参数化建模与可视化

根据巷道导向点三维坐标、巷道断面形状和尺寸等参数可以自动生成巷道三维模型，能自动处理巷道交叉点的开口与联接，展现巷道的实际纹理。

2.3 回采工作面、掘进工作面三维可视化

井下设备三维可视化管理，包括采煤机的移动、采煤滚筒旋转、滚筒摇臂升降动画；液压支架按组移架、升降、收挡板动画；刮板运输机的满载空载运输、弯曲推移动画；转载机运煤动画；胶带运输机满载空载运行动画，这些动画相互协作共同将回采、掘进工艺真实地展示出来。

2.4 实时安全监测与三维可视化

三维虚拟矿井系统与矿井综合自动化系统、瓦斯监测系统、人员定位系统、监控系统等井下管理系统的数据全面对接，实现井下数据共享，消除信息孤岛，形成了井下实时大数据，并在三维场景中展示出来。

2.5 远程自动化控制

三维虚拟矿井系统可以远程控制单个设备或一组设备的开停等操作，如远程开停胶带运输机、水泵、回采工作面设备等。

2.6 岩(煤)层三维建模与可视化

岩(煤)层的制作，能根据地测系统的岩(煤)层钻孔数据、煤层地板等高线和等厚线，自动生成煤(岩)层三维体，可以圈定无煤区域(烧蚀区、陷落柱、冲刷区等)，将其从煤层中挖除。

2.7 矿井安全事故模拟

水灾模拟：模拟矿井发生透水时，随着水位不断上升，巷道被逐步淹没的过程。随时查询在任意水位上巷道被淹没，未被淹没以及巷道部分被淹没等情况，为救灾方案的制定提供迅速、直观的决策支持。

火灾模拟：模拟矿井发生火灾时，火灾产生的有毒烟雾和气体在巷道中的蔓延扩散过程。可随时查询巷道存在有毒或无毒烟雾，从而为救灾方案的制定提供迅速、直观的决策支持。

爆炸冲击波模拟：模拟矿井发生爆炸或瓦斯突出时，所产生的冲击波在巷道中的扩散过程。在模拟时，用户可以指定冲击波的运动速度、冲击波的最大破坏距离等参数。

危险预警：在系统中建立危险源库，如断层、高瓦斯区域、老窑、含水层、揭煤点等，当掘进或回采到距离危险源规定的距离时，系统自动预警，提醒生产中可能存在的危险，方便做好准备措施，从而达到安全生产的目的。

2.8 设备管理与可视化

根据模型库自动构建各种设备(如采煤机、风门、液压支架和安全监测分站等)三维模型，对设备进行监测，监测数据实时动态显示，管理者还可以在系统中设置设备开停控制监控变量，配置设备浮动标签的显示信息，对设备增加各类属性值，方便管理。

2.9 生产线路设置

实时展现和模拟矿井生产中具有流动特征的生产活动，如通风、排水、运输、避灾路线等。在三维场景中以动画的方式显示该生产系统的运行方式。例如，系统可以与通风设施如风门、风桥、风机等设施一起构成立体通风示意图，方便观察到生产线路的运行动画。

2.10 漫游飞行

在系统中设置井上、井下飞行路线，观察者将沿着设置的飞行路线，指定的速度，在井下漫游，巡检矿井安全情况。

2.11 地面工业广场三维可视化

建立地面工业广场的三维模型，包括广场地面、办公楼、宿舍、煤仓、栈桥、仓库、车间、绿化景观等建筑和设施。

3 三维虚拟矿井建设取得的成效

3.1 数据共享，精准决策

通过建设数字化矿井，消除信息孤岛，数据共享，增强了信息化与工业化深度融合，实现了各个业务流程再造，经营管理上了新台阶，大幅提升了工作效率，提高了公司经营管理决策水平，增强了企业核心竞争力。

3.2 完善了数字矿山体系，安全生产有序开展

安全生产，人命关天。通过建设数字化矿山，矿井安全状况和安全管理水平持续保持良性发展，特别是通过建设三维虚拟化矿井，达到了无需下井亦可掌握矿井实时安全与生产信息的目的，使矿井管理智慧化、图形化、数字化，对安全生产工作的进行起到了保障作用。

3.3 信息化融入日常管理，经济效益快速攀升

数字化矿山系统运行以来有力地推动了公司工作效率全面提升，节省了管理协调时间，使日常业务办理更轻松简单，节约了费用，提升了企业经济效益。与建设系统前相比较，2016年彬煤公司多项经济指标取得了可喜的成绩，企业实现工业总产值48.45亿元，实现销售收入58.55亿元，实现利税总额11.29亿元。彬煤公司在中国煤炭工业百强排名从66名上升至46位，中国民企500强中排260位，居陕西民营企业第4位，咸阳市第1位。

4 结语

彬煤公司三维虚拟矿井系统的实施，使矿井安全状况和生产管理水平得到了极大提升。三维虚拟化矿井系统更直观地显示监测井下的通风、人员、地质、水文等实时数据，达到了无需下井亦可掌握矿井实时安全与生产信息的目的，为全面管理矿井安全生产，做出正确决策提供了科学依据，使矿井管理达到了数字化、自动化、智能化、智慧化，为安全生产提供了保障。近年来，彬煤公司得益于三维虚拟矿井系统建设的有效实施，下沟煤矿先后荣获全国生产先进煤矿、国家特级安全高产高效矿井、国家一级质量标准化矿井，连续多年被省市县评为安全生产先进单位。