神东柳塔煤矿开启智能化建设探索新征程

张登山，邢海龙，张泽

（内蒙古鄂尔多斯市国家能源集团神东柳塔煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209）

柳塔煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内，井田面积13.6185km2，地质储量1.83亿t，可采储量0.89亿t。矿井采用平硐、斜井联合开拓方式，开拓系统简单、信息自动化基础扎实、提升空间大。2021年1月29日，柳塔煤矿组织召开智能化建设推进会，成立了以矿长为组长的煤矿智能化建设领导小组，负责指导煤矿智能化建设工作，抽调专人成立了智能矿山执行组、智能运维队，全面负责智能矿山建设项目组织、审核和实施推进工作，确保智能化矿山建设各项工作稳步推进。

根据国家能源局下发的文件《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》和《国家能源集团智能矿山建设方案》指导意见，柳塔煤矿结合自身发展，从综采、掘进、主运、辅运、供电、供排水、通信网络、大数据、机器人、通风与安全10个方向全方位建设智能化矿井。计划在2022年底建成智能综采工作面初级1个、智能掘进工作面中级2个，目前已实施完成了主运输系统无人值守项目，成为公司第一家主运输无人值守实施单位，同时完成了主通风机房、变电所、水泵房、压风机房固定岗位无人值守。

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1 柳塔煤矿智能化建设目标

2021年，柳塔煤矿智能矿山建设在原有的自动化、信息化建设的前提和基础上，分阶段进行智能化升级改造建设，构建涵盖智能采煤、智能掘进、智能通风、智能一体化管控平台、灾害预警、固定岗位无人值守、云计算中心、通信网络、网络安全防护的智能矿山示范工程。到2022年实现“六个100%目标”，即100%采煤工作面实现智能化、100%掘进工作面实现智能化、100%固定岗位实现无人值守、100%主要灾害实现精准预警、100%通风系统实现远程控制、100%实现巡检机器人全覆盖。为此，要重点做好以下几项工作：

一是加快推进采掘智能化工作面建设，首先在22103综采工作面进行列车设备和自移机尾智能化建设，实现“四岗合一”，22104综采工作面全面建成智能化工作面，建立地面集控中心，实现工作面采掘、运输、供电、供液、视频等一体化控制。积极引进智能化锚运破一体机、人员接近防护系统、多组合智能馈电开关等新技术，着力提高掘进智能水平。

二是大力推进固定岗位无人值守建设，在已实施固定岗位无人值守的基础上，对主运输系统配电点移变、组合开关等进行远控改造，应用智能除铁、智能集中润滑、油脂在线监测等技术。变电所安设电力监控管理系统，实现在线电能质量分析、防越级跳闸、电子挂牌、智能告警等功能。水泵房具备与水文监测系统联动预警与控制功能，根据涌水量自动调节水泵台数、自动切换排水管路，对用水量进行预分析，实现按需供水。

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三是建立智能一体化管控平台，贯通生产执行层与控制层数据，实现大数据应用与智能分析、灾害精准预警及专家决策等，具备矿井子系统的集中展示、集中远程控制、移动监测急停、关联分析、故障诊断与决策等功能，为优化矿井生产提供决策依据。

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四是构建4G（5G）网络+万兆环网+无线网络的矿井传输通道，在采掘工作面实施5G网络全覆盖，为矿井的生产系统提供可靠的传输平台，实现矿井人员定位系统、无轨胶轮车监控、无线通讯系统、应急广播系统、安全监测系统、工业电视系统的高度融合，建设一体化通信系统。

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五是推广机器人、特种车辆研发及应用，推进实施井下抢险作业机器人、胶带机巡检机器人、变电所水泵房巡检机器人、水仓清理机器人、掏槽机器人等，研发应用胶轮锚杆钻车、混凝土泵送车、喷浆车、管路抓举车、钻孔车、胶轮电缆收放车等特种车辆，减轻工作人员的劳动强度、劳动风险，提高作业效率。

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2 柳塔煤矿智能化建设主要经验

作为神东公司固定岗位无人智能化示范煤矿，柳塔煤矿率先实现主通风机、主运输无人值守改造，目前正积极探索智能集中润滑、智能除铁、油质在线监测、巡检机器人等技术应用，实现所有井下固定岗位无人值守。

主通风机不停机切换及无人值守系统指的是，主扇通风机负责矿井通风的重要工作，风机采用一备一用形式，备用通风机要求10min之内开启。传统的风机切换模式不能提前对备用风机进行试验，易出现备用风机因意外无法启动导致矿井停风事故，影响煤矿安全生产。主通风机不停机切换及无人值守系统可实现备用通风机带载启动试验功能，是矿井主通风系统安全运转的重要保障。

2.1 现有矿井通风系统及切换方式

目前矿井主通风机因对机械、电气部分进行检修，需要每月切换一次，切换过程中存在以下问题：

切换过程中主通风机先停机后再启动备用通风机，如备用风机因异常无法正常启动，主通风机已经停转，容易造成停风事故。

备用通风机故障时需恢复主通风机运行，造成系统切换时间长，存在安全隐患。

2.2 矿井主通风机不停机切换关键问题分析

(1)切换过程中同时开启主、备用通风机主蝶阀时,会产生风路短路，造成备用通风机反转。

(2)备用通风机反转时产生对正向启动的阻力，降低了启动的成功率。

(3)双机同时工作时如何使通风系统风量尽可能平稳过渡。

2.3 矿井主通风机不停机切换系统方案

通过在主扇主蝶阀和电机之间增加了连接风筒，风筒上安装辅蝶阀，按照系统程序设定时间先开启备用风机辅蝶阀、备用风机，停止主风机，同步开、关两台风机的主蝶阀，最后关闭风机辅蝶阀，实现主扇切换的智能化，最终实现主扇不停机切换，如图6所示。

图6

主要步骤如下：

（1）主用风机运转时，打开备用风机辅蝶阀。

（2）启动备用风机，使备用风机与主用风机同时运行。

（3）30s后主用风机自动停机。

（4）10s后主用风机主蝶阀关闭，同时备用风机主蝶阀打开，2个风机主蝶阀进行同步开关。

（5）风机运转正常后，关闭主用、备用风机辅蝶阀，风机不停机切换成功。

该方案消除了备用通风机冷备状态下能否正常运行的不确定，避免旧切换模式中备用通风机突然故障无法启动的隐患，降低了备用通风机启动的风阻，提高了启动的成功率。经过实际检测，主扇不停机切换技术切换时间约为90s，且井下不会出现风流间断的现象。

2.4 矿井主通风机无人值守方案

基于可编程序控制器与智能视频为核心的主扇风机无人值守系统，可以实现对通风机性能参数、工况参数的在线实时监测和远程控制，具备以下功能：

（1）可以实现短时间内主用风机与备用风机切换功能。

（2）实现风机起动、停机及2台风机切换过程中风门及其他辅助设备的自动联锁控制。

（3）通过各种传感器进行现场数据采集与数据分析，对风机实时运行状况显示与保护实现一体化的控制与在线监测功能。

（4）系统具有风机动画动态显示、数据储存、故障报警、信号远程检测、画面调度上传等功能。

通过将主扇风机的自动控制集中到地面调度室,操作人员只需在调度室就可实现设备的启停及实时监测，能够实现风机运转状态、风速、风量、振动等参数集中监控，应用基于AI的图像识别技术，对无人值守通风机蝶阀开启、电机温度等进行智能识别分析，对作业人员进入危险区域、安全帽规范佩戴等情况实时监控，对区域巡视岗位进行监督，确保巡视人员履职履责。

主运输无人值守系统的应用。柳塔煤矿主运输系统现有胶带机4部，分别为上仓胶带机、主斜井胶带机、西胶运胶带机、22煤主运胶带机，带宽为1200mm，胶带强度为1600N/mm，胶带运行速度为4.5m/s，运输能力为2000t/h。

由于主运系统设备点多面广，运行过程稍有不慎易造成运输故障，这就要求无人值守集控系统具备高性能控制器和高可靠通讯系统，可以快速对突发的事故进行正确研判，及时预警停机。通过部署网络摄像机、球机等设备，将采集到的信息实时传送至集控中心，24h进行实时视频分析，通道智能识别算法，识别井下的多种安全隐患和违规行为。

胶带机带面断裂和撕裂一直运输管理的重点，尤其是在胶带机无人值守，如未及时发现带面断裂和撕裂情况，将会造成严重后果。因此需安装钢丝绳输送带无损检测系统和纵向撕裂识别装置，在线检测输送带断裂和纵向撕裂，出现异常时可及时报警停机。

（1）智能视频管理系统：在胶带机输送机卸载点、落煤点和驱动部、储带仓、除铁器、机尾等位置安装高清摄像机，监控视频实时传至集控室，集控室可实时监控和记录现场胶带机上煤流和设备运行实况，智能分析图像、数据异常情况，及时推送报警信息或停机。

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视频监控软件具有图像窗口、告警窗口、通信连接窗口、控制窗口等辅助界面，通过IP网络配置管理安防集成管理平台,包括视频监控、智能、报警等各子系统集中接入管理，各系统设备状态支持图形化显示,具备报警、视频监控、大屏电视墙、LED屏等设施的多种联动功能；提供告警时状态显示，事件栏提示，报警对话框提示，支持告警抓拍，告警录像功能，告警日志自动关联告警录像。

应用基于AI的图像识别技术，对无人值守胶带机堆煤、跑偏和异物进行智能识别分析；对作业人员进入危险区域、安全帽规范佩戴等情况实时监控，可快速发现人员违章，车辆违停、逆行等行为；对固定区域巡视岗位进行监督，确保巡视人员履职履责。

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（2）运行参数综合自动化监测系统：该系统主要由无线监测传感器、PLC控制柜和智能分析系统组成。无线监测传感器负责实时采集胶带机运行温度、振动等数据，PLC柜负责数据的收集、转换工作，智能分析系统负责数据汇总分析，提供决策依据。

设备温度和振动在线监测通过温度传感器和振动传感器对电机、滚筒温度和电机振动数据进行实时监测，将信号采集数据通过PLC控制柜上传到集控室，数据超限时会自动弹窗报警，便于值班人员第一时间发现异常，及时通知现场人员进行处理。

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（3）钢丝绳芯带面无损检测系统：采用X射线成像技术，在输送机正常工作状态下，不与输送带带面接触，全方位实时探伤和检测，在任何工况状态下将钢绳芯输送带的内部结构，以X光成像的形式实时上传至地面计算机，经过专用软件分析，对输送带的内部钢丝绳锈蚀、断绳、接头抽动和输送带表面划伤、掉胶、纵撕进行准确诊断，并进行定位，避免输送带的横断和纵撕事故。

系统运行前先对带面进行一次全面扫描形成参考图，之后每次监测系统会将当前图和参考图进行对比，通过图片变化来分析皮带接头及带面情况。该系统可将各种缺陷分类列举出来，方便人员维修，同时检修人员还可以通过录像回放详细的查看带面情况，避免了现场操作造成人员X射线辐射的伤害。

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（4）输送带纵撕在线监测系统：通过激光发射器在胶带机底带面上呈现出轮廓线，通过摄像头对轮廓线进行拍摄成像，系统对轮廓线进行在线识别，可以根据带面纵撕后紧并状态、开缝状态、重叠状态进行智能分析，判断带面的损坏情况后及时报警、停机。

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3 智能化建设规划

煤矿智能化建设对煤矿变革具有重要意义，柳塔煤矿在智能化发展中将牢固树立“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，以实现煤炭资源的安全、高效、绿色、智能开采为主线，以建设智能化矿井为抓手，围绕煤炭工业与物联网、大数据、人工智能等深度融合的关键环节，大力推进智能系统、智能装备的技术创新和应用，全面提升煤矿智能化水平，实现减员增效，降低员工劳动强度，提高员工幸福指数。

下一步，柳塔煤矿将重点抓好煤矿智能化建设顶层设计和任务落实工作，积极对标集团先进示范单位，注重激发智能化技术创新应用活力，着力培养一批结构合理、素质优良的智能化专业技能人才，建立组织机构健全、保障措施有力、培养体系完善、考核机制科学、舆论宣传有力的智能化建设工作新机制，跳起摸高，开启“二次创业”新征程，为建设世界一流智能煤矿而努力奋斗！