麻地梁煤矿智慧矿山建设实践

吴劲松

(内蒙古智能煤炭有限责任公司麻地梁煤矿，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017000)

0 引言

习近平总书记在庆祝改革开放40周年大会上的重要讲话中指出：“我们要着力解决人民群众所需所急所盼，让人民共享经济、政治、文化、社会、生态等各方面发展成果，有更多、更直接、更实在的获得感、幸福感、安全感”。“三感”是对人民群众最关心最直接最现实利益问题的集中反映和形象表达[1]。

而在煤矿生产一线，由于历史原因而存在如下情形：煤矿生产实行“三班倒”“连轴转”，晚上工作，白天休息，休闲时间短，生活质量低；煤矿工作条件艰苦，工人工作岗位危险性程度较高，目前煤矿一线工人平均年龄达到45岁以上，煤矿企业最大的危机是年轻人不愿意到煤矿就业。

煤矿的工作环境、生活环境与总书记的殷切希望还有较大差距，需要不断提高煤矿工人的获得感、幸福感、安全感，煤矿改革任务任重而道远，改革动力强劲。基于此，皖北煤电集团有限责任公司(以下简称皖北煤电)开始了以智慧化矿井建设为煤矿工人谋幸福之路。

1 智慧矿山建设的探索

党的“十九大”报告提出了建设数字中国、智慧社会的新思路，为煤炭行业的转型发展指明了方向。基于以上的认识与思考，10多年来，皖北煤电开启了用信息化、数字化和智能化路径解决煤矿建设和运营存在问题的探索之路。

1.1 第一阶段(2011-2015)

2011年，皖北煤电开启了智慧矿山的探索，首先在皖北煤电昌恒煤焦有限公司开展了系统的建设改革，主要成果有：一是井下重点工作区域覆盖视频监控，实现地面视频调度；二是取消井下煤仓，实现带式输送机运输系统集中控制；三是采煤机、掘进机等大型设备实现智能保安；四是工作面实现远距离供电供液，取消设备列车；五是建设企业千兆环网。

该阶段探索取得如下成效：

(1)矿井投资少。建设投资由设计的13亿元，降低至实际的11亿元，吨煤投资仅为260元；

(2)建设周期短。2011年9月开工，2013年9月竣工，用时2 a；

(3)矿井用工少。全矿职工不足600人。

1.2 第二阶段(2015-2016)

2015年，皖北煤电进入第二阶段的建设探索，在皖北煤电钱营孜煤矿开展了以数字化升级管理运营为核心的建设，主要内容包括：一是对传统“一井两面、两翼开采”煤矿进行“一井一面”的生产开拓布局，优化井下生产系统；二是对全矿区重型装备及运输系统进行智能保安；三是打破信息孤岛，整合矿井千兆工业环网；四是重点区域视频监控升级为视频远程监控；五是机电检修工弹性工作制；六是物联网+仓储供应及集装箱快递配送系统。

该阶段探索取得如下成效：

(1)井下作业人员少。2016年井下作业人员由每天1300人降至每天700人，其中夜班作业人员不到100人；

(2)矿井生产产量高。矿井生产布局调整为“一井一面”，2016年煤炭产量为412万t；

(3)商品煤成本降低。2016年商品煤成本较2015年下降126元/t，矿井实现年盈利6亿元；

(4)2016年，原国家煤监局在皖北煤电钱营孜煤矿召开了全国安全基础管理现场会，物联网+集装箱快递运输、视频远程监控、夜班“瘦身”、“一井一面”等先进经验向全国推广。

1.3 第三阶段(2017至今)

内蒙古智能煤炭有限公司麻地梁煤矿(以下简称麻地梁煤矿)成立于2008年，是由皖北煤电控股的股份制企业。麻地梁井田位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗境内，井田面积为20.7 km2，地质储量为6.8亿t，可采储量为4.2亿t，服务年限为61 a，设计生产、洗选能力为500万t/a。

基于前2个阶段探索道路的经验，结合已有的技术成果，2017年麻地梁煤矿开启了智慧矿山的建设道路。

2017年，升级千兆工业环网，建成了万兆环网的高速信息通道，实现了井上下无线网、4G网络全覆盖，搭建了矿井整体的智慧矿山网络传输平台[2]。2018年，中国煤炭科工集团、郑州煤矿机械集团等中标企业根据麻地梁煤矿要求，实现所供设备的数据采集、上传等功能，在此基础上建成了全企业的设备数据库，实现了设备数据的实时传输，为智慧矿山建设打下了坚实的基础[3]。2019年，建成以智能调度远程集控系统[4]、智能交通安全管控系统、设备智能预警与远程会诊系统、物联网+智能仓储快递服务系统、互联网+远程办公系统[5]、无人值守一体化煤质运销管控系统、智能带式输送机运输系统、智能采煤系统、智能掘进系统等“十大系统”为核心的智慧矿山系统。2020年，麻地梁煤矿开始在矿井地面、井下进行5G基站的部署与调试，加大5G+工业互联网的研发和应用[6]，一是成功将5G基站部署到了井下工作面，完成全矿区地面井下5G通讯全覆盖；二是实现了主井带式输送机巡检机器人的5G数据传输控制[7]；三是实现了采煤机设备终端5G通信的组网与数据传输和远程控制调试；四是完成了无人驾驶车辆5G通讯组网调试运行[8]。2021年，率先实现了5G在采煤机等移动设备终端的工业控制应用，完成了如下建设目标：一是5G网络与工业环网互联互通；二是采煤机、掘进机、无人驾驶胶轮车、巡检机器人等5G工业应用落地；三是智能通风系统初步建成。

通过以上几个阶段的建设，麻地梁煤矿取得了显著的经济技术成效：一是用工人数少，为690人，单班入井人数不超过80人；二是通过取消检修班，进而取消夜班，实现了煤矿工人不上夜班的梦想；三是原煤完全成本仅为83.31元/t，月度物资储备资金约600万元，为周边同规模矿井的1/10；四是实现了低碳运行，2020年吨煤电费为3.5元；五是提高了生产效率，全矿井员工分为3个班，2班在矿生产，1班集中休班，员工每月休班10 d。麻地梁煤矿与周边同类矿井吨煤成本对比见表1。

表1 麻地梁煤矿与周边同类矿井吨煤成本对比

2 智慧矿山体系建设

2.1 顶层设计

麻地梁煤矿智慧矿山建设以顶层设计为纲领，制定统一的标准规范与管理制度，指导和规范智慧矿山建设，推进信息基础设施快速发展，推动信息资源融合和应用系统整合。智慧矿山建设要有先进的理念引领，搞好顶层设计，麻地梁煤矿按照“要建就建实用型、要干就干高标准”的理念，紧扣“本质安全、降本增效、绿色低碳、为煤矿工人谋幸福”目标，通过“目标引领、整体设计、分步实施、逐渐完善”原则，以“建设万兆高速环网，建立全企业的设备数据库”为基础，建成了信息化、数据化、自动化的“十大系统”，为建设智慧矿山迈出了坚实的一步。麻地梁煤矿智慧矿山建设思路如图1所示。

图1 麻地梁煤矿智慧矿山建设思路

2.2 优化设计

2.2.1 优化矿井开拓生产布局

优化开拓布局是煤矿降本增效、智能化建设的基础。麻地梁煤矿将皖北煤电已有的“一井三面”生产布局优化为现在的“一井一面”布局，实现矿井的降本、增效。同时，取消井下煤仓，减少1条斜井，“一面三巷”变为“一面两巷”，使得系统更加顺畅，在降低建设成本的同时，实现了矿井设计理念的创新。通过此次优化设计，减少了约2.5亿元的基建投资。

2.2.2 优化生产系统

(1)麻地梁煤矿自2020年3月联合试运转开始便取消了检修班，设早班和中班2个生产班。每天23时前，必须下达所有下井人员升井的通知，每天0～7时，井下无作业人员，真正做到“无人则安”。

(2)通过设备全生命周期管理和各大系统预警、报警、故障信息，实现生产过程中对设备的实时监测、及时保养维护和更换部件，变被动抢修为主动维护保养，大大降低了设备停机率。当发现系统、设备异常时，必须随时处置，避免小毛病发展成大问题，提高工人维护设备的主动性、责任心。

(3)实现井下重要危险源数据监控，实现井巷、硐室视频实时监控；变电所、水泵房内的辅助设备地面一键远程控制；在智能监测基础上同步对原煤生产系统、通风系统、供排水系统、供电系统、监测监控系统等进行设计优化。

2.2.3 绿色设计低碳运行

(1)麻地梁煤矿通过绿色设计，取消了井下煤仓，实现了“一井一面”的生产布局，实现“以销定产、产销联动”。

(2)实施洒水降尘的自动控制、感应照明、矿井通风机变频调节、主通风机夜间降频运行、局部通风机功率的自动调整、运输系统的顺煤流启动等措施降低能耗，实现矿井绿色低碳运行。

2.3 管理创新

管理创新是智慧矿山正常运行的根本保障，麻地梁煤矿以地面智能化监测平台为依托，创新了一套适应智能矿山的管理模式。

(1)管理理念创新。从传统的经验管理(制度管理、责任管理、监督管理、考核管理等)向单一的数据管理转变，实现了由复杂管理向简单管理的转型。

(2)管理机制创新。取消煤矿检修班，从管理机制上取消夜班。

(3)生产管理模式创新。践行设备全生命周期管理理念，实践“管设备就是管生产，管数据就是管设备”，实现了煤矿生产管理模式的创新。

(4)成本管控模式的创新。通过设备配件零库存生产、商品煤零亏卡销售，实现了成本管控模式的创新。

(5)销售管理模式创新。以销定产，产销联动，实现产煤、卖煤、不见煤的零库存生产，从而实现煤矿企业的绿色生产。

2.4 数据治理

智慧化的前提是数据化，矿山数据化是智慧矿山的核心，而数据的治理是关键。随着煤矿智能化建设的加快，为了打破信息孤岛，实现各系统对接、融合，将海量的数据利用起来，实现数据采集、集成之后的价值，麻地梁煤矿以现代信息技术、人工智能、物联网、数据库高度集成和共享为基础，通过“金字塔”型的智慧矿山6个层级架构，实现了信息采集全覆盖、数据资源全共享、统计分析全自动、业务管理全透明、人机状态全监控、生产过程全控制的智慧矿山管控系统，解决了数据治理的难题。 “金字塔”型智慧矿山层级架构如图2所示[9]。

图2 “金字塔”型智慧矿山层级架构

传统的数据处理方式是先发现应用报错，井下工作人员通过查看错误日志定位到问题系统，然后对问题代码进行调试，定位到问题数据，最后解决问题。这套传统的问题处理方案从发现问题到定位问题再到最后解决问题花费大量的时间，费时费力。麻地梁煤矿建成了特色的数据质量规则体系，以数据的完整性、有效性、准确性、唯一性、一致性和及时性6个角度作为评价标准，仅通过数据接入、数据质量分析、数据源改进和业务稳定运行就可解决问题，从而提高效率。数据质量规则体系如图3所示。

图3 数据质量规则体系

(1)数据接入治理。规范子系统上传接口协议，打破信息孤岛，实现系统融合，打造企业设备数据库。

(2)数据应用治理。通过数据的采集、监控，实现数据异常分级报警推送以及各子系统的有机融合与智能联动。

(3)数据分析治理。面对海量的数据，将原本依靠人力进行数据计算、分析的方式升级为通过平台和算法进行智能分析，规避人为干预带来的数据失真，提高数据分析效率与精准度，更好地向各级管理层自动推送安全、生产、经营等方面的决策建议，以实现真正意义上的矿井生产智能化。

麻地梁煤矿智慧矿山数据治理达到如下目标：一是通过数据找到事物发展的规律和趋势;二是为平台展示和生产决策提供依据;三是实现数据资产的有效利用;四是通过数据治理实现管设备就是管生产，管数据就是管设备。

3 5G+智慧矿山建设成果

3.1 矿井十大智慧系统

3.1.1 智能调度远程集控系统

该系统包括全视频调度监控平台、全视频通讯平台和全流程集控平台。其中全视频调度监控平台实现了互联网远程视频监控，变传统的现场管理为视频监控管理。全视频通讯平套实现了井下无线网、4G、5G通讯全覆盖，使得煤矿工人下井不失联。通过全流程集控平台的建设，实现了矿山全流程集控，包括采煤、掘进、机电、运输、选煤、通风各专业系统全流程远程集控与固定车间无人值守。通过以上系统平台的建设和配合，缩减了井下约50个固定岗位，大大减少了下井的工作人员，改善了职工的工作环境，并提高了职工的幸福感。智能调度远程集控系统实景图如图4所示。

图4 智能调度远程集控系统实景图

3.1.2 智能交通安全管控系统

该系统包括门禁管控和运行管控两部分。门禁管控包括对入井车辆合法身份、安全性能、车辆“四超”管理的智能管控；运行管控包括对运行中的车辆进行红绿灯管控、全程测速、实时定位、失速抓捕的智能管控。智能交通安全管控系统由传统人的管控变为系统管控，实现了辅助运输的本质安全。智能交通安全管控系统实景图如图5所示。

图5 智能交通安全管控系统实景图

3.1.3 设备智能预警与远程会诊系统

该系统包括设备智能预警检修系统、设备智能巡检系统以及设备远程会诊系统，该系统为全矿井取消检修班提供了技术支撑。煤矿生产管理由复杂的生产管理变为简单的设备管理，管设备就是管生产[10]。设备智能预警与远程会诊系统界面图如图6所示。

图6 设备智能预警与远程会诊系统界面图

(1)设备智能预警检修系统。通过在设备上安设大量的传感器，对设备的关键运行指标及生命体征进行数据采集、上传、后台分析。在数据异常时，系统自动将异常信息划分级别并推送至当班巡检工、班队长甚至科区长及矿领导移动终端，然后进行针对性的检修。

(2)设备智能巡检系统。通过各生产单位制定的巡检计划，巡检工携带移动终端有目的地对设备进行动态巡检检修，通过针对性的、不漏项的设备巡检，将传统观念的检修班取消。

(3)设备远程会诊系统。在系统出现处理不了的故障时，可通过系统要求厂家技术工程人员参与远程会诊，共享设备运行现场状况及设备运行参数信息。及时、有效地处理设备故障。

3.1.4 物联网+智能仓储快递服务系统

该系统从计划、审批到入库、配送实现了网上运行，减少了人为干预。机器人仓储实现了库房管理智能化，基于设备全生命周期管理系统与设备智能预警检修系统数据的传输与分析，实现了设备备配件的零库存生产，实现网上下单、机器人出库、集装箱运输的“一小时”快递服务圈，简化了生产管理，降低了库存成本。物联网+智能仓储快递服务系统实景图如图7所示。

图7 物联网+智能仓储快递服务系统实景图

3.1.5 互联网+远程办公系统

该系统能够实现PC端+手机端无纸化远程办公，所有文件全流程线上审批，工作人员通过手机端视频会议和远程居家办公，实现了销售、供应、财务、煤质等各项管理工作全线上运行。2020年疫情期间，110名在岗人员完成了日产原煤1.8万t的生产计划，成效显著。

3.1.6 无人值守一体化煤质运销管控系统

该系统通过系统运行无人值守、质与量的在线监测、自动分析、预警预报，从而实现了销售量、合同量与生产量相匹配，地面运输流量和井下生产流量相匹配，同时实现了零库存生产、零库存销售、零亏卡销售，实践了“以销定产、产销联动”的管理思路[11]。通过智能网上预约汽车排队系统实现“运输计划-派车计划-派单-抢单-运单码-排队号-装煤”派车排队功能的闭环，有效防止车辆超时到矿和插队现象的发生，确保车辆在预定时间段内有序循环。借助网上预约汽车排队系统，取得以下诸多良好效果：一是司机利用该系统定时入矿提高了装车效率；二是采购商可控制派发车辆数量，防止车辆集中入矿；三是矿方根据生产和采购商需求分时段派发运输任务，避免车辆盲目到矿等待；四是车辆分时段入矿有效缓解了运煤道路拥堵。一体化煤质运销管控业务流程如图8所示。

图8 一体化煤质运销管控业务流程

3.1.7 智能带式输送机运输系统

该系统实现了远程集中控制、“顺煤流”启动以及根据煤量大小变频动态调速等功能，此外，5G+主运带式输送机机器人智能巡检实现了设备运行状态的智能诊断实现了本质安全、节能、降耗、减损[12]。

3.1.8 智能掘进系统

(1)实现工作面掘、支、运、辅等工序协调智能化控制，构建“少人化、无人化”的自动化掘进模式。

(2)实现自动定位、自动或记忆截割、工况在线监测、故障自诊断、近地遥控及超视距可视操控等。

(3)支护装备实现自动定位锚护位置、自动铺网、自动钻进、自动安装锚杆锚索(装药卷、上锚杆、紧固锚杆、锚杆连续供给)、锚固质量自检验等全套工序自动化。

(4)自移机尾装置实现大行程自移，减少人员投入，提高作业效率。

(5)实现通风、除尘、供电、带式输送机纠偏等自动化联动运行。

(6)建立“集控中心”,实现对掘进工作面的人员、设备、环境的远程实时在线监测、智能安全管理以及设备的远程可视集中控制[13]。

(7)在不降低掘进月单进水平的基础上，减少人员30%以上，其中掘进作业实现无人化，锚护作业实现少人化。在不增加作业人员的基础上，月单进水平达到2倍以上。

3.1.9 智能采煤系统

该系统能够实现采煤机地面精准操控、记忆割煤、自动移架、半自动放煤，实现采煤工作面的本质安全，同时正在研发煤岩识别自动放煤技术。

3.1.10 智能通风系统

该系统实现了“一通三防”管理的本质安全。全矿井风量自动调节实现了降噪、节能；局部通风机使用变频调风，能够根据不同瓦斯浓度、不同风量和风速要求设定局部通风机功率，实现节能降耗[14]；智能瓦斯巡检无线传输系统根据矿井瓦斯检查点设置，布置无线多参数气体监测传感器，实现多种气体、温度的实时监测，并能自动生成台账、报表，使瓦斯管理更加可靠并减少了人员投入；粉尘在线监测、自动喷雾系统在主要产尘巷道布置定时光控自动洒水装置及粉尘浓度超限喷雾降尘装置，实现了节水、降耗，净化了井下作业环境[15]。

3.2 5G+工业互联网工程应用

(1)采煤机5G控制。2020年，完成采煤机5G通讯组网、控制试验、采煤机通讯模组升级和5G组网调试。实现采煤机由传统的有线工业网控制升级为5G控制并与工业互联网冗余备用。2021年4月，完成工作面5G网络优化，实测平均时延15 ms、上行速率100 Mbps。

(2)综掘机5G组网应用。2020年12月，5G通讯部署至掘进工作面。2021年4月，将5G通讯部署至掘进工作面，通过综掘机→CPE→5G网→MEC→工业网→掘进远控主机的方式实现综掘机5G通讯组网应用。目前，基于5G通讯传输，通过综掘机配套惯导+全站仪定位方式，实现了综掘机的远程控制和记忆截割。

(3)带式输送机巡检机器人5G控制。2020年8月，完成了主斜井带式输送机巡检机器人的5G数据传输控制试验。2021年4月，完成了5G网络与矿井工业环网对接，正在开展CPE模组升级与机器人升级改造。

(4)5G+无人驾驶。2020年10月，开展井下胶轮车无人驾驶技术研发，完成了车辆油门、刹车、档位、转向的线控改造并通过测试；2020年12月，完成了矿井井下巷道建模，并通过SLAM定位技术解决了无人驾驶胶轮车井下精确定位问题，完成了胶轮车5G通讯组网；2021年1月，通过车辆配备的多组激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、摄像仪，完成了车辆运行控制算法编写、优化，并入井进行运行测试；正在开展无人驾驶胶轮车速度控制算法优化及车辆地面远程控制。

4 结语

智慧矿山建设尚处于初级阶段，需要煤矿企业和各级政府及煤矿安全监管监察部门的共同努力推进，要更多更充分地交流、学习和借鉴先进经验，深入探索，大胆实践，走出一条安全生产的高质量发展之路。智慧矿山创品牌、绿色矿山树形象，麻地梁煤矿现已实现了“绿色、低碳、高效、智能”科学的运营模式，坚信城市远程采矿在不久的将来一定能够实现。