黄陵一号煤矿智能开采新模式研究与实践

文/薛国华

构建“一个智能管控云平台引领、一个数据中心支撑、N个子系统保障”的“1+1+N”智能化矿井建设模式

煤矿智能化建设是煤炭行业高质量发展的必然要求。“十四五”时期以及未来更长一段时期，5G、大数据、人工智能、区块链等先进信息技术将加速对传统产业的融合与渗透，各种能源的比较优势从根本上取决于其技术创新的进展程度，以煤矿智能化为标志的煤炭技术革命以及煤炭低碳利用技术的颠覆性创新，将使煤炭成为最有竞争力的能源和原材料资源。

陕西陕煤黄陵矿业一号煤矿坚持率先开展煤矿智能化建设，在多年探索实践取得成效的基础上，结合信息技术前沿科技和智能矿井改造提升需求，科学制定智能化矿山建设发展目标及实施方案，通过构建“一个智能管控云平台引领、一个数据中心支撑、N个子系统保障”的“1+1+N”智能化矿井建设模式，利用数据中心、云数据平台、5G、机器人、AI等技术，有序推进矿井云GIS系统、风险防控系统、智能化采煤系统、智能化生产辅助系统等项目的建设，探索出了智能化开采新模式，成功打造出一个初具成效的智能化矿山。

一、黄陵一号煤矿智能化建设的基础

1.智能化采煤基础

2013年，黄陵一号煤矿在全国范围内率先完成全国产装备智能化开采技术研究与应用，首创了地面远程操控采煤模式，实现了地面采煤作业的常态化，填补了我国煤矿智能化无人综采技术的空白，整体技术达到国际领先水平。2020年，在实现智能开采常态化应用的基础上，积极探索研究透明地质智能开采技术，实现了从传统的“记忆截割、远程干预1.0”向“自主截割、无人干预3.0”的技术跨越。

2.快速掘进建设基础

黄陵一号煤矿根据井下实际条件，利用“改造型掘进机+可弯曲胶带转载机+跨骑式四臂锚杆钻车+迈步式自移机尾+多功能巷道修复机”进行快速掘进作业，实现了550m/月的掘进进尺。与西安煤矿机械有限公司合作开发的“半煤岩智能快速掘进成套装备研发与示范”项目，以及掘锚护一体机+交错式掘进超前支护装置+锚运一体机+矿用自移式快速皮带机+智能管控系统，破解了复杂地质条件半煤岩巷智能掘进难题，提高了掘进效率，保障了安全生产。

3.生产辅助系统建设基础

建成地面指挥控制中心，实现了对井下主运输胶带、主供电设备、主排水泵、主通风机和选煤厂等子系统的远程集中控制，视频监控和数据监测分析等功能，达到了生产环节运行情况的全监控效果，形成了“无人值守、有人巡视”的控制模式。

在全矿井所有主运输胶带、变电所和水泵房安装24套巡检机器人，替代人工进行智能化巡检。创新建立基于4G通信的车辆管理及人员定位系统，实现了辅助运输管理由“零散管理”到“可视统一”的技术飞跃。

以精确定位技术为基础，以辅助运输系统安全管控为目标，以车载智能终端为控制核心，将4G通信、无线WiFi技术与井下信号灯、智能调度、GIS地理信息和人员定位管理系统相融合，实现对运行车辆的实时跟踪、定位、通讯，达到了车辆可视化管理和高效调配，提高了车辆运行效率，同时搭配车辆危险驾驶、特殊运行路段、红绿灯语音报警功能，辅助驾驶员规范驾驶，实现了辅助运输系统智能、高效、安全运行。

4.信息化建设基础

（1）建立了安全生产信息共享管理平台。一是充分融合地理信息、云平台、大数据、物联网等信息技术，在GIS一张图上通过图件叠加综合直观展示，实现对矿井采掘工程、地质测量、防治水、“一通三防”、机电运输、监测监控、应急救援、安全风险、预测预警、气象信息等数据的立体化融合；二是通过安全生产网数据接入，解决安全管理过程中的诸多问题，从源头上堵塞了矿井不安全漏洞，达到了隐患双重防御与隐患的深度闭环式管理；三是通过经营销售网数据接入，为矿井精确管理提供了科学依据，避免了“信息孤岛”经营管理漏洞；四是通过物流供应网数据接入，实现物资数据与生产信息的集中共享，有效降低了库存物资资金占用，达到当日材料消耗与吨煤生产精准管理目标；五是在信息化数据传输方面，建立了万兆有线+无线的立体化数据通讯“跑道”，使矿井信息化发展更通畅。

（2）在井下建成“万兆工业环网+4G+5G+WiFi”的立体化通讯网络。一是实现了矿井5G通信、无线WiFi、Zigeeb定位等功能，为建设无线智能监测、智能机器人巡检、智能维护云服务等奠定了基础；二是5G通信项目整体设计基于数字矿山“一网一站多系统”的核心理念，通过建设多功能基站并接入现有工业环网，实现了井下车辆精准定位、测速、车辆语音通信调度、人员精准定位、5G通信及数据无线传输与井下WiFi覆盖等功能。

二、黄陵一号煤矿智能化建设需求

黄陵一号煤矿按照“健全系统、完善功能、改造升级、确保一流”的总体规划，科学制定了智能矿井建设实施方案：

实现大数据服务中心承载，统一数据采集、传输、存储和访问接口标准；

基于微服务架构和“资源化、场景化、平台化”思想的智能综合决策管控平台，融合生产各业务系统，实现煤矿地质勘探、巷道掘进、煤炭开采、主辅运输、通风排水、供液供电、安全防控等智能化集成设计，实现多部门、多专业、多管理层面的数据集中应用、共享交互和决策支持，井上下各系统实现“监测、控制、管理”的一体化及智能联动控制；

基于“数据驱动”“数字采矿”的理念，实现基于GIM时空一张图（4D-GIS，平面图+BIM，建筑模型），为智慧矿山提供三维可视化、协同设计、仿真模拟、矿山及设备全生命周期管理等服务；

通过精准感知技术与装备，实现对风阻、风量、风压等参数的智能感知，实现矿井通风系统智能化；

利用大数据与人工智能AI等技术，迭代升级煤矿安全、生产、经营、物资配送的智能分析与辅助决策；

利用信息化、数字化、智能化等先进技术，遵循NOSA管理体系要求，构建成套煤矿安全风险智能化预警及管控体系，实现人、机、环、管多系统信息感知、融合、动态辨识、有效预警、智能决策、协同控制，建成世界一流智慧化矿山。

三、黄陵一号煤矿智能化建设成果

黄陵一号煤矿以智能化建设需求为导向，目前完成了22个智能化建设项目，构建形成了“一个智能管控云平台引领、一个数据中心支撑、N个子系统保障”的“1+1+N”智能化矿井建设模式。

1.构建智能综合管控云平台

以生产及安全为核心，将综合自动化系统和安全监控系统数据进行融合，实现对设计、生产、安全、设备管理等多角度多维度的数据分析；构建生产集成自动化、监控全局实时化、统计分析一体化的综合管控平台，实现了从矿井的远程智能巡检和矿井检修模式到生产模式的一键切换；完成了从“系统智能化”到“智能系统化”的跨越，做到了调度指挥的全息可视、重大危险的智能预警、安全管理的动态诊断、生产过程的协同控制、经营管理的智能分析、业务流程的高效协同。

2.构建一个数据中心

建设具有服务器、网络安全检测、防护功能的万兆连接的云计算平台。基于云计算包含模型库和算法库的决策支持承载，实现矿井所有数据云端存储、处理，并应用软件在虚拟化应用平台部署应用，实现了物联网平台、3D-GIS平台、组态化编辑与展示平台、设计协同平台等组件编辑与展示平台、设计协同平台等组件承载的功能。

3.构建N个子系统

（1）矿井云GIS系统。对安全生产信息共享平台进行改造升级，形成一套矿井云GIS系统，融入矿井智能综合决策管控平台，将存储的地质数据进行关联分析，将分析处理后的成果以可视化的方式呈现，然后构建三维地质模型，结合揭露的实际地质信息与工程信息对模型进行修改，真实反映井上下地层结构和构造分布情况。

（2）开发AI+风险防控系统。研发建成AI+风险防控系统，形成了风险防控一体化解决方案。在信息感知层面，主要采用高清摄像机、红外摄像机和智能安全帽等装备，实时采集人员、设备、环境图像、视频和生命体征等信息，并接入监测监控、水情在线监测等各类信息化系统数据。在数据传输层面，通过布置交换机，以十万兆工业环网、移动网络等传输感知数据；在数据处理层面，以AI智能推理服务器、云计算虚拟化硬件平台、云计算虚拟化服务器、流媒体服务器等组建数据中心，统一主数据、元数据格式，规范数据索引和建表，实现数据实时汇入、存储洗选、融合交互，满足算法需要；在决策响应层面，基于算法模型，正常状态下保持静默，异常状态下即刻通过声、光装置进行报警；在指令反馈层面，在特别情况下发出报警的同时，向关联设备发出指令，使设备停止运转、闭锁。

通过对人的不安全行为、物和环境不安全状态、关键作业不规范操作的防控，并进行全程跟踪、辨识风险、分析预警，开创了“人工和AI+风险防控智能系统双重风险监管”先河，消除了单一人工风险监管在时间上的漏洞和空间上的盲区，确保了风险始终“可控、在控”。

（3）布局智能化开采技术与“110工法”的融合。通过在后巷应用垛式液压支架，配合使用支架搬运机器人、单轨吊辅助运输系统，实现沿空留巷尾巷支护和支架前移自动化，降低了劳动强度，提高了安全系数。

（4）搭建智能掘进管控平台。通过对快速掘进装备进行升级，搭建一套具备远程总控制管控平台，对关键部位进行视频监测、一键启停、异常远程干预等操作；掘进机具备自动定位与导向功能，能够进行自适应截割与行走，具备掘进工作面环境（粉尘、瓦斯、水等）智能监测功能和监测环境数据智能分析功能。

（5）完善生产辅助系统智能化建设。一是在现有供电系统的基础上增加相关电力保护软硬件、防越级、电度计量、节能运行、数据实时采集、多源异构整合分析等功能，达到对供电系统能力安全分析、实时在线计算等；二是将排水与矿井水文监测系统智能联动，实现根据水压、水位进行固定作业点的智能抽排、负荷调控、管网调配功能、给排水管线与设备故障分析诊断预警；三是建立矿井智能通风控制系统，实现对监测数据的实时自动分析，并与通风网络解算系统相融合，对矿井通风网络进行解算，自动给出调风方案，自动建立矿井动态三维立体通风系统图，实现实时在线监测与预警功能；四是建立火灾监测系统和自动喷雾系统，实现对监测区域火灾参数的智能监测、分析，根据分析处理结果进行智能预测、预警和火灾的实时监测仿真，对避灾路线智能规划，并实现自动识别煤流自动喷雾除尘、人员感知、智能调节喷雾等功能；五是建立智能可视化打钻系统，实现打钻作业过程自动化、智能化及瓦斯抽采作业全过程的管控。