神東烏蘭木倫煤礦智能化建設(shè)探索與應(yīng)用

高登云，沈秋彥，劉世平

（內(nèi)蒙古鄂爾多斯市神東烏蘭木倫煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

圖1 智能一體化管控平臺

為積極落實國家清潔、綠色、環(huán)保、安全、高效政策方針，在工業(yè)4.0與“中國制造2025”的指引下，煤礦智能化建設(shè)已經(jīng)成為煤礦發(fā)展的必經(jīng)之路，也將成為一種趨勢。煤礦只有走創(chuàng)新、智能發(fā)展之路，方能跟上世界傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高效發(fā)展的步伐。在傳統(tǒng)工業(yè)結(jié)構(gòu)中，大多礦區(qū)地處偏遠、產(chǎn)業(yè)落后、管理粗放、工作條件差，與其他產(chǎn)業(yè)相比，提升空間很大。在人工智能、5G等新一代信息技術(shù)加速應(yīng)用的背景下，以“三化融合”為路徑的煤礦智能化，將有力推進煤礦企業(yè)精細化管理，大幅提升經(jīng)濟效益和安全生產(chǎn)水平，未來煤礦的發(fā)展唯有向精細化管理、數(shù)字化運營轉(zhuǎn)變，才能真正建成智能化煤礦，實現(xiàn)本質(zhì)安全。

1 烏蘭木倫煤礦智能化建設(shè)應(yīng)用

1.1 基礎(chǔ)建設(shè)，建成智能化礦井

從逐步開始建設(shè)綜合自動化系統(tǒng)，到建成4G“一網(wǎng)一站”、安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)。井上下應(yīng)用萬兆生產(chǎn)控制環(huán)網(wǎng)與一體化綜合通信分站，集無線通信、人員定位、應(yīng)急廣播、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)交換等業(yè)務(wù)，形成了一個具有運行數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測、視頻圖像實時監(jiān)控、語音通信及時溝通的綜合信息化網(wǎng)絡(luò)管理平臺，暢通了生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集和控制專用傳輸通道。建成了人員定位系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)、4G無線通信系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)、礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)、工業(yè)視頻監(jiān)控及在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了調(diào)度指揮中心實時監(jiān)控、氣體超限等多系統(tǒng)應(yīng)急聯(lián)動功能，具有監(jiān)控容量大、響應(yīng)時間短、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強等特點，為智能化煤礦建設(shè)提供了基礎(chǔ)條件。

變電所、水泵房應(yīng)用高清攝像頭，實現(xiàn)無人值守、有人巡視；配置井下測控分站，通過以太環(huán)網(wǎng)，完成各開關(guān)柜分合閘、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電度、過流保護、短路保護、漏電保護等數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測，測控分站能夠提供標準通訊接口（485或光纖接口）。開放系統(tǒng)通訊接口功能，使系統(tǒng)與調(diào)度指揮中心監(jiān)控主機搭建以太網(wǎng)通訊，傳送數(shù)據(jù)，交換信息；達到實時監(jiān)測電壓、電流、有功功率、無功功率、監(jiān)控高壓柜分合閘狀態(tài)。將井下變電所運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制信號上傳至生產(chǎn)管控平臺。便于礦井管理，又符合神東煤炭集團提倡減員增效的管理思路，也充分體現(xiàn)了煤礦井下本安體系“無人則安”的安全管理理念。

圖2 變電所、水泵房無人值守

井下車輛全部安裝定位卡，具有精確定位和語音通話功能，發(fā)生危險時具有緊急呼救、接收撤離報警、一鍵呼叫調(diào)度臺等功能；同時，車輛搭載了車載物聯(lián)卡，車輛數(shù)據(jù)實時上傳平臺，為車輛檢修提供依據(jù)。通過在有坡度的輔運路線上安裝失速保護裝置，當系統(tǒng)接收到車輛超速信號，車速到達30km/h時報警，達39km/h時，控制器自動發(fā)送脫鉤指令進行脫鉤動作，同時，通過無線給巷道內(nèi)控制器下發(fā)跳繩指令，控制失速點以下所有攔截鋼絲繩彈出，自動放繩拖掛車輛，防止輔助運輸事故發(fā)生。

1.2 智能采煤，建成智能化綜采工作面

2021年8月，12406智能綜采工作面正式投產(chǎn)，在各級領(lǐng)導(dǎo)的高度重視下、一線員工的不懈努力下，僅用30天就實現(xiàn)了記憶割煤+自動拉架，通過順槽集中控制中心實現(xiàn)遠程控制設(shè)備單獨啟停，工作面設(shè)備一鍵順序啟停，三機、礦壓實時觀測，視頻監(jiān)控等功能，同時可將所有設(shè)備運行數(shù)據(jù)上傳到地面調(diào)度室進行監(jiān)測，機尾動作實現(xiàn)遙控控制，配置視頻監(jiān)控、油液在線監(jiān)測、乳化液自動配比、設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測等功能。

圖3 智能綜采工作面

按照指南要求，下一步建成地面集控中心，供液系統(tǒng)實現(xiàn)反滲透水處理，運輸系統(tǒng)實現(xiàn)刮板機自動化改造、集中加油與膠帶機機尾遙控控制，煤機自動割煤，液壓支架自動跟機與超前支護設(shè)備遠程遙控，建成人員進入防護系統(tǒng)、全視頻監(jiān)控系統(tǒng)、絞車遙控控制（變頻絞車）、單軌吊小車推移系統(tǒng)、自移移變列車系統(tǒng)、采煤機光纖復(fù)合拖曳電纜等。2021年底，建成無人化、少人化智能工作面，達到自主割煤+遠程監(jiān)控模式。

1.3 智能掘進，建成智能化掘進工作面

掘進工作面梭車與轉(zhuǎn)載破碎機聯(lián)動啟停。通過梭車機身安裝無線信號發(fā)射器，破碎機安裝無線信號接收器以及破碎機相對應(yīng)的PLC程序。當梭車與破碎機的距離達到15m時，破碎機接收器收到信號后，經(jīng)過延時啟動預(yù)警，先后啟動破碎滾筒電機和運輸機電機；當梭車與破碎機的距離超出15m設(shè)定值時，經(jīng)過延時后破碎機和運輸機停止作業(yè)。轉(zhuǎn)載破碎機同時具備遙控功能。目前，移變、饋電、風機開關(guān)等設(shè)備數(shù)據(jù)已采集并集中在生產(chǎn)管控平臺上，實現(xiàn)了移變饋電、局部通風機的運行狀態(tài)監(jiān)測及遠程啟停。膠帶機實現(xiàn)集中控制。梭車已安裝人員接近防護系統(tǒng)，當人員接近梭車時可實現(xiàn)自動減速或停機，從而保證人員安全，通過在梭車加裝視頻輔助駕駛系統(tǒng)，司機可在駕駛室內(nèi)直觀地看到梭車周圍環(huán)境，提高了行車安全。

圖4 智能掘進工作面

針對現(xiàn)用設(shè)備進行電控改造，使其具備遠程控制和姿態(tài)自動調(diào)整，自動仿形割煤功能，增加機身鉆臂，提升生產(chǎn)效率。運煤設(shè)備實現(xiàn)遠程監(jiān)控、自動運行，支護設(shè)備實現(xiàn)自動化，給料破碎機實現(xiàn)自動開停與聯(lián)動控制，供電、供風、運輸膠帶機實現(xiàn)集中控制。工作面移動設(shè)備加裝人員接近防護系統(tǒng)，雙向報警保障人員安全。研究應(yīng)用綜掘機、掘錨機自動化電控系統(tǒng)，購置智能化錨運破一體機、自動錨索鉆車等設(shè)備。最終實現(xiàn)掘進工作面自主掘進+遠程監(jiān)控。

1.4 智能運輸，建成無人值守機器人巡檢模式

主運輸系統(tǒng)中膠帶機已實現(xiàn)遠程控制，通過系統(tǒng)將采集到的視頻上傳至區(qū)隊地面集控中心與調(diào)度指揮中心，達到遠程監(jiān)護順槽膠帶機重點部位的要求；在各部膠帶機主電機、減速機和驅(qū)動滾筒處安裝無線溫度振動一體式傳感器，檢測各驅(qū)動設(shè)備的溫度及振動運行參數(shù)；在主要膠帶機安裝煤流金屬探測裝置、鋼絲繩芯輸送帶無損檢測設(shè)備、縱向撕裂保護裝置，通過以上裝置對膠帶機各種保護進行升級，減少了保護誤動作現(xiàn)象，保證了膠帶機在無人值守期間可靠運行。

圖5 主運輸膠帶機無人值守

2 烏蘭木倫煤礦智能化建設(shè)探索

2.1 UWB—精準定位

現(xiàn)定位系統(tǒng)是基于ZigBee技術(shù)的定位，對井下大巷、工作面及重點區(qū)域布置綜合分站，綜合分站內(nèi)置ZigBee定位模塊。通過ZigBee定位終端發(fā)射的位置數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息，使得井上管理人員能夠及時了解井下人員的位置及狀態(tài)。

由于ZigBee技術(shù)定位精度只有3～5m，已逐步落后于煤礦行業(yè)對人員及車輛精度定位的需求，烏蘭木倫煤礦從長遠規(guī)劃出發(fā)，為提高自身管理水平，實現(xiàn)煤礦井下精確定位管理，確保煤礦井下安全高效生產(chǎn)，重新選擇了一項適合井下復(fù)雜環(huán)境、信息化高度集成且符合煤礦長期發(fā)展需求的厘米級高精度定位技術(shù)（UWB）。目前UWB精準定位設(shè)備已在井下測試取得了階段性的成果，能夠?qū)崿F(xiàn)井下一維直線、二維平面50cm(UWB)的高精定位。通過遠距離測試75m、135m、228m、309m、414m等不同位置進行測試，得出在可視情況能夠滿足0.3m的精度要求。同時，可兼容原定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了真正意義上的精準定位，為今后人員接近防護、無人駕駛等項目提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖6 UWB設(shè)備

2.2 5G技術(shù)—漏纜組網(wǎng)+pRRU

隨著煤礦智能化建設(shè)的快速推進，采掘作業(yè)區(qū)域亟需實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)通信，數(shù)據(jù)傳輸高帶寬，降低網(wǎng)絡(luò)通信延時，暢通信息網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。為滿足這一需求，烏蘭木倫煤礦在12406綜采工作面測試了全國煤炭行業(yè)首套基于漏纜+pRRU組網(wǎng)的5G技術(shù)，該技術(shù)是由神東煤炭集團與華為共同成立的聯(lián)合創(chuàng)新中心提出，此技術(shù)的成功應(yīng)用將會為煤炭企業(yè)井下安防、危險場所作業(yè)、虛擬現(xiàn)實、高精度實時定位、遠程控制、井下無人駕駛、協(xié)同運維等提供新途徑。

圖7 5G漏纜技術(shù)

該技術(shù)的測試為12406綜采工作面實現(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，方案內(nèi)容包括在工作面電纜槽內(nèi)與液壓支架內(nèi)各鋪設(shè)一條漏纜，兩條漏纜用2臺pRRU連接，組成2T2R小區(qū)；煤機上安裝4K攝像頭與CPE，液壓支架立柱后安裝pRRU，設(shè)備列車安裝RHUB，配電硐室安裝BBU。為下一步計劃實施的5G智能開采和5G智能掘進創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。

2.3 主運系統(tǒng)變頻調(diào)速

104主運膠帶機安裝主運系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)利用上一級膠帶機安裝的智能視頻儀，監(jiān)測帶面上瞬時過煤量，配合膠帶機運行速度、帶面寬度等建立膠帶機煤量分析模型，計算帶面上的載煤量分布情況，根據(jù)膠帶機載煤量與電機功率運行曲線，分析膠帶機最佳運行區(qū)段，為智能調(diào)速提供數(shù)據(jù)，經(jīng)三維空間重建技術(shù)，形成輪廓點云圖，根據(jù)點云圖數(shù)據(jù)進行積分計算，獲取煤流切面面積，再利用多個切面拼接成為完整的三維煤流空間圖，最后針對煤流空間圖三維數(shù)據(jù)進行實時處理，從而精準計算出煤流體積。最終實現(xiàn)生產(chǎn)過程智能調(diào)速功能，從而達到節(jié)省電能、提高皮帶運輸機運行效率、減少運輸系統(tǒng)運維成本的效果。

3 烏蘭木倫煤礦智能化建設(shè)亮點

3.1 均衡排水

煤礦井下排水系統(tǒng)的運行可靠性對于提高煤礦安全生產(chǎn)有著重要的意義，烏蘭木倫煤礦在傳統(tǒng)排水系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上，研究了一種井下均衡排水系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化運行。使運行設(shè)備達到最佳工作狀態(tài)，可節(jié)約能源、降低成本、延長設(shè)備使用壽命，提高了設(shè)備自動化水平，有效促進礦山的健康和可持續(xù)發(fā)展。

圖8 均衡排水系統(tǒng)

目前，主排水泵房、中轉(zhuǎn)水倉、沿線小水泵已全部實現(xiàn)自動化排水；上位機實時監(jiān)控各水泵房、中轉(zhuǎn)水倉、小水泵的運行情況，以及各排水系統(tǒng)流量與濁度的監(jiān)測；根據(jù)各盤區(qū)涌水情況和水泵房分布情況劃分不同區(qū)域，涌水量自動關(guān)聯(lián)排水；通過對水泵運行時間和管路排水時長分析，實現(xiàn)水泵均衡運行，避免水泵疲勞運行，降低水泵運行維護成本；通過對井下水泵房水倉濁度數(shù)據(jù)的監(jiān)測，實現(xiàn)與井下排水泵的聯(lián)動功能。同時，為全面推動綠色礦山建設(shè)，在井下建設(shè)了水凈化硐室，可將污水進行清污分離，為綜采、掘進工作面液壓用水提供有力保證，減少了液壓支架過濾器和濾芯等部件的更換頻率，極大降低了井下生產(chǎn)用水對設(shè)備部件的損壞程度，實現(xiàn)了污水二次利用。

圖9 工業(yè)視頻系統(tǒng)

3.2 無基礎(chǔ)膠帶機

順槽膠帶機是煤礦在開采過程中運輸原煤的起點，其沿著采煤機的開采方向布置，隨著綜采設(shè)備的推進，順槽膠帶機逐漸縮短，直到該工作面采完，膠帶機隨著其他設(shè)備搬家倒面，相關(guān)設(shè)備進行周期性的安裝和回撤，工程量較大，工期也較長，耗費人力物力。

針對這種頻繁拆裝的帶式輸送機，需應(yīng)用一種可實現(xiàn)免澆灌快速拆裝的膠帶機新機型解決上述問題，為解決這一問題，12406順槽工作面成功運轉(zhuǎn)了一套無基礎(chǔ)膠帶機。該部膠帶機徹底顛覆了傳統(tǒng)機型的安裝方式，有效地提高了安裝回撒的效率,縮減了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入,節(jié)約了安裝和回撤的成本。從經(jīng)濟效益方面來看，此部膠帶機在安裝中節(jié)省了安裝工藝，各單元搬運到位，調(diào)平作業(yè)后，只需壓緊壓柱、連接框架使用螺栓，即可安轉(zhuǎn)完畢，提高安裝效率；回撤時，節(jié)省了地腳螺栓拆除工序，有效的避免了火工品入井作業(yè)，既節(jié)省了回撤時間，又有效的降低了風險。實現(xiàn)膠帶機的快速安裝回撤，縮短膠帶機安裝接續(xù)工期，為原煤的開采節(jié)約了時間，且經(jīng)濟效益顯著。

圖10 無基礎(chǔ)膠帶機

3.3 智能一體化管控平臺

以安全、高效、協(xié)同作業(yè)為目標，建立了一體化智能綜合管控平臺，將井下的海量生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行全過程采集、集中智能存儲，實現(xiàn)設(shè)備集中監(jiān)控、集成展示、優(yōu)化排程、智能感知、關(guān)聯(lián)分析等功能，可在平臺上實時監(jiān)控各系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

圖11 神東生產(chǎn)管控平臺

通過自主研發(fā)實現(xiàn)全部硬件國產(chǎn)化，統(tǒng)一礦井生產(chǎn)數(shù)據(jù)存儲標準，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)模型固化、統(tǒng)一OPC UA（過程控制統(tǒng)一架構(gòu)）發(fā)布，建成生產(chǎn)大數(shù)據(jù)倉庫，既保障了數(shù)據(jù)的絕對安全、穩(wěn)定，又保障了數(shù)據(jù)的高效交互與共享。目前，烏蘭木倫煤礦礦井設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)不統(tǒng)一，需要查看時切換不同的系統(tǒng)，為了使智能化更進一步的展現(xiàn)，開發(fā)了一套統(tǒng)一的智能一體化管控平臺，該平臺開發(fā)采用C/S與B/S架構(gòu)，能夠使用計算機和移動終端遠程監(jiān)控井下設(shè)備，考慮到網(wǎng)絡(luò)安全，登錄該平臺需要在內(nèi)網(wǎng)環(huán)境下訪問。進入本平臺可以實時查看到設(shè)備當前運行情況，以及歷史數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，平臺和終端會預(yù)警提示，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，聯(lián)系井下工作人員，檢查設(shè)備，做出相應(yīng)的機動，并且通過高清視頻查看到當前設(shè)備的工作場景，從進入平臺開始劃分，采用導(dǎo)航菜單布局，設(shè)備運行狀態(tài)采用動態(tài)、靜態(tài)相結(jié)合，完美呈現(xiàn)了設(shè)備運行狀態(tài)。

4 烏蘭木倫煤礦智能化建設(shè)展望

智能化建設(shè)對煤礦發(fā)展具有重要意義，烏蘭木倫煤礦將一如既往地在智能化發(fā)展中牢固樹立創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放的發(fā)展理念，圍繞煤炭工業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等深度融合的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，大力推進智能系統(tǒng)、智能裝備的技術(shù)探索與應(yīng)用，全面提升煤礦智能化水平,推動煤炭生產(chǎn)向智能化高質(zhì)量發(fā)展，為實現(xiàn)集團提出的“建設(shè)具有全球競爭力的世界一流能源集團”的戰(zhàn)略目標——披荊斬棘，乘風破浪。