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★ 智慧矿山 ★

张家峁煤矿智能化建设与实践

任怀伟1 薛忠新2 巩师鑫2 王 峰1 张德生1 侯 刚1

(1.中煤科工开采研究院有限公司,北京市朝阳区,100013;2.陕煤集团陕北矿业张家峁矿业公司,陕西省榆林市,719301)

摘 要 煤矿智能化建设是实现煤矿高质量发展和煤炭生产技术革命的重要途径,张家峁煤矿智能化建设以“运营一大脑、矿山一张网,数据一片云,资源一视图”和八大应用系统为核心,应用云计算、物联网、大数据等为代表的新一代信息技术与传统煤炭行业技术融合创新,构建结构合理、功能完整、安全稳定、管控有效、服务全面的智慧运行体系,形成覆盖生产、生活、办公、服务各个环节的安全、智能、高效、绿色煤矿综合生态圈,实现自上而下、功能完整、数据互联、协同运行的智能运行体系。张家峁煤矿智能化建设实践表明,新一代信息技术与传统煤炭行业技术融合创新,可实现产业赋能升级,推动煤炭行业高质量发展。

关键词 煤矿智能化 顶层设计 智能化管控平台 透明工作面 智能快速掘进

煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑,也是煤矿实现转型升级发展的新机遇[1]。随着人工智能、大数据、云计算、物联网等新一代信息技术不断推动数字世界和物理世界深度融合,作为我国能源支柱产业,煤炭工业亟需在煤炭“测-掘-采-运-选-销”各大关键环节实现安全、高效、绿色生产的创新突破。

面对国家能源安全新战略,提高煤炭供给质量和水平,保障供应链安全稳定,同时面临煤炭总量过剩和先进产能不足的矛盾、规模资源开发与刚性环境约束的矛盾、灾害威胁加重与安全生产保障的矛盾,必须加快煤矿智能化来破解行业矛盾和发展难题[2]。2020年2月,国家发展改革委、国家能源局等8个部门联合发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》,明确了我国煤矿智能化的发展方向和技术路径。目前,我国煤矿智能化发展尚处于初级阶段[3],智慧矿山、智能开采的相关概念、构建框架、关键技术等研究正逐步开展并深入探索。

陕煤集团陕北矿业张家峁矿业公司(以下简称“张家峁煤矿”)成立于2006年,2009年试生产运行。面对逐渐兴起的煤矿智能化建设浪潮,张家峁煤矿致力于打造国内煤矿智能化建设一流示范矿井,通过集成先进理念、技术和装备,优化生产要素配置,提升企业科技实力,实现煤矿创新升级转型。

1 张家峁煤矿智能化建设现状

张家峁煤矿核定产能1000万t/a,是国家发改委在神府矿区南区规划的4对大型矿井之一,矿井井田面积为51.98 km2,地质储量为8.65亿t,可采储量为5.43亿t,可采煤层7层。近年来,张家峁煤矿加速推进煤矿智能化建设步伐,形成了初级的地质一张图、智慧导航、智能化选煤厂和工会管理等信息化系统[4-6]。高新技术的引入使煤矿进入数字时代,亟需从设备、信息、企业管理、产业升级等痛点出发,构筑煤矿工业互联网平台“数据、算力、模型、应用”的完整处理能力,实现关键场景的智能化,构建煤矿技术新生态。

张家峁煤矿智能化建设经历了3个重要阶段,包括全面机械化向自动化迭代阶段、地面远程自动化常态运行阶段和“煤矿即平台”智能化煤矿快速发展建设阶段。张家峁煤矿通过夯实顶层设计,扎实推进张家峁煤矿巨系统关键技术装备研发与示范矿井建设,通过重点攻克采煤、掘进、运输、通风、水资源等管理,开创矿井综合智慧安全管理新格局,同时抓实辅助项目,搭建智能化管控平台,建设智能安全生产管理系统,实现煤矿“四化”升级改造。

1.1 集成搭建总控-分控自动化系统

张家峁煤矿目前已建成24个信息化办公系统、25个自动化系统、17个监测类系统,子系统通过相应的综合自动化系统及上位机系统进行控制,然而综合自动化系统自运行以来,现场控制未达到理想效果。因此,张家峁煤矿集成搭建了总控-分控自动化系统(即调度总控中心,负责日常生产系统的总体调度及管理)和主运输、供电供排水、水处理、安全监测、洗选、销售、安防、综采及掘进等多个独立的分控中心,实现了主要生产系统的远程集控。该项目实施后,实现综合减员103人,增加经济效益3000万元/a。

1.2 智能化选煤厂

张家峁选煤厂生产工艺为重介浅槽洗选,分为地面生产系统和洗选系统,然而全厂生产计划及运行等均由管理人员凭经验决策。因此,张家峁煤矿在选煤厂智能化改造过程中,组建多网一体(千兆工业以太网、办公局域网、4G无线传输网、5G井下环网等)的信息化平台,并引入3D虚拟现实监测监控、定制化生产、无人值守、视频预警以及设备全生命周期管理等功能。项目实施后,实现综合减员30人,增加经济效益8000万元/a。

1.3 智能生产运行系统

张家峁煤矿智能生产运行系统基于云计算大数据统一架构,从现场设备、传感器数据采集到数据的加工转换,按照统一规范的通讯协议上传数据平台,保证数据层与服务层应用独立,以此保证数据来源与应用的可靠性。然后,利用数据分析技术,对采集的各类煤矿基础数据、动态监测数据进行整理和加工,根据影响矿井安全生产的重要因素构建多种分析模型,并利用多维分析、关联分析、趋势分析等分析方式对矿井安全状况进行分析评估。此外,借助智能生产运行系统,基于业务应用场景可视化应用能力的提升,为生产调度、安全监控能力的提升创造良好条件。

张家峁煤矿智能化建设已取得阶段性成果,实现了近66个操作岗位“有人巡视、无人值守”的管理,同时借助智能化、信息化技术,实现了生产效率和效益不断攀升的效果,创造了生产经济效益约1200万元/a。

2 张家峁煤矿智能化建设总体设计

煤矿生产管理运营囊括若干主系统和数以百计的子系统,智能化建设是一项复杂的系统工程[7]。随着物联网、云计算、大数据、人工智能等高新技术的快速发展,如何基于场景将上述技术深入融合至传统的地测、采掘、运输、通风、洗选、安全、管理等各个环节是煤矿智能化建设的关键。因此,顶层规划是煤矿智能化建设的重要基础[8]

张家峁煤矿必须结合当前信息化、工业化建设水平和智能化建设需求开展顶层设计:通过“煤矿即平台”的煤矿智能化建设顶层设计理念,结合煤矿开采特征、数据信息及控制需求,构建以网络和大数据云平台为主要支撑,以智能管控一体化系统为核心,以“资源化、场景化、平台化”为手段,采用“运营一大脑,矿山一张网,数据一片云,资源一视图”架构模式,形成“1+3+8”架构覆盖生产、生活、办公、服务各个环节的安全、智能、高效、绿色煤矿综合生态圈,形成自顶向下、功能完整、数据互联、协同运行的智能运行体系。张家峁煤矿智能化建设总体设计思路如图1所示。

图1 张家峁煤矿智能化建设总体设计思路

同时,为了扎实推进张家峁煤矿智能化建设,确定如下阶段性建设目标。

第一阶段,构建智慧煤矿管控平台,建立5G井下网络系统、企业云平台和大数据处理中心;搭建总体优化、区域分级、多点协同的开采、掘进及运输管控体系。

第二阶段,建设VR/AR、智能引擎、无人驾驶、煤矿机器人技术为主的全矿井生产、虚拟维修、远程控制、实时调度的全流程、多要素快速运行体系。

第三阶段,建设基于大数据分析及AI赋能、以人为本的全矿井活动“场景化、虚拟化、专业化”智慧生态体系。

3 张家峁煤矿智能化建设关键技术与实践

3.1 智能化管控平台

构建全矿井监测、控制、管理一体化的智能化管控平台是形成全矿井过程控制自动化、生产综合调度指挥和业务运转网络化、行政办公无纸高效化的重要载体[9]。在统一开发平台的框架下,张家峁煤矿基于微服务架构(SOA)和“资源化、场景化、平台化”思想,围绕监测实时化、控制自动化、管理信息化、业务流转自动化、知识模型化、决策智能化的“六化”目标进行相应业务应用设计,开发了智慧矿山生产系统、安监系统、智能保障系统、智能决策分析系统、智能经营管理系统、智慧园区等场景化APP支持服务,实现煤矿的数据集成、能力集成和应用集成。

智能化管控平台基于“工业以太网+现场总线”技术,具备多种软硬件接口(OPC、驱动、数据库、平面文件、DDE/NETDDE、PLC、子网等),针对“采、掘、运、通、洗”等主要安全生产环节,构建全矿井统一、稳定、高效的集控平台,实现多要素全流程的集中、协同、优化控制与智能运行。

智能化管控平台运用数据仓库(DW)、联机分析处理(OLAP)和数据挖掘(DM)相关技术来处理和分析数据。从不同的数据源采集数据,经过对数据源的清洗与整理,确保数据的准确性,然后对数据进行转换、重构、整合等规范化处理,将处理好的数据存储到所建立的数据仓库中,运用适合的SPSS、OLAP等数据挖掘分析管理工具对数据进行知识化处理,使数据变为辅助决策的知识,并将此知识以决策信息展示。张家峁煤矿智能化管控平台架构如图2所示。

图2 张家峁煤矿智能化管控平台架构

3.2 5G网络传输系统

高效的网络传输系统是实现煤矿智能化建设的基础[10]。根据张家峁煤矿业务承载模式及未来发展方向,将整个企业网络建设为覆盖矿井工业场地、行政办公、安全生产的一张独立网络,链路设计采用万兆骨干、千兆汇聚、千兆到桌面且5G+WIFI覆盖的方式。井上网络包括整网出口区网络、办公管理网络、生活福利区网络,井下环网由安全监控环网、控制环网和视频环网且3个网络独立成环。

张家峁煤矿目前井下已建成了BBU、RHUB、PRRU网络,覆盖范围广、扩展方便、抗灾性强,同时大大增加了井下环网的业务承载量,不仅满足当前矿井建设需求,也满足了一段时期内的矿井业务扩容的需求。同时,井下网络实现了对4G、5G、NB-IoT多种网络的支持,满足了瓦斯、风速、顶板压力信息无线传输的需求,并且降低了建设成本,减少后期线缆、设备的维护量。

基于独立自组网的5G网络传输系统,张家峁煤矿场景化5G应用依托5G大带宽、高速率、广连接的特性,实现高清图像传输,并用于人员行为分析、煤岩识别,胶带损伤检测等智能视频分析;利用5G+NB-IoT解决有线传感器数据组网复杂、数据传输容易丢失等问题,实现甲烷、一氧化碳、二氧化碳、温度、液位、负压、氧气、顶板离层仪、锚杆、锚索拉力监测,液压支架工作阻力等传感器数据的可靠上传;建成变电所5G+VR平台,利用5G技术结合VR虚拟现实形式,对煤矿采区变电所等场景进行实时监控取代人工巡检,实现井下关键区域的24 h连续巡检,在提高工作效率、降低巡检人员劳动强度的同时,增强井下环境的安全保障;利用5G无线高清摄像机进行实时视频监控,通过矿用5G工业网关对局扇的启停进行远程控制。此外,张家峁煤矿还建立了矿级MEC中心,通过中心云与边缘云一体化部署,使得矿井数据通信业务在地面核心机房落地处理,不需要传输到公网,在提高数据安全性的同时,进一步降低数据传输时延性。张家峁煤矿5G网络传输系统架构如图3所示。

图3 张家峁煤矿5G网络传输系统架构

3.3 4D-GIS支撑平台

空间信息是煤矿生产中最为重要的基础信息[11]。煤矿智能化建设需要解决海量时空数据的一体化综合管理,达到各个系统信息共享的目的,构建架构先进的专业化4D-GIS平台,有效简化煤矿专业应用的开发,为各个应用系统提供统一空间基准的地理信息服务。通过构建矿井云GIS平台,实现以空间数据为核心的煤矿海量空间信息的一体化管理,准确表达二维和三维场景下形象,利用虚拟现实技术在三维场景下对设备进行虚拟操控,为所有涉及空间分析管理应用提供基本服务,实现共享一个空间数据服务平台。

3.3.1 回采掘进自动上图系统

张家峁煤矿14301回采面和15212掘进面首次应用了雷达激光点云测距仪,将激光测距仪与智能综掘、智能回采技术深度结合,改变传统的手动上图,实现分钟级别的测量数据更新,在一张图上显示实时掘进和回采位置显示,实现进尺数据的自动化采集。

3.3.2 隐蔽致灾因素预警一张图系统

根据张家峁煤矿2020年最新编制的隐蔽致灾因素普查报告,录入井田范围内所有隐蔽致灾因素,实现对采掘工作面作业过程中可能遇到的隐蔽致灾因素(如沟谷水、天窗、含水层、封闭不良钻孔、废弃井筒、断层、裂隙、褶曲、陷落柱、瓦斯富集区、导水裂隙带(瞬变电磁法)、地下含水体、井下火区、古河床冲刷带、天窗等不良地质体等的实时、动态监测和预警,以达到预防水害事故发生的目的。

3.3.3 透明工作面数字孪生可视化

利用GIS+BIM技术,通过LRGIS平台构建张家峁煤矿透明工作面地质模型和设备模型,融合设备位置、姿态及环境状态等实时数据,形成综采工作面数字孪生可视化系统,实现开采场景的透明化,为自适应割煤提供地质保障。张家峁煤矿4D-GIS支撑平台如图4所示。

通过结合云计算、大数据、虚拟现实、WebGL等技术,矿井云GIS服务平台支持二三维地图建模、海量时空数据管理、地质空间分布分析、空间信息整合、服务发布与共享等功能,基于矿井地质“智库”分析结果,为矿井的智能规划设计、工作面智能开采、智能掘进、智能无人运输、智能安全防控、智能协同控制等奠定基础,实现企业空间数据的采集、管理和维护,为智能化矿井各个业务应用系统统一提供地理信息服务。

图4 张家峁煤矿4D-GIS支撑平台

3.4 薄煤层智能化综采成套技术与装备

煤矿智能装备是煤矿智能化的核心[12]。针对陕北侏罗纪煤田顶底板特性,巷道掘进采用的是沿顶破底掘进,工作面和巷道之间存在1.4 m的高差,既要适应高差又要满足整体快速推进的智能化要求。因此,针对1.1~1.3 m浅埋深、煤质坚硬、工艺与传统配套方式不适应问题,张家峁煤矿创新研发了工作面设备高能积比及巷道端头大落差柔性系统的配套工艺,构建了端头大落差柔性系统,满足巷道与工作面1.4 m以上大落差需求,实现1.1~1.3 m坚硬薄煤层的安全高效开采;针对多层煤联合赋存、煤层群联合开采围岩控制、坚硬薄煤层采煤大功率快速截割难题,重新设计综采三机结构,设计半悬机身、全悬截割矮机身结构采煤机,机身高度为759 mm,装机功率为1050 kW,最大牵引速度为14.5 m/min,设计高刚度抗动载液压支架,工作阻力为9000 kN,采用防冲击大伸缩比立柱,高强度薄板结构,设计大运力、矮机身、重叠侧卸的刮板输送机,装机功率为3×400 kW;针对运输机配套高度高、运力低、运距短、液压支架高强度、智能化装置布置困难、可靠性差、智能化程度低等问题,研发了适用于薄煤层的记忆截割、自动精准找直、电缆自动张紧、智能负荷控制、有线无线双网通信、多数据融合联动、设备远程事故诊断和全生命周期管理的薄煤层智能化监测监控系统,通过井下集控中心和太空舱实现工作面内无人操作的常态化开采。

张家峁煤矿目前成套装备已在431301工作面投入运行,设备及系统运行稳定可靠,煤炭产能达100万t/a。

3.5 智能快速掘进系统

巷道掘进是一个综合的施工工艺,不仅取决于掘进设备的现代化程度,而且与各生产工序紧密相连,巷道的掘进速度直接影响煤矿的开采速度[13]。目前,井下采掘失衡问题仍然突出[14],因此,发展智能化快速掘进对煤矿具有重大意义。

基于装备成套化、监测数字化和控制自动化的“三化”理念,张家峁煤矿提出掘锚一体机-锚杆转载机组-转载机“三机”协同配套模式,攻克了掘锚机组高精度自主导航技术。目前,该套技术应用于15212工作面,运输巷设计单月进尺2451.6 m,平均日进尺81.72 m,最高日进尺120 m,创造同类条件和装备的新纪录。

遵循几何尺寸配套、设备能力配套、动作时序配套的总体原则,采用“掘锚一体机-锚杆转载机组-转载机”集约化“三机”配套方案,张家峁煤矿实现了掘锚平行作业,大幅提高了机械化和自动化水平。采用后部双桥段大跨距转载及大容量储带技术减少了辅助作业时间。

3.6 辅助运输无人驾驶技术

辅助运输系统作为矿井运输系统的重要构成要素,运行效率对矿井综合效益的提升影响重大[15]。无人驾驶技术作为未来汽车的发展方向,已经得到社会各方面的关注[16]。将无人驾驶技术与井下辅助运输车辆结合,对提升矿井的运输效率、实现安全高效运输意义重大。

张家峁煤矿研发了针对WC3Y(C)燃油液压驱动型矿用物料车和WLR-9(A)锂电池电驱动型矿用锂离子蓄电池人车的无人驾驶线控系统,实现了线控转向系统、线控制动系统、线控驱动与档位系统、车身控制系统、底层数据反馈系统等无人驾驶控制系统;研发了矿用无人驾驶传感系统,包括毫米雷达波、激光雷达、高清摄像头、超声波、码盘、轮速计等多源异构信息融合的矿用无人驾驶车辆智能感知多传感器融合技术;研发了矿用无人驾驶高精度定位系统,实现了基于IMU(惯性导航)+ GNSS(全球定位系统)+ ODOM(轮速计)+ LIDAR(激光雷达)+ UWB(超带宽无线通信室内定位)五合一高精度融合定位技术;研发了矿用无人驾驶决策规划系统,采用基于MLP多层感知神经网络算法及LSTM长短期记忆神经网络算法的认知层,建立具有分层架构的决策规划系统,包括采用A*与Dijkstra等规划算法的规划层,规则与分层强化学习相结合的行为决策混合模型的决策层。

上述无人驾驶技术目前已在张家峁矿煤矿成功应用,实现了柴油车、电池车、人车、料车从辅助运输车库到井下过程的无人驾驶。

4 煤矿智能化未来展望

经过多年实践,我国煤矿开采已经由机械化逐渐迈向智能化,并取得明显成效。截至2019年年底,全国已经成功建立200余个智能化采煤工作面[17],部分煤矿企业已经做到了少人化的煤矿智能化开采[18],随着高新技术的迭代更新、煤矿智能化建设进程的不断加快和人工智能与煤矿开采的深度融合,煤矿智能化建设未来可期,但仍需在以下几个方面加强。

(1)数据应用。在煤机装备智能化的同时,监测手段不断升级,因此,煤炭企业将拥有大规模生产运营数据。在深度学习、机器学习等人工智能算法成熟应用的当下,充分利用5G+AI技术,挖掘生产数据隐含信息,建立数据融合中心,能够为智能化系统自学习、自决策提供平台和依据。

(2)开采模式探索。煤炭开采是煤矿智能化建设的核心。针对智能化煤矿,如何创新管理体制、机制,探索煤矿智能化开采模式下的新业态、新模式,实现两者的相辅相成是未来亟需解决的一个重要问题。

(3)人才培养。煤矿智能化建设的终极目标是实现生产“少人化、无人化”,然而,煤矿智能化各个环节及系统仍需大量高端人才的维护,因此,按照专业性质的不同,应逐步建立采掘、机电、运输、通风、安全等多支煤矿智能化专业服务队伍,为煤矿智能开采提供全流程专业化服务;同时,应加强智能化创新人才的培养,为智能化煤矿顺利运行提供人才保障。

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Intelligent construction and its practice in Zhangjiamao Coal Mine

Ren Huaiwei1,2, Xue Zhongxin2, Gong Shixin2, Wang Feng1, Zhang Desheng1, Hou Gang1

(1.CCTEG Coal Mining Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China;2.Zhangjiamao Coal Mine Company of Northern Shaanxi Mining Co., Ltd.,Shaanxi Coal and Chemical Industry Group Co., Ltd., Yulin, Shaanxi 719301, China)

Abstract Intelligent coal mine construction is an important way to achieve high-quality development of coal mines and coal production technology revolution.Intelligent construction of Zhangjiamao Coal Mine took "operation in one brain, mine in one network, data in one cloud, resources in one view" and eight major application systems as the core, realizing the integration and innovation between traditional coal industry technology and new generation of information technology represented by cloud computing, Internet of Things, big data, establishing an intelligent operation system with reasonable structure, complete function, safety and stability, effective management and complete service, forming a comprehensive ecosystem of safe, intelligent, efficient and green coal mines covering production, life, office and service, and a top-down, fully functional, data-interconnected and coordinated intelligent operation system.The intelligent construction practice of Zhangjiamao Coal Mine showed that the integration and innovation of a new generation of information technology and traditional coal industry technology could achieve industrial empowerment and upgrade, and promote the high-quality development of coal industry.

Key words intelligent coal mine, top-level design, intelligent management and control platform, transparent working face, intelligent fast tunneling

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引用格式:任怀伟,薛忠新,巩师鑫,等.张家峁煤矿智能化建设实践 [J].中国煤炭,2020,46(12):54-60.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.12.008

Ren Huaiwei, Xue Zhongxin, Gong Shixin,et al.Intelligent construction and its practice in Zhangjiamao Coal Mine[J].China Coal,2020,46(12):54-60.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.12.008

中图分类号 TD67

文献标识码 A

作者简介:任怀伟(1980-),男,河北廊坊人,研究员,中国煤炭科工集团三级首席科学家,主持、参与国家及省部级科研项目14项,获得国家科技进步二等奖1项,省部级一等奖9项,授权国家发明专利11项。发表学术论文63篇,出版专著3部。E-mail: renhuaiwei@ tdkcsj. com。

(责任编辑 路 强)