关于正令矿井智能化建设的可行性研究

山西汾西正令煤业有限责任公司 机电运输区卫振华

（邮箱：1350405069@QQ.com，联系方式15035390144） 

摘要：作为煤炭能源大省的山西，煤矿智能化建设已迫在眉睫。传统单纯从煤炭产量、采掘设备、提升设备等方面来衡量一个矿井的时代已经过去。现人们的观念已在逐步发生变化，采掘工作面智能化、供电系统智能化、排水系统智能化、运输系统智能化等已经成为衡量一个矿井是否为现代化矿井的标准。矿井智能化建设也不是一蹴而就的，更不能盲目的照搬照抄别的矿井，不仅要严格以相关规范、文件为指导，对照矿井自身进行逐条检查，也要以大系统为主线，通过熟悉现场各类传感器、数据传输、后台应用等情况，结合自身实际，以及矿井西部采区设计，建立起一套整体智能化建设框架。智能框架以西部采区各大系统为着力点，逐个填充进智能化建设框架里，最终实现矿井智能化建设。

关键词：煤矿   智能化建设   系统  保障 

0引言

党的二十大报告中指出，从2020年到2035年基本实现社会主义现代化，又指出2021年至2025年是社会主义现代化开局起步的关键时期，指明构建新一代信息技术、人工智能等一批新的增长引擎。

2020年6月30日山西省市场监督管理局发布了《山西省智能煤矿建设规范》（DB14/T 2060-2020）山西省地方标准，从采掘系统、辅助生产系统等方面为井工煤矿智能化建设提供了架构。

现阶段矿井智能化建设方案已提上了日程，孝义市能源局根据山西省政府要求，已于2023年4月6日下发了相关文件，文件中就各类矿井实现智能化的时间节点进行了明确，下达了2023年工作任务。由此可见，智能化矿井建设已经迫在眉睫，对于像正令煤业这类的资源整合矿井，在管理、装备、系统、素质方面存在不小的差距，智能化矿井建设任务艰巨。

结合正令煤业实际情况，结合文件时间节点，正令煤业以西部采区为依托，从初步设计阶段开始进行整体智能化框架搭建，以1个智能化综采工作面、2个智能化掘进工作面为考虑重心，全面建成通风系统、供电系统、排水系统、皮带运输系统、辅助运输系统等智能化系统，确保2027年12月底完成正令煤业智能化矿井建设任务。

1正令煤业现状

山西汾西正令煤业有限责任公司是2009年兼并重组整合矿井，隶属于山西焦煤汾西矿业（集团）有限责任公司。年产量90万吨。根据山西焦煤年度重点工程任务安排，正令煤业于2022年12月底前完成了4项重点工程任务，分别为①中央变电所、采区变电所无人值守②空压机房无人值守③中央泵房、采区泵房无人值守④皮带集中控制系统。现这4项工程系统已接入调度信息中心，通过4台电脑进行分别控制。通过现场安设的摄像头，能够在调度信息中心大屏上清晰显示现场情况。

调度信息中心大屏采用了海康威视电视墙客户端，通过对现场摄像头设置IP地址，为这些现场摄像头提供了独立的设备管理界面。这个设备管理界面用于编解码设备、大屏控制设备、视频综合平台、解码器和流媒体服务器的管理。可以根据后期需要，随时增加监控现场画面。

而这一切都离不开万兆工业环网的应用，万兆工业环网的建立在煤矿智能化建设中起到了重要的作用。万兆工业环网不仅为数据传输的高速性、稳定性、安全性提供了保障，更增加了以后拓扑规划，避免了数据时延、信息孤岛数据等现象，为下一步西部采区智能化建设奠定了坚实基础。

2正令煤业西部采区智能化建设

2.1整体架构设计

早在10多年前，政府已经提出了构建安全管理“一张图”，当时的理念是监控市里的重大危险源，将所有重大危险源点进行监控，将危险源点建立在市区一张图上，能够直观的看到危险点位置，并调取相应的视频监控及历史数据，通过分析确定薄弱点，从而加强管理，减少灾害发生。如今经过互联网的不断发展，借鉴相应的思路，经过学习已实现智能化的矿井，提出适合正令煤业的智能化建设框架，此框架应该一方面尽可能对现有的资源进行充分利用，另一方面可以适应后期的发展，逐一将各智能化系统模块进行嵌入，最终完成智能化矿井建设的目的。

智能化煤矿整体架构	智慧矿山应用层 （实现自动化和信息化融合应用，做到用数据管理、用数据决策、用数据服务）
	智慧矿山操作系统层 （基于矿山云数据中心，向下实现各种感知数据接入，向上为智慧矿山APP开发提供服务和工具）
	传输层 （采用现场总线融合组网模式，基于TCP/IP协议，实现高带宽、低延时、安全可靠的数据传输）
	智能设备及泛在感知层 （利用物联网技术，全面感知井下人、机、环境等的状态，并对设备进行控制）

2.2西部采区建设计划

根据西部采区衔接计划，截至2027年12月底，需要完成以下主要几点智能化系统工程，填充进整体架构内，从而完成正令煤业智能化矿井建设任务。几个智能化系统工程框架如下：

①新建主通风机房，实现不停风倒机

设计选用一套不停风倒机在线监控系统，系统采用内装PLC控制柜作为控制核心，系统可对主通风机的运行数据及设备运行状况进行监控，实现对风机的控制以及“一键”倒机、不停风倒机和无人值守功能。

在通风机房安装有一台千兆环网交换机，数据通过环网交换机接入正令工业以太环网，实时上传至调度信息中心工控机。在工控机上安装系统组态软件，工控机可对通风机实现远程控制功能。                     

            

1主扇系统结构示意图

②西部采区井底主变电所无人值守

设计智能供电系统应用于井底主变电所。井底主变电所的控制系统采用矿用微机综合保护装置，配套矿用隔爆兼本安型井下电力监控分站和视频监控装置，完成变电所的继电保护、自动监控和防越级跳闸功能。电力监控分站通过现场总线实现与变电所内高低压开关的监控，通过以太网接入工业环网，与矿井电力监控系统（设在地面电力调度中心）通讯，实现上级调度，可进行异地监测、监控和实现“五遥”功能。

设置一套智能化电力监控与调度系统，具备数据采集、运行监视、智能告警、故障录波、事故分析等功能，能对主变电所进行实时的监控与电力调度，并能将监控数据上传到调度信息中心。

             

2变电所系统结构示意图

 

③西部采区水泵房无人值守

设计在采区水泵房设一套自动化控制分站，分站主机采用隔爆本安型PLC，井下矿用隔爆型PLC控制柜是系统核心，具有自动检测水位信号，通过计算单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断涌水量，自动开泵和退泵运行台数，合理调度水泵运行。

实时在线检测水仓水位，当水位达到上限时能够报警，自动开启水泵；当水位达到下限时，发出声光信号，自动停泵。系统具有数据分析功能，对水泵的效率、电耗、工况点等进行分析，按照“避峰填谷”的原则，确保经济运行，达到节能降耗的目的。系统根据水泵的开启次数自动按一定顺序轮换开启水泵，自动实现水泵的轮循工作，达到水泵房无人值守。分站主机采用通信模块与井下工业以太网相连，传送水泵运行参数和自动化控制信息，实现泵房的远程监控。

水泵房安装防爆高清云台摄像头，对水泵的运行情况进行实时监测，并将视频信号传输到调度信息中心监控系统显示屏上，且具有多画面分屏浏览功能。当泵房设备出现故障时，能够准确及时的将故障处视频信息和环境参数上传到调度信息中心，为故障诊断和应急救援提供信息参考。

                                        

3排水系统结构示意图

④西部采区西翼胶带大巷带式输送机皮带集中控制

西翼胶带大巷皮带布置后，将西翼胶带大巷皮带以及主斜井皮带的集中控制纳入到主煤流皮带的集中控制系统中。系统采用工业总线技术和光纤通讯介质，实现与各控制设备及综保等组成分布式集成控制系统。将现场设备采集到的信息以及程序的内部的信息传送到调度信息中心，同时也可将调度信心中心发出的控制指令传送到控制器。

皮带机具备有防滑保护、堆煤保护、防跑偏保护、温度保护、烟雾保护和自动洒水等保护功能，并实现保护模拟试验、故障声光报警等功能，以满足无人值守要求。

集控方案设计采用开放式编程软件和开放式的数据通信协议，通过可编程控制器（PLC）技术，对煤矿运输皮带机实现远程集中控制和保护。具备《煤矿安全规程》规定的各项保护以及完善的视频监控功能。集监视、控制于一体，具有自动化程度高、安全性高、实用性强、运行可靠等优点，能实现皮带运输系统现场岗位的无人值守，从而达到减人增效、提高矿井安全程度的目的。

                                                    

4皮带集中控制系统示意图

 

⑤智能化掘进工作面

在西部采区21101运输顺槽、21101回风顺槽布置两套智能掘进系统。智能化掘进工作面系统主要包括：井下掘进工作面集控系统、地面远程监控系统、网络传输系统、语言通话系统、自动截割控制系统、智能转运系统、人员安全防护系统。

井下综掘智能集控中心布置在掘进顺槽口的专用集控硐室，在集控中心配套4台矿用本安型显示器、矿用隔爆兼本安型工业控制计算机及其配套键盘、一台矿用本安型操作台、1台矿用隔爆兼本安型交换机、1台矿用光端机、2台矿用隔爆兼本安型监控主站、隔爆兼本安型视频存储器以及配套的矿用隔爆兼本安电源等设备。

集控平台具备对巷道掘进设备进行远程操控的功能，能够实现对掘进机各种动作功能如截割升降、截割回转、铲板升降、油泵电机启停、截割电机启停、行走、后支撑升降、一运启停等的远程操控。能够根据采集的相关设备信息进行掘进工作面真实场景再现。掘进工作面设有完善的传感器、执行器及控制器，能实现设备的远程自动控制、工况在线监测、故障诊断功能。经过井下工业环网，可将井下掘进工作面集控中心视频数据、控制信号和运行参数、音频等上传至调度信息中心，并在地面对掘进机等设备进行监测、干预等。

网络传输系统主要是由井下巷道内的无线+有线相结合传输的模式。掘进机网络传输系统主要由有线网络和无线网络构成。掘进机车载无线接收器和无线发送器与巷道壁上的无线基站之间进行无线通信，并实现有线和无线网络之间的转换。在工作面的迎头增加1部扩音电话，在集控中心增加1部网络电话，接入通话系统，通过井下环网传输到井上，实现三地通话功能。通过在掘进机安装带传感器的油缸，并通过机载控制器智能化编程处理，对电液比例换向阀组控制，实现综掘机的自动化仿型截割，包括拱形、梯形、矩形等多种形状的断面自动截割，具备煤岩特性自适应截割功能。

系统对掘进面各种设备和工况进行监测，对掘进面矿压进行监测和分析，并将监测信息传输到地面调度中心，实现对掘进面的集中调度与指挥。掘进工作面设备监控主要对象指综合机械化掘进工作面的掘进机、可伸缩皮带输送机，其中掘进机配套电控系统。集成自动化系统应能提供对以上设备的就地联锁控制，系统应能监测设备的运行状况，包括掘进机开停信号、转载机开停信号、主要配电开关的状态、主要回路的电量信号、环境参数。通过对集控中心、掘进机、带式输送机的建设和改造，实现掘进工作面掘进系统、临时支护系统、运输系统的远程集中监测和控制，实现掘进工作面的智能化生产。

智能掘进工作面主要设备配套表如下：

 

 

 

⑥智能化综采工作面

在西部采区21101工作面安装一套智能化综采系统，系统包含“一个中心”、“九个子系统”，分别为：“顺槽集中控制操作中心”、“采煤机远程控制系统”、“液压支架电液控制系统”、“运输集中控制系统”、“泵站集中控制系统”、“供配电集中控制系统”、“地面集控系统”、“视频监控系统”、“工作面照明系统”、“工作面网络传输系统”。对工作面设备的远程单机控制，被控设备包括：采煤机、支架（包括过渡架、中间架)、刮板输送机、自移机尾、负荷中心、泵站。

整个系统按三层结构搭建，第一层工作面设备层，包括工作面综采涉及的采、运、支设备与动力供应设备等，各设备自带参数检测及动作控制系统，组成各分系统，实现本地操作或远程通讯控制下的自我调节控制；第二层集中监控层，设系统井下集控中心，各设备分系统以总线或以太网方式与集控中心通讯，交互参数及控制信息，实现集控中心对第一层各分系统的总控和参数集成监视，在本层实现了系统的各动作协调联动，以及基于监测参数的专家系统逻辑判断，完成智能化系统控制；第三层为井上监控层，由井下集控中心通过井上井下网络把数据信息传输到地面调度信息中心，实现井下工况的图表化显示和数据综合分析，同时允许开放地面至井下的控制功能，达到地面监控室控制井下各设备的目的，实现煤矿井下工作面的地面操作开采。

一个中心“顺槽集中控制操作中心”为整个自动化综采工作面的核心，是所有子系统的载体，主要作为综采工作面配套设备心急采集、显示、数据汇总、人机对话操作。负责将“采煤机远程控制系统”、“液压支架电液控制系统”、“运输集中控制系统”、“泵站集中控制系统”、“供配电集中控制系统”、“地面集控系统”、“视频监控系统”、“工作面照明系统”、“工作面网络传输系统”进行整合并协调联动控制。集控中心将实时采煤工艺分解成多个子命令系，并将这些子命令分配给各个子系统，通过对各个子系统协同调度，实现各个子系统的协调联动运行。集中控制系统通过与各个子系统的实时通讯，将各子系统的工作状态、运行参数、指令执行统一汇总处理，并进行逻辑运算，通过科学可靠的控制策略实现对各子系统的协调自动化控制，从而实现整个综采工作面的自动化控制。

集控中心通过构建由综采工作面有线/无线全覆盖网络、设备远程控制与语音通讯系统、工作面视频监控系统、数据分析与诊断预警、工作面设备姿态检测系统、泵站以及胶带输送机的连锁控制等组成的自动控制平台，实现工作面液压支架、大型采煤机、刮板输送机的协调控制，完成综采工作面生产过程自动化控制功能，提高生产效率；并对主要生产设备工况实时在线监测、及时发现故障隐患，提高设备开机率；对工作面的相关信息分类整理，通过矿井以太环网将数据上传至地面调度中心，通过地面调度中心将数据融合到基于物联网技术的综采设备自动化管理系统，实现数据共享与远程管理。

                                                        

智能化综采工作面结构示意图

3保障措施

①煤矿管理人员要提高认识，转变观念，高度重视智能化建设的重要性，牢固树立新的发展理念，以推动煤炭产业装备升级为主线，积极推广应用先进装备和技术，全面提升煤矿智能化水平建设；②要积极与集团公司沟通，确保资金计划落实到位，做好项目的技术规格书审核、招标采购工作，保证相关设备按时到位，全力为矿井智能化建设工作提供多种保障；③结合西部采区设计，按照既定的煤矿智能化实施方案和目标，通过项目实施过程和实施结果的监督考核，落实奖罚，促进各项工作正常、有序开展；④在积极推进煤矿智能化建设的同时，要加强内部人才培养，积极组织技术管理人员、岗位操作人员、设备维护人员外出学习，提高业务素质，为智能化建设提供人才储备。

4结语

正令煤业在人、机、料、法、环等方面虽与集团公司大矿有一定差距，但在政策的支持下，集团公司领导的带领下，学习其他矿井的基础下，依托西部采区设计，相信必将在2027年12月底实现智能化矿井建设。