智能示范礦井

“智能示范礦井”欄目 重點推送《智能礦山》“智能示范礦井”專欄刊載的論文，邀請全國各礦井分享最新智能化建設(shè)成果、亮點與經(jīng)驗，旨在發(fā)揮典型智能示范礦井引領(lǐng)作用，促進我國礦山智能化建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展。截至目前，《智能礦山》雜志已刊載70家礦井智能化建設(shè)成果論文121篇。 ? 點擊訂閱

文章來源：《智能礦山》2025年第9期“智能示范礦井”欄目

第一作者：何國友，工程師，主要從事大傾角三軟厚煤層采礦技術(shù)設(shè)計工作。E-mail：Hgy185x@163.com

通訊作者：王毅穎，博士，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事電力電子變壓器研究。E-mail：yatesyy@163.com

作者單位：山西大遠煤業(yè)有限公司；河北工程大學(xué)；水利部海委漳衛(wèi)南運河邯鄲河務(wù)局；河北省冀南新區(qū)現(xiàn)代裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心

引用格式：何國友，隋福祿，孟慶黎，等.山西大遠煤業(yè)大傾角急傾斜煤礦智能化掘進工作面建設(shè)實踐[J].智能礦山，2025，6(9)：19-23.

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井工煤礦大傾角急傾斜煤礦巖層運動機理復(fù)雜，井下環(huán)境狹窄、作業(yè)空間受限、安全可靠性低，綜合機械化、智能化建設(shè)難度較大。掘進工作面存在生產(chǎn)過程復(fù)雜、裝備系統(tǒng)龐大、作業(yè)環(huán)境惡劣等特點，在機械化、自動化開采基礎(chǔ)上，應(yīng)進一步推進信息化和工業(yè)化深度融合，開展以智能化掘進工作面、智能化運輸為重點內(nèi)容的掘運智能化創(chuàng)新，提高生產(chǎn)效率、減少勞動定員，保證安全生產(chǎn)，促進急傾斜煤礦的可持續(xù)發(fā)展。

山西大遠煤業(yè)工程概況

山西大遠煤業(yè)有限公司（簡稱山西大遠煤業(yè)）是山西省2009年兼并重組單獨保留礦井，設(shè)計生產(chǎn)能力120萬t/a，基本構(gòu)造形態(tài)為一單斜構(gòu)造，地層走向北東，傾向北西，傾角30°～45°，一般為40°，目前采用單水平開采，水平標(biāo)高+1 200 m。開采+1 200 m標(biāo)高以淺區(qū)域。

山西大遠煤業(yè)1502運輸巷道智能化掘進工作面使用掘錨機+單體支護的掘進工藝，掘進工作面采用掘錨一體機進行一次成巷作業(yè)，支護方式為錨網(wǎng)索支護。配套設(shè)備為兩臂掘錨機、機載臨時支護裝置、帶式轉(zhuǎn)載機以及帶式輸送機，帶式輸送機配備了自移機尾裝置，通過絞車進行位移。掘進過程中，破落的煤經(jīng)帶式轉(zhuǎn)載機運至帶式輸送機，再經(jīng)主運輸送帶運輸?shù)降孛?，所需材料通過無極繩卡軌車運輸，實現(xiàn)了掘進工作面掘進、支護、運輸、輔運的機械化、自動化，掘錨一體機+帶式轉(zhuǎn)載機+帶式輸送機如圖1所示。

圖1 掘錨一體機+帶式轉(zhuǎn)載機+帶式輸送機

智能化礦山系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1 智能化礦山總體設(shè)計

山西大遠煤業(yè)的智能型礦山建設(shè)結(jié)構(gòu)為全局優(yōu)化、區(qū)域分級、多點協(xié)作。針對山西大遠煤業(yè)特殊應(yīng)用情境和生產(chǎn)技術(shù)需求，形成了智能挖掘、輔助運輸、安全監(jiān)督、集中指揮、分類供應(yīng)的完整系統(tǒng)，連接不同應(yīng)用場景、不同環(huán)節(jié)、不同位置的控制系統(tǒng)和信息。

智能化礦山以標(biāo)準(zhǔn)體系為依托，搭建覆蓋所有領(lǐng)域的感知網(wǎng)絡(luò)，并打造出快速的數(shù)據(jù)交換路徑，滿足數(shù)據(jù)在煤礦企業(yè)內(nèi)外統(tǒng)一應(yīng)用的需求。搭建大型數(shù)據(jù)應(yīng)用中心及多元服務(wù)平臺，滿足各個業(yè)務(wù)部門需求，提高生產(chǎn)能效、優(yōu)化生產(chǎn)流程，山西大遠煤業(yè)智能化礦山建設(shè)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 山西大遠煤業(yè)智能化礦山建設(shè)結(jié)構(gòu)

2.2 智能化礦山網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)

煤礦行業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化建設(shè)，形成了現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、礦用WiFi6、4G/5G移動通信等有線/無線并存的通信網(wǎng)絡(luò)，承載掘進工作面、礦井人員定位、數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)雀鞣N業(yè)務(wù)應(yīng)用場景。

煤礦網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是掘進工作面、煤流運輸?shù)雀飨到y(tǒng)互聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸交換的基礎(chǔ)，也是數(shù)據(jù)通信聯(lián)絡(luò)的核心傳輸通道。建設(shè)高速、高可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，滿足數(shù)據(jù)、文件、視頻等實時傳輸要求，滿足礦井主干網(wǎng)絡(luò)帶寬>1 000 Mbit/s，大型礦井主干網(wǎng)絡(luò)帶寬>10 000 Mbit/s。在構(gòu)筑煤炭工業(yè)網(wǎng)絡(luò)時，獨立配置地面和井下網(wǎng)絡(luò)，可承載 Ethernet/IP、PROFINET及其他多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

為保障山西大遠煤業(yè)數(shù)字煤礦建設(shè)的數(shù)據(jù)信息穩(wěn)定、可靠、高速傳輸，實現(xiàn)了視頻、語音、數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嗑W(wǎng)合一。地面通信網(wǎng)絡(luò)采用萬兆骨干、千兆匯聚、百兆到桌面，且無線覆蓋；支持光纖多模、單模、超五類雙絞線等多種傳輸介質(zhì)的方式建設(shè)。工業(yè)以太網(wǎng)交換機作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，具備防爆、電源可調(diào)節(jié)范圍寬廣（>20%）、過壓和過流保護的功能，易于安裝、操作、維護，滿足故障警告和定位、故障時切換至冗余鏈路<500 ms等特性，適應(yīng)井下高溫、潮濕、高粉塵的惡劣條件，山西大遠煤業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 山西大遠煤業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意

（1）地面主干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

地面主干網(wǎng)絡(luò)配置2臺萬兆環(huán)網(wǎng)交換機且互為備份，作為整個環(huán)網(wǎng)的核心交換機，2臺核心交換機啟用VRRP協(xié)議、冗余配置，為終端設(shè)備提供無縫隙的路由交換服務(wù)，2臺交換機正常運行時，各自承載數(shù)據(jù)傳輸，若1臺交換設(shè)備出現(xiàn)故障，另1臺設(shè)備承載全部數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)傳輸無需無縫切換，滿足負荷平衡且互為備份。

（2）井下主干環(huán)網(wǎng)建設(shè)

井下安裝4臺礦用隔爆兼本質(zhì)安全型網(wǎng)絡(luò)接口，配接萬兆交換機與地面數(shù)據(jù)中心機房核心交換機共同構(gòu)成主環(huán)。主干環(huán)網(wǎng)交換機承載主干環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信以及子系統(tǒng)接入，實現(xiàn)與地面核心交換機的通信。

通過井上井下網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，實現(xiàn)工業(yè)電視、應(yīng)急廣播、人員定位、安全監(jiān)控、掘進工作面遠程供電移變信息等系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至地面中心機房。

2.3 智能化礦山數(shù)據(jù)存儲及處理

山西大遠煤業(yè)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)，實現(xiàn)了各種數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。但在智能化發(fā)展過程中，不同的智能化應(yīng)用場景產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)離散存儲，關(guān)聯(lián)性弱、應(yīng)用和分析難度大，存在煤礦海量數(shù)據(jù)利用效率低、綜合性應(yīng)用差等問題。

山西大遠煤業(yè)建設(shè)了煤礦數(shù)據(jù)存儲和處理中心，解決掘進工作面及其他系統(tǒng)間的多個數(shù)據(jù)庫間的異構(gòu)性和不兼容性；建設(shè)了基于多種數(shù)據(jù)庫的存儲方式，根據(jù)不同數(shù)據(jù)需求，分類設(shè)計存儲系統(tǒng)，滿足不同應(yīng)用場景。數(shù)據(jù)中心按主副架構(gòu)設(shè)計，采用雙機集群系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可用性。為滿足井上井下的協(xié)作需求，礦井服務(wù)器采用冗余配置。數(shù)據(jù)存儲和處理中心可快速存儲并讀取各種類型數(shù)據(jù)，包括實時信息、歷史記錄、業(yè)務(wù)信息等，并根據(jù)需要統(tǒng)計、查詢和分析信息。

大傾角急傾斜智能化掘進工作面建設(shè)

山西大遠煤業(yè)大傾角急傾斜掘進工作面實現(xiàn)了綜合機械化智能掘進方式，通過安裝的傳感器、數(shù)據(jù)采集、遙控控制元、網(wǎng)絡(luò)通信、位置檢測元、斷面自動截割、截割部負載自適應(yīng)、視頻采集、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等單元，實現(xiàn)單元設(shè)備的運轉(zhuǎn)自動控制、工況在線監(jiān)測、故障診斷等功能，主要包括以下6個方面。

（1）通過布設(shè)的多種感應(yīng)器，實時監(jiān)控掘進機位置和姿態(tài)，并監(jiān)測掘進機俯仰和傾斜角度，主要涵蓋水平偏移角、俯仰角、橫滾角、水平偏移距離、車前距離。采用激光掃描儀與機身多傳感器數(shù)據(jù)整合的懸臂式挖掘機定位檢查策略，實現(xiàn)挖掘機的精確定位。運用激光掃描儀精確定位功能，輔助高清攝像頭捕捉切割頭精確定位，融合挖掘機內(nèi)多個傳感器實時采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備遠程自動化管理、實時工況監(jiān)控和故障診斷的功能。

（2）掘進機在自動截割過程中，因截割阻力導(dǎo)致掘進機位置發(fā)生變化。位置自動補償功能因掘進機機身偏移導(dǎo)致截割頭截割路徑發(fā)生變化，保證截割頭按照設(shè)定截割路徑自動截割；通過掘進系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析與傳感器精準(zhǔn)傳送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)截割自主導(dǎo)航、坡度追蹤功能。

（3）利用數(shù)學(xué)模型和多種傳感器的協(xié)同作用，計算機操縱掘進機切割臂的旋轉(zhuǎn)和升降液壓缸，實現(xiàn)自動切割斷面的功能。

（4）對于常見的矩形巷道斷面，根據(jù)遠程遙控中心上位機輸入斷面的寬、高數(shù)據(jù)，計算機控制系統(tǒng)自動計算特征點，控制截割頭作業(yè)運動曲線；對于梯形或半圓拱形等不規(guī)則巷道斷面，輸入斷面曲線模型，建立特征值點，確定截割頭作業(yè)軌跡。

（5）掘進設(shè)備采用綜合機械化掘進方式，借助無線基站，完成設(shè)備內(nèi)部的無線接收裝置與遠程控制傳輸裝置的無線傳輸，實現(xiàn)有線/無線網(wǎng)絡(luò)間的無縫轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)自主導(dǎo)航、坡度追蹤和自動截割功能。

（6）基于人員識別定位，實現(xiàn)掘進面現(xiàn)場人員防護。當(dāng)掘進工作期間，人員接近掘進機超過閾值設(shè)定距離，設(shè)備自動報警甚至停機；機身安裝防撞傳感器，通過檢測機身與巷道左右煤幫，實現(xiàn)防撞聯(lián)鎖。預(yù)設(shè)掘進機與左右煤幫、掘進面報警距離，實現(xiàn)防撞預(yù)警，防撞預(yù)警功能可擴展為人員接近告警、掘進與在掘和已掘巷道空間關(guān)系功能。

山西大遠煤業(yè)的大傾角急傾斜掘進工作面使用了綜合機械自動化作業(yè)技術(shù)裝備，滿足礦井采掘接替需求，掘進速度達到了預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了數(shù)字化挖掘數(shù)據(jù)分類和儲存，并具備三維地質(zhì)建模能力。遠程集控平臺遠程集中管理掘進工作面的感知信息。

綜合智能化管控平臺建設(shè)

山西大遠煤業(yè)基于互通互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，建設(shè)了綜合智能化管控平臺系統(tǒng)，主要包括4個功能平臺。

（1）GIS“一張圖”平臺

構(gòu)建GIS“一張圖”平臺，集成急傾斜掘進工作面及安全監(jiān)測監(jiān)控、生產(chǎn)過程自動化、輔助生產(chǎn)類及業(yè)務(wù)管理信息化等系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)了煤礦掘進工作面的生產(chǎn)、監(jiān)測、運輸、視頻監(jiān)控等子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集成共享，統(tǒng)一數(shù)據(jù)的安全生產(chǎn)調(diào)度指揮，提高生產(chǎn)能效、優(yōu)化生產(chǎn)流程、創(chuàng)新生產(chǎn)方式。

（2）礦井水文動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

綜合智能化管控平臺中集成礦井水文動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過點位布置圖在井下掘進工作面等位置建設(shè)觀測點，采集各觀測點水文數(shù)據(jù)，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛娣?wù)器進行分析，為煤礦掘進過程中的防治水提供依據(jù)，為礦井防治水工作提供數(shù)據(jù)支持，確保礦井安全生產(chǎn)運行，智能化管控平臺水文動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 智能化管控平臺水文動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)界面

（3）礦井雙預(yù)控信息平臺

建設(shè)了礦井雙預(yù)控信息平臺，主要包括安全風(fēng)險管控流程、隱患排查治理流程、標(biāo)準(zhǔn)和考核的智能化維護和管理3個方面，建立記錄、統(tǒng)計、分析、預(yù)警和跟蹤檢查為一體的智能化信息平臺，提供機制規(guī)范運行、過程管理的運行保障，智能化管控平臺雙預(yù)控信息系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 智能化管控平臺雙預(yù)控信息系統(tǒng)界面

（4）掘進工作面可視化系統(tǒng)

掘進工作面可視化系統(tǒng)基于紅外高清攝像頭，采用無線WiFi和光纖傳輸信號，實時呈現(xiàn)掘進工作面監(jiān)控視頻，實現(xiàn)對掘進設(shè)備運行狀態(tài)、人員作業(yè)情況、工作環(huán)境安全狀況等關(guān)鍵要素的實時監(jiān)控與預(yù)警，提高掘進作業(yè)的安全性和生產(chǎn)效率，智能化管控平臺可視化系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 智能化管控平臺可視化系統(tǒng)界面

（5）煤炭產(chǎn)量檢測系統(tǒng)

煤炭產(chǎn)量檢測平臺實時采集、分析并展示煤炭開采過程中各時段的產(chǎn)量信息，精確記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)與設(shè)備運行狀態(tài)，通過直觀數(shù)據(jù)圖表與報警提示功能，輔助管理人員優(yōu)化生產(chǎn)決策，實現(xiàn)煤礦產(chǎn)量的精細化、智能化管理，智能化管控平臺煤炭產(chǎn)量檢測系統(tǒng)界面如圖7所示。

圖7 智能化管控平臺煤炭產(chǎn)量檢測系統(tǒng)界面

結(jié) 語

山西大遠煤業(yè)針對大傾角急傾斜礦井的具體開采情況和特殊工藝要求，研究了煤礦智能化建設(shè)的總體系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建了井上下萬兆冗余環(huán)網(wǎng)，以及多場景、多源信息存儲和處理系統(tǒng)，研發(fā)了大傾角急傾斜智能化掘進工作面，搭建了融合智能掘進工作面、水文動態(tài)監(jiān)測、安全生產(chǎn)管理等不同業(yè)務(wù)場景的綜合智能化管控平臺，完成了大傾角急傾斜礦井的智能化初步建設(shè)，實現(xiàn)了遠程操作、危險區(qū)域無人作業(yè)、改善作業(yè)環(huán)境；減少了勞動定員，掘進面單班崗位人員為5～9人，降低了掘進成本，提高了單產(chǎn)效率，對促進急傾斜煤礦的智能化發(fā)展具有重要的意義。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡介

《智能礦山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中國煤炭科工集團有限公司主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

刊載欄目：企業(yè)/團隊/人物專訪、政策解讀、視角·觀點、智能示范礦井、對話、革新·改造、學(xué)術(shù)園地、專題報道等。

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