近年来，山西省煤炭企业认真贯彻落实“四个革命、一个合作”能源安全新战略，创造性推进煤矿智能化建设，涌现出了一大批技术先进、管理科学、运行可靠的煤矿，为推动煤炭行业技术进步、装备提升、管理创新、效益改善做出了重要贡献。
为充分发挥典型煤矿的示范引领带动作用，推动煤矿智能化建设迈向更高水平，山西省能源局从全省范围内征集了124项煤矿智能化建设案例，经组织专家评选，共有65项案例入选。入选的案例兼顾国有企业和民营企业、采煤和洗选、井工和露天煤矿以及各种不同地质灾害、采掘工艺、运输方式等条件，涵盖信息基础设施、智能掘进系统、智能综采系统、全矿井智能化、其它智能化系统、露天煤矿智能化、智能洗选共计7个方向，确保具有可复制、可推广性。现编辑形成《山西省煤矿智能化建设典型案例汇编（2023年）》，供各地市、各有关企业和研究机构在工作实践中学习借鉴。
上榆泉煤矿5G+智能掘进工作面
山西鲁能河曲电煤开发有限责任公司上榆泉煤矿
（一）矿井概况
上榆泉煤矿位于山西省河曲县城南25公里处之黄河东岸，行政区划隶属河曲县沙坪乡、鹿固乡、巡镇管辖。井田面积29.8平方公里，截止2022年底保有资源储量8.96亿吨，剩余可采储量5.75亿吨，矿井原核定产能500万吨/年，2022年核增产能为700万吨/年。矿井于2003年开工建设，2005年5月联合试运转，2006年10月通过整体验收，正式投产。井田内赋存9#~13#五层可采煤层，现开采10#煤层。矿井地质条件简单，顶板为浅埋深坚硬砂岩，煤层倾角2~8°,Ⅱ类自燃煤层，自然发火期为3~4个月，煤尘具有爆炸性。矿井绝对瓦斯涌出量2.66m®/min，相对涌出量0.19m®/t，属于低瓦斯矿井。矿井涌水量正常119m®/小时，最大134m®/小时，水文地质条件属于中等型。矿井采用平硐开拓方式，单水平开采，布置“一采一备两掘”，采煤工作面采用综采放顶煤工艺，长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板，掘进工作面全部使用掘锚机，配套使用连运一号车和桥式转载机。
（二）建设内容
上榆泉煤矿在掘进工作面智能化建设中通过加装5G网络系统、远程控制系统、视频监控系统、危险区域人员接近识别报警系统、自主导航定位系统和地面井下两级集控系统，实现了掘锚机一键启停、自动截割、远程控制、自主定向导航、工况监测、故障诊断、双向语音通话等功能，最终实现掘锚机高精度定向、位姿调整、自适应截割及掘锚掘进环境可视化，连运车智能自动化控制及远程控制，从而实现在少人、甚至无人操作下，完成高效、安全的井下掘锚作业。
图1智能掘进地面集控中心
图2智能掘进地面集控中心
图3智能掘进井下集控中心
1. 5G网络建设
上榆泉煤矿利用5G网络架构，围绕5G+智慧矿山，依托“5G+”，将新型工业互联网关键技术与智能矿山相结合，重构工业网络体系，打造煤炭产业新生态，致力于5G技术与矿山安全生产深度融合，实现无人、少人工作面、生产装备机械远程操控、煤炭数字孪生以及AI智能视频分析等煤炭生产核心信息化服务。
通过安装5G基站、无线CPE，利用其大带宽、低时延、广连接、高可靠的特性，满足了掘进工作面智能化设备的数据传输的需求，实现了数据共享和互联互通，为各类应用系统提供了安全稳定的工作环境，为视距远程遥控控制提供了可靠支持。同时利用5G的无线传输技术，摆脱了目前工作面繁杂的通讯缆线，大大减少了工作面缆线维护的工作量。
2.视频监控系统建设
通过在掘进工作面掘锚机、连运车、桥式转载机、胶带运输机机尾、机头安装8个高清红外摄像仪，地面监控人员可以直接对井下情况进行实时监控，不仅能够直观监视和记录井下工作现场的安全生产情况，而且能够及时发现事故苗头，防患于未然，也能为分析事故提供第一手图像资料。实现了掘进工作面摄像头无死角监控，胶带机机头实现无人值守。视频监控实时情况通过掘进工作面5G网络高速率、低时延的传输到地面调度室，为可视化远程操控掘锚机、连运车等设备提供了可靠保障。同时通过安装华宁语音通话系统，可在地面操作台与相应位置人员进行直连通话，实现了地面向井下进行远程指挥和信息实时共享。
3.自主截割系统建设
上榆泉煤矿掘进工作面在掘锚机上加装激光雷达传感器、倾角传感器、位置传感器等，其主要关键技术是利用激光雷达传感器收集巷道激光基准线，从而实现横向定位，利用设定倾角参数与现场倾角传感器实际参数结合控制算法形成闭环控制，达到纵向定位的目标，同时结合现场智能视频监控装置和位置传感器实现掘锚机位姿检测和补偿，从而达到掘锚机自主截割功能。
4.远程控制系统建设
上榆泉煤矿联合专业技术人员研制出掘进工作面智能化远程控制系统，该系统建立了地面调度室集控中心和井下工作面集控中心，系统界面实时展示掘锚机运行姿态，实时上传掘锚机、连运车等设备的运行工况参数，以5G网络为通道，实现了一键启停、自动截割、自主行走、掘锚机与连运车三维显示等功能，通过破解通讯协议，采用“232”控制，数据采集通过CAN通讯线并联在设备通讯接口，并根据设备遥控器定制操控面板，实现了井下掘锚机与连运车地面和井下两级远程控制。同时，对掘锚机上的四台顶锚钻机进行了电液控制改造，并配备相应的遥控器，实现了可远程遥控操作锚杆钻机，使得锚杆司机岗位工从根本上远离危险区域，大大提升了锚护作业的安全性。
5.危险区域人员接近防护系统建设
通过在连运车两侧安装AI智能识别摄像仪，监控连运车两侧盲区，视频监控画面通过井下环网传输到地面操作台显示器，通过划定黄色危险区域，当人员进入此区域时，AI摄像仪对视频信息进行智能分析，并发出报警和广播告知，当人员闯入超过7秒时，对连运车进行断电停机。
掘锚机区域通过UWB实时精准定位系统，安装读卡分站，为现场作业人员配备定位识别卡，实现人员的精准目标定位，当人员接近掘锚机设定的危险区域时，发出报警并停机。
上榆泉煤矿掘进工作面人员接近防护系统由连运车AI智能视频识别系统和掘锚机UWB实时精准定位系统组成“双保险”，具备危险区域划分、分级预警设定、多系统融合、自动停机、双向报警、视频预警、特殊人员权限管理等功能，该系统的成功运行，有效提升了掘进工作面移动设备的安全运行系数，保障了井下作业人员的人身安全。
（一）利用专门研制的激光扫描仪，实现了掘锚机机体坐标和巷道坐标的对应关系，从而实现了掘锚机截割头的精确自主定位。
（二）激光扫描仪配合多参数传感器，实现了在不改变掘锚机原有机械结构的基础上，实现掘锚机的准确定位。
（三）无线远程遥控系统实现了对掘锚机液压系统和电气系统的改造，在实现手动控制的同时，也可以实现远程遥控控制。
（四）通过掘锚机截割头的精确定位，控制截割头空间精确位移轨迹，实现了任意断面形状的自动截割成形，使掘锚机自动截割出规整断面。
（五）以掘锚机电气控制设备的电流过载保护标准为依据，通过检测截割臂驱动油缸伸缩长度及其伸缩变化率、截割电机电流值及其电流变化率等多种参数，对自动截割过程中遇到的不同工况进行逻辑识别，实现了自适应控制截割臂摆速及方向。
（一）锚杆钻机由液压控制改为电液控制，并配备了遥控器，实现了锚杆机司机远距离遥控作业，使得锚杆机司机岗位工从根本上远离危险区域，大大提升了锚护作业的安全性，同时也显著减轻了工人的劳动强度。
（二）掘锚机和连运车均实现了井下和地面两级远程控制，掘锚机司机和连运车司机可以在地面集控中心或井下集控室远程操控作业，改善了工人的作业环境，保证了掘进工作面作业的安全程度。
（三）上榆泉煤矿掘进工作面智能化建设改造设备运行状态良好，工作面单班生产人数由10人减少至7人，目前具体岗位人数设置为：掘锚机司机1人，锚杆机司机2人，铺网工2人，连运车司机1人，皮带巡检工1人，总计7人。
