理事会特刊 | 彬县煤炭总经理张西寨：蒋家河煤矿5G+智慧矿山建设实践

彬长矿区多种灾害叠加耦合，治理难度较大、安全风险较高，彬县煤炭有限责任公司（简称彬煤公司）按照总体规划、重点突破、分步实施、动态升级、绿色发展的原则，在地质条件相对较好的蒋家河煤矿进行试点，建设了蒋家河煤矿智慧矿山项目。根据煤炭产业“高端化、标杆化、智能化”的发展定位，以“数字化、网络化、智能化”为牵引，持续推进“机械化换人、自动化减人、智能化无人”。依托5G、物联网、大数据、云计算、智能控制、人工智能等技术手段，按照“1116”（1个智能管控平台、1张5G智能融合网络、1片大数据企业云、6个应用子中心）的智能化建设模式（图1），将先进互联网技术与煤炭开采技术深度融合。从顶层设计、算力分配、数据应用和敏捷响应等环节，对煤矿进行了设备智能改造、万兆环网升级、多维数据融合，保证煤矿安全生产，提高生产运营效率，促进井上井下形成一体化的信息管理。加强企业分级管理制度，确保系统数据传输的安全性，减少人员占用，实现危险环境无人值守和煤矿企业的生产经营数据共享、信息共享，使各子系统产生的数据发挥最大作用。构建“监、测、运”三位一体的智慧矿山建设管控模式，确保智慧矿山建设的实用性和可靠性，以实现协同管理、过程控制、实时监管、预测维护的效果，为全国复杂地质煤层智能化开采提供“彬煤方案”。

图1 “1116”智能化建设模式

文章来源：《智能矿山》2024年第1期“智能示范矿井”专栏

作者简介：张西寨，高级工程师，硕士，现任彬县煤炭有限责任公司董事、总经理，兼任陕西华彬煤业股份有限公司董事长

作者单位：彬县煤炭有限责任公司

引用格式：张西寨.蒋家河煤矿5G+智慧矿山建设实践[J].智能矿山，2024，5（1）：42-50.

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蒋家河煤矿作为煤炭行业首家将5G应用于煤矿安全生产的民营企业，利用5G网络的高速、低时延和广连接的特性实现了井上井下高清视频通话、高清视频分析计算传输和“三违”作业实时监控；运用工业互联网、云计算、大数据、物联网等新一代信息技术，通过智能化分析、可视化监管、远程化控制，构建涵盖6个应用子中心的智能系统，使从单一“安全生产”向“生产、安全、质量、效益、环保”协同管控的全面转变，实现了各生产系统智能化运行、安全隐患超前预测预知、经营决策智能化分析。

蒋家河煤矿利用超融合设备组成私有云平台——“彬煤云”，具有实例在线管理、集群功能，具备非结构化和结构化数据的存储能力，存储容量可实时弹性扩展，同时根据服务器计算能力、存储能力满足信息采集与分类存储要求，服务器监控界面如图2所示。

图2　服务器监控界面

蒋家河煤矿主干网络由2台980C核心交换机和5台KJJ127万兆环网交换机组成，主干网络传输速率10000Mbit/s，以IPRAN交换机构建新型井下万兆环网，每台IPRAN环网设备占用独立的2芯光纤与地面的IPRAN环网设备之间实现连接、形成独立的环网，将数据连接到5G核心网、MEC和各个管理平台中心，网络使用低功耗的pRRU（射频单元），系统巷道的无线信号覆盖半径不小于300m，带宽不小于700Mbit/s，时延不大于20ms；采用BBU+RHUB+pRRU的三级结构，以RHUB作为信息汇聚点，向外延伸出不同支线的pRRU，更适用于井下巷道交错的特点，降低了BBU端口的压力。PRRU作为目前最低功耗的信号发射单元，面对井下转角多等复杂条件，通过优化井下部署工艺，实测结果已基本实现预期，无需再通过追求提高功率来增强信号，从而给井下环境造成安全隐患等弊端。蒋家河煤矿万兆环网拓扑如图3所示。

图3　蒋家河煤矿万兆环网拓扑

有线主干网及网络设备支持Ethernet/IP、PROFINET、MODBUS-RTPS、EPA等工业以太网协议。5G基站覆盖地面办公楼和井下综放工作面、综合硐室、中央变电所和上仓输送带，可实现语音通信、视频传输、人员定位和智能巡检机器人数据传输，实现煤矿在开拓、采掘、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等过程基于5G及万兆IPRAN网络智能化运行。

蒋家河煤矿综合管控平台（图4）建立了统一的系统接口标准，基于统一的I/O采集服务设计与实现，部署了冗余的数据采集平台，实现了综合自动化各子系统数据的实时采集，并将采集的数据存入实时历史数据库。同时提供了二次开发工具，可通过简单编程实现对非标准设备系统、语音设备系统和流媒体视频监控等设备系统的标准集成，具有冗余采集和容错机制。

图4　蒋家河煤矿综合管控平台

综合管控平台完成了对“采、掘、机、运、通”等主要生产环节、井下环境安全、人员位置等安全生产实时信息的综合集成，实现了基于三维矿井进行可视化展示、融合联动应用和跨系统协同控制。

该平台具有根据监测与分析计算结果进行异常信息报警的功能，能够将异常信息自动通过调度室PC大屏、移动APP通知相关人员，实现了预警、指挥调度与协同控制；能够对井下设备和传感器建立设备模型，并提供相关的数据接口，通过应用软件对设备数据进行实时处理、分析、可视化，同时能够开放给第三方进行相关的场景化应用（图5）。

图5　数据可视化展示

（1）数字指挥驾驶舱

围绕设备监测实时化、控制自动化、管理信息化、决策智能化、业务流转规范化的目标，建设了矿井生产、安全保障、经营分析、党建等服务场景。数字驾驶舱（图6）主要用于固定分辨大屏使用，对于数字驾驶舱各个功能可实现分权管理，根据业务关系设置不同的访问账号权限。

图6　数字指挥驾驶舱结构

（2）调度指挥中心

调度指挥中心集生产调度、指挥管理、监测监控等多功能于一体，充分利用物联网、移动互联网等新一代信息技术，将矿井各系统信息进行横向整合，形成矿山数字指挥驾驶舱，使管理人员可以在统一软件平台查看、监测、监控、超限预警、人员位置、井下视频监控、安全隐患管理等信息，进一步提升矿井生产调度、应急救援、决策指挥能力，数据采集界面如图7所示。

图7　数据采集界面

调度指挥中心采用远程智能控制技术，对矿井生产过程中主提升、主运输、主排水、主通风等各大系统设备进行改造，均实现了调度中心远程控制。

智能工作面控制系统引入国际领先的LASC惯导技术，通过液压支架电液控制系统、采煤机记忆截割、工作面集控系统，实现了工作面设备一键启停、远程监控等功能；智能悬臂式掘进机的智能综掘工作面配套机载临时支护、带式转载机、迈步式自移机尾、除尘风机和集控中心，以智能化掘进机为核心，集成掘进机遥控系统、自移机尾电液控制系统形成智能掘进系统（图8），掘进机具备姿态解算、路径规划、自动截割系统，借助定位系统与三维巷道建模系统、视频采集系统、语音通信系统，构建了具有感知和协同控制的掘进工作面自动化、智能化成套远程控制系统，实现了掘进机现场实时监控和井下或集控中心的远程控制，达到了以自动开采为主、远程干预为辅的高效工作模式及减员增效的目的。

图8　智能掘进系统

（3）安全管控中心

安全管控中心是（图9）集井下各类环境感知、地质保障数据为一体的安全保障中心，可将视频监控、安全监控、人员精确定位、应急广播、冲击地压监测预警系统等12个子系统汇集到统一平台上，方便调度指挥人员对井下各类环境数据进行实时监测，发现问题及时处理。

图9　安全管控中心

（4）AI图像违章识别系统

AI图像违章识别系统（图10）可对关键岗位的人员违章行为进行识别，通过图像智能分析、实时跟踪现场违章行为，使整个违章过程一目了然，充分发挥了安全管理补位作用，为深度剖析各类违章违规行为提供了依据。

图10 AI图像违章识别系统

（5）智能预警管控中心

智能预警管控中心（图11）通过机器学习、大数据分析等技术，基于机理模型，对采煤机运行数据进行算法处理和分析，根据设备运行规律或数据变化趋势，在设备真正发生故障之前，可及时发现设备的异常状况并进行相关信息的预警推送，显著降低了事故的发生率。

图11　预警管控中心

（6）经营管理中心

经营管理中心（图12）将矿井生产、经营管理融为一体，集成了智慧党建、绩效管理、企业微信等功能，全面打通各系统之间的数据壁垒，为生产、经营提供决策支持，大幅提升企业经营管理水平。

图12　经营管理中心界面

蒋家河煤矿通过智能化建设，完成了从传统矿山到智慧矿山的转变。通过“1116”智能化建设，构建了完整的煤矿智能管控平台，实现了矿山生产过程的智能化、可视化和远程控制；应用矿山多源异构大数据平台技术，对矿井各个系统的多源异构数据进行融合分析，打通了矿井各个系统，解决了矿井数据孤岛难题；灾害融合与预警分析系统利用5G融合网络的高速率、低时延特性，提高了井下设备远程监控及安全监测的响应速度；应用人工智能及机器学习算法对融合数据进行深度分析，对矿井安全监控系统的数据进行共享和灾害综合管控，实现了复杂地质条件下多元灾害跨系统联动控制和数据驱动的融合分析与灾害预警，等技术保障了煤矿生产安全。

蒋家河煤矿是陕西彬长地区首个实现井下5G全覆盖的矿井，通过搭建万兆环网，打通各个设备的界限，实现了“所有设备1张网”“井下工作1张图”，蒋家河煤矿井下主要区域已经实现了5G全面覆盖，工作人员通过本安型5G手机可以实现对井下各个区域的安全监控，也可以随时和地面保持通信联系，通话延迟只有0.12ms，真正实现了危机预警快速响应。此外，将井下集控中心从巷道迁移到了距离工作面2000m以外的集控硐室，有效提升了工作安全系数，改善了工作环境，解决了工作面人员过于集中的问题。

5G+智能巡检机器人利用先进可靠的取像装置开发了有效的数学模型，通过工业计算机的高速运算，利用先进的无线充电技术和5G高速网络，对带式输送机、配电室内各类故障进行实时监测及诊断。

此外，巡检机器人还可以实时监测现场的图像、声音、温度、烟雾、气体等数据，通过软件对数据的自动分析，判断是否存在设备故障以及进行故障定位，带式输送机巡检机器人可对带式输送机的滚筒、托辊、输送带纵撕、跑偏等进行检测，从而减轻工作人员的劳动强度、降低劳动风险，及时发现问题，避免事故扩大化，有效降低了生产过程中的非正常停机时间（图13）。

图13 5G+巡检机器人

蒋家河煤矿多源异构大数据平台建立了统一的系统接口标准，除支持现阶段在用的SQLServer、MySQL以外，还增加了Oracle、MongoDB、Hive、Hbase等多种类型的数据库的统一注册及管理，基于统一I/O采集服务设计与实现，部署了冗余的数据采集平台，实现了综合自动化各子系统数据的实时采集，并将采集的数据存入实时历史数据库，同时提供二次开发工具，可通过简单编程实现对非标准设备系统、语音设备系统和流媒体视频监控等设备系统的标准集成。实现了多源异构数据的集成与共享，打破了矿井数据孤岛现象，提高了矿井数据利用率。

蒋家河煤矿灾害融合与智能分析系统综合利用5G融合网络与矿山多源异构大数据平台对矿井数据的采集与分析能力，将矿井灾害监测数据统一上传集中管理，包括顶板、突出、透水、瓦斯等布置在井下的传感器，实现了对瓦斯抽采监控系统、水文监测系统、火灾监测系统、矿压监测系统、冲击地压监测系统、粉尘监测系统、矿井安全监控系统的数据共享和灾害综合管控功能，做到了实时采集、统一管理、提前预警，提高了矿井灾害预警和防治能力。

蒋家河煤矿产煤系统设备有16部，每班仅设备操作人员就需要15人，而且设备运转需通过语音的方式进行联系。经智能化系统改造后，开采生产环节的每班生产人员由20人减至8人，相较以前的工效提高了54%，机电故障率降低了25%，实现了机械化换人、自动化减人、智能化少人，降低了工人劳动强度，提高了生产效率，降低了安全风险。

LASC通过运行嵌入式导航定位软件实现了采煤机三维位置的精确定位，可以在无GPS信号辅助的情况下实现行进2.7km范围内定位误差≤30cm。

以往工作面采煤机司机必须要跟机操作，现场噪声大、煤尘大，要求注意力高度集中。现在通过集控中心对现场设备进行远程控制，就能观察到机组的工作状态和煤层变化，有效降低了工人劳动强度。

智能掘进系统将锚杆钻车和物探钻机功能集成于一体，实现了“一机多能”，超前探测设备实现了机械化。该系统具有钻进瓦斯抽放孔、注浆防灭火孔、煤层注水孔、防突泄压孔、地质勘探孔等钻孔功能；专业的顶锚杆及顶锚索机械化支护装备能有效改进传统的作业方式，在减人、增安、提效、降耗及降低劳动强度等方面效果显著。

蒋家河煤矿引入AI图像识别技术，通过5G万兆环网等基础设施，实现了多点视频报警联动。完全摆脱人为发现、人为干预，达到实时报警、及时制止、杜绝隐患的效果，在蒋家河智慧矿山区域内分布着监控视频信号，像无数只眼睛监控着矿山每一个角落的设备和人员安全。这些“眼睛”把“看到”的一切传输给“大脑”——智慧矿山大数据平台。该平台拥有海量设备数据，通过先进的AI图像识别技术可将井下设备的图像随时与平台数据比对，针对频繁发生故障或一旦故障会造成较大影响的环节，运用机器学习探索其故障发生前的特征，通过智能算法实时监测并预警，达到主动巡检、智能运维的目的。

为快速提升职工的工作技能，短时间内掌握智能化设备的操作方法，蒋家河煤矿引入沉浸式VR培训模式（图14），培训人员无需现场操作，只要在沉浸式VR培训教室中即可完成，保证了培训过程的安全、规范，加快了培训速度。较传统培训方式，节约培训时间66%，节约培训成本80%。

图14 VR培训模拟场景

新时代赋予新使命，新坐标开启新征程。彬煤公司围绕国家科技创新、产业变革重大战略需求，立足陕西、拓展全国，准确把握高质量发展新路的内涵要义，坚持把产业转型作为第一要务，加快推进“两化”“两新”战略性新兴产业项目建设，构建以煤炭产业为基础，以高端精细化工、盐化工为“两翼”，以新能源、新材料产业为两大增长极，以电力、建材、商贸、物流、金融投资、酒店服务业为6大支撑的“一基两翼两极六支撑”产业新格局，促进彬煤公司从传统能化生产主导型企业向高端能化创新驱动型企业转型跨越，推动全面实现高质量发展，打造高质量发展全新优势，推动实现新一轮腾飞发展，高质量建成全国一流企业。