团队专访┃ 中煤大海则煤矿智能采煤探索团队：乘势而上 聚势而强 奋力开创地面常态化智能采煤新模式

文章来源：《智能矿山》2024年第5期“团队专访”专栏

点击文末左下角“阅读原文”，免费下载阅读pdf全文

关注微信公众号，了解更多矿山智能化建设进展

智能采煤中心共有员工150人，其中管理人员6人、高级工程师2人、工程师2人、高级工7人，35岁以下青年138人，大专及以上学历员工占总人数的93%，队伍整体向高学历、年轻化、专业化发展。

智能采煤中心坚持以安全生产为主线，锚定高质量发展目标，持续深化制度建设，狠抓设备精细管控，注重人才队伍建设，自成立24个月以来，累计生产原煤2100万t，产生经济效益114亿元，有力彰显了主力区队的责任担当。

智能采煤探索团队参与全国采煤工作面智能创新大赛并进入决赛，获得“2023年度全国煤矿智能化卓越团队”荣誉称号；“基于5G技术的智能化开采成套装备及控制技术研究与应用”项目获得2022年中国煤炭工业协会科技进步二等奖；“陕北地区复杂煤层大采高工作面智能开采成套装备技术研究及应用”项目获得中国设备管理协会2023年煤炭行业设备管理与技术创新成果一等奖；“陕北深埋藏大采高煤层精准开采技术研究及应用”项目获得2022年中国中煤能源集团有限公司科学进步二等奖。

智能采煤中心委派智能化副主任乔鹏举与中国煤矿机械装备有限责任公司组建技术团队，严格审核每个系统的技术规格书、实施方案，坚持对标行业先进技术、先进应用案例，高标准推进项目建设，先后开展技术调研20余次，项目对标30余次，组织评审技术规格书、技术方案100余次，以设备感知、人员感知、环境感知及设备空间感知为出发点，系统地规划了综采工作面人、机、环的监测方案；以井下数据处理中心和地面远控中心为核心进行数据采集和远程监控；坚持以终为始进行系统规划设计，在结合工作面开采作业规程要求的基础上，以实现安全、高效、智能开采为目标，构建了成套装备的智能控制方案和基于数字技术的分析和展示方案，同时总结首采工作面20101智能化工作面好的经验做法，凝练出中国中煤能源集团有限公司《智能化矿山综采工作面建设标准》，系统性地阐述了智能化工作面、割煤、支护、运输、集控、数字孪生等系统的定义并在全集团智能化工作面推广应用。

针对综采工作面，智能采煤探索团队建设了井上下智能综采控制专线和智能综采局域网，在保证网络环境安全的前提下，大幅缩短了网络通信延迟，提高了安全生产系数。为确保大海则井下数据能够高速上传，大海则系统性地规划建设了万兆工控网络，行业首发的双频5G组网技术实现了传统总线型架构到星型构架的革命性突破，为下一步组建“人机交互，万物互联”的移动泛在网打下了生态基础，探索信息采集的统一化、业务系统的集成化、辅助决策的高效化。

智能集控系统（图1）将工作面17个子系统数据进行深度融合，以终为始规划各系统的感知与融合控制方案，充分发挥智能集控系统的协同控制能力，深度挖掘设备的数字价值，用融合数据指导生产和设备维护，用数据技术提高人机交互效率、开采效率和工程质量。智能化系统组成结构如图2所示。

图1　智能集控系统总体结构

图2　智能化系统组成结构

在采煤机处增设了5GCPE，数据通过5G网络上传。通过光纤与5G互为备用的方式进行传输，同时也可通过5G对采煤机进行控制，确保在生产过程中采煤机运行数据的连续性监测和采煤机远程控制的安全性和高效性。

为进一步提高地质模型精度，提升自适应规划截割使用效果，团队核心人员王彪多次对接地质测量技术人员讨论技术路线，在一步步推进过程中，逐步细化研发思路，针对现场复杂情况创新性集成雷达测距传感器、红外扫描传感器、激光测距传感器以及视频进行同步测量，在高密度三维地震和槽波数据基础上，结合大海则煤矿井下巷道、工作面等相关写实数据（图3），构建了工作面静态地质模型。同时，他自建数据筛选、判断和优化算法，提出智能集控系统将生产过程中采高数据、液压支架高度数据和惯导监测的底板起伏数据在线转发给地质模型系统并进行30m范围内模型的在线更新，动态生成高精度地质模型，为下一代智能开采提供参考数据。实现截割误差≤10cm。在井下工业性试验过程中，王彪始终出现在井下测试现场，从设备安装到实地测量验证，均冲在最前线（图4）。

图3　基于地理信息的规划截割高度验证

图4　王彪在现场写实验证

为减少井下作业人员数量，提高安全生产管控能力和职工幸福感，减少职工劳动强度，团队带头人乔鹏举与团队成员在借鉴“黄陵模式”“榆家梁模式”的基础上，经过多次充分讨论，确定了蒙陕地区深埋藏大采高强矿压富涌水条件下的地面常态化智能开采技术路线。为保证智能开采的安全可靠，大海则煤矿搭建了井下数据处理中心与地面远控中心的综采控制专用局域网，2处中心构成智能集控系统并分别作为PLC的主站和从站。井下数据处理中心用于工作面各设备的数据采集与底层逻辑控制处理。地面远控中心主要利用高性能主机进行高级智能分析功能和远程监控，并与大数据分析系统、视频后端AI分析主机、语音系统和地理信息系统等进行实时数据交互。智能集中控制系统融合地理信息系统、惯导系统、液压支架电液控制系统、AI视频系统和采煤机控制系统数据并结合现场生产工艺，形成一套智能化程度高、适应性强、安全高效的智能化开采系统，解决了以往地面远程监控使用以太网所带来数据传输延迟大、易受网络环境影响的安全隐患问题。

地面远控中心设计了地−边−端三级垂直安全管控架构（图5），首次将高工业安全等级的急停控制协议引入煤矿智能开采，地面急停控制响应时间≤50ms，有效解决了地面智能化无法急停控制的行业难题，并将2名井下人员转移至生产控制指挥中心，大幅提高了地面远程控制的安全性和时效性，为智能开采常态化应用提供了技术保障，实现工作面减人的同时又不降低生产安全管控能力。既改善了人员作业环境，又提高了对工作面智能综采生产工况的全面及时掌控，使智能开采效率相较井下应用有大幅提升。首次将视频控制器集成在操作台内，可在生产控制指挥中心对任意视频画面进行控制，具有良好的人机交互效果并能大幅提高操控效率。

图5　地−边−端垂直安全管控系统架构示意

自适应规划截割控制算法融合了地理信息、惯导数据、采煤机历史截割曲线、液压支架实时状态，可自动生成规划截割曲线并下发给采煤机进行规划截割控制。

自适应规划截割控制算法充分考虑了工作面易片帮导致液压支架频繁拉超前架的特殊性，可自动识别采煤机前方支架是否拉超前架并控制采煤机自动降滚筒通过超前支架，当滚筒经过超前支架后自动升高至规划截割位置，提高了智能开采的效率。考虑到工作面涌水量大，易导致煤质含水量增大和浮煤涌向机头并积聚从而影响正常开采，矿井生产副总工程师王志尧提出规划截割功能可结合地理信息与惯导数据，自动生成底滚筒截割高度曲线进行平缓挖底割煤，控制涌水尽可能流向机尾，同时也可在生产控制指挥中心通过人为修改规划截割曲线，便于工作面涌水的治理和工程质量的提高。该项工艺改进后，减少工作面水泵8台，自动跟机率提升了20%，人员干预率降低了7%，煤质也得到进一步提升。

图6　央视报道大海则地面常态化智能采煤

针对传统“预防性”设备维护工作量大、浪费严重的问题，技术团队的蒋庆友提出“预测性”维护的设想，并通过设备振动监测系统分析主机对采集的振动数据进行存储和分析（图7），通过数学模型对设备运行状态及发展趋势进行分析和智能评估。当设备状态出现异常时，系统进行报警提示。系统运行数据定期通过专家进行分析预判，指导下一阶段生产维护和维修。该系统上线以来，设备开机率提升了36%，生产班无断链事故发生，设备进行了全生命周期管理，平均寿命提升了18%，同时减少检修班作业人员2人，进一步提升经济效益的同时减少了作业人员。

图7 “三机”振动监测数据统计分析界面

大数据分析系统（图8）通过对综采设备数据的全面采集，自动对智能化生产数据进行统计分析，通过数据发布展示平台可通过多种形式对设备智能化运行情况、生产产能统计、矿压演变进行分析和展示，可有效辅助生产。

图8　大数据分析系统监测界面

数字孪生系统使用设备的生产图纸进行1∶1数字三维建模，并通过设备数据驱动三维模型进行实时动作，实现了对设备实时工况的在线展示。数字孪生系统融合了地理信息系统数据和核心设备在综采工作面位置的定位数据，通过三维显示画面充分展示设备与环境的位置关系，进行真实场景数字在线展示。

大海则智能综采项目依托中国中煤能源集团有限公司（简称中国中煤）强大的智能化专业研发优势，从项目设计、装备研发制造、现场实施、智能化调试及应用均由中国中煤内部单位完成，各项技术自主可控，拥有全套自主知识产权，培养了一批智能化研发和现场应用的优秀人才，形成了一套全新的生产组织管理模式，创造性地提出了业务与技术融合、智能与生产并重的组织架构，用人力资源调动管理方式实现有限人员的最大能效，用错峰生产的方式将智能化产能最大化。地质模型精度可达15cm，工作面人员定位精度为20cm，单架调直控制精度为5cm。使用期间采煤机开采速度可达15m/min，正常自动开采速度为6~10m/min，自适应规划割煤误差小于5%，最佳时高度控制误差仅2%，回采效率提高了3%。单面单班最大割煤刀数为9刀，最大日产量达3.5万t，最大周产量为20万t。形成了以地面远控为主、井下控制台无人值守、工作面视频巡视的智能生产安全控制模式，井下生产单班人数将控制在200人以内，矿井定员控制到980人，智能采煤中心定员控制到150人，真正实现了减人增安提效。实现了行业内首次在700m井深、7m深埋藏大采高强矿压富涌水复杂条件下的主力生产工作面地面常态化智能控制，为蒙陕地区地面常态化智能开采提供了“中煤陕西方案”。

智能生产安全控制模式实施至今，大海则煤矿综采工作面生产原煤共计约2100万t，创造产值114亿元，回采率提高3%带来经济效益约3.42亿元，具有重要的经济示范意义。大海则煤矿坚持主力生产面采用智能化常态化应用，成为行业智能化应用的标志性矿井。

中煤陕西大海则智能采煤中心深埋藏7.2m大采高千万吨工作面地面常态化智能采煤探索团队凭借其卓越的技术实力和创新能力，为煤矿行业带来了一场智能化革命。团队紧密围绕智能化“减人、增安、提效”建设目标，通过全面感知、智能决策、自动跟机、视频巡视、地面规划、数字孪生等一系列创新举措，实现了地面常态化智能开采的新模式。

这一模式不仅提高了煤矿的安全生产水平，降低了生产成本，还为煤矿行业的可持续发展提供了有力支撑。同时，智能采煤中心的探索成果也为全国乃至全球煤矿行业的智能化发展提供了宝贵经验和借鉴。