煤矿信息化与智能化技术的应用架构及关键技术

郑秦峰

（山西蒲县宏源集团富家凹煤业有限公司 山西省蒲县 041200）

1 前言

煤炭资源是我国的主要能源类型之一，是我国经济社会赖以生存与发展的重要资源，我国的煤炭资源开采和利用一直以来呈现出粗放式的管理模式，导致了大量煤矿事故的发生，而我国煤矿行业的机械化、自动化、智能化、信息化程度较低是导致煤矿事故发生的重要原因之一，大量井下从业人员的存在更是提升了煤矿事故的发生概率。因此，在未来的发展过程中，必须加快煤矿的信息化与智能化的发展，尽可能地压缩井下从业人员的数量，应用智能化的技术实现对井下瓦斯、电力、水、围岩等条件的监测与预警，同时实现地面的远程控制，构建出高效而又现代化的安全性矿井。所以，从这个角度来说，研究煤矿的信息化与智能化的关键性技术对于当前的煤矿行业发展有着非常积极的作用。

2 煤矿智能化、信息化的主要特点分析

煤矿开采工作是一项非常危险的工作，煤矿井下的环境总体来说比较特殊，存在着大量的一氧化碳、甲烷等易燃易爆的气体，而且在开采的过程中矿井的内部环境空间相对狭小，电磁波的传输衰减作用十分明显，这种工作环境以及密闭环境就对井下工作人员的生命健康造成了极大的威胁。而且由于矿井环境的特殊性，导致了地面上的自动化、智能化操作技术难以有效地实现，所以煤矿的智能化、信息化必须从煤矿的特点入手进行分析与研究。

（1）矿井下存在着大量的可燃性气体，所以电气设备必须具备防爆的安全性功能，而对于监控设备、通信设备来说应当优先选择安全型的设备类型，电缆上的传输信号也必须是本质安全型的信号。同时，相关的通信设备的发射功率应当控制在6W 之内[1]，避免引发重大的爆炸现象。

（2）由于矿井具有空间狭小性的特征，因此在采矿作业的过程中各类设备设施相对集中放置，尤其是机电设备的功率较大，各类设备的混合使用使得矿井下的电磁环境更加复杂。在这样的条件下，一些大功率设备的启动与停止往往会引起剧烈的火花现象[2]，不但严重地影响到了煤矿监控、通信等设施的正常工作，甚至还会引发严重的安全事故。

（3）在矿井的开采工作中，采掘工作面是需要不断地移动和推进的，在这一过程中为了实现对地下矿井作业的良好监控，就需要也相应地移动监控、通信的相关终端，而在实际的矿井作业中，矿井下的工作场所比较分散而且不同矿井之间的距离相对较远，矿井中的中继无线的传输距离无法达到相应的要求，进而使得信息化的操作难以实现。

（4）在地下矿井的作业过程中，各类安全事故很有可能是突发发生的，例如顶板的冒落现象、瓦斯爆炸等事件，这些事故的发生会使得矿井内部的电缆出现断裂情况，相关的操作设备也会发生较为严重的损毁情况，所以，在煤矿的信息化智能化操作技术要求下，需要煤矿的调度通信设备以及安全监控设备具有一定的抗灾应变能力，从而减少突发事故对相关信息化设备的影响[3]。同时，矿井下的自然环境条件是相对比较恶劣的，湿度较大、温度较低是当前煤矿矿井的主要环境特点，那么相关的通信、监控设备长时间在这样的环境下工作，就必须具备较好的防尘、防潮以及防腐的性能，要求信息化操作设备的防护性能不能够低于IP54。

3 煤矿信息化与智能化技术的应用架构分析

3.1 通信层与监控监视层的应用架构分析

通信层与监控监视层是信息化与智能化技术中的重要应用架构内容，其中包含有煤矿井下的人员定位信息、立井提升监控信息、带式输送机监控系统、电动机车的运输监控系统、矿井的排水监控系统、水文监控系统等方面的内容。而在通信系统中，主要包含有移动通信系统、广播通信系统、调度通信系统等方面的内容，而矿井监视系统则主要包含有智能识别系统和图像的监视系统等[4]。

3.2 安全生产管理层的应用架构分析

安全生产管理层主要指的是矿井地下作业的相关安全管理设备，例如生产管理设备、调度管理设备、防水管理设备、智能监控设备等内容，同时在信息化技术不断发展的现代化技术中，煤质管理体系、节能环保管理体系、综合性分析管理体系等均属于安全生产管理层的范畴之中。

3.3 经营管理与决策支持层的应用架构分析

经营管理与决策支持层主要指的是后台的管理系统，其中包含着物资管理、人力资源管理、设备管理、工程造价管理、客户关系维护管理系统、审计管理、档案管理等系统。这些系统的应用主要是对煤矿开采工作中的相关管理工作进行分析，同时为煤矿工作的总体智能化发展提供了良好的技术支持。

4 煤矿信息化与智能化的关键技术研究

4.1 井下传输网络建设研究

在井下开采的过程中，传输网络的建设非常有助于开采工作的顺利进行，因此在建设与开发的过程中其关键性技术应当实现以下几个方面的要求。首先，在矿井内部工作中，有线的宽带传输网络应当具备传输带宽大、无线接入方便、抗干扰能力较强、安全稳定性良好的特点，因此，井下传输网络的建设应当采用双环冗余结构或者双树型冗余结构，同时还需要具备中继设备少、设备体积较小、发射功率较小等方面的要求。其次，地面上的网络设备应当与地下的监控设备相互互通互联，并且还需要采用网闸等安全系数较高的安全设备来保证网络的安全稳定性。最后，在网络设置方面，一些关键性设备的应用应当具备冗余的功能，其核心业务的服务器还应当具备热备份冗余的特点，而且传输网络的建设还应当具备VPN的连接功能，其核心交换机的功能也应当支持虚拟局域网VLAN的功能[5]。

4.2 无线传输的关键技术研究

无线传输的技术设计是未来煤矿作业的主要设计思路，也是信息化与智能化技术实现的关键性途径。在无线电传输的网络设计中应当优先使用工业、医疗设备中的频段，严格禁止使用电视、广播、无线电导航等的频率。在矿井下的图像监控设计中，优先采用Wi-Fi 和4G 网络进行，当然，随着5G 网络的覆盖，图像监控设备也应当换代升级，可以搭载5G 网络进行。无线传输技术还应当对地下作业的相关运动物体进行精准地地位，例如对矿井下工作人员的运动特点、胶轮车的运行轨迹、电动车的运行目标等进行定位，而防碰撞管理设备、煤矿物联网等宜选用Wi-Fi、RFID 等技术进行。

4.3 监控系统的关键性技术研究

监控系统是煤矿作业系统中的关键性系统之一，在技术设计的时候应当满足以下几个方面的要求。首先，监控系统的传输距离大于10km，若矿井下发生了紧急事故，在电网停电之后，监控系统的备用电源能够保持连续工作两个小时以上。同时，为了使得监控系统的运行更加流畅，其主干网络的设计应当采用具有冗余功能的千兆或者千兆以上的以太网络进行。其次，在矿井的监控系统中，有线接口的连接宜采用CAN、LONWORKS、FF 等工业现场的总接口进行接入，从而保证监控系统的运行更加流畅。最后，随着我国科学技术的不断发展，GPS、GIS 技术的应用也日益广泛，因此在井下的监控系统设计中也应当将这些技术融入其中，同时，监控系统软件也应当采用组态软件进行，并且保证其具有GIS 的功能。矿井监控系统的网络设计应当具备较高的安全性，在实际应用的过程中可以通过网闸等网络隔离设备与地面上其他系统相互连接。

4.4 通信与监视系统的关键性技术研究

在煤矿作业的过程中，矿井移动通信系统、矿井广播通信系统、有线调度通信系统等都是通信与监视系统中的必要内容，因此在设计的过程中可以将这些内容综合起来设计，形成全矿井综合通信系统，从而实现对整个矿井作业的有效监视。在应用的过程中，需要我们注意的是，严禁使用矿井移动通信系统和矿用IP 电话通信系统来代替矿用有线调度通信系统，在具体的工作过程中，矿井下使用的电话机必须是矿用本质安全型的防爆电话机，这样可以保证在使用过程中具有可靠的安全性特点。同时图像监视系统的应用应当采用光缆或者无线进行传输，在5G 网络的覆盖条件下，相关图像监视系统的设计也应当与5G 网络的应用相结合，从而提升图像传输的速度与效率，同时还使得图像监视系统具有良好的智能识别功能。

4.5 开发精准地质探测与4D-GIS系统

在煤矿开采的过程中，对地下煤层进行仔细的探测是进行煤炭资源开发的重要基础，从某种意义上来说，煤矿探测的可靠性和精度会直接影响到煤炭资源的安全、高效性地开发。在传统的开采过程中，由于传统装备以及技术方面的限制，钻孔、化探、物探等方面的探测精度也难以达到相应的要求，从而严重地制约煤矿智能化的发展。所以，在智能化建设的过程中，首先应当对综采工作面前方的地质进行超前的预测，这是实现煤矿智能化技术的关键性内容，所以，在应用的过程中应当研发出基于随掘、随采、随探的矿山地质综合探测技术与装备，同时将目前行业中所使用的创新探测数据动态解释技术进行更新，从而全面地提升信息探测的时效性。其次，还需要在具体的工作过程中构建出综采工作面探测信息的大数据信息平台，从而对煤矿的各类信息进行细致的分析，实现综采工作面前方地质情况的精准探测，此外，在具体的工作过程中，还要进一步完善综采工作面采动应力定量探测技术，并且补充相关的装备设施，进而实现在应力异常区的实时精准探测工作。

在目前的技术领域中，GIS 技术已经相对比较成熟，与各行各业的发展结合也日益紧密。所以，在煤矿智能化的发展过程中可以研发4D-GIS 综合探测与应用系统，结合当前大数据的技术背景建立矿井地质信息时空状态数据库，从而对矿井的历史数据进行综合性分析，并且对未来的走势进行分析与论证，在该系统设计中还需要增加综采工作面地质信息综合管理系统，结合相关的基础信息构建出三维地质动态模型，在应用的过程中，该动态模型的应用可以实现地质探测数据的统一协调管理，同时可以通过三维动画的模式展现在人们的眼前，这样可以为煤矿开采工作提供更加有力的帮助，同时为实现煤矿井下智能综采工作提供准确的地质探测技术和装备方面的保障。

5 结语

在当前的煤矿采矿作业中，地下环境的复杂性为煤矿作业带来了极大的困难，煤矿井下的无线传输信号的传输衰减较大、电气防爆等条件的存在制约着地面信息化和智能化技术的应用与发展，因此在当前的技术背景下，就必须结合地下矿井的相关条件以及技术的应用背景来综合性地设计。通过上文的分析我们可以看出，监控监视与通信层、经营管理与决策支持层以及生产与安全管理层是当前煤矿信息化技术设计的主要应用架构，我们也需要从这几个方面来进行入手分析，随着科学技术的不断发展与进步，煤矿的信息化与智能化技术将会进一步革新与发展，在未来的发展过程中需要我们不断地探索与实践。