煤矿信息化与智能化技术的应用架构及关键技术探究

【摘要】    作为一种重要的能源矿产资源，煤炭资源广泛地应用于化工、电力、钢铁等领域。尽管国内煤炭产能较大，可是煤矿生产中较易发生安全事故，这不利于煤矿企业的可持续发展。而煤矿通过发挥信息化与智能化技术的优势，非常有利于对煤矿生产的实时监测与远程控制，并且能够建设有效的灾害预警体系，从而有助于煤矿生产高效化和安全性的实现。为此，文章首先分析了煤矿生产环境的特点及其对信息化与智能化技术的要求，然后以此为根据分析了煤矿信息化与智能化技术的具体应用架构，最后阐述了煤矿信息化与智能化的一些关键技术。

【关键词】    煤矿    信息化    智能化    技术

引言：

开采煤矿工作的危险系数非常高，矿井的环境条件十分特殊，其中存在易燃易爆气体（如甲烷和一氧化碳等），这种工作环境对井下工作人员的生命健康造成了极大的威胁。为了降低煤矿事故的出现概率，煤矿企业应在应用智能化和信息化技术的基础上降低工人数目，即以智能化技术手段监测和预警矿井水、电、瓦斯等状况，并且强化地面远程监控，从而建构现代化的安全、高效矿井。鉴于此，煤矿领域应用信息化与智能化技术具备十分重大的意义。

一、煤矿生产环境的特点及其对信息化与智能化技术的要求

一是很多可燃性气体存在于矿井中，因此电气设备务必具备防爆特性，并且选用的通信和监控设备应具备非常高的安全系数，并且确保安全地传输电缆信号。并且，还应确保相关通信设备发射功率为低功率，例如小于6W，以防范严重爆炸事故的形成。二是因为矿井空间的特点是非常狭小，所以采矿时需要集中放置一系列设备，特别是机电设备具备较大功率，混用一系列设备导致矿井具备尤为复杂的电磁环境。鉴于此，启停一部分较大功率的机电设备会导致严重的火花现象，不仅对煤矿通信以及监控等设备的正常工作形成不利影响，而且会形成严重的事故。三是伴随矿井不断推移采掘工作面，为了有效地监控矿井作业情况，应移动通信和监控终端。并且，矿井工作场地不够集中，以及各个矿井的间距较大，矿井中继无线的传输距离不达标，从而较难进行信息化操作。为此，煤矿智能化和信息化的操作需要相应的调度通信以及安全监控等设施具备非常强的抗灾应变特点，只有如此，才能够大大地减小相关设备受到的不利影响。四是矿井生产中会突发一系列安全事故，像是瓦斯爆炸或者是顶板冒落问题，相关问题会使电缆断裂的情况形成，以及对相关操作设施形成严重损坏。并且，矿井的运行条件非常复杂，低温度和大湿度是其显著的特点。为此，有关的监控和通信设备需要搞好防腐、防潮、防尘等工作，并且确保信息化操作设备的防护性能在IP54以上。总之，煤矿生产环境非常复杂和特殊，煤矿的信息化与智能化技术的应用务必立足于煤矿生产环境的特点加以探究。

二、煤矿信息化与智能化技术的应用架构

2.1监视监控层和通信层

在信息化与智能化技术中，通信以及监视监控层属于关键的应用架构，其中涵盖煤矿水文、电动机车输送、立井提升、排水、带式输送机等一系列的监控系统，以及矿井人員定位信息等内容。其中，通信系统涵盖的内容是调度通信系统、广播通信系统、移动通信系统等，矿井监视系统重点涵盖图像监视以及智能识别等相关的系统。

（二）安全生产管理层

在煤矿井下，一系列有关安全的管理设备是安全生产管理层的范畴，像是智能监控、防水管理、调度管理、生产管理等设备，并且随着信息化技术的持续进步和发展，安全生产管理层也逐步囊括综合性分析管理、环保节能管理、煤质管理等体系。

（三）决策支持层和经营管理层

决策支持和经验管理层是指档案管理、审计管理、设备管理、人力资源管理、物资管理等系统，应用这些系统重点是分析煤矿开采的有关管理工作，并且从技术上支持煤矿整体工作的智能化发展。

三、煤矿信息化与智能化的一些关键技术

（一）建设矿井传输网络的技术

对于矿井开采工作而言，矿井传输网络的建设具备举足轻重的地位和作用，为此，矿井传输网络的建设需要达到下面的一些标准：一是有线宽带传输网络需要具备良好的稳定安全性、方便接入无线、传输带宽大、抗干扰性能强等特性，为此，建设矿井传输网络需要运用双树型冗余或双环型冗余结构，并且还应达到发射功率小、设备体积小、中继设备少等标准。二是矿井监控设备需要与地面网络设备互联互通，以及还应结合高安全系数的网闸等设施提升网络的安全性与可靠性水平。三是在网络设置上，确保应用的一些关键设备具备相应的冗余功效，以及确保核心业务的服务器有着相应的热备份冗余特点。除此之外，应确保核心交换机可以有效支持虚拟局域网VLAN的功能。

（二）设计矿井无线传输的技术

煤矿领域后续的设计理念之一即无线传输技术设计，这也属于实现信息化与智能化的重要方式。无线传输的网络设计需要优先应用医疗和工业设备中的频段，不允许应用无线电导航、广播以及电视的频率。当然，在设计矿井图像监控的情况下首先考虑无线网络和4G技术，不过，基于5G网络技术不断发展和应用的影响下，图像监控设备能够应用5G技术。并且，无线传输技术的应用还需要准确地定位矿井生产中的有关运动物体，像是定位矿井工人的移动特点、电动车的运行目标、胶轮车的运动轨迹等，煤矿物联网和防碰撞管理设备适宜应用射频识别技术和无线技术。

（三）设计监控系统技术

在煤矿生产系统中，监控系统属于一个重要的系统，在监控系统的技术设计中需要达到下面的标准：一是当监控系统为至少10km的传输距离时，倘若突发现象发生在矿井中，那么确保矿井具备备用电源。此外，为了使监控系统尤为顺畅地运行，设计的主干网络需要应用至少千兆的以太网络（具备冗余功能）。二是在矿井监控系统当中，适宜应用工业现场的总接口（FF、CAN等）接入，进而提升监控系统的流畅性。三是基于科技的持续进步，GIS与GPS技术的应用越来越普遍，为此，需要将有关技术应用于矿井监控系统设计中。并且，以组态软件充当监控系统软件，以及确保其具备GIS功能。此外，还需要确保矿井监控系统网络设计的安全性，在具体应用时能够结合网络隔离设备（网闸等）连接地面其他系统。四是矿用激光甲烷监测技术。该技术是一种有效防范瓦斯的技术，其应用了断电控制和甲烷监测的功能，可以显著降低煤矿安全事故发生率。具体来讲，该技术的运行理论是应用了红外、热导、激光、热催化等技术，能够对甲烷的浓度进行全面和系统地监测，以及其响应非常迅速，从而能够实现煤矿甲烷监测的现实需要。

（四）设计监视与通信系统技术

煤矿生产中的监视与通信系统中涵盖有线调度通信、矿井广播通信、矿井移動通信等系统。为此，在监视和通信系统的设计中能够进行全面的设计，以使矿井的整体通信系统形成，进而可以很好地监视矿井生产整体。在应用监视和通信系统的情况下禁止以煤矿应用的IP电话通信系统取代有线调度通信系统，并且确保矿井中应用的电话机为防爆安全型电话机。与此同时，需要以无线或光缆传输图像监视系统，基于5G网络的应用环境下，设计的图像监视系统需要发挥5G网络技术的作用，只有这样，才能够大大提高图像传输速度和效率，以及确保图像监视系统具备较强的智能识别作用。

（五）开发精准地质探测技术

煤矿资源开发的前提和基础是煤层探测工作，由一定程度上来讲，煤矿资源开发的效率和安全受到煤矿探测精度、可靠性的直接影响。传统的开采煤矿模式中，基于装备以及技术水平不高的影响下，无论是钻孔，还是化探和物探等，其探测精度不够高，所以这不利于煤矿智能化的发展。鉴于此，在煤矿信息化与智能化的检索中，一是需要超前预测综采工作面前方的地质，这是煤矿智能化技术应用的重要方面，需要使研发的煤矿地质综合探测装备或技术具备随探、随采、随掘等特色，并且可以更新当今煤矿领域应用的探测数据动态解释技术，进而实现信息探测时效性的综合提升。二是还应在工作中有效建设探测综采工作面信息的大数据中心，这样能够对煤矿的所有信息进行尤为仔细地分析，确保精准地探测综采工作面前面的地质状况。并且，还应实现综采工作面采动应力定量探测技术的完善，以及完善有关的设施装备，以精准化地探测应力异常范围。在当前越来越进步的相关技术领域中，GIS技术的应用越来越成熟，其密切联系各个领域的发展。为此，煤矿智能化的发展中能够对基于4D-GIS 的综合探测及其应用系统进行深度研发，并且结合当今大数据的发展趋势和方向建设相应的时空状态数据库，其中涵盖大量的矿井信息，进而全面探究矿井历史数据信息，以及论证和分析后续的走势，还需要将综采工作面地质信息综合管理系统增加在该系统设计中，这样能够给人们呈现三维动画的形式，这样一来，不但能够服务于煤矿开采工作，而且可以将精准的地质探测装备和技术提供给矿井的智能化综采工作中。

四、结束语

综上所述，随着国民经济发展水平的逐步提升，煤矿企业在绿色和安全开采观念的影响下，需要注重研发水平的持续提升，立足于智能化和信息化持续攻克技术难题，不断升级和优化产业结构，实现产业发展技术方式或手段的创新，通过对矿井传输网络技术、无线传输技术、监控系统技术、监视与通信系统技术，以及精准地质探测技术的开发和应用，促进煤矿企业的高效化、绿色化、安全化生产。

作者单位：董国梁    兖州煤业股份有限公司信息化中心

参  考  文  献

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