陕煤张家峁矿智能化煤矿建设与示范案例

陕北矿业张家峁公司(简称张家峁公司)是由陕西煤业股份有限公司和神木市国有 资产运营公司共同出资组建的国有股份制企业。张家峁公司拥有一个核定产能10Mt/a的煤矿， 是国家发改委在神府矿区南区规划的四对大型矿井之一，矿井井田面积51.98km2，地质储量 8.65×108 t，可采储量5.43×108 t，可采煤层7层，各煤层拥有得天独厚的“三高三低”（高挥发分、高发热量、高化学活性、低硫、低灰、低磷）特性，是优质的化工用煤和低温干馏、工业气化及建材工业用煤。 

 

张家峁公司以科技创新为驱动，围绕创建世界一流智慧煤矿目标，积极推进智能化煤矿巨系统关键技术装备研发与示范矿井项目建设，取得了显著经济与社会效益，促进了企业可持续发展，具有广阔的推广应用价值。

 

 

 

 

智能化建设背景

 

张家峁公司明确推进“四化”建设是迈向高质量发展的必由之路，历经十年、两个阶段的 建设，取得明显成效：一是实现了井下主要生产系统的全面机械化和部分单系统的自动化；二是全面实现地面远程自动化控制常态运行，各业务系统实现信息化高效运作。但面临煤炭行业发展的新形势和新要求，企业在信息化发展水平与煤炭企业管理方式的创新能力还不足，迫切需要重新思考和构架智能化煤矿运行体系。

 

• 从信息技术发展形势来看，在智能制造、工业4.0、“互联网+”等新技术、新应用如火 如荼开展，人工智能确定成为下一个10年发展趋势之时，煤炭开采中的高新技术应用和发展则明显滞后。受限于井下特殊的工作环境，地面相对成熟的技术无法直接应用，环境探测、通信、控制等功能都受到很多限制。煤矿生产系统庞大，众多子系统形成了一个大规模复杂运行体系，但信息化程度不足，缺乏“智慧的大脑”，因而生产的科学性、运行效率、安全风险防控、生态环保等都难以达到最优，煤矿智能化采掘技术尚处于起步阶段。

 

• 从系统集成的角度来看，煤矿是一个典型的多部门、多专业管理的行业，涉及“采、掘、机、运、通”和“水、火、瓦斯、顶板”等研究方向，如何将分散、孤立的业务系统和数据资源整合到一个集成和统一的管理平台，是科学采矿或高科技煤矿建设的关键问题。有关生产、 安全、管理的自动化与信息化系统尚没有行业标准，各分(子)系统之间不能互通和兼容，存在着“信息孤岛”现象，信息资源难以共享。

 

• 从系统管理情况来看，煤矿生产执行的各类采、掘、机、运、通、安全管理等方面存在标准不统一、平台软件不统一、应用功能不统一，以及专业之间数据交换和共享不便等问题，数据的一致性、时效性无法保障。

 

为解决煤矿智能化的关键核心问题，构建统一、集中、完整的业务系统，全面建成智能化矿井，张家峁公司与天地科技股份有限公司合作开展研究，提出了张家峁煤矿复杂巨系统示范矿井建设总体架构，涵盖了井下地面、安全生产、政工经营、生活服务、园区建设等8大系统、49个子系统。张家峁智能化示范矿井建设坚持需求导向和问题导向，聚焦解决“全矿井信息全面感知、数据融合、分析及高速传输”和“生产环境动态变化情况下开采智能决策”两类问题，形成覆盖生产、生活、办公、服务各个环节的智慧、便捷、高效、保障的煤矿综合生态系统。

 

张家峁公司结合智慧煤矿的发展需求，开展张家峁智能化煤矿巨系统关键技术装备研发与示范矿井项目建设，具有十分重要的意义。

 

智能化项目的技术创新点

 

开发智能综合管控平台及大数据系统

 

首次开发基于工业互联网的智能综合管控平台及大数据系统，实现了全矿井92个在用系统的集成和优化，“井下—地面”一键式全流程管控，彻底打通了数据壁垒，数据利用率整体提升50%以上。

 

研发4D—GIS地理信息系统

 

研发基于透明地质模型的4D-GIS地理信息系统系统，突破BIM+GIS融合与虚拟仿真的井下信息实时动态更新技术，实现了采掘过程、人员、地质等动态信息的自动更新和实时显示，全面掌控井下生产状况。

 

建成智能化综采工作面

 

建成一个5G+厚煤层、两个中厚煤层、一个薄煤层智能化综采工作面，实现了全矿井综采智能化，工作面内无人操作、设备运行数据自动化监测及远程集控，设备开机率提升了20%，整体生产效率提高了30%。

 

研发智能化快速掘进系统

 

突破掘锚一体机高精度导航、关键位置自主检测、远程多机协同控制等难题，首次研发 “掘锚一体机—锚破运一体机—过度运输”的智能化快速掘进系统，最高日进尺达到120m，月进尺达到2702m。 

 

 

 

 

研发智能通风综合管控系统

 

研发具备多点移动式测风、风量远程定量化调节、主运巷外因火灾局部反风控制、灾变分析与智能决策功能的智能通风综合管控系统，实现了120s内智能辅助决策控风方案，主要井巷控风精度大于95%。

 

 

 

 

研发无人驾驶系统及智能调度系统

 

首次研发了辅助燃油物料车和锂电池驱动车无人驾驶系统及智能调度系统，实现了车辆转向、制动和驱动智能化控制及地面到井下的全程无人调度运行，累计运行达到1200km。 

 

研发自动监控系统

 

研发建设全煤流智能运输监测、矿井水资源智能管理、回风巷巡检机器人等固定岗位和场所自动监控系统，实现了井上下23个机房硐室，66个操作岗位的“有人巡检、无人值守”，全面实现了井下作业智能化、少人化。

 

张家峁智能化矿井性能指标

 

项目针对缺乏煤矿智能化统一架构和平台、信息“孤岛”、子系统难以融合等关键核心问 题开展攻关研究，申请发明专利22项，授权12项，实用新型专利4项，软件著作权2项，发表论文23篇；研发新产品4项，新装置4项。

 

基于“全局优化、区域分级、多点协同”控制模式，建设“运营一大脑，矿山一张网，数据一片云，资源一视图”和八大应用系统，形成“1+3+8”架构的煤矿综合生态系统。矿井所有系统智能化作业占比80%以上，井下单班作业人数不超过100人。

 

实现全矿井92个在用系统的集成和优化，“井下—地面”一键式全流程管控，彻底打通了数据壁垒，数据利用率整体提升50%以上。实现全矿井综采智能化，工作面内无人操作、设备运行数据自动化监测及远程集控，设备开机率提升20%，整体生产效率提高30%。智能化快速掘进系统，最高日进尺120m，月进尺达到2702m。智能通风综合管控系统实现了120s内智能辅助决策控风方案，主要井巷控风精度大于95%。

 

与国内外同类技术比较

 

研首创生产矿井，全面智能化升级建设新模式

 

首创煤矿巨系统智能化架构与协同机制，开发和应用基于工业互联网的智能综合管控平台及大数据系统，实现了全矿井92个在用系统的集成和优化。通过“井下—地面”一键式全流程管控，彻底打通了数据壁垒，数据利用率整体提升50%以上，达到国际领先水平。

 

研首创5G+智能化煤矿系统应用场景

 

建立矿井级5G高速信息传输网络及高精度人员、设备定位系统，开启了井下信息“高速公路”，为设备实时精准控制、无人驾驶、人员安全防控提供了坚实基础，达到国际领先水平。 

 

研发4D—GIS地理信息系统

 

提出和研发应用矿井4D-GIS地理信息系统，突破BIM+GIS融合与虚拟仿真的井下信息实时动态更新技术，实现了采掘过程、人员、地质等动态信息的自动更新和实时显示，全面掌控井下生产状况，达到国际领先水平。

 

研发智能化成套开采技术与装备

 

研发1.1m硬煤薄煤层大功率高效智能化开采成套技术与装备，建成5G+薄煤层、中厚煤层和厚煤层智能化综采工作面，实现了全矿采煤工作面内无人操作、设备运行自主耦合、远程集中监控，达到国际领先水平。

 

研发智能化快速掘进系统成套技术与装备

 

首次研发“掘锚一体机+锚运破+大跨距转载”远程控制智能快速掘进系统成套技术与装备，突破了掘锚一体机高精度导航、关键位置自主检测、远程多机协同控制等难题，最高日进尺120m，月进尺2702m，达到国际先进水平。

 

研发首套煤矿智能通风系统

 

研发具备多点移动式测风、风量远程定量化调节、主运巷外因火灾局部反风控制、灾变分析与智能决策功能的智能通风综合管控系统，实现了120s内智能辅助决策控风方案，主要井巷控风精度大于95%，达到国际领先水平。

 

研发全矿井固定岗位无人值守系统

 

研发全煤流智能运输监测、矿井水资源智能管理、回风巷巡检机器人等固定岗位和场所自动监控系统，实现了井上下23个机房硐室、66个操作岗位的“有人巡检、无人值守”，全面实现了井下作业智能化、少人化，达到国际先进水平。

 

项目研究成果

 

张家峁智能化煤矿巨系统关键技术装备研发与示范矿井建设项目，是我国第一个全面的智 能化煤矿关键技术研发与建设项目，引领了智能化煤矿建设的方向。研发的技术、装备和系统在性能指标、实际应用效果方面均达到了国际领先水平，成效显著。

 

经济效益

 

建设项目实现了全矿井多个子系统的信息化、自动化和智能化，实现了井下工作面开采一直到选煤厂的全生产链的协同控制、矿井众多子系统的深度融合及数据共享、安全生产监测的闭环管理；生产系统每班生产人员由69人减至26人，减少43人，节电160万元/a，直接经济效益5000万元以上。

 

社会效益

 

建设项目实现了全矿井多个子系统的信息化、自动化和智能化，实现了井下工作面开采一直到选煤厂的全生产链的协同控制、矿井众多子系统的深度融合及数据共享、安全生产监测的闭环管理；生产系统每班生产人员由69人减至26人，减少43人，节电160万元/a，直接经济效益5000万元以上。

 

来源：澄合矿业公司对标管理平台