毛善君教授：基于透明化地质保障系统的煤矿智能管控平台研发与应用

2020年2月25日，国家八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，吹响了煤矿智能化建设的“号角”；2021年12月，国家能源局发布《智能化示范煤矿验收管理办法（试行）》，明确了示范煤矿智能化建设内容和验收标准。长期以来煤炭行业十分重视信息化、自动化系统的建设，但这些系统没有按照统一规划设计，独立运行，业务数据割裂、信息不对称形成了很多业务数据孤岛；管控平台以自动化系统为主，示意型组态控制界面的交互性差，表达范围和精度受限，未对各类业务数据建立时空地理关系；综采工作面以记忆割煤技术为主，难以适应煤层起伏变化，工作面减人效果不佳。地测保障系统是智能化矿山的基座，没有地质保障就无从谈起智能化开采、智能化掘进以及智能化矿山。

智能开采作为煤矿智能化的核心技术之一，是现代化煤矿生产的主要环节，综采及综掘工作面是煤矿生产中设备最多、环境最恶劣、工作最复杂的系统，在煤矿重特大事故中，有66.7%都发生在煤矿采掘工作面，特别是薄煤层工作面。如何采用先进的信息技术、数字化控制技术，实现工作面综采自动化、少人化、无人化是煤炭工业的研究重点和难点。基于上述原因，2019年1月国家能源集团批复国家能源集团宁夏煤业有限责任公司（简称宁煤公司）申报的2030重大先导项目“基于TGIS的矿井智能开采与安全管控平台的研究与应用”，旨在解决综采工作面透明化、自适应开采和全矿井智能安全管控难题，该项目通过科研立项及实施方案论证，最终由北京龙软科技股份有限公司（简称龙软）中标和承担建设，在宁煤公司金凤煤矿（简称金凤煤矿）开展示范攻关，经过多年的技术研究和积累，项目整体于2022年1月开始在金凤煤矿开展关键技术现场工业性试验等工作，并于2023年8月通过国家能源集团的验收和成果鉴定。

项目通过深入研究金凤煤矿在智能化建设过程中采、掘、机、运、通、监测监控、经营管理等系统存在的问题，结合国内外关键技术发展最新现状，利用矿井地质钻探、物探数据及多源地质数据融合成果，构建高精度地质模型和透明化地质保障系统煤矿管控平台，实现矿井资源管理与地质分析、地质数据与模型联动、信息共享与业务协同控制、大数据决策分析与预测预警、可视化展示与智能化管理等功能；研究基于透明地质保障系统的综采工作面“透明化地质模型＋测量机器人＋跟机视频＋惯导＋UWB定位”的自适应采煤模式和方法，实现采煤工作面的自主规划自适应截割。

 

文章来源：《智能矿山》2024年第3期重大进展特刊

作者简介：毛善君，教授、博士生导师，现任北京龙软科技股份有限公司董事长，北大-龙软科技智慧能源和公共安全研究中心主任

作者单位：北京龙软科技股份有限公司

引用格式：毛善君，陈自新，陈华州，等.基于透明化地质保障系统的煤矿智能管控平台研发与应用[J].智能矿山，2024，5（3）：44-52.

 

关键技术突破与创新

 

关键技术突破

 

利用地质探测、物探数据再解释及多源地质数据融合成果，构建了高精度地质模型和设备模型的透明化开采场景，综合运用“透明化地质模型+测量机器人＋跟机视频＋惯导＋UWB”及5G通信等技术，建立基于透明化地质保障系统的煤矿智能管控平台，该平台集成地质保障、综合安全监控、综合自动化、综合调度、生产技术、一通三防、机电管理、辅助运输、地测防治水、安全管理等业务数据，实现了地测数据与模型联动、信息共享与业务协同、综合定位与自适应开采、大数据决策分析与预测预警、可视化巡检与智能化管理等功能。

 

创新点

 

研发了矿井多源时空信息融合和智能化分析技术，实现了开采环境透明化、分析智能化。通过地面钻孔、井下钻孔地质雷达、巷道和工作面揭露的地质数据与井下槽波探测、地面三维地震数据的联合反演，构建矿井、工作面煤层、构造等地质体高精度三维地质建模系统，实现了多源异构数据迭代融合与模型动态更新，解决了地质信息的透明化展示和应用；结合时空多源数据融合与多元特征推理，提出了智能时空图推理模型，实现了时空智能分析的实际应用。

实现了综采工作面透明化地质模型＋测量机器人＋跟机视频＋惯导＋UWB定位及导航系统的集成，创新研发了工作面测量机器人自动寻找和辨识巷道控制点的方法，提升了自适应割煤系统的实用性。

工作面测量机器人自动搜索辨识巷道控制点和追踪测量采煤机机身棱镜，实现了大地坐标中继传导和惯导数据动态标定，提高了系统的稳定性和精度；工作面设备精确定位系统融合工作面UWB精确定位，实现人员精准坐标定位和行为安全管控；综采工作面多系统的高度集成，初步实现了少人化或无人化。

研发并实现了基于地质保障系统的智能化煤矿全矿井协同管控平台。以多维透明化地质测量保障系统为基座，构建井上井下重要机房硐室、综采工作面、掘进工作面等重点场所数字孪生场景，接入金凤煤矿各类安全生产系统数据，实现数字孪生远程工业控制、可视化巡检、地质多源数据与模型联动、信息共享与业务协同、安全生产经营数据的深度融合、大数据决策分析与可视化协同管控，最终形成基于地质保障系统的智能化管控平台，实现了基于时空信息的智能系统化和地表常态化远程控制。研发了多维可视化矿山巡检虚实协同技术，实现了虚拟观察位置、方向和空间关系实时动态描述与调用，达到了巡检过程中监测监控数据、虚拟场景的实时协同和自动对应。

 

难题攻克与解决方案

 

基于透明化地质保障系统的煤矿智能管控平台

 

总体设计是金凤煤矿智能化煤矿管控平台各业务板块信息化建设的规划设计及总体指导框架，是生产运营管理相关子系统及其内部各要素之间有效组合运行的动力机制、建设机制和发展机制的模型化设定，以保证平台及系统功能统一规划、相互协调、结构一致、资源共享、标准规范。煤矿智能管控平台总体架构共分为4层：基础设施层、数据管理层、业务服务层、应用决策层，基于透明化地质保障系统的煤矿智能管控平台架构如图1所示。

 

图1　基于透明化地质保障系统的煤矿智能管控平台架构

 

该平台以时空智能数据库为核心，以全矿井生产运行控制为主线，赋予各类对象以（x，y，t）、（x、y、z、t）的表现形式，通过开发、适配各类智能化装备的控制接口，提供实时运行、自适应控制的二、三维GIS组态管控，将GIS应用领域从以往的空间信息管理拓展到了面向全矿井子系统的管理和控制，实现煤流、风流、水流、电流、物流、人流、灾害防治业务的协同联控。

 

关键技术、难题和解决方案

 

（1）利用综合物探技术探测煤层顶底板及内部构造

金凤煤矿011815工作面精细物探，采用槽波与钻孔雷达联合勘探的方法，结合采区三维地震数据解释成果，可探测到工作面煤层顶底板位置，对工作面内部可能存在的各种地质异常体进行精确定位和影响范围分析，重点控制已揭露的SF7正断层。为保证物探成果能够真实反应该工作面地质情况，并提高施工效率保证项目进度，工作面物探工程优先完成了施工及安全技术措施评审，并在采煤工作面布置前完成了工程施工。011815工作面地质钻孔雷达探测钻孔平面及011815工作面槽波勘探设计如图2、图3所示。

 

图2 011815工作面地质钻孔雷达探测钻孔平面

 

图3 011815工作面槽波勘探设计

 

（2）实现高精度透明化工作面模型构建

利用工作面综合物探数据结合工作面及周边一定范围内的钻探、物探、巷道素描等煤层和构造数据，构建工作面初始高精度三维地质模型和设备模型，通过定期地质素描，完成工作面地质模型动态修正，实现地质模型综合误差小于200mm。工作面高精度三维模型及动态修正成果如图4所示。

 

图4　工作面高精度三维模型及动态修正成果

 

（3）利用“测量机器人+惯导+UWB”实现工作面设备基于大地坐标的综合定位及人员安全管控

笔者团队创新研发了测量机器人识别控制点ID编号方法，实现了固定控制点的精准识别和测量，精确测量煤机位置并修正惯导误差；替代传统工作面的人工导线测量任务，实时全自动测量固定和移动目标点的XYZ三维大地坐标，为综采工作面设备提供精准位置服务。综采工作面测量网络布置如图5所示。

 

图5　综采工作面测量网络布置

 

基于测量机器人与惯导的测量网络，提供了采煤机运行轨迹线与刮板输送机调直，以及工作面设备的精准大地坐标，可匹配龙软GIS地图生成采煤截割线与俯仰采规划路径。综采工作面刮板输送机调直如图6所示。

 

图6　综采工作面刮板输送机调直

 

利用工作面UWB精确人员定位系统，实时监测人员与液压支架、采煤机相对位置，系统可实现工作面人员与液压支架、采煤机接近报警停机功能。

（4）完成基于地质模型的自适应开采成套软件的研发

笔者团队研发了基于精确大地坐标及动态地质模型的自适应管控系统，系统主要包含4个部分，分别是基于TGIS的三维数字孪生管控系统（图7）、TGIS的二维智能开采管控系统（图8）、视频跟机系统（图9），以及基于地质模型的自适应开采系统（图10）。

 

图7　基于TGIS的三维数字孪生管控系统界面

 

图8 TGIS的二维智能开采管控系统

 

图9　视频跟机系统

 

图10　基于地质模型的自适应采煤系统

 

基于TGIS的三维数字孪生管控系统利用工作面槽波、钻孔雷达、三维地震数据解释、瞬变电磁、检修班测量等数据动态构建高精度三维地测模型，融合巷道模型、设备模型形成开采场景；基于数据驱动模型、设备位姿及运行参数，实现工作面的数字孪生一体化管控。

TGIS的二维智能开采管控系统包括综采工作面集控、惯导精确定位与组合导航、刮板输送机自动调直、测量机器人动态标定、地测模型剖切和动态修正、数据管理与分析、刀号生成等功能，实现基于龙软GIS地图的工作面一键启停控制。视频跟机系统通过对工作面视频流进行实时拼接，采煤机运行过程中，视频全景融合数字孪生管控系统，能够及时观测工作面片帮和冒顶、滚筒和支架护帮板之间的位置干涉等异常情况，提高智能开采异常处置能力。

自适应采煤系统包括自适应截割数据预览和下发、自适应开采仿真等功能。该系统展示工作面地测模型剖面煤岩层位、人员与采煤机位置、人员与支架位置闭锁、液压支架运行参数等信息；可提前预览和调整左、右滚筒预设截割线，自适应截割过程中可展示实际截割线、相对偏差及人工干预状态等信息。

（5）5G网络应用

在金凤煤矿011815综采工作面搭建5G无线通信系统，利用5G网络的大带宽、低时延及网络切片技术，实现了工作面设备通道5G信号的全覆盖，并与工业环网互联互通，保障了工作面5G语音、视频、通话、惯导、测量机器人等设备数据的无线稳定传输。工作面5G网络拓扑如图11所示。

 

图11　工作面5G网络拓扑

 

（6）基于透明地测保障系统的全矿井智能子系统协同联控及多维可视化巡检

笔者团队研发了基于透明化地质保障系统的智能化煤矿全矿井协同管控平台，实现了可视化巡检、多源数据与模型联动、信息共享与业务协同及设备可视化控制（图12、图13）。

 

图12　设备启停前的人机环境条件评估与联动

 

图13　生产过程中运行设备之间的优化控制

 

笔者团队还研发了矿井多维可视化矿山巡检虚实协同技术，实现了虚拟观察位置、方向和空间关系实时动态描述与调用，达到了巡检过程中监测监控数据、虚拟场景的实时协同和自动对应（图14）。

 

图14　全矿井多维可视化巡检虚实协同技术

 

应用效果及推广前景

 

金凤煤矿基于透明化地质保障系统的煤矿智能管控平台的使用，改变了煤矿安全生产技术的管理模式，提高了矿山的智能化管理水平，不仅为煤矿的安全生产提供基础保障，还提高了煤矿的决策效率。基于“透明化地质模型＋测量机器人＋跟机视频＋惯导＋UWB定位”的自适应采煤技术的常态化应用，大幅降低了工作面采煤作业人员的劳动强度，工作面作业人员减少至2~3人，在工作面设备完全可靠情况下，可实现无人开采，达到了少人则安的目的，提高了采煤过程中的安全性和智能化水平，为煤矿智能开采提供了有效的技术保障。构建了三维动态高精度地质模型，实现了矿井地质的数字化与可视化，通过对生产中不安全因素的提前预测、预警，有效减少了生产安全事故。基于透明化地质保障系统全矿井协调联控的建立，实现了全矿井远程可视化智能管控；通过数字孪生系统进行可视化远程巡检，提高了设备巡检频次，增强了管控的安全性。

有效解决了煤矿“采、掘、机、运、通”相关的安全生产信息化系统、智能化系统相对独立、自成体系的煤矿智能化建设初期的普遍性问题，通过构建矿区数字孪生体，解决了煤矿业务数据统一透明化管理和集成化应用等问题，实现安全生产经营管理工作全方位的信息化、网络化、制度化、规范化、统一化、智能化，进一步提高了决策的准确性、可靠性。

2023年3月30日，金凤煤矿顺利通过了由国家能源局组织专家进行的现场智能化矿井验收，验收得分见表1。基于透明化工作面自适应采煤技术的成功应用得到附加3分，采煤系统得到89.25的高分；地质保障系统得到90.5的高分；通过基于透明化地质保障系统的煤矿智能管控平台的有机融合，保障了信息基础设备、掘进、通风、主运、供电及供排水等专业的高度集成和协同联动能力。最终，金凤煤矿整体建设内容达到了II类煤矿中级智能化验收标准要求，通过了国家首批智能化示范煤矿验收。基于透明化地质保障系统的煤矿智能管控平台在金凤煤矿的全面应用取得了良好的效果，实现了采煤工作面自主规划自适应截割的常态化运行，助力金凤煤矿智能化水平迈向新的高度。

表1　金凤煤矿智能化建设评分表

 

2023年8月15日，中国煤炭工业协会组织有关专家在金凤煤矿现场对项目进行了科技成果鉴定，经鉴定项目成果达到国际领先水平。基于透明化地质保障系统的煤矿智能管控平台研发与应用的成功实施为宁煤公司全面推进“智能矿井、智慧矿区”建设提供可靠的支撑手段，其研究成果和应用经验在宁煤公司以及全国其他煤炭企业的推广应用，带来良好的社会效益。

 

来源：智能矿山杂志