来源：《智能矿山》2022年第7期“智能示范矿井”专栏
作者：付天光，高级工程师，现任山西天地王坡煤业有限公司董事长，主要从事煤矿智能化建设与管理方面的工作
引用：付天光. 中国煤科提升科技创新引领力 打造王坡煤矿智能化建设“兵团作战”模式[J].智能矿山,2022,3（7）:40-49.
山西天地王坡煤业有限公司（以下简称王坡煤矿）隶属于中国煤炭科工集团有限公司（以下简称中国煤科），位于山西省泽州县境内，王坡煤矿现为一矿一井，井田面积25.35 km2，设计生产能力3.0Mt/a，现开采3#煤层，属高瓦斯矿井。王坡煤矿是基于中国煤科煤炭科技与装备的安全、清洁、高效生产示范矿井，2018年6月25日被国家应急管理部和国家矿山安全监察局评为“一级安全生产标准化煤矿”；2020年11月25日，王坡煤矿成功获批国家首批智能化示范煤矿建设。
加快推进智能化煤矿建设是深入贯彻落实习近平总书记“四个革命、一个合作”能源安全新战略，加快推进煤炭行业供给侧结构性改革，推动智能化技术与煤炭产业融合发展的一项重要举措；是践行国家能源绿色低碳发展战略，实现“双碳”目标的主要途径；是落实中国煤科“1245”总体发展思路的现实体现；是王坡煤矿提升安全保障能力、保障员工生命健康、推动高质量发展、促进转型升级的必然选择。按照中国煤科确立的“顶层设计、基础先行、重点突破、全面融合”基本建设原则，王坡煤矿智能化建设凝聚中国煤科优势科技资源，融合设计建设、煤机装备、安全技术与装备、示范工程等产业板块优势，按照“安全、智能、高效、绿色、低碳”的建设理念，以减人、增安、提效为目标，由中国煤科煤矿智能化工作委员会总协调，集合集团下属煤炭科学研究总院有限公司（中央研究院）、煤炭科学技术研究院有限公司、北京天玛智控科技股份有限公司、太原研究院、西安研究院等科研院所，形成了“兵团作战”模式，探索提出了以“一个标准、一张网、一朵云、一张图、一个平台、一系列智能化子系统”为主要内容的“六个一”煤矿智能化建设一体化解决方案，构建了煤矿智能化科技创新合力和引领力。
建设“一个标准”
遵照国家及煤炭行业相关基础设施、数据资源、通信网络等标准，基于统一架构、统一标准、统一认证和统一运维体系，建设智能化矿山数据和应用标准（图1），实现了数据采集、数据编码、数据存储、数据交换和传输的规范统一，将不同厂家设备信息数据汇入统一的数据中台，实现了数据存取规范化、标准化、全业务覆盖，快速响应业务的需求服务，为数据价值挖掘提供了有力支撑，可更加便捷地实现矿山智能化升级，实现设备间的同步与协作。
图1 智能矿山统一标准架构
建设“一张网”
王坡煤矿建设的有线主干网络（万兆工业以太环网）整体采用“万兆骨干、千兆汇聚、百兆接入”的3层组网架构，形成了基于光纤工业以太网的环形结构，具备综合管理、远程监控、单点故障自愈合等功能，为矿井数据的上传和生产调度指挥中心搭建了1条信息“高速公路”。王坡煤矿万兆工业以太环网已于2021年9月投入运行，各类智能化子系统按照就近接入原则全部联网并调试成功，同时满足各智能化子系统后期的扩展需求。万兆工业以太环网及融合通信系统拓扑如图2所示。
图2 万兆工业以太环网及融合通信系统拓扑
基于矿井万兆工业以太环网，以智能化煤矿“一网一站+”的核心理念承载了“4G+UWB+WiFi6”的一体化融合通信业务，实现了对人员车辆的精确定位、全矿井4G语音通信和重点场所WiFi6无线数据的统一接入、统一承载、统一管理、统一传输；保障了生产信息的全面感知与高速通信，是煤矿智能化建设的重要基础设施, 承载着煤矿所有智能化系统的协同运行，彻底解决了井下“信息孤岛”现象。
建设“一朵云”
王坡煤矿智能矿山云数据中心承载了公司所有智能化子系统硬件物理环境、系统运行和数据存储等服务，由模块化机房、私有云平台服务器、万兆工业以太环网核心交换机及配套管理软件组成，利用云计算技术将计算、存储、网络资源整合成为统一管理、弹性调度、灵活分配的资源池，针对各类业务需求提供标准化的数据资源服务；同时在云平台上部署云桌面系统，提供150个云桌面终端。王坡煤矿智能矿山云数据中心架构如图3所示。
图3 王坡煤矿智能矿山云数据中心架构
建设“一张图”
全矿井3D GIS一张图（以下简称“一张图”）如图4所示，利用精细数字建模、智能传感、智能控制、云计算和大数据等新一代信息技术，实现了全矿井采、掘、机、运、通的智能化管理，通过多系统数据交互，实现了系统之间跨业务、超限值的“融合联动”，让矿山管理透明化、可视化。
图4 3D GIS一张图
“一张图”基于工业互联网和微服务架构设计，利用物联网、大数据、云计算等先进技术，采用轻量级WebGL 3D引擎和HTML5技术，支持跨平台、跨浏览器。基于井巷工程底图实现了采掘工程、防治水、“一通三防”、机电运输、监测监控、应急管理等全矿井3D GIS一张图集中监测，解决了矿山数字化管理过程中涉及的信息模型、数字化设计、可视化、模型应用等关键技术问题，实现了各系统之间数据的互联互通与融合共享，为智能矿山建设提供了基础信息数字底座。
建设“一个平台”
王坡煤矿智能一体化管控平台（以下简称管控平台）如图5所示。该平台基于工业互联网和微服务架构设计，利用物联网、大数据、云计算等先进技术在具有自主知识产权的“煤科云”上开发完成，在国内率先实现了“统一数据、统一模型、统一平台、统一架构”。管控平台提供统一集成、经过验证的数字底座，通过接入统一私有云中心数据，融合全矿井“人机环管控”等业务系统和数据资源，解决了矿山数字化管理过程中涉及的信息模型、数字化设计、可视化、模型应用、3D GIS一张图、系统间智能协同作业等关键技术问题，实现了井上井下各自动化、信息化子系统之间数据的互联互通、融合共享和集中管控。管控平台支持统一监控、统一调度和统一决策，实现了子系统间横向协同和纵向联动，矿井数据综合利用率提高了50%。
图5 王坡煤矿智能一体化管控平台
目前，管控平台已经融合接入了采煤系统、掘进系统、主煤流运输系统、智能供电系统、智能排水系统、智能通风系统、智能装车系统、安全监控系统、人员精确定位系统、重大设备运行状态监测及故障诊断系统等19个子系统，具有采、掘、机、运、通等主要生产环节、井下环境安全、经营管理、分析决策等实时信息综合集成与可视化展示功能，实现了子系统的预警报警、指挥调度与协同控制。管控平台所具备的全面感知、实时互联和辅助决策能力，使煤矿实现了开采环境数字化、采掘装备智能化、生产过程遥控化、信息传输网络化和经营管理信息化，矿井综合管理效率提升了40%。
智能综采工作面
基于透明工作面三维地质模型，以先进可靠的电液控制系统、“三机”通信系统、泵站系统、采煤机控制系统为基础，以顶板压力检测系统、故障诊断系统和工作面视频系统为保障，以工业以太环网+5G为通道，以大数据分析和处理为依据，以高端集控设备为平台，王坡煤矿在3308工作面建成了智能综采工作面（图6）。
图6 3308智能综采工作面
智能采煤系统探索了“有人巡视、无人操作”的采煤模式，实现了生产期间每班工作人员减少10人，合计减少20人。智能采煤系统主要由SAC型电液控制系统、SAM型综采自动化系统、SAP型智能集成供液系统、SAS采煤机控制系统和SAV视频系统等组成。3308智能综采工作面已实现远程一键启停、自动记忆割煤、故障自诊断、液压支架自动跟机移架、采煤机惯导找直、工作面人员高精度感知与定位、运输系统与主煤流协同经济运行等功能。
通过在王坡煤矿3308工作面部署5G基站，在业界率先实现了“5G+有线”的冗余接入机制，实现了3308工作面视频信息、设备监控数据的采集回传，以及采煤机、液压支架电液控制系统的反向控制，利用5G大带宽、低时延、高可靠性等技术特征，实现了移动目标、控制信息、监测信息、视频信息等的稳定可靠传输。
智能综掘工作面
王坡煤矿智能掘进系统在3303工作面运输掘进过程中建设完成，主要由智能EBZ160掘进机、电液控两臂锚杆钻机、DZQ80/30/15带式转载机、DWZY1000/1200（A）带式输送机用自移机尾、集控中心等组成。智能掘进系统实现了“无人跟机作业，有人安全值守”的掘进模式，相较于传统作业工艺，实现了掘支锚运探全工序机械化、智能化作业，大幅降低了工人劳动强度，3班合计减少工作人员6人。
智能掘进控制系统立足于整个掘进工作面，以提高掘进工作面安全性、降低工人劳动强度、提高掘进施工效率和施工质量为出发点，结合当前掘进工艺和掘进装备的特点，构建了由掘进工作面工况监控和故障诊断系统、人员防入侵系统、工作面数据远程传输系统、工作面远程控制系统、断面截割成形控制系统、自主导航系统、智能化软件系统及巷道三维扫描系统8个部分组成的智能控制系统，实现了综掘工作面多设备自主、平行、安全作业。智能掘进控制系统可实现掘进装备无线遥控、远程监控、可视化集中控制、记忆截割、人员接近识别、健康诊断，以及工作面环境状态识别及预警功能；并且具备带式输送机机尾自移功能，可实现掘进装备的定位导航，掘锚运探的远程可视化操作及自动操作；同时配备三维扫描仪，以实现掘进工作面三维扫描及地质模型构建功能。3303智能综掘工作面集控中心如图7所示。
图7 3303智能综掘工作面集控中心
智能主煤流运输系统
王坡煤矿智能主煤流运输系统以国内首套FCS架构数字化通信控制装置为基础，主要由地面集控中心、VOIP电话扩播系统、关键位置视频实时监控、人员侵入装置、异物检测装置、煤流调速装置、输送带保护控制系统等组成。目前，地面集控中心已具备主运输系统视频监控、动态图形显示、历史数据记录、状态趋势图、报警等功能，可以展示各带式输送机搭接关系、运行状态、煤仓煤位等系统的实时运行信息；可实时报警，实现关键转载点视频监控和地面远程操作。巷道输送带通过工业环网接入工作面集控中心，实现了工作面设备一键启停功能。
智能主煤流运输系统实现了“无人值守、有人巡视”的管理模式，形成了全面感知、实时互联、分析决策、动态预测、协同控制的智能管控系统，可保证井下主运系统设备安全、高效、经济运行。智能主煤流运输系统主界面如图8所示。
图8 智能主煤流运输系统主界面
智能通风系统
王坡煤矿智能通风系统如图9所示，具备主通风机一键启动、反风、不停风倒机，全矿井“一键测风”、掘进工作面“一键供风”、采掘工作面等用风地点“一键调风”、风门自动感应开启关闭、主要进回风巷风门“应急控风”等功能，形成了“风流准确监测-控风智能决策-风量定量调控”一体化智能通风技术装备系统，为王坡煤矿通风系统提供了全时段立体式“防护武装”，有效提高了矿井通风安全管理和自动化控制水平，保证了矿井通风系统安全可靠，在国内首创了“全风网通风监测感知、通风解算决策、通风设施远程自控、通风动力远程集控”一体化智能通风新模式。
图9 智能通风系统
智能供电系统
智能供电系统由监控中心站、变电所监控站、综合保护单元等组成，采用3层结构：第1层为信息管理层；第2层为传输层，包括传输信道及电力监控站；第3层为感知层，包括保护高、低压开关智能综合保护装置及仪器仪表等设备。
智能供电系统利用智能感知、工业物联网与无线传输、大数据分析、云计算等现代化的技术手段，对供电系统运行数据与供电设备的运行状况进行全面采集及数据深度挖掘，实现了变电所机电设备远程监测监控、防越级跳闸及人员、环境、视频等协同控制。智能供电系统实现了“无人值守、有人巡视”的管理模式。智能供电系统拓扑如图10所示。
图10 智能供电系统拓扑
智能水处理系统
智能水处理系统架构如图11所示。通过对给水管网节点、水泵等设备运行参数的监测，实现了给水管线与设备的故障分析及预警；通过增加传感器和分析仪对给水水源点进行水量、水质、水温和水压监测，并对现有水处理站内设备运行进行调整，实现了对用水量、水质的分析和控制调节；通过监测污水处理系统的各流程环节，及时调节污水处理的各项参数，降低了系统运行成本，保证了污水排放质量达标。
图11 智能水处理系统架构
透明工作面建模系统
透明工作面建模系统是智能地质保障系统的重要组成部分，其核心技术包括：①多源异构数据融合技术，高精度三维地质模型构建及动态更新与修正；②透明化综放工作面同步映射与实时互馈规划截割；③基于云GIS的可视化大数据平台和智能化开采与透明化工作面模型的融合，将地质模型与工程数据模型对煤矿地层、地质构造、煤层、煤质等地质数据进行关联分析，并通过可视化方式进行直观地展示和隐蔽致灾因素的预测预报。王坡煤矿高精度三维地质模型如图12所示。
图12 王坡煤矿高精度三维地质模型
智能洗选系统
智能洗选系统包含末煤智能重介系统、智能压滤系统、煤泥冲洗系统、智能供配电系统、智能机器人巡检系统、智能视频管理系统、3D可视化系统、设备健康诊断系统和选煤厂管理信息系统等9个子系统，实现了洗选重介密度自动调整，压滤系统自动统筹生产，定时自动分段冲洗，配电室无人值守，振动筛等设备实时监测，视频图像目标物检测、识别和跟踪，三维可视化及设备健康信息的收集、处理、查询、统计、分析等功能。王坡煤矿智能化选煤厂调度中心如图13所示。
图13 王坡煤矿智能化选煤厂调度中心
铁路智能装车系统
王坡煤矿铁路智能装车系统实现了从物料上料、高精度定重称量配料到向列车车厢卸料全工艺流程的智能无人化装车过程。 创新性地采用多传感器信息融合技术、智能控制算法、机器视觉、专家数据库系统等关键技术，实现了智能无人化装车，突破了传统人工装车模式，具有适应性强、装车效率高、运行成本低等优势。装车站控制室由原来的2名操作员改变为1名值守人员，装车时间由150 min/列缩减为90 min/列，装车效率提升了66.66%，装车质量零误差，实现了铁路智能装车“无人操作、有人值守”的建设目标。王坡煤矿铁路智能装车站如图14所示。
图14 王坡煤矿铁路智能装车站
中国煤科智能化煤矿建设的“兵团作战”模式和一体化解决方案在王坡煤矿的成功应用，增强了集团公司的智能化竞争力，强化了中国煤科及王坡煤矿的品牌知名度，为全国煤炭行业树立了智能化建设的“煤科标杆”。王坡煤矿智能化建设共分3期：第1期为全面建设，主要以“自动化+数字化+局部智能化”为主，实现中级智能化；第2期为完善提升，主要以“智能装备+智能感知+智能协同”为主，深化中级智能化；第3期为巩固提高，主要以“群体智能+混合智能+认知智能”为主，实现高级智能化。
王坡煤矿智能化建设将以高级智能化为终极目标，继续砥砺奋进，助力中国煤科加快建设具有全球竞争力的世界一流科技创新型企业，为世界煤炭开采贡献煤科智慧和煤科方案。
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