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徐矿集团张双楼煤矿:多元灾害智能协同治理 深地资源智能开采新突破

2022-05-24 08:57:45  来源:智能矿山杂志  作者:张雷
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    张双楼煤矿全貌

    张双楼煤矿隶属徐矿集团,徐矿集团从清朝徐州利国矿务总局演变而来,是我国工业的启蒙、煤炭工业改革的先锋,至今已有130多年的煤炭开采历史。徐矿集团煤炭生产能力为5000万t/a,是江苏省唯一国有特大型能源工业企业,国家煤炭应急储备基地。张双楼煤矿是徐矿集团本部目前唯一的生产矿井,已有近40年的开采历史。矿井位于江苏省徐州市沛县安国镇,矿区井田面积约37.8km2,走向长度13.5km,倾斜长度2.9km,地质储量2.4亿t,核定生产能力180万t/a,主采山西组7、9层煤,倾角15°~30°,煤层平均厚度分别为2.49、3.33m,最大开采深度达1200m,属于低瓦斯矿井,自然发火倾向为Ⅱ级,中等水文地质类型,中等冲击地压矿井。

    近年来,张双楼煤矿理清发展思路,认真践行新发展理念,坚持高水平起步,高质量发展。2018年12月,通过国家一级安全生产标准化矿井考核验收;2020年6月,建成了江苏省首个煤矿智能化综采工作面,开启了江苏煤矿智能开采的新时代,入选了国家能源局、国家矿山安全监察局首批70家智能化示范煤矿建设矿井(重庆能投渝新能源有限公司打通一煤矿已关闭退出);2021年9月,通过了冲击地压防治示范矿井验收。建成了国家能源深井安全开采及灾害防治重点实验室、自然资源部煤炭勘察和综合利用重点实验室、江苏省科技厅煤矿冲击地压防治工程技术研究中心、中国人力资源和社会保障部博士后科研工作站等基地,成为徐矿集团转型发展的中坚力量和重要支柱。张双楼煤矿先后获得了全国煤炭工业“双十佳”煤矿、全国煤炭系统文明煤矿、煤炭工业两化深度融合示范煤矿、国家级绿色矿山、中国最美矿山、国家一级安全生产标准化矿井、煤炭工业特级安全高效矿井等荣誉称号。

智能化矿井建设思路与顶层设计

    “1236”智能化发展总体思路

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    智能化矿井总体架构设计

    在智能化建设过程中,张双楼煤矿结合自身生产实际、灾害治理需求、工艺技术装备、科技项目计划,以及现阶段资源条件等,围绕智能化采煤工作面、智能化掘进工作面、冲击地压防治、原煤主运输系统和辅助运输系统、固定场所集中控制和无人值守、通防系统、透明地质、洗运系统、煤矿信息管理网络等智能化建设重点领域,构建形成了“树牢1个新安全发展理念、坚持2个导向、实施3步走战略、遵循6个结合”原则的“1236”智能化发展总体思路。

    1)树牢“1个理念”。坚定“生命至上、安全第一、智能高效、和谐幸福”的新安全发展理念,通过装备升级和科技创新,使煤炭生产向更安全、更高效、更集约的方向加速迈进。

    2)坚持“2个导向”。本着“先急后缓、先易后难、依次推进”的原则,由实现单一采煤工作面智能化向采掘工作面全部实现远控智能化延伸,由灾害治理单一系统智能化向矿井全系统智能化及信息化集成拓展。

    3)实施“3步走战略”。第1步,全面部署矿井智能化建设项目,实施智能化矿井发展战略;第2步,建成首个远控智能化掘进工作面、智能化采煤工作面,全面推进远控钻机等冲击地压治理智能化装备;第3步,推进原煤主运输系统和辅助运输系统、固定场所集中控制和无人值守、通防系统、透明地质、分选系统、煤矿信息管理网络等领域的智能化建设,全面建成智能化示范矿井。

    4)遵循“6个结合”。坚持企业主导与上级引导相结合,强化主体责任,激发自身智能化建设的积极性和内生动力;坚持统筹规划与分步实施相结合,按照单一突破、全面推行、持续提升3个阶段分步推进智能化建设;坚持单一采煤工作面智能化与全面实现智能化相结合,根据生产布局等情况,分类推进,全面实现;坚持突破重点与全面推进相结合,以冲击地压头面智能化建设为突破点,先行先试,逐步延伸,全面推进;坚持创新推动与合作共享相结合,加强科技创新,积极与科研院校合作,推动智能化技术向纵深发展;坚持井上井下相结合,同步推进智能化建设,做到井上井下全面开花结果。

    智能化建设顶层设计

    1)总体架构。为顺应智能化时代发展需要,张双楼煤矿进一步加强顶层设计,构筑了智能化示范煤矿建设“四横四纵”的总体架构。“四横”指煤矿智能化的生产系统、全域覆盖的感知网络和高速安全的感知传输网络、先进强大的智能支撑平台以及智慧协同的业务应用体系;“四纵”指贯穿智能化建设中的支撑保障体系和机制,包括安全可靠的运行保障体系、严谨全面的标准规范体系、统一完备的智能化示范煤矿工作机制和创新实用的产学研用机制。

    2)建设模式。形成“1+3+N”的智能化建设模式,即1个智能调度控制中心+一张图(GIS)、一张网(万兆环网+5G)和一朵云(私有云)+智能采煤、掘进、防冲等N个控制系统,形成井上井下各子系统的全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能化顶层设计方案。

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    张双楼煤矿总调度室

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    智能运输控制室

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    智能通防控制室

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    智能地质控制室

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    智能机电控制室

建设成果与经验介绍

    智能调度控制中心

    智能调度控制中心分为6个部分,分别为总调度室、智能机电控制室、智能通防控制室、智能选煤控制室、智能运输控制室和智能地质控制室。总调度室负责展示智能工作面组态画面、管控一体化平台和重点区域的视频监控。其他智能控制室按专业显示各自的组态画面和视频监控。智能控制中心建成后,将采煤、掘进、机电(供电、压风、提升、排水)、辅助运输(输送带、架空乘人装置、人行车)、通风、地质、分选等智能控制系统集成于智能调度控制中心,强化了安全生产管理水平,提高了工作效率。

    智能协同创新中心

    张双楼煤矿组建了智能化应用创新工作室、大学生创新工作室、工匠(通防)创新工作室和机电创新工作室,搭建防冲、防治水、地温热害、深井支护、一通三防、提升运输、分选加工等方面的小改小革、创新创效平台,构建了产学研用研究中心。

    智能防冲系统建设

    1)2020年6月,经江苏省科技厅批准,张双楼煤矿建成了江苏省煤矿冲击地压防治工程技术研究中心,搭建起与高等院校、科研机构深度合作的平台,提高了冲击地压防治水平。

    2)建立了冲击地压危险智能判识和多参量预警云平台,通过多源(矿井微震监测系统、应力在线监测系统、地音监测系统、双源一体化应力场CT探测系统)数据融合分析,提高了矿井监测预警、防冲治理数据分析能力。该平台实现了微震、应力、钻屑、大直径卸压等多种监测系统及数据信息的统一管理,保证24h不间断地监测、分析、预警,当局部应力升高,冲击危险性增加时,能够及时反馈信息,调整区域内各采掘工作面生产强度,针对高危险区域可立即采取卸压解危措施,提升矿井防冲管理水平。

    3)联合研制并应用了ZYWL-4000Y型智能液压履带钻机,该钻机具备自动安装、拆卸钻杆的功能,能够使防冲卸压作业人员远离作业区域,大幅减轻了作业人员的劳动强度和安全风险。

    4)建立ARES-5/E地音监测系统,采用地音监测法对矿井冲击危险性进行评估。地音传感器将监测到的地音事件转化为电压信号,经过井下发射器处理后由通信电缆传输至地面,系统分析软件根据实时监测数据对监测区域的冲击危险性进行综合评价。

    地音监测系统可以监测到的震动频率范围为28~2000Hz、能量小于103J的地音事件,其监测范围与微震监测系统形成了良好互补。应用地音监测系统可以实现对监测区域内较弱震动事件的实时监测,经过系统软件的统计分析后,可以对监测区域当前的危险等级进行评估,并对其下一时段的危险等级进行预测,为预防可能发生的冲击危险争取了宝贵的时间,大幅提高了冲击地压防治工作的效率,有效控制了冲击地压事件的发生。

    5)建立了双源一体化应力场CT探测系统,采用双触发机制的独特设计方法实现了双源震动波信号的采集和分析,即可控震源(采掘工作面内放炮、重锤击打等激发源位置已知的震动信号)和自然震源(采掘工作面生产活动诱发的矿震信号)。该系统可以大范围、高分辨率和高效率地监测采掘范围的波速分布,确定采掘工作区域内的应力场,划分冲击危险区域,以便及时有针对性地指导现场采取有效的防冲措施,从而降低或避免发生冲击地压灾害事故的概率,预警成功率超过80%。

    6)建成了矿山压力在线监测系统,实现了矿山压力监测数据的实时自动上传,同时具备自动分析、预测与预警功能;冲击危险工作面安装了支架工作阻力传感器、顶板离层仪、锚杆测力计等装置,实现了监测数据的实时自动上传和分析。

    7)联合设备厂家研制了适应大倾角工作面的梯形巷道超前支护液压支架,加强了冲击危险区域巷道支护强度。

    8)开发并应用了智能煤粉监测装置,可实现远程操作钻机、自动称量煤粉等成套动作,解决工人近距离作业的安全问题,自动化煤粉收集和称重装置减少了收集和称重过程中的人为影响,提高了精确度。

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    智能应用创新工作室

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    力学实验室

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    实训基地部分场景

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    江苏省煤矿冲击地压防治工程技术研究中心

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    煤矿用履带式远控自动卸压钻车

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    煤粉钻屑监测装置

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    大倾角工作面超前支护液压支架

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    智能化采煤工作面

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    双源一体化应力场CT探测系统

采掘工作面智能化生产

    1)智能采煤工作面。2020年6月,张双楼煤矿建成了江苏省煤矿首个智能化工作面,目前矿井2个采煤工作面均实现了智能化生产。自推行“智能回采”工艺以来,通过强化制度管理、完善奖惩机制、强化现场跟踪、严格考核兑现、持续优化智能回采参数等措施,智能化综采工作面初步实现了以自动控制为主、远程干预为辅的智能化生产模式。目前智能化工作面的一键启停率达90%以上,煤机记忆截割率稳定在80%~90%,支架追机移架率达到50%~70%。智能化工作面采用“三六”生产组织模式,取消夜班生产,在产量不减的前提下2家综采工区在册人数由原来的306人减至244人,减员62人,减员率达20.3%;深部复杂地质条件智能化采煤工作面生产期间的人数控制在9人以内,实现了减人提效的目的。

    2)智能掘进工作面。2020年4月以来,陆续在94102材料巷、94102刮板输送机道联络巷、94602刮板输送机巷和9600材料巷等掘进工作面安装了智能化综掘机,采用截割轨迹实时监测、自动定位截割技术、可视化技术,全方位展现掘进工作面场景,实现巷道成型标准化,降低职工劳动强度。

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    智能化综掘机

智能化减岗降本

    1)智能机电。排水、提升、供电等系统实现智能化运行,中央变电所、井下水泵房重要场所和选煤厂部分岗位实现无人值守,系统安全稳定,实现减员72人,大幅减少了人工成本,年度节约工资支出588万元。

    2)智能辅助运输。建设集管理、调度、指挥、监控、通信、预警等为一体的辅助运输智能信息化管理平台,实现人员、设备设施、检修保养、检测检验和物流运输等智能化管理。张双楼煤矿主运输系统有20部带式输送机,布置了7个储煤小井,全部实现了地面远程集中控制,每年可节省人工费用100万元以上,维修费用约80万元,电费近50万元。安装了轨道式带式输送机巡检机器人系统,代替巡检工定时定点巡检,提高了巡检质量,保障了系统安全。

    3)智能通防。安装束管监测系统,实现了井下采空区内CH4、CO、O2等气体浓度的实时精准在线监测;安装升级KJ335X煤矿安全监控系统,对矿井各种有害气体及各种机电设备的工作状态进行实时监测;利用矿井三维仿真系统,对矿井通风系统进行三维仿真实时解算,不断优化通风系统。通过推广自动隔爆装置、束管自动监测系统,减少人员出勤,每年可节约人工费用近76万元。

    4)智能分选。2020年11月完成了矿井洗运生产系统的集中控制,生产现场及配电室等重要场所均实现了全覆盖监控。储装运自动化装车安装自动平车、自动识别车辆、自动采制样等自动化设备,实现自动化集中控制、精确装载和机械自动化采样,可提高装载及采样效率,减少装车人员10人及采样人员2人。煤炭块状物料智能化分选安装TDS智能干选机及集控系统等,实现了矸石分选的机械化、自动化、智能化操作和控制,提高了分选效率,降低了职工的劳动强度,减少手选矸石人员12人。

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    轨道式输送带巡检机器人系统

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    智能化无人装车系统

智能信息管控平台

    1)管控一体化平台。建立统一的系统接口标准,采用虚拟化、云计算和工业互联网技术,将矿井已有安全、生产监控系统等子系统的数据进行有机整合,实现了关联业务数据的综合分析以及生产状态的实时评估,促进全矿的数据采集、生产调度、决策指挥的信息化、科学化。

    2)信息管理网络建设。张双楼煤矿建成了千万兆工业环网,采用4G/5G/WiFi6建成井下高速无线宽带网络,满足安全生产、经营管理等各类信息化系统数据传输。建设了云计算中心,众多虚拟服务器承载自动化集成、安全监测、调度指挥和经营管理等业务系统,矿井系统连接云计算中心的普及率预期达到90%以上,5G无线通信可实现运输大巷和采掘工作面的信号全覆盖。

    3)智能数据中心。具备数据分类、数据分析、数据融合功能,满足矿井数据服务与安全要求,运用超融合运算,实现主要系统虚拟化和服务器资源的池化管理。

    4)井下5G通信。建设了采煤工作面、掘进工作面和主要机电硐室4个场所内的5G通信系统,能够满足大带宽、低时延要求,支持视频监控、机器人巡检、车辆远程驾驶等智能应用。

    透明地质保障系统

    1)GIS一张图。建立GIS平台统一虚拟化资源池,对矿井地质数据进行关联分析,使用云管理系统进行统一的管理和调度。目前,已完成调度、安全、地测、机电、运输、通防、生产专业主要资料的收集及重要场所的拍照,对系统基础框架进行搭建,开始对接接口程序,实现安全生产信息的融合互通及数据共享。

    2)透明地质平台。用TGIS+BIM技术全面构建煤矿的采、掘、机、运、通各专业子系统及工厂建筑仿真模拟系统,实现全矿井监测、控制、管理的一体化,实现基于三维TGIS+BIM平台的网络化、分布式综合管理系统,为矿井安全生产管理提供保障。

    智能安全管理

    1)智能灯房。实现每台矿灯和自救器从上架、充电到下架的自动统计,以及人员定位等全过程实时动态管理,智能化灯房投入使用后,实行一人一箱、一人一灯的集约化管理模式,避免了矿灯、自救器丢失、误拿、误放现象。

    2)智能安检。人员入井智能安监系统,实现对入井人员是否携带烟火、危险物品以及是否饮酒等智能检测。

    3)智能AI违章监控。对“三违”行为的自动识别、抓拍、录像、获取以及闭合处理,实现地面远程一键治理“三违”现象。

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    数据中心

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    透明地质平台

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    智能灯房

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    智能安检


    张双楼煤矿智能化建设展望

    张双楼煤矿将在建成国家级智能化示范矿井的基础上,继续按照智能化发展总体思路,紧紧围绕以打造采掘系统少人化、机运系统无人化、防灾系统动态化、信息系统集成化、人员管理精确化的“五化”体系,完善智能开采、智能掘进、智能分选等智能化系统,建立健全各专业部门的运行维护机制,推进矿井智能化改革纵深发展。完善智能开采系统实现液压支架的姿态自主感知、刮板输送机的故障自诊断和回采巷道超前液压支架的自动移架,达到工作面减人提效的总体目标。

    完善智能掘进系统

    综掘机实现人员接近保护、自动喷雾功能,争取具备自主导航、自动截割功能;工作面配合集控系统实现信息上传等功能,实现支护作业机械化,配备具有遥控操作的液压锚杆钻车或掘锚护功能的综掘机等装备;带式输送机实现机尾自移及自动调速功能;实现沿线设备信息监测及上传等功能。

    完善智能分选系统

    建设智能储煤及发运系统,包括智能储煤棚、精煤智能装车、无人地磅、智能洗车机等,实现储装运智能管控;建设井下TDS智能选矸系统及3D可视化管控平台,不断推进选煤智能化建设。

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    智能违章监控

总结

    1)张双楼煤矿按照“树牢1个新安全发展理念、坚持2个导向、实施3步走战略、遵循6个结合创建原则”的“1236”智能化发展总体思路,建立了智能矿山综合管控平台。并按照“1+3+N”的模式建设智能化矿山,建立1个智能调度控制中心+一张图(GIS)、一张网(万兆环网+5G)和一朵云(私有云)+智能采煤、掘进、防冲等N个控制系统的智能化矿山架构。

    2)张双楼煤矿为实现深部冲击地压危险工作面的安全高效开采,构建了地音监测系统、双源一体化应力场CT探测系统、矿山压力在线监测系统,建立了江苏省煤矿冲击地压防治工程技术研究中心,并搭建了冲击地压危险智能判识和多参量预警云平台,研制并应用了智能液压履带钻机、梯形巷道超前液压支架和智能煤粉监测装置,实现了冲击地压监测、预警和防控各环节的智能化控制,实现了安全高效的生产目标。

    3)张双楼煤矿围绕矿井地质与开采条件复杂、生产系统复杂、灾害多元化的具体条件,建设完成了智能化采煤、智能化掘进、智能化机电、智能化辅助运输、智能化通防、智能化调度指挥中心和信息管控平台、智能防冲和智能地质各大智能化建设项目,均达到了智能化示范矿井建设的标准要求,实现了减岗提效、科技保安的总体生产目标。


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