山西省作为能源大省，积极推动智能化技术与煤炭产业融合发展，加快煤矿智能化建设改造，拟将人工智能、5G通信、大数据技术引入煤矿智能化建设，推动煤矿装备向智能化、高端化发展，建成多种类型、不同模式的智能化煤矿，基本实现采掘工作面无人或少人操作、煤矿重点岗位机器人作业，井下固定岗位无人值守与远程监控，各系统智能化决策和自动化协同运行。山西省煤矿智能化建设目标：2020— 2022年，推动10座智能化示范煤矿和50个智能化综采示范工作面建设；2025年全省大型煤矿、灾害严重煤矿及其他具备条件煤矿基本实现智能化；2030年各类煤矿基本实现智能化。
基于上述背景，山西华阳集团新能股份有限公司二矿（以下简称华阳二矿）开展智能化矿山建设工作，要实现基本智能化，建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。华阳二矿位于山西省阳泉市西北部，井田位于山西省沁水煤田的北部。井田东西走向长度8 km，南北倾向宽度7.6 km，井田面积为44.308 5 km2。目前保有地质储量为4亿t，可采储量为1.7亿t，剩余服务年限15年以上。
按照山西省能源局《全省煤矿智能化建设评定办法(试行)》和《全省煤矿智能化建设基本要求及评分方法（试行)》对煤矿智能化建设提出的要求，结合华阳二矿智能化建设现状，从智能化煤矿信息基础设施、地质保障系统、主运输系统、综合保障系统等方面，对标智能化验收要求，分析现有系统存在的问题与不足，提出升级改造建设的需求。
智能化煤矿信息基础设施建设需求分析
数据中心
目前华阳二矿只有1个数据机房，始建于2013年，占地面积约80 m2，相比于本部其他煤矿，其基础建设较为薄弱。数据机房核心网络为千兆核心、百兆接入；共建设数据机柜17个，上架的网络设备18台，服务器70台，硬盘录像机20台，机架冗余数量已经饱和；后备电源为116块12 V、200 A·h，后备时间为2 h，已经不间断运行达72 000 h，超出数据机房的服务年限，设备老化严重，故障率高。
2020年，华阳二矿就提出对数据中心进行升级改造的想法，但在原有数据机房的基础上进行升级改造，存在2点问题：①升级改造周期较长，升级改造期内华阳二矿的信息化、自动化业务服务将全面中断，影响正常安全生产管理；②机房物理空间饱和，周边环境不具备扩建条件。因此，需要新建数据中心，以满足本矿及集团公司对智能矿山建设的需求。
新建数据中心包括：①配置地面核心网络设备，实现万兆核心、千兆接入，具备网络安全态势感知、入侵检测、漏洞扫描、日志审计，满足网络安全等级保护二级要求；②配置2台主干出口路由器、2台核心交换机、25台接入交换机。
主干网络升级
华阳二矿是全国煤炭行业特级质量标准化、现代化矿井，坐拥得天独厚的资源赋存条件，是华阳集团特大型骨干矿井之一。华阳二矿工业环网系统采用千兆单环网络架构，已运行近10年，为矿井生产综合自动化平台、人员定位、广播系统、水文监测、虹膜系统、车辆定位、核子秤、矿压监测、水风液、局部通风机监测、猴车巷钢丝绳监控、防越级监控、水泵房自动化等系统提供数据传输服务。
随着矿山生产工艺的发展、安全生产要求的演进，以及生产设备的网络化、智能化发展，自动化控制、高清视频、无线通信等技术逐渐向智能化发展，对网络的高带宽、低时延要求更加严格，对传输网络要求更高。现有的千兆环网架构网络，已运行近10年，部分设备老化，传输网络可靠性降低，无法满足智能化建设语音、视频、监测监控数据的实时传输要求。因此，华阳二矿现有工业环网亟需升级，依据煤矿智能化要求建设万兆核心网络。
生产调度指挥中心大屏显示系统
华阳二矿生产调度指挥中心面积265.6 m2，大屏幕显示系统始建于2013年1月，现采用DLP拼接大屏，屏幕尺寸为11.8 m×4.4 m，已使用多年，颜色和亮度衰减严重，色差较大；而且DLP厂家也由于技术更新问题陆续退出该市场，配件及售后无法接续。此外，DLP显示屏表面为复合玻璃幕，屏幕对面光照良好，容易造成严重的反光现象，导致调度中心工作人员无法正常通过大屏幕获取正确的显示内容。经调研，目前使用的DLP屏已损坏5块，由于技术更新迭代的问题，DLP原厂家已停止生产，相关配件缺少。另外，有视频监视器24块矩阵分列大屏两侧，整体布局凌乱，其中4块损坏不能正常显示。因此，调度中心显示大屏系统已经无法满足华阳二矿智能矿山建设对高清、无拼缝、无色差、高稳定性、长寿命、显示效果靓丽等综合显示方面的需求，需要重新建设。
智能综合管控平台
目前，建设新型现代化矿山成为煤炭企业提高矿山安全保障程度、实现高产高效、增加企业核心竞争力的必然途径，更是科技兴矿的重要发展方向。华阳二矿在逐步推动矿山综合自动化与信息化管理，以及智能矿山建设进程。
在基础设施建设方面，构建了数据中心、调度大屏、切片分组工业环网等；在专业子系统建设方面，建设了地测、通防、调度、机电等专业应用系统，安全监控、顶板压力、水文监控、人员管理等监测监控系统，主副提升、输送带运输、水泵房、变电所等生产自动化监控系统，以及井下广播、无线通信系统等调度通信联络类系统。
但华阳二矿现有各专业子系统采用不同厂家各自制定的传输协议和接口标准，各系统之间无法互通和兼容，“信息孤岛”现象十分严重，信息资源难以共享，监测系统、控制系统和管理系统不能实现联动管控。从产业的角度看，目前煤矿行业安全生产软硬件研发和服务保障系统相对落后，生产厂商的研发标准不统一，研发出的各系统难以满足不同煤矿安全生产、技术升级以及智能分析的需要。因此，需要站在更高的科技与应用角度去规划与提升矿山综合自动化与信息化建设，真正推进智能矿山的建设工作，进而实现智能矿山样板化与工程化。综上所述，建设一套智能综合管控平台，解决信息孤岛现场，以满足智能矿山建设的需求显得十分急切和必要。华阳二矿智能综合管控平台预期建设效果如图1所示。
图1 智能综合管控平台预期建设效果
地质保障系统建设需求分析
华阳二矿OMS平台地测部分已经建立地测空间信息系统、一张图协同管理系统、一张图服务与应用系统、地测业务管理系统、地质透明化系统及水文监测系统集成；建立了地质数据库、测量数据库、图形数据库，实现了基于数据库的自动成图和协同更新功能，但是现有地测信息化系统不能满足智能化建设要求，因此需要重新构建地质保障系统，在地质模型与应用及数据融合分析等方面优化改造，主要包括以下3点内容：
（1）在现有地质数据库、测量数据库的基础上，重点解决矿井地质设备探测数据的存储与应用需要；完善空间数据库的数据结构、数据接口等，开发空间数据库服务功能，满足为多系统提供数据共享的要求。
（2）在现有地测空间信息管理系统、协同一张图系统、一张图服务基础上，完善C/S、B/S架构的空间信息可视化系统，对海量空间数据、属性数据以及时态数据进行存储、转换、管理、查询、分析和可视化。
（3）在矿井地质模型基础上，重点进行采掘工作面多源数据集成与融合分析，基于地质勘查数据、井巷工程数据、井上井下钻探、物探等数据，开发采掘工作面空间数据集成管理和高精度三维可视化系统，构建高精度采掘工作面模型，通过高精度三维地质模型局部动态修正技术，提高工作面地质模型的精度，为智能开采工作面的建设提供基础的地理信息透明平台支撑。 华阳二矿地质保障系统预期建设效果如图2所示。
图2 地质保障系统预期建设效果
主运输系统建设需求分析
华阳二矿主运输系统及主提升系统均采用带式输送机运输方式。主运输系统由西主运带式输送机及南主运带式输送机系统组成，运输系统完善，且均已完成集控改造；主提升系统由东斜井带式输送机提升系统及西斜井带式输送机提升系统组成，且均已完成集控改造。主运输系统及主提升系统单条带式输送机具备完善的传感器、执行器及控制器，能够实现单设备的自动控制，具备完善的综合保护装置，装设有防打滑、跑偏、堆煤、撕裂、断带、超速、输送带张紧力下降等保护装置。此外，装设温度、烟雾监测装置和自动洒水装置，具备沿线急停闭锁功能和远程监控功能。但是，华阳二矿主运输系统及主提升系统的集控系统相互独立，没有全运输流程的集控系统，无法对主运输全过程进行集中协同控制。
我国煤炭领域传统产业模式正在经历变革，煤矿带式输送机智能化、自动化水平持续提升。带式输送机自动化控制系统基于PLC控制设备，可实现设备变频化、远程控制集中化；利用5G、大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术，提升自动化控制系统功能，可实现主运输系统及主提升生产系统在调度中心的远程操作控制，从而达到无人值守、少人巡检的目的，提高矿井运输系统信息自动化水平，达到减员增效的目的。因此，华阳二矿主煤流运输系统需要升级改造，实现煤流运输全流程协同联动管理，预期建设效果如图3所示。
图3 主煤流运输系统预期建设效果
综合保障系统建设需求分析
通风系统
华阳二矿共有南山、桑掌、北茹、龙门4对主要通风设备，均已完成集控系统改造，实现了对主通风机运行监测及控制功能，能够满足对主通风机运行工况的全面监测监控，但无法实现远程监控。
井下局部通风机能够实现双风机、双电源自动切换，同时能够根据环境监测结果实现风电闭锁、瓦斯电闭锁等功能，但不能实现远程监控。井下风门为气动就地控制，无法实现远程监控。矿井尚未建设智能通风系统，无法实现通风网络动态解算、预警、故障诊断分析、智能调风等功能。
因此，需要通过完善部分主通风机及井下局部通风机的信号传输和井下风门的集控系统改造，采集通风地点各类通风参数，建设矿井智能通风系统，可实现对通风设备的集中远程控制及故障诊断分析，有效保障通风系统的安全可靠运行，切实增强矿井的安全风险预控管理能力，减少岗位值守人员。华阳二矿通风系统预期建设效果如图4所示。
图4 通风系统预期建设效果
排水系统
现有排水系统老化严重，靠人工操作管理，存在各种事故隐患，与煤矿智能化需求相关较大，需要进行设备改造和自动化控制改造，建设矿井智能排水在线监测监控系统，实现排水系统的无人值守，减少岗位工人数量，保障排水系统的安全稳定运行，减少由于人工操作失误所导致的各类事故隐患。排水系统升级改造计划如下：
（1）现有设备改造
更换现有手动阀门射流泵为电动阀门射流泵，共计3套；新增隔爆兼本安一体式阀门电动装置共计9套，带减速箱。
（2）自动化控制改造
水泵房新增1套煤矿井下排水自动化控制系统进行集控。信号接入工业环网至地面上位机排水管理系统，系统利用数据中心服务器进行组网，接入矿山综合管控平台，以实现远程控制、无人值守。华阳二矿排水系统预期建设效果如图5所示。
图5 华阳二矿排水系统预期建设效果
供电系统
目前，华阳二矿的赛鱼、桑掌降压站电力监测系统已接回机电工区调度，但2个降压站系统相互独立，无法实现数据交互、集中展示。电能监测系统目前仅有地面电能监测，没有井下电能监测系统。因此需要对现有电力监测系统进行升级，实现对全矿井所有变电站进行实时监控与电力调度。需要升级改造的内容包括：
（1）对机电工区调度主站监控系统进行升级改造，使其具备集中监控的功能，并将降压站实时监测数据接入智能综合管控平台，实现在线监测功能。
（2）对桃南、北茹降压站进行无人值守改造，并将实时数据传回至机电工区调度主站监控系统，由调度主站监控系统实现对降压站的监控功能，在电力调度中心就可以远程控制降压站内的高压开关，具备无人值守的条件，降低人工成本，使用的电力监控系统满足遥测、遥控、遥信、遥调功能，可实现实时数据的采集、电网实时运行状态的监视与显示，实现远程控制与调节、事故报警、越限/变位报警、数据计算统计、工作信息登录、自动化系统运行状态监视、事故追忆等功能。
预期效益分析
按照煤矿智能化建设要求，华阳二矿梳理各系统建设需求，制定系统升级改造目标，预期效益分析如下：
（1）智能掘进工作面建成后，掘进系统每班岗位工可减少2~3人，按10个工作面合计，预计减员数量20~30人；综采系统每班岗位工可减少3~5人，按3个工作面合计，减员数量9~15人。
（2）对现有带式输送机集控系统进行升级改造，实现多条搭接带式输送机的集中协同控制。利用现有的1套煤流监测系统，实现采区带式输送机的实时煤量监测等功能。带式输送机集控系统建设完成后，主运输及主提升系统合计每班减少监控维护人员2名。
（3）矿井智能通风系统初步建成后，能够实时监测全矿井的通风状况，通风设备可实现基于全矿井通风参数的智能调节，保证矿井通风系统稳定运行。4个主通风机站实现集中监测监控，每班可减少监控维护人员4名；局部通风机实现监测监控，每班可减少监控维护人员6名，通风系统合计每班可减少10人。
综合上述各系统预期建设效果，每班可减少岗位工或巡检工数量约74人。
结语
笔者按照国家和山西省煤矿智能化建设要求，从智能化煤矿信息基础设施、地质保障系统、主运输系统、综合保障系统等方面，分析了华阳二矿现有系统存在的问题与不足，为下一步智能化建设的设计和建设确定方向和目标，并对预期效益进行分析。华阳二矿智能化煤矿的建设，需要拓展智能化应用场景，逐步提高各个子系统的智能化水平，全面推进煤矿固定场所无人值守，关键环节实现机器人替代人工，有望实现智能化采煤工作面减人 60%， 入井人员数量减少10%~20%的目标。通过各种智能化设备的使用，由机器人逐步代替人力从事重体力劳动，不仅可以减少煤矿工人的劳动强度，还可以达到减员增产增效的目的。
