山西新元煤炭有限责任公司（以下简称新元公司）成立于2003年，属于煤与瓦斯突出矿井，矿井采用斜井开拓方式和倾斜长壁式、走向长壁式综合机械化采煤，无轨胶轮车辅助运输。新元公司大力实施科技创新驱动战略，坚持使用新技术、新装备助推矿井安全、绿色、智能发展，取得的创新应用主要包括：“8+3”瓦斯治理模式、无煤柱“沿空留巷”工艺、矸石充填绿色开采、全断面岩巷盾构机快速掘进、直角转弯大功率重型刮板输送机、综采自动化技术应用、“无人值守”系统建设等。新元公司作为智能化矿井建设示范单位，积极推进煤矿智能化改造，推进以综采智能化开采技术为核心的矿井机械化、自动化、信息化和智能化建设，同时首次将5G技术引入智能煤矿建设，全面开展煤矿智能化技术推广，矿井生产逐步由劳动密集型向技术密集型转变，正在努力打造全国5G+智能化矿井示范单位。
近年来，新元公司先后荣获全国煤炭工业先进集新元公司5G+智能化矿井建设经验冀杰武宏旺体、全煤行业安全高效特级矿井、全国企业文化建设典范企业、山西省精神文明建设文明单位、山西省功勋企业、山西省煤炭综合利用和科技创新“双十佳”矿井、山西省“五一劳动奖状”等荣誉。公司被评为国家一级安全生产标准化矿井、山西省现代化矿井、全国首座5G+智能化示范矿井。
1.坚持探索，构建煤矿智能开采新模式
新元公司积极响应国家推进供给侧结构性改革和煤炭行业转型升级发展的要求，认真实施创新驱动战略。从2012年开始研究应用煤矿自动化开采技术及智能控制技术，自主研发了多项自动化开采配套技术，实现了中厚煤层煤与瓦斯突出条件下自动化开采。经过多年技术积累，采煤、运输、管网、排水、电网、通风、选煤等各大生产系统均实现了地面远程集中监控，部分岗位具备无人值守条件。打造了首座5G智能化煤矿，突破了关键技术，推动了煤矿智能化建设与发展，走在了行业的前列。实现了机械化换人，自动化减人，取得了一定的经济效益，提升了企业核心竞争力，为公司长期安全稳定发展创造了条件，为煤炭行业推进智能化、无人化、精准化开采积累了经验。
工业信息深度融合，搭建智能化数控平台
1）“煤矿大脑”初步成型
新元公司“煤矿大脑”目前由生产数据库和管理信息系统2个部分组成，实现了生产环节全面感知、管理信息协同共享。
生产数据库，即全矿井综合自动化平台，数据数据采集系统采用一对冗余的GE智能设备公司ProficyiFIXSCADA服务器，由新元公司技术人员自主配置，完成对煤矿各生产环节的原始数据的采集和集中处理，在地面实现对矿井生产、供电、排水、运输、瓦斯抽采等主要系统的远程集中监控。
管理信息系统，即OMS安全生产运营管理信息平台系统，该平台含概了综合展示、生产技术、调度、地测防治水、“一通三防”、机电、运输、综合监测、安全管理、煤质、数字档案共11个专业模块，构建了“技术一张图、管理一张网”的新型模式，矿井相关的图纸、报表、数据、设备、生产情况等均及时录入、动态更新、实时共享。公司管理层能够随时直观、全面准确地掌握生产经营信息，及时作出决策，有效指导生产。
2）“神经网络”稳定可靠
新元公司工业神经网络由光纤以太环网构建，整个网络采用赫斯曼系列以太网交换机进行组网，覆盖井下所有采区、运输巷及配电点，满足井下各个系统及其配套设备的数据接入，各个子系统设备采取就近接入的方式接入，然后上传到地面调度机房核心交换机，再由核心交换机将数据转发到各个所需的网络。
2.全矿井综合管控，自动化开采引领行业水平
新元公司从2012年开始实践自动化开采，通过在采煤工作面装备电液控操作系统，应用综采自动化技术，实现了中厚煤层的全自动化开采。同时打造以综采工作面智能化开采为核心的全矿井综合智能化系统，矿井输送带运输、管网、排水、电网、通风、选煤等各大生产系统均实现了地面远程集中监控，具备无人值守条件，并初步实现了掘进工作面输送带运输、排水自动化。
2.1综采系统自动化
新元公司先后在3205、3415、3107、3206等12个工作面进行了自动化技术的研究应用，电液控方面相继使用了北京天地玛珂电液控制系统有限公司、天津华宁电子有限公司和德国玛珂公司的控制系统，主要采集了压力、行程、红外及倾角等传感器数据。自动化方面先后实现了采煤机远程控制和记忆截割、瓦斯浓度与采煤机速度自适应截割、液压支架跟机作业、运输采煤设备的远程一键顺序启停控制、采煤机自动记忆截割三角煤、综采自动化工作面数据分析等功能。
目前，新元公司31004综采工作面承担了国家重点研发项目（《高瓦斯矿井智能开采安全技术集成与示范》），该项目由天地科技股份有限公司牵头，正在试验应用液压支架可编程网络型电液控制系统、基于惯性导航技术的工作面自动找直系统、运输“三机”智能监测系统、液压支架微功耗无线智能监测系统等综采智能化新技术。
2.2运输系统集中控制
新元公司井下带式运输系统通过综合自动化软件平台已实现井下主运输送带的地面远程控制、给煤机地面远程调频、沿线闭锁及电机电流温度等数据监测功能，并且通过华宁VOIP语音系统可以实现地面与井下实时通话。
2.3自动排水系统常态化
井下中央水泵房水泵根据水仓水位、电网峰谷电价差实现自动控制水泵启停，实现无人值守；同时通过新元公司综合自动化软件平台实现远程监控及故障报警。井下采区水仓根据水仓水位自动排水功能，实现无人值守；并在调度和井下监控中心实现对井下所有采区水仓的远程集中控制。
2.4井下电网系统无人值守
井下电力监控系统实现“四遥”功能，并且在配电室安装矿用隔爆兼本安型锂离子蓄电池电源，实现在停电状态下保护器、监测分站及环网交换机正常供电，保证在停电状态下数据不间断。
2.5瓦斯抽采监测系统精准可靠
实现对井下瓦斯抽采管路的甲烷浓度、负压、流量、温度等参数实时监测。设计工作面瓦斯抽采评价单元，实时显示工作面各单元抽采基本情况及钻孔信息，为工作面抽采达标评价提供科学依据。
3 5G技术国内首次应用，助推煤矿智能化发展
2019年中国正式开启5G商用，依托5G技术的高速率、低时延、广连接等独特优势，地面5G应用场景不断拓宽，但煤矿井下应用在全国乃至全球尚属空白。新元公司深入贯彻落实中央、山西省委、省政府能源革命及国资国企改革决策部署，抢抓创新发展机遇，迅速开展行动，积极组织筹划确保项目落地实施。
2019年11月18日，新元公司成功开通全国首个5G测试基站，同时完成井下不同应用场景的5G覆盖测试工作。测试结果表明单个5G基站井下可有效覆盖400m长的巷道，下行速率稳定在800Mbit/s，上行速率稳定在70Mbit/s。在信号有效覆盖范围内全程通话质量良好，无掉线、无杂音、视频通话流畅，基本满足实际需求，标志着5G智能矿井建设迈出关键的一步。
2020年4月29日，全国首家取得无线传输设备煤安认证后，新元公司井上、井下5G网络的开通和优化工作随即全部完成。研发完成5G无线通信传输速率时隙配比优化，由于民用基于2∶8上下行时隙配比（上行200Mbit/s，下行800Mbit/s）不满足于井下数据实时上传需求，研发完成了上行峰值速率1100Mbit/s，下行峰值速率300Mbit/s，时隙配比为3∶1的典型工业应用5G网络。部署完成山西省第1套MEC（边缘计算）服务器，用于满足工业现场低时延、数据不出矿处理需求。目前一期组网完毕，正在进行井下应用场景探索研究工作，包括煤矿固定岗位无人值守、综采工作面、掘进工作面5G应用探索测试。
3.1 5G助力固定岗位无人值守，无人巡检
配电室、水泵房巡检机器人操控。在新元公司9号煤中央配电室和水泵房，通过5G网络，实现对硐室固定高清视频、机器人监测数据、移动高清视频回传和机器人动作实时控制。探索基于5G技术的远程机器人巡检技术，为解决井下设备无人巡检提供技术积累，推动井下安全监测、大范围传感接入和视频识别预警等应用场景的研发。
3.2 5G助力综采智能化技术革新
在新元公司31004工作面覆盖5G网络，工作面集成的数据通过接入设备实现了5G网络上传，实现了地面对工作面采煤机、液压支架、刮板输送机等设备的远程控制，以及工作面视频的回传显示。综采工作面是一个复杂的人、机、环境系统，未来应开展基于5G技术的综采工作面高清视频大容量同步传输和生产监控数据低时延远程交互技术研究，解决当前困扰综采工作面移动设备远程实时控制难题。
3.3 5G助力掘进少人化、无人化作业
通过新元公司5G网络对位于上海创力厂房的EBZ160掘进进行地面调试，实现了视频回传、运行监测，远程模拟井下实时操控。实现纵轴式掘进机的无人化掘进是一个世界难题，探索搭建基于5G技术的掘进设备远程操控试验测试平台，研究5G技术在危险区域设备远程操控方面的关键技术，可为将来实现更高智能化程度的掘锚一体化作业奠定基础。
4 总结经验，归纳智能化建设难题
4.1智能化煤矿建设标准缺乏
目前，煤矿智能化相关标准非常缺乏。据统计，截至2019年底，中国煤炭工业协会管理的现行国家标准303项，协助主管部门归口管理的现行行业标准1490项。近年来，发布煤矿智能化领域国家标准3项、行业标准4项，在研的相关标准计划18项。智能化相关团体标准和企业标准也严重缺乏。
另外，智能化煤矿建设的标准体系不够全面，也未把各种感知数据的采集进行规范，对开采模式分类指标量化评价和智能化煤矿评价还未达到结合软件化测评的要求。
4.2智能化综合性人才高度匮乏
煤矿智能化发展必将颠覆煤炭行业传统的就业格局，在提高生产效率的同时，所提供的工作岗位远比目前要少。煤矿一线更加迫切需要具备煤炭开采、信息技术、软件管理、人工智能等相关知识的复合型技术人才，迫切需要一支技术过硬、富有创新精神的技能型队伍。
智能化技术的推广使用，增加了大量传感器及控制设备，增加了队组日常维护量，由于专业维护人员不足无法保证所有设备都得到有效维护；另外，由于维护人员的专业技术水平较低，人员普遍文化水平低，人才流失严重，厂家来矿技术培训、交流、对接工作少，智能化相关专业技术力量明显不足，现场维保质量跟不上。
4.3煤矿智能化关键核心技术严重不足
煤矿智能化不是某几项先进技术的简单组合应用，而是新一代信息技术和煤炭开发利用的有机融合，是智能技术装备、应用软件、网络技术、标准、管理技术等多种要素的集成，更是一种网络化、平台化的开放合作生态。智能化基础研究薄弱，行业研发投入相对较低，关键核心技术储备不足，试验验证、计量标准、检验检测、信息服务等技术服务体系不完善。
5G、云计算、大数据为代表的新技术真正引入煤矿智能化发展还有很长的路要走，也面临着很多困难。以5G技术应用为例，目前5G工业应用研发投入大、涉及领域广，单靠煤炭企业自身力量很难有大的突破，5G终端产品研发缺乏，导致煤矿5G应用落地慢。5G技术在煤矿井下的应用研究都是“摸着石头过河”，缺乏规范指导。
5 明确目标，开启煤矿智能化建设新征程
新元公司建设省级智能化示范矿井，力争打造全国领先水平的智能化矿井，以5G网络示范应用为数据传输通道，以综合自动化建设平台为基础，利用物联网、大数据、云计算、移动互联等先进技术手段，建设智能化管控平台。旨在强化煤矿安全基础建设，大力实施科技创新驱动战略，不断推进煤矿“两化”融合，坚持走好“安全绿色智能化开采、清洁高效低碳化利用”之路。
5.1强化标准引领，提升煤矿智能化基础能力
积极联合中煤协会、科研院所等研究制定煤矿智能化建设相关技术标准，充分考虑系统的庞杂性、适用性和融合性，在合理分类基础上，归纳出逻辑清晰的标准体系，以及需要先行制定的门类及具体项目。最前沿的通信、网络技术等研发投入大，涉及领域广，应遵循“深化试点、总结经验、制定标准、形成体系”的原则进行实施，需要政府、行业、企业同时发力，成立更广泛的技术应用联盟，互有重点，互通有无，互相借鉴，共同推动智能化发展。
5.2重点攻关关键技术，继续引领煤矿5G技术的应用发展
联合各种技术力量重点突破煤矿智能化技术瓶颈，包括透明开采地质技术；井下5G频段、组网、功率等限制的研究；辅助运输系统连续化和无人化技术；智能一体化掘、支、锚、运等技术。
对现有5G网络进行拓展延伸，重点覆盖中央配电室、1个掘进工作面、煤仓上下等区域，拓展5G技术在智能化综采、掘进工作面以及在配电室、运输巷等场景的应用研究。与中国移动、华为等公司深入合作，开展视频识别技术应用研究以及井下物联网应用探索工作。
5.3加强顶层设计，统筹推进全矿井智能化建设
1）建设“一张网”。以5G为核心，建设覆盖全矿井的SPN环网，满足井下不同的业务传输的要求，将原先的矿用工业环网、视频PON网、瓦斯抽采监测网等进行融合统一管理，解决井下多张网络重复投资、维护量大、升级困难的传输难题，同时提供50G的通信带宽，是当前主流的万兆光纤以太网的5倍，为智能化矿井的提供传输基础保障。
2）打造“一个中心”。对现有iFIX综合自动化软件平台进行升级，建立融合生产、机电、运输、通风、地质、安全保障、信息管理、经营管理等多种信息的综合数据中心，对原有的综合自动化系统进行升级改造，实现各系统数据的整体融合和业务联动。另外联合开发数据分析系统，有效挖掘现有数据资产，真正释放数据价值，准确高效指导现场作业。
3）搭建“全矿井智能生态”。按照山西省《山西省煤矿智能化建设评定办法》的要求，制定完成《新元公司智能化矿井达标规划》，有计划的推进公司各系统智能化建设项目。重点在风井场地、地面变电站、头灯房、带式输送机等岗位无人值守系统建设，综采、掘进工作面智能化建设，井下管网、供电系统集控延伸以及大动力设备智能监测等方面下大功夫、出高效益，争取提前完成全矿井智能化建设目标，建成全国智能化示范矿井。
