智慧矿山建设规划技术方案

煤矿

智慧矿山建设规划及技术方案

煤矿

二零一九年三月

目录

第一章概况 (1)

第一节矿井概况 (1)

第二节智慧矿山概念 (2)

第三节智慧矿山系统建设的基础与现状 (4)

第二章矿井生产系统现状及存在问题 (8)

第一节采煤、掘进系统 (8)

第二节冲击地压防治系统 (9)

第三节主提升运输系统 (9)

第四节辅助提升运输系统 (10)

第五节矿井通风系统 (11)

第六节矿井排水系统 (12)

第七节压风系统 (12)

第八节矿井供电系统 (13)

第九节防灭火系统 (14)

第十节供水防尘系统 (15)

第十一节地面生产系统 (15)

第十二节安全避险“六大系统”及信息化平台 (16)

第十三节其它方面存在的问题 (20)

第三章智慧矿山建设规划 (22)

第一节规划背景及指导思想 (22)

第二节规划原则及目标 (23)

第三节规划思路及方案 (24)

第四章矿井生产系统优化、改造方案 (27)

第一节生产系统优化方案 (27)

第二节采掘系统优化方案 (29)

第三节辅运系统优化方案 (39)

第四节主运输系统优化方案 (50)

第五节优化经济效果评价 (59)

第五章智慧矿山信息系统建设 (61)

第一节信息系统基础完善建设 (61)

1.基础网络 (61)

2.基础设备 (62)

3.通讯平台 (62)

4.矿山数据仓库 (63)

第二节传感感知子系统建设 (64)

1.安全监测系统 (65)

2.人员及车辆定位系统 (65)

3.视频监控系统 (66)

4.矿压监测系统 (66)

5.冲击地压监测系统 (66)

6.地应力监测系统 (67)

7.地质构造探测系统 (67)

8.水文监测系统 (67)

9.地表沉陷监测系统 (68)

10.矿区环境监测系统 (68)

11.放炮监测系统 (68)

12.语音广播监控系统 (69)

13.井下紧急避险与通讯系统 (69)

第三节工业自动化子系统建设 (69)

1.综掘工作面监控系统 (70)

2.综采面监控系统 (71)

3.瓦斯抽放监控系统 (71)

4.轨道运输监控系统 (71)

5.无轨运输监控系统 (71)

6.带式运输监控系统 (71)

7.矿井提升监控系统 (72)

8.辅助运输监控系统 (72)

9.矿山供电监控系统 (72)

10.矿井排水监控系统 (73)

11.矿井通风自动监控系统 (73)

12.压风监控系统 (73)

13.供水监控系统 (74)

14.注浆监控系统 (74)

15.消防防尘监控系统 (74)

16.快速装车监控系统 (74)

17.注氮监控系统 (74)

18.矿井污水处理监控系统 (75)

19.产量计量监控系统 (75)

20.洗选厂监控系统 (75)

第四节智慧矿山软件系统建设 (75)

1.基础软件 (75)

2.管理平台软件 (76)

3.地质保障软件 (80)

4.安全保障软件 (81)

5.生产执行系统软件 (85)

6.矿山ERP软件 (86)

7.综合调度指挥软件 (89)

8.无人采矿系统 (91)

9.模拟与控制系统 (92)

10.系统集成和智慧矿山门户网站 (92)

第一章概况

煤矿是煤业公司的主力生产矿井之一，核定生产能力480万吨/年，2019年被定为集团公司推进智慧煤矿试点示范建设单位，通过“一优三减”和“四化”建设，强力推进矿井安全基础建设，构建智慧矿山信息平台，充分发挥新技术、新装备、新工艺对安全生产的支撑作用，优化系统、简化环节、减员增效，努力打造集约、安全、高效的现代化矿井。

第一节矿井概况

煤矿是国家“八五”、“九五”重点建设项目，位于省平凉市县境内，是煤业集团有限责任公司的主力生产矿井，井田位于煤田中东部，东北部与地方煤矿为界，部和煤矿为界，北部与山寨煤矿为界，矿井井田面积11.79平方公里。井田处在煤田中部，含煤地层为中下侏罗统延安组，主采煤5层，煤层赋存较稳定，为特厚煤层，煤层真厚18.44 m～60.29m，平均厚度40.83m；井田构造主要为褶皱构造，其中东部为向斜构造，西部为背斜构造，煤层倾角5°～50°，矿井地质类型复杂；井田内含水层渗透性弱、富水性差，与地表水无联系，矿井水文地质类型中等；矿井瓦斯含量低，瓦斯涌出量小，涌出稳定，无瓦斯涌出异常和瓦斯富集区域，为低瓦斯矿井，煤层为Ⅱ类自燃煤层，煤尘具有爆炸性；煤质为特低灰、特低硫、特低磷、高化学活性、高挥发性、中高发热量的长焰煤；矿井累计探明储量为63441.0万吨，截止2017年底保有煤量为50836.0万吨，可采煤量为28956.9万吨。

矿井于1996年12月18日开工建设，1998年12月31日实

现带负荷联合试运转，原设计生产能力300万吨/年，2006年完成改扩建后核定生产能力600万吨/年，2018年11月27日经国家煤矿安全监察局重新核定生产能力由600万吨核减为480万吨/年。2018年计划原煤产量468万吨，截止11月23日，累计生产原煤418万吨，矿井安全生产形势总体平稳，连续安全生产实现970天。

煤矿矿井开拓方式为斜井多水平上下山联合开拓，主采煤层为煤5层，布置有四条井筒和六个采区，目前生产采区为采区、采区和采区，其中采区为主采区，采区和采区互为交替配采。矿井通风系统采用“三进一回”中央并列式通风方式，通风方法为全负压抽出式。

第二节智慧矿山概念

基于空间和时间的四维地理信息、泛在网、云计算、大数据、虚拟化、计算机软件及各种网络，集成应用各类传感感知、数据通信、自动控制、智能决策等技术，对矿山信息化、工业自动化深度融合，能够完成矿山企业所有信息的精准适时采集、高可靠网络化传输、规范化信息集成、实时可视化展现、生产环节自动化运行，能为各类决策提供智能化服务的数字化智慧体，并对“人、机、环”的隐患、故障和危险源提前预知和防治，使整个矿山具有自我学习、分析和决策的能力。

如图1、2所示，智慧矿山系统在基础网络平台提供的高速可靠物联通道上，实现现场层、生产层、存储层、控制层、应用层和展现层的透明管理，以及各层对应的状态演化、信息感知、

快速交换、主动服务、智能决策和对外交流的协同运行，提现了从基础到高级应用的依赖关系，也说明了智慧矿山的建筑施工顺序、各阶段的标志成果内容和里程碑。

图1：智慧矿山信息协同架构图

图2：智慧矿山建筑层次架构图

第三节智慧矿山系统建设的基础与现状

一、智慧无人开采技术的现状

2000年铁法小青矿、2003年马兰、2005年大同引进DBT刨煤机自动工作面，2005年神华神东公司先后建成榆家梁煤矿、哈拉沟半截深、补连塔全截深工作面。山西科达自动化等公司为代表的国内厂家，积极投入无人采面工作面的研发，取得可喜成绩，已经有十多个工作面装备。存在问题是我国煤矿地质条件复杂（例如具有特厚、厚、中厚、薄煤层等不同条件），需要针对不同地质条件研发不同的设备，在远程控制、环境探测、数据分析等方面还有一些关键技术需要突破。

二、智慧无人掘进技术的现状

当前岩石掘进作业生产线，煤巷综掘技术代表着掘进技术的现有水平。在智慧化方面，缺少无人掘进机械，也缺少无人爆破掘进工作面技术。但是，在掘进机的信息化、喷浆机器、智能爆破技术等方面具有一批新的成果。

三、智能辅助生产系统的现状

辅助系统的智慧化工作，近年来发展迅速，无人排水系统、无人供电系统、无人皮带集中控制系统、无人压风系统、无人提升系统、主通风机无人系统等在一些煤矿安装使用。山东能源集团在矿井调度指挥、通讯方面进行了智能化建设，实施了“e”矿山工程、矿井“一卡通、物联网”工程，在通讯技术方面，装备了井下无线通讯、有线通讯、广播通讯以及井下千兆光纤环网通讯系统。山西、河、安徽等省以及神华、中煤等大型国有煤矿

也推出了一些智能辅助系统。

四、智能职业健康与安全监控系统的现状

1.智能激光感知技术，由激光驱动的传感技术，实现了现场无人工作、无电传输，免维护，是传感技术的革命性进步。

2.智能二氧化碳防灭火系统，在易操作性，防灭火效果等方面大大超过了氮气防灭火技术。

3.智能爆破技术，依照本质安全理念，智慧控制的理念，实现了对爆破全过程的自动监控自动控制，实现了“爆破本质安全，不安全就不能爆破”，数码雷管技术、智能炸药技术也取得了快速发展。

4.无线传感与物联网技术，物联网就是一种基于无线传输、自动组网技术的传感器组合系统，传感器的无线化和自动组网功能大大提高了安装使用的效率和适应性，为监控数据的获取传输、利用，提供了更加方便的技术手段，开拓了更加广阔的空间。

5.智能清洁生产技术方面，主要发展了智能防尘技术，包括注水技术和设备、净水技术和设备、喷雾添加剂、风流控制技术、粉尘监控技术等等，对于综采、综掘、普掘、普采作业工作面的防尘、降尘、除尘都产生了非常好的效果，使煤矿的生产安全环境由重污染，快速向洁净生产方向转变。

6.智能冲击地压防治技术，冲击地压是最近几年才越来越突出的一种灾害，在山东等开采深度大的矿井引起了多起事故。在这方面，一方面引进波兰等一些国家的先进技术，另一方面北京科大、山东科大、中国矿大等，做出了深入的研究，形成了基本

成熟的理论体系模型和相应的监控系统，正在使这一新的灾害获得控制。

7.智能人员监控技术，正在发展的精确定位系统，将改变现有人员管理系统定位不准或者不能定位的缺点，扩大人员管理系统的应用范围。

9.智能通风系统方面，在自动风门、主扇风机变频自动控制、局扇自动控制、通风参数监测、通风网络自动解算和整个系统自动控制等方面，都进行了一些深入研究，其目标就是实现全矿井通风系统的智慧化，无人值守，自动调节。

10.智能水害监控的技术，有水文监控系统、水害探测系统、自动排水系统等进步。

11.智慧视频监控系统，发展了基于无线传输的系统、光纤数码传输系统、海量图片的储存识别系统，并向高速摄像、自动脸谱识别方向快速发展。

12.应急救援智能化、通讯、人员探测等技术方面也有较好的发展。

13.在环境保护方面，快速发展了污水处理、矸石处理、除尘等技术。

14.在安全距离智能监控方面，正在向自动实时监控、自动成图方面发展。

五、智能技术、后勤保障系统的现状

矿山的保障系统包括技术保障、后勤保障等方面。在技术保障方面发展了地测、通风、设计、供电等软件管理系统，后勤方

面有财务管理、设备管理、库房管理等系统，但是，缺少对全部信息的综合分析处理系统，例如将现场采集的数据与已有的数据进行的综合分析处理，拿出处理意见，并实施处理。

智慧矿山是矿山技术发展的根本方向，适应了世界科学技术发展的潮流和方向，在当前世界经济危机深重，我国全力应对危机，调整经济结构的形势下，推动矿山技术的智慧化，一方面为众多的设备制造厂商指明了技术进步和产品转型的的方向和时机；另一方面也为矿山技术发展指明了方向，确立智慧矿山框架，明确现阶段的关键技术难题并组织攻关，并建设若干个全国性的智慧矿山示范样板，推广智慧矿山技术，建立智慧矿山技术标准体系。

第二章矿井生产系统现状及存在问题

煤矿井下生产系统格局存在点多、线长、面广的问题，巷道变形量大，维修量多，通风阻力大，通风半径远，设备种类繁杂、多样，故障率高、检修难度大，运输距离长、转载环节多，而且自动化、智能化水平低，主要变电所、排水系统、压风系统、斜井提升绞车、主扇通风系统和煤流运输系统还未实现集中远程监控及无人值守管理，各系统现状及主要问题如下：

第一节采煤、掘进系统

矿井开拓方式为斜井多水平上下山联合开拓，主采煤层为煤5层，布置有四条井筒和六个采区，目前生产采区为采区、采区和采区，其中采区为主采区，采区和采区互为交替配采。主要存在问题：

1.综采工作面回采自动化程度低。目前我矿两个采煤工作面均实现机械化装备生产，机械化程度100%，但工作面设备基本为单机开停、手动操作，现场工序繁复，作业人员较多，需要进一步加大采煤工作面自动化装备的投入，并对职工技能进行培训，打造煤矿自动化、智能化综采工作面，实现设备一键启停、采煤机记忆割煤、液压支架电液控、远程集中控制等功能，使采煤工作面作业人员进一步减少。

2.采煤工作面超前支护技术落后。目前综采工作面超前支护采用单体柱支护，技术、工艺落后，劳动强度大，更不能实现远距离、自动化化操作，如果对两道超前支护改造成远距离操作的

分段式超前支架，有利于应对冲击地压，也能有效降低劳动强度。

3.岩巷掘进、煤门开口等工程施工采用钻爆法施工，人工打眼，占用循环时间多，机械化程度低；煤巷掘进采用综掘施工，落煤、装煤、运煤均实现了机械化，但是锚网支护仍然是人工作业，占用循环时间多，劳动强度大，不利于安全生产。

第二节冲击地压防治系统

矿井为冲击地压矿井，煤5层具有中等冲击倾向性，煤5层顶底板具有弱冲出倾向性，冲击地压为制约矿井安全生产的主要致灾因素。主要存在问题：

1.冲击地压防治钻机机械化程度低，动力小，施工速度慢，切顶爆破孔施工困难，钻孔深度达不到要求，钻孔出水和破碎，装药困难，作业人员劳动强度大。

2.监测系统不够完善,预测预报准确率较低。目前主要采用微震监测进行区域性监测，配合地音法、钻屑法、支架工作阻力在线监测法进行局部监测，监测有局限性，预测预报准确率较低等制约瓶颈问题。

3.采区采煤工作面供电、供液设备布置在冲击地压易显现的200m范围内，未实现远距离供电、供液。

4.采煤工作面检修期间警戒区域内检修作业人员、防治作业人员相对集中，发生冲击地压会造成人员受伤。

第三节主提升运输系统

矿井原煤提升采用胶带运输系统，总装机容量6740KW，最远

运输距离9380m，包括选煤厂、一条主运输干线（主井—大巷）、三条分运输干线（、和采区运输上山及运输巷），采用电动机+CST 的驱动方式，煤流系统设计运输能力为1750吨/小时，实际运输能力能达到1300～1400吨/小时。主要存在问题：

1.煤流运输系统未实现集中远程监控和无人值守管理，煤流沿线依靠人力走动巡检，占用大量人力和劳动强度。

2.煤流运输系统驱动装备落后、功耗大。矿井大功率煤流运输胶带输送机均采用CST液压调速系统驱动，速度可调范围小、自动化控制程度低，存在设备长时间轻载、空载运转的情况，且不易调度。

3.煤流系统运输能力偏小，无法满足“取消夜班”生产模式变更对运输能力提升的要求，需要对驱动部进行大功率改造，并提升胶带运行速度。

4.胶带输送机呈“V”字型运行，工况复杂、局部受力大、接头易抽动。

第四节辅助提升运输系统

矿井辅助提升系统包括斜井运输系统和平巷运输系统，斜井运输系统包括副斜井、进风井、轨道下山和轨道上山提升系统，均配套斜井绞车和斜井人车；平巷运输系统包括、轨道大巷架线电机车系统、辅运大巷双绳无极绳绞车系统和工作面顺槽单绳无极绳绞车系统。主要存在问题：

1.辅助运输系统复杂、运输距离远、装备种类多、转载环节

多、安全风险点多、管理难度大。矿井辅助运输系统装备有斜井绞车、架线电机车、充电电机车、无极绳绞车、小绞车、调度绞车和架空乘人装置，物料从井口到用料点要经过多次转载，效率低，风险源多，安全保障能力低。

2.提升绞车未实现集中远程监控，配置双岗司机操作。

3.辅助运输系统装备落后，提升能力受限巷道断面无法对支架进行整架提升。

4.辅助提升系统斜井人员运送装备为普通轨抱轨式人车，属国家明令2021年后禁止使用的装备。煤矿进风井、副井、轨道上山和轨道下山运送人员的普通轨抱轨式人车将于2021年后被禁止使用。

第五节矿井通风系统

通风方式为中央并列抽出式，配置“三进一回”通风系统，即进风井主进风，主、副井辅助进风，回风井为总回风，属通风容易矿井，主扇通风机系统于2012年进行了通风机和电控系统的更新改造，主用、备用通风机更换为FBCDZ—8—№30型矿用轴流式主通风机，额定风量135-290m3/s，电控系统采用CIMR-MV2AF5FA100E1AA型高压变频器带旁路功能驱动，配备了在线监控系统对主扇运行工况进行实时监控，主扇司机可以在就地配电开关柜、机房监控工控机上操作控制主扇的启、停和主用、备用通风机的切换。各采区独立通风，各综采工作面采用“U”型通风方式，掘进工作面采用对旋式局部通风机供风。主要存在

问题：

1.主扇在线监控系统未接入工业环网，无法实现调度室集中远程监控。

2.矿井通风阻力大、通风半径远，部分巷道风速超出规程要求，掘进工作面后期掘进存在风速过低的情况。

3.矿井通风系统复杂、通风设施多（目前共有风门67组），主要巷道车辆运输频繁，风门墙体破损、变形严重、关闭不严；矿井内部漏风量大，矿井有效风量率低。

第六节矿井排水系统

主排水泵房位于+、+860水平,采用二级排水方式，即+860水平的水排至+水平后,经+水泵排至地面污水处理站，经污水处理站处理后二次应用，其中，+860水泵房安装有MD200-43×7型耐磨多级离心泵五台，正常情况下二台工作、二台备用、一台检修，配置两趟DN325mm的主排管路；+水泵房安装有MD360-94×6型耐磨多级离心泵三台，其中一台工作，一台备用，一台检修，配置DN219排水管路两趟，一趟工作，一趟备用。主要存在问题：

1.主排水系统未实现集中远程监控和无人值守管理；

2.井底水仓布局结构不合理，井下涌水、生产污水未经充分沉淀就排放到地面，致使水泵排渣率高、故障率高，地面污水处理量大、煤泥多。

第七节压风系统

矿井在地面设置有地面压风机房，装备有四台螺杆式空压机

给矿井用风设备供给风源，其中3台工作，1台备用。主要存在问题：

1.压风系统未实现集中远程监控和无人值守管理；

2.井下压风管路布局不合理、分岔支路多，弯头、三通、变径使用数量多，通风损耗大，用风高峰期工作面存在风压不足的情况。

第八节矿井供电系统

矿井供电系统主要由副井供电区和风井供电区两部分组成，其中副井供电区电源取自华砚35KV变电所6KV高压室，各配电点均建有小型变电所或配电系统；风井供电区建有一独立的风井35KV变电所，双电源分别引自石堡子110KV变电所和华砚35KV 变电所35KV系统，经两台16000KVA三绕组变压器（一用一备）降压形成6KV系统和10KV系统，6KV系统主要为风井工业广场各机房和井下一水平采区提供高压电源；10KV系统为井下二水平采区提供高压电源。井下供电系统区分为一水平采区和二水平采区供电系统，一水平采区配有一中央变电所、采区变电所和采区变电所；二水平采区配有二水平860中央变电所、采区变电所，2019年，计划对井下两个中央变电所、两个采区变电所高低压配电设备进行更新安装，并配置集中远程监控和无人值守管理系统。综采工作面、掘进工作面均采用隔爆型移动变电站配电，掘进工作面的局部通风机采用“三专两闭锁”的供电方式，并设置风电闭锁、瓦斯电闭锁等保护装置。主要存在问题：

1.矿井供电系统点多、线长，系统繁杂。矿井供电系统目前有风井供电工区、副井供电工区，有地面供电、井下供电，井下有一水平供电、二水平供电，高压供电有3.3KV系统、6KV系统、10KV系统，低压供电有1140V交流系统、660V交流系统、550V 直流系统和127V照明信号交流系统，多工区供电、多水平供电和多电压等级供电的繁杂系统，给安全和管理带来了很大的困难。

2.矿井供电系统规划落后、设备故障率高，供电可靠性差。矿井供电系统自建矿以来不断经历用电装备更新、改造和升级，配电系统的规划却停滞于建矿初期，部分变电所设备生产于上世纪90年代末，装备性能落后、缺少符合现状的供电规划，常发生全系统性越级跳闸大面积停电事故。

3.大功率用电装备多数直接启停，对供电系统扰动大。矿井主煤流系统驱动装置、综采工作面设备、排水、压风等大功率用电装备多采用直接启停方式控制，易发生重载启动、频繁启动的情况，往往会形成大电流冲击，对整个供电系统扰动大，易破坏缆线、用电设备绝缘。

第九节防灭火系统

矿井采用井下移动注氮、地面黄泥灌浆配合高温点打钻注水、喷浆封堵、高分子材料充填等综合防灭火措施。主要存在问题：

1.移动注氮系统为人工注氮，未实现自动定量注氮控制。

2.灌浆浆液水土比例不稳定，浆液内砂石含量大，灌浆管路路线长，灌浆时经常出现管路堵塞情况，浆液灌入密闭内水量大、

黄土质量差，不能有效封堵密闭空间区域，防灭火效果差,需重新选择黄土源。

3.灌浆系统由于水池局限，灌浆最多持续两个小时，无法连续进行灌浆，当井下出现紧急发火隐患，不能顺利完成黄泥灌浆防灭火工作，水源不能正常接续，导致灌浆工作滞后。

4.由于矿井灌浆系统建设年限长，井下多处灌浆管路使用年限久，锈蚀严重，灌浆能力不足，难以保证灌浆防灭火的需要。

5.小煤柱：我矿采区工作面之间小煤柱宽度仅为5m～7m，由于受采动及冲击矿压影响，小煤柱局部煤体破碎严重，与相邻采空区易形成漏风通道，容易造成发火隐患。

6.密闭设施：我矿有密闭墙共计86处，以前施工的密闭墙体易产生裂隙，密闭周边顶帮部受压后易产生裂隙，形成漏风通路，形成自然发火隐患。

第十节供水防尘系统

矿井利用工业广场的一座处理能力为3000m3/ｄ的污水处理站，经处理的井下工业污水和生活污水形成生产水源经供水管路输送到井下采掘工作面及其它作业点供喷雾降尘等用水。

第十一节地面生产系统

地面副井工业区建有洗选能力600万吨/年的洗煤厂，洗煤厂目前可洗大、中、小块、子煤和末煤五个洗精煤品种。选煤厂控制系统实现了集中控制，但系统使用年限长，智能化控制水平不高，部分感应传感器损坏，目前为集控室单机启停控制，无法