智能示范礦井┃李偉董事長(zhǎng)：山東能源薄煤層工作面智能化開采創(chuàng)新實(shí)踐

智能示范礦井

“智能示范礦井”欄目重點(diǎn)推送《智能礦山》“智能示范礦井”專欄刊載的論文，邀請(qǐng)全國(guó)各礦井分享最新智能化建設(shè)成果、亮點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn)，旨在發(fā)揮典型智能示范礦井引領(lǐng)作用，促進(jìn)我國(guó)礦山智能化建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展。截至目前，《智能礦山》雜志已刊載64家礦井智能化建設(shè)成果論文112篇。 ? 點(diǎn)擊訂閱

文章來源：《智能礦山》2025年第1期理事單位特刊“智能示范礦井”專欄

作者簡(jiǎn)介：李偉，博士，研究員，現(xiàn)任山東能源集團(tuán)有限公司黨委書記、董事長(zhǎng)，主要從事煤炭安全高效開采和清潔高效利用方面的技術(shù)研究與工程實(shí)踐工作。E-mail：sdnyliwei@shandong-energy.com

作者單位：山東能源集團(tuán)有限公司

引用格式：李偉. 山東能源薄煤層工作面智能化開采創(chuàng)新實(shí)踐[J]. 智能礦山，2025，1(1)：43-53.

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煤炭作為我國(guó)的主體能源，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位，隨著礦井開采強(qiáng)度增加、剩余服務(wù)年限減少，很多煤炭企業(yè)逐步轉(zhuǎn)入薄煤層資源開采階段。我國(guó)薄煤層資源儲(chǔ)量豐富，廣泛分布于80多個(gè)礦區(qū)，工業(yè)儲(chǔ)量達(dá)98.3億t，其中可采儲(chǔ)量約65億t，約占全部可采儲(chǔ)量20％，山東能源集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱山東能源）國(guó)內(nèi)75處生產(chǎn)煤礦中，擁有2m以下薄及較薄煤層的煤礦32處，占比42.6%；32處煤礦資源總量為54.4億t，2m以下薄及較薄煤層資源量25.8億t，占總資源量的47.4%。但是受開采工藝及技術(shù)裝備等因素限制，國(guó)內(nèi)薄煤層產(chǎn)量?jī)H約占煤炭總產(chǎn)量7%。由于開發(fā)難度大，空間小，產(chǎn)量及效率低，成本高，安全性能差，薄煤層開采一直是制約煤炭企業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的難題。

山東能源在陜西未來能源化工有限公司金雞灘特大型煤礦集成應(yīng)用了數(shù)智化高效開采成套技術(shù)，開創(chuàng)了煤炭數(shù)智化高效開采的成功示范，建成世界首個(gè)8.2m超大采高工作面，平均日產(chǎn)6.16萬(wàn)t，月產(chǎn)153萬(wàn)t，創(chuàng)綜采高度、產(chǎn)量及效率的世界最高紀(jì)錄。在千米深井的兗礦能源集團(tuán)股份有限公司楊村煤礦（簡(jiǎn)稱楊村煤礦）開展智能化建設(shè)工程實(shí)踐，建成7302、5305智能綜放示范工作面，生產(chǎn)班作業(yè)人員由16人減至7人，減員幅度為56%。在此基礎(chǔ)上，山東能源結(jié)合自身發(fā)展實(shí)際，系統(tǒng)攻關(guān)薄煤層無人開采新課題，探索走出煤炭產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、安全高質(zhì)量發(fā)展的“山能路徑”，成功打造了楊村煤礦、棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司濱湖煤礦（簡(jiǎn)稱濱湖煤礦）正常生產(chǎn)條件下，常態(tài)化無人作業(yè)的薄煤層工作面。

薄煤層智能化開采的現(xiàn)狀分析

1.1 地質(zhì)條件分析

薄煤層煤厚一般約在1.3m以下，且地質(zhì)條件變化大，斷層、夾矸等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。以楊村煤礦、濱湖煤礦為例，楊村煤礦17煤，煤層傾角2°~11°,平均5°;煤層厚度0.95～1.35m，平均為1.15m，煤層中含有厚度不均勻的堅(jiān)硬夾矸及硫化亞鐵結(jié)核體（f=8～10）；直接頂為十一灰?guī)r，平均厚度為0.83m（f=8～10）；基本頂為粉砂巖，平均厚度2.4m；直接底為鋁質(zhì)泥巖，平均厚度2m。濱湖煤礦16煤，煤層傾角5°~10°,平均8°;煤層厚度0.7～1.71m，平均為1.23m。直接頂為十下灰?guī)r，厚度2.99～8.19m，具泥巖偽頂，厚0.15～0.44m，十下灰既是直接頂也是基本頂，具二重性，為穩(wěn)定頂板；直接底以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，厚0.65～8.33m，采區(qū)內(nèi)存在落差1/2～2/3不同采高的斷層。

1.2 工藝及技術(shù)裝備分析

薄煤層開采除地質(zhì)條件限制外，面臨的主要問題是空間狹小，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)及人員活動(dòng)區(qū)域受限，工作面內(nèi)行走、作業(yè)困難，而且勞動(dòng)強(qiáng)度較大，整體作業(yè)環(huán)境惡劣，職業(yè)危害大。從工藝及技術(shù)裝備應(yīng)用的角度分析，存在3個(gè)方面的問題。

（1）現(xiàn)有低效開采工藝無法支持快速連續(xù)開采

薄煤層工作面系統(tǒng)配套方式不夠優(yōu)化，生產(chǎn)工藝效率低，端頭截割三角煤時(shí)間長(zhǎng)，全工作面整體推進(jìn)速度慢，難以滿足礦區(qū)協(xié)調(diào)開采、生產(chǎn)接續(xù)需求。

（2）狹窄空間嚴(yán)重制約開采裝備性能提升

高效開采要求采煤機(jī)大功率，高強(qiáng)度開采圍巖控制難度大，要求支架高工作阻力，與開采空間矛盾疊加更加突出，狹小空間難以布置大功率設(shè)備，低速、低效、高強(qiáng)度工作，高能積比難突破。

（3）煤層條件變化下無人干預(yù)及實(shí)時(shí)智能開采能力不足

簡(jiǎn)單條件下，液壓支架全工作面跟機(jī)、遠(yuǎn)程人工干預(yù)、視頻監(jiān)控均可實(shí)現(xiàn)，但缺乏煤層條件變化情況下的智能感知、自主決策能力，難以實(shí)現(xiàn)與煤層走勢(shì)的最佳匹配。

薄煤層成套開采裝備迭代升級(jí)

山東能源針對(duì)具體煤層賦存及開采情況，聯(lián)合中煤科工開采研究院有限公司等科研單位，基于工作面產(chǎn)能目標(biāo)導(dǎo)向，創(chuàng)新薄煤層高能積比配套模式，通過協(xié)同優(yōu)化工作面裝備間配套尺寸，重點(diǎn)圍繞薄煤層開采過機(jī)空間、過煤空間、行人空間等技術(shù)特征要求，實(shí)現(xiàn)裝備時(shí)空配合最優(yōu)化；在此基礎(chǔ)上，對(duì)支、采、運(yùn)成套開采裝備性能升級(jí)開發(fā)，保障裝備可靠性的前提下，提升對(duì)薄煤層開采條件的適應(yīng)性，薄煤層成套開采裝備配套示意如圖1所示。

圖1 薄煤層成套開采裝備配套示意

2.1 支護(hù)裝備升級(jí)

隨著工作面長(zhǎng)度及開采效率的提升，圍巖控制難度增加，要求液壓支架在較大工作阻力下實(shí)現(xiàn)更低的高度支撐，同時(shí)具有抬底、推移、底座調(diào)整等功能。針對(duì)上述情況，開發(fā)了薄煤層液壓支架，工作阻力達(dá)到6000kN，最小支撐高度0.8m。研發(fā)出專用大伸縮比立柱，優(yōu)化千斤頂導(dǎo)向及進(jìn)回液結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)支架大比例升降行程，具有隱藏嵌入式頂梁，將液壓、電氣等元件嵌入頂梁內(nèi)部，如圖2所示，在保證強(qiáng)度的前提下，實(shí)現(xiàn)過機(jī)空間最大化。

圖2 薄煤層液壓支架及嵌入式結(jié)構(gòu)頂梁

支護(hù)裝備配套垂直抬底、倒裝推移功能，有效提升支架對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性。工作面巷道基于超前支承壓力分布規(guī)律，根據(jù)非等強(qiáng)支護(hù)原理，采用兩列式強(qiáng)力超前支架和單元式超前支架配套形成長(zhǎng)距離超前支護(hù)，保障高效推進(jìn)條件下薄煤層工作面圍巖穩(wěn)定。工作面升級(jí)配套為遠(yuǎn)距離無人值守的集中供液系統(tǒng)，優(yōu)化供液系統(tǒng)架構(gòu)及液壓元部件參數(shù)匹配，液壓支架單架降移升時(shí)間由11s減少為5～7s。

2.2 截割裝備升級(jí)

高產(chǎn)高效對(duì)采煤機(jī)截割及牽引能力、滾筒裝煤能力提出更高要求。針對(duì)1.1m以下薄煤層截割，研發(fā)了雙滾筒電牽引采煤機(jī)，單搖臂截割功率550kW，裝機(jī)功率提升至1270kW，配備半懸機(jī)身加全懸搖臂結(jié)構(gòu)如圖3所示，機(jī)面高度僅為814mm，過煤空間提升為304mm，適配寬度為800、900、1000mm的刮板輸送機(jī)，有效增加橫向過煤尺寸（沿走向方向），過煤面積提升15%。

圖3 薄煤層采煤機(jī)半懸機(jī)身結(jié)構(gòu)

結(jié)合常規(guī)機(jī)身、爬底板采煤機(jī)優(yōu)點(diǎn)，采用半懸機(jī)身結(jié)構(gòu)，重心在輸送機(jī)上，搖臂采用C型懸置，解決薄煤層調(diào)頂、挖底問題，同時(shí)改善煤機(jī)裝煤效果，截割力大，通過能力強(qiáng)，滾筒優(yōu)選高強(qiáng)度硬巖截齒，在含有硫鐵礦夾矸且斷層多、起伏多、煤層薄的條件下，煤機(jī)截割速度由5m/min提升為8m/min。

2.3 輸送裝備升級(jí)

刮板輸送裝備通過高鏈速、大運(yùn)量，最大限度保證煤流運(yùn)輸能力。薄煤層工作面一般采用沿頂開采工藝，巷道與工作面間存在約1m的高度差，根據(jù)此特點(diǎn)研發(fā)了多鉸接自適應(yīng)重疊側(cè)卸機(jī)頭，刮板輸送機(jī)機(jī)頭與轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾一體式設(shè)計(jì)，配套可調(diào)式液壓抬高裝置及旋轉(zhuǎn)鉸接支座等結(jié)構(gòu)如圖4所示，實(shí)現(xiàn)輸送裝備同步快速推移的同時(shí)適應(yīng)工作面0°～15°角度變化，以及推斜7°的角度變化；機(jī)尾根據(jù)巷道沿頂掘進(jìn)情況，研發(fā)了反臥式伸縮機(jī)尾，與工作面中部槽近水平過渡，有效保證端頭挖底量。

圖4 薄煤層重疊側(cè)卸機(jī)頭

刮板鏈組件的智能監(jiān)測(cè)、基于負(fù)荷分量梯度補(bǔ)償?shù)逆湕l張緊，以及多驅(qū)動(dòng)協(xié)同智能控制技術(shù)，輔助工作面煤流控制模型，實(shí)現(xiàn)工作面采運(yùn)協(xié)同控制。帶式輸送機(jī)機(jī)尾采用模塊化設(shè)計(jì)，安裝自驅(qū)動(dòng)牽引模塊化組合伸縮系統(tǒng)，有效降低帶式輸送機(jī)支架拆除頻率，確保了工作面高效生產(chǎn)。

薄煤層智能化開采創(chuàng)新技術(shù)及實(shí)踐

智能開采作為實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)的新技術(shù)手段，在減人、提效等方面切實(shí)提升了薄煤層的開采效率，山東能源旗下云鼎科技股份有限公司、北斗天地股份有限公司與華為技術(shù)有限公司、北京天瑪智控科技股份有限公司等單位聯(lián)合開展了一系列創(chuàng)新技術(shù)研究與實(shí)踐，形成了涵蓋開采輔助、信息基礎(chǔ)、生產(chǎn)管理等范圍內(nèi)的6大創(chuàng)新性應(yīng)用成果。

3.1 綜采工作面國(guó)產(chǎn)慣導(dǎo)應(yīng)用

研發(fā)出國(guó)產(chǎn)高精度慣導(dǎo)研發(fā)智能綜采作業(yè)自導(dǎo)向系統(tǒng)（Intelligent mining operation self-steering system，IMOSS），成功實(shí)現(xiàn)綜采工作面自動(dòng)找直應(yīng)用，如圖5所示，在山東能源內(nèi)部10余個(gè)礦井實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)常態(tài)化運(yùn)行，取得良好應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化替代。

圖5 工作面自動(dòng)找直效果

液壓支架當(dāng)前主要采用底座傾角傳感器對(duì)支架推移進(jìn)行一維監(jiān)測(cè)，無法做到航向、偏移、橫滾等多維方向監(jiān)測(cè)，薄煤層工作面空間受限，設(shè)備安全間隙小，液壓支架打滑、丟架、咬架等異常工況難以監(jiān)測(cè)，制約了自動(dòng)化生產(chǎn)效率進(jìn)一步提升。為持續(xù)拓展慣導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，解決支架多維姿態(tài)監(jiān)測(cè)難題，研發(fā)出首套基于MEMS慣導(dǎo)技術(shù)的液壓支架監(jiān)控感知系統(tǒng)，為數(shù)字孿生輔助控制系統(tǒng)提供底層數(shù)據(jù)支撐，提升了工作面連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)水平。

國(guó)產(chǎn)高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)芯片，測(cè)量精度高且與國(guó)外進(jìn)口設(shè)備相比，設(shè)備成本大幅降低，具備較好的維護(hù)性，可有效提高工作面設(shè)備控制自動(dòng)化程度，MEMS慣導(dǎo)技術(shù)的液壓支架監(jiān)控感知系統(tǒng)包括2個(gè)方面的特點(diǎn)。

（1）基于MEMS慣導(dǎo)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)支架姿態(tài)精準(zhǔn)測(cè)量及調(diào)整

首創(chuàng)國(guó)產(chǎn)MEMS慣導(dǎo)應(yīng)用于液壓支架監(jiān)控感知系統(tǒng)，可測(cè)量液壓支架位置信息、液壓支架傾斜情況及航向角偏移情況，識(shí)別支架打滑、丟架、咬架等工況，配合液壓支架自身調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)支架姿態(tài)角度實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)整，MEMS傳感器安裝位置及測(cè)量精度如圖6所示。

圖6 MEMS傳感器安裝位置及測(cè)量精度

（2）傳感數(shù)據(jù)為數(shù)字孿生、規(guī)劃截割提供設(shè)備實(shí)時(shí)位姿信息

通過部署IMOSS系統(tǒng)和MEMS慣導(dǎo)技術(shù)，結(jié)合自主研發(fā)的優(yōu)化算法和誤差補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤機(jī)設(shè)備自主定姿、定位、定向的精準(zhǔn)測(cè)量，滿足液壓支架直線度動(dòng)態(tài)調(diào)整需求，并為數(shù)字孿生系統(tǒng)、規(guī)劃截割系統(tǒng)提供采煤機(jī)位置、截割曲線、液壓支架行程、偏移量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面液壓支架位置姿態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析、異常狀態(tài)超限告警提示，提高了綜采工作面采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)位姿監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)控制精度，IMOSS慣導(dǎo)記錄采煤機(jī)運(yùn)行軌跡界面如圖7所示。

圖7 IMOSS慣導(dǎo)記錄采煤機(jī)運(yùn)行軌跡界面

3.2 多參量耦合模型的規(guī)劃截割開采

薄煤層開采受高度限制，采煤機(jī)采用記憶截割或分段截割，都需要煤機(jī)司機(jī)跟機(jī)作業(yè)，為了保證合理的作業(yè)空間，薄煤層工作面開采高度難以降到1.4m以下。采用現(xiàn)有技術(shù)，僅依靠地質(zhì)模型，在探測(cè)精度、經(jīng)濟(jì)性等方面，都無法滿足薄煤層規(guī)劃截割需要。基于上述情況，通過聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，首創(chuàng)了多參量耦合模型的規(guī)劃截割開采模式，助力薄煤層工作面安全高效無人開采。

多參量耦合模型的規(guī)劃截割開采技術(shù)已在楊村煤礦、濱湖煤礦部署應(yīng)用。在濱湖煤礦31606工作面，開啟多參量耦合模型的規(guī)劃截割開采模式后，工作面開采高度從原來的1.5m降到1.25m，基本實(shí)現(xiàn)了煤厚即是采高的開采效果，液壓支架協(xié)同連續(xù)自動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)包括2個(gè)方面的特點(diǎn)。

（1）多參量耦合模型的規(guī)劃截割開采

通過連續(xù)采集多刀截割歷史數(shù)據(jù)，輸入GIS平臺(tái)地質(zhì)模型、IMOSS慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)字孿生體幾何尺寸、連接關(guān)系和剛性約束條件，擬合支架姿態(tài)，生成多參量知識(shí)庫(kù)，經(jīng)過插值算法、濾波算法等預(yù)處理，持續(xù)提高規(guī)劃截割模型數(shù)據(jù)精度，有效控制工作面采高，提升薄煤層開采效率，降低含矸量，多參量耦合模型的規(guī)劃截割開采工作原理如圖8所示。

圖8 多參量耦合模型的規(guī)劃截割開采工作原理

（2）液壓支架協(xié)同連續(xù)自動(dòng)推進(jìn)

為適應(yīng)煤層多變的賦存條件，系統(tǒng)融合了MEMS慣導(dǎo)、傾角、行程數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于多參量的支架推進(jìn)度散點(diǎn)模型，同時(shí)融合機(jī)頭、機(jī)尾上竄下滑偏移量，自適應(yīng)調(diào)用糾偏工藝集，結(jié)合采煤工藝統(tǒng)一規(guī)劃支架動(dòng)作策略，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與液壓支架協(xié)同高效運(yùn)行，支撐工作面連續(xù)無人化開采。

3.3 數(shù)字孿生輔助控制系統(tǒng)

針對(duì)薄煤層頂板較好、液壓支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等有利條件，充分利用數(shù)字孿生技術(shù)，基于設(shè)備真實(shí)尺寸和地理真實(shí)坐標(biāo)的工作面模型，融合多源數(shù)據(jù)，把物理場(chǎng)景轉(zhuǎn)換為真實(shí)數(shù)字場(chǎng)景，清晰展現(xiàn)工作面起伏狀態(tài)和設(shè)備位姿情況，為遠(yuǎn)程控制提供操作建議和控制指令，形成面內(nèi)無人作業(yè)的遠(yuǎn)程控制模式，數(shù)字孿生輔助控制系統(tǒng)界面如圖9所示。

圖9 數(shù)字孿生輔助控制系統(tǒng)界面

通過應(yīng)用數(shù)字孿生輔助控制系統(tǒng)，在集控中心全息感知工作面物理空間，實(shí)現(xiàn)了工作面實(shí)體與數(shù)字礦山孿生體的虛實(shí)映射與實(shí)時(shí)交互。結(jié)合AI技術(shù)計(jì)算分析開采作業(yè)、設(shè)備管理、環(huán)境管控，為生產(chǎn)控制提供決策依據(jù)，有效提升了工作面智能化水平，將跟機(jī)巡視人員從艱苦繁重現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中解放出來，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，為集控中心遠(yuǎn)程操控、工作面內(nèi)無人生產(chǎn)提供有力技術(shù)支撐。數(shù)字孿生輔助控制系統(tǒng)主要包括3個(gè)方面的特點(diǎn)。

（1）現(xiàn)場(chǎng)多參量傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生

數(shù)字孿生輔助控制系統(tǒng)基于工作面設(shè)備真實(shí)

尺寸，結(jié)合采煤機(jī)IMOSS慣導(dǎo)、液壓支架MEMS慣導(dǎo)及傾角、行程等各類傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，記錄采煤機(jī)截割曲線，結(jié)合工作面GIS地理信息，實(shí)現(xiàn)井下物理空間在數(shù)字世界的真實(shí)映射。

（2）多視角切換的工作面全方位信息提供遠(yuǎn)程操控決策依據(jù)

數(shù)字孿生技術(shù)支持360°視角切換，與視頻拼接等形式的固定視角相比，操控人員可以從任何角度監(jiān)測(cè)工作面，實(shí)現(xiàn)工作面全場(chǎng)景可視化表達(dá)。配合電液控制系統(tǒng)、采煤機(jī)電控系統(tǒng)，操控人員全面掌握工作面的實(shí)時(shí)情況、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，基于多源數(shù)據(jù)分析結(jié)果，輔助遠(yuǎn)程操作人員完成采煤機(jī)、液壓支架聯(lián)動(dòng)控制，不同視角的全場(chǎng)景展示界面如圖10所示。

圖10 不同視角的全場(chǎng)景展示界面

（3）AI數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)預(yù)警控制交互

應(yīng)用盤古大模型AI技術(shù)，融合工作面多個(gè)子系統(tǒng)的多源數(shù)據(jù)，綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警和異常工況分析，取代單機(jī)預(yù)警或人工監(jiān)測(cè)分析，實(shí)現(xiàn)直線度偏離、設(shè)備干涉、大塊煤等監(jiān)測(cè)預(yù)警和控制交互，有效降低了安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 班組協(xié)同交互通信系統(tǒng)

薄煤層工作面少人無人化開采，巡檢人員需要同時(shí)承擔(dān)多個(gè)崗位的工作，工作面作業(yè)人員分散，固定通信設(shè)備難以滿足少人化作業(yè)的通信需求。研發(fā)出班組協(xié)同交互通信系統(tǒng)，通過便捷的語(yǔ)音通信實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)同，融合礦井有線及無線通信系統(tǒng)，滿足在工作面任意位置即時(shí)通信的需求，提高了作業(yè)溝通效率。

在楊村煤礦、濱湖煤礦部署應(yīng)用班組協(xié)同交互通信系統(tǒng)，生產(chǎn)作業(yè)人員使用移動(dòng)通信終端，通過單兵通信應(yīng)用程序，可在工作面任意位置，與面內(nèi)作業(yè)人員、地面操作人員即時(shí)通信，提升礦井日常工作傳達(dá)和應(yīng)急響應(yīng)能力。在工作面刮板輸送機(jī)機(jī)頭、泵站等開機(jī)運(yùn)行噪音較大位置，使用具備降噪能力的骨傳導(dǎo)耳機(jī)，較傳統(tǒng)有線通信設(shè)備具備更好的通信效果，提升了班組成員之間溝通質(zhì)量。煤礦多種語(yǔ)音通信設(shè)備融合具備2個(gè)方面的特點(diǎn)。

（1）多種語(yǔ)音通信設(shè)備高效融合

采用標(biāo)準(zhǔn)SIP協(xié)議，各類語(yǔ)音通信設(shè)備高效融入?yún)f(xié)同交互通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度通信系統(tǒng)、移動(dòng)通信系統(tǒng)、礦用廣播系統(tǒng)以及井下沿線擴(kuò)音電話系統(tǒng)互聯(lián)互通，班組工作人員采用手機(jī)、平板電腦、智能手表等多種通信終端均可對(duì)外聯(lián)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)靈活協(xié)同通信，煤礦多種語(yǔ)音通信設(shè)備融合系統(tǒng)如圖11所示。

圖11 煤礦多種語(yǔ)音通信設(shè)備融合系統(tǒng)

（2）骨傳導(dǎo)耳機(jī)滿足班組即時(shí)高質(zhì)量通信

骨傳導(dǎo)耳機(jī)是新型單兵裝備納入班組協(xié)同交互通信系統(tǒng)，使用耳機(jī)側(cè)鍵一觸即達(dá)，結(jié)合智能終端融合通信應(yīng)用程序，快速便捷實(shí)現(xiàn)班組內(nèi)部通話，耳機(jī)采用智能降噪拾音算法，自動(dòng)過濾無效噪聲，在礦山采掘、洗選、運(yùn)輸?shù)葟?qiáng)噪音環(huán)境下，滿足聽得清、說得清的需求，實(shí)現(xiàn)雙方高質(zhì)量通信聯(lián)絡(luò)。骨傳導(dǎo)耳機(jī)+通信終端連接如圖12所示。

圖12 骨傳導(dǎo)耳機(jī)+通信終端連接

3.5 盤古礦山大模型AI服務(wù)平臺(tái)

構(gòu)建了以盤古大模型為底座的礦山行業(yè)大模型，實(shí)現(xiàn)了中心訓(xùn)練、邊緣推理、云邊協(xié)同、邊用邊學(xué)、持續(xù)優(yōu)化功能。研發(fā)出67類算法模型，全面覆蓋了煤礦采、掘、機(jī)、運(yùn)、通及安全管理等專業(yè)，在礦井提升安全管理、降本增效方面發(fā)揮了積極作用，盤古礦山大模型AI服務(wù)平臺(tái)具備4個(gè)方面的特點(diǎn)，AI服務(wù)平臺(tái)界面如圖13所示。

圖13 AI服務(wù)平臺(tái)界面

（1）大模型準(zhǔn)確率高、泛化性好，提高了場(chǎng)景應(yīng)用效果

煤礦安全生產(chǎn)過程中異常樣本數(shù)據(jù)較少且難以獲取，傳統(tǒng)小模型缺少大量異常樣本訓(xùn)練，準(zhǔn)確率低，盤古礦山大模型通過海量礦山行業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)訓(xùn)練，參數(shù)量大、異常獨(dú)特性高，保證了模型高準(zhǔn)確率和高泛化性，比小模型精度提升10%，新場(chǎng)景部署后初始精度提升23%。通過礦山大模型的實(shí)際應(yīng)用，有效解決了煤礦場(chǎng)景落地難、應(yīng)用效果不佳的問題，大模型與小模型能力對(duì)比分析如圖14所示。

圖14 大模型與小模型能力對(duì)比分析

（2）大模型云邊協(xié)同、邊用邊學(xué)架構(gòu)，保證了常態(tài)化運(yùn)行

傳統(tǒng)小模型在面臨誤報(bào)情況時(shí)，缺乏及時(shí)優(yōu)化能力，嚴(yán)重影響了正常應(yīng)用，而大模型通過云邊協(xié)同、邊用邊學(xué)架構(gòu)能夠?qū)崟r(shí)反饋異常報(bào)警信息，并且自動(dòng)實(shí)現(xiàn)模型迭代和部署升級(jí)，大模型具有持續(xù)自我提升能力，確保現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的場(chǎng)景準(zhǔn)確率高，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景常態(tài)化運(yùn)行，報(bào)警處置界面如圖15所示。

圖15 報(bào)警處置界面

（3）大模型與生產(chǎn)管理深度融合，促進(jìn)了減人提效增安

通過大模型和數(shù)字孿生技術(shù)的深度融合以及常態(tài)化應(yīng)用，持續(xù)提高規(guī)劃截割模型數(shù)據(jù)精度，有利于薄煤層工作面截割的持續(xù)優(yōu)化。通過預(yù)測(cè)大模型技術(shù)在精煤洗選、焦化配煤工藝流程的應(yīng)用，精準(zhǔn)控制產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益雙提升。

（4）大模型全面賦能煤礦安全生產(chǎn)，通過AI踐行無監(jiān)控、不作業(yè)煤礦企業(yè)在井上井下區(qū)域的關(guān)鍵部位、工藝流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)部署監(jiān)控?cái)z像儀，解決了從現(xiàn)場(chǎng)查看到集控監(jiān)控、事后有據(jù)可查等問題?；诖竽Ｐ偷募夹g(shù)特點(diǎn)，對(duì)各點(diǎn)位攝像儀配置不同模型算法，及時(shí)預(yù)警、迅速處置，實(shí)現(xiàn)AI的24h無死角監(jiān)測(cè)預(yù)警，全面賦能煤礦安全生產(chǎn)。

楊村煤礦和濱湖煤礦引入盤古礦山大模型，分別在4703采煤工作面、31606采煤工作面等地點(diǎn)171臺(tái)攝像儀及230路模型，通過工作面的常態(tài)化運(yùn)行，取得了3個(gè)方面的應(yīng)用效果。

（1）安全管理由事后追溯向事前預(yù)警轉(zhuǎn)變

通過大模型實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下環(huán)境、設(shè)備和人員狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常狀況時(shí)自動(dòng)本地語(yǔ)音報(bào)警并聯(lián)動(dòng)設(shè)備緊急閉鎖，把風(fēng)險(xiǎn)化解在隱患前、把隱患消除在事故前，提升安全自管自治能力。例如，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)薄煤層采煤工作面大塊煤卡堵情況，出現(xiàn)異常情況時(shí)語(yǔ)音報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理大塊煤淤堵問題，減少煤炭淤堵造成的故障停機(jī)時(shí)間。

（2）由勞動(dòng)密集向精簡(jiǎn)高效轉(zhuǎn)變

通過礦山大模型的應(yīng)用，減少了日常巡檢和重復(fù)性工作，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了作業(yè)人員，助力現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)從少人到無人的轉(zhuǎn)變。例如，在主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)中部署堆煤監(jiān)測(cè)、異物監(jiān)測(cè)、煤倉(cāng)運(yùn)行異常狀態(tài)監(jiān)控等10多類場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了機(jī)頭、機(jī)尾及給煤機(jī)等關(guān)鍵區(qū)域的實(shí)時(shí)智能監(jiān)控，降低了巡檢人力成本并提升了煤礦生產(chǎn)的安全系數(shù)。

（3）由粗放管理向精細(xì)化管理轉(zhuǎn)變

借助大模型多維度數(shù)據(jù)分析能力，與數(shù)字孿生技術(shù)緊密結(jié)合，融合分析大塊煤、人員位置、支架壓力、電機(jī)溫度等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，為生產(chǎn)控制提供決策依據(jù)，有效提升了工作面的智能化水平。

3.6 煤礦GIS公共服務(wù)平臺(tái)

自主研發(fā)煤礦GIS公共服務(wù)平臺(tái)，作為山東能源各煤礦基礎(chǔ)圖紙、數(shù)據(jù)共享、一體化圖形平臺(tái)底座，兼容煤礦常用的AutoCAD和LRGIS等軟件系統(tǒng)，通過轉(zhuǎn)換插件實(shí)現(xiàn)原有CAD圖紙及LRGIS圖紙轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了圖形及煤礦基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)同源，規(guī)范了制圖流程管理，為各應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)融合圖形底座，GIS公共服務(wù)平臺(tái)具備3個(gè)方面的特點(diǎn)，系統(tǒng)界面如圖16所示。

圖16 GIS公共服務(wù)平臺(tái)界面

（1）建立圖紙協(xié)同審批業(yè)務(wù)模式，強(qiáng)化集團(tuán)技術(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理

GIS公共服務(wù)平臺(tái)采用C/S架構(gòu)，建立了從生產(chǎn)一線到集團(tuán)總部的縱向業(yè)務(wù)協(xié)同模式，實(shí)現(xiàn)煤礦圖紙由原來的紙質(zhì)圖紙審批報(bào)送，轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰€電子化審批圖紙。所有圖紙實(shí)現(xiàn)了在線統(tǒng)一管理，根據(jù)不同專業(yè)、不同職級(jí)配置不同權(quán)限，實(shí)時(shí)在線查閱礦井各專業(yè)圖紙信息及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，避免了圖紙多版本重復(fù)繪制，圖形和數(shù)據(jù)不一致、不統(tǒng)一等問題，有效加強(qiáng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。

（2）建立集團(tuán)級(jí)統(tǒng)一時(shí)空GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，提供數(shù)據(jù)支撐與圖形應(yīng)用分析服務(wù)

GIS公共服務(wù)平臺(tái)提供了GIS數(shù)據(jù)與圖形應(yīng)用分析服務(wù)，支持集團(tuán)端及礦端各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)化提升，實(shí)現(xiàn)礦山人員定位、輔助運(yùn)輸、地質(zhì)保障、智能通風(fēng)、綜合信息管控等系統(tǒng)圖紙和數(shù)據(jù)的及時(shí)同步、自動(dòng)更新，解決了礦山各專業(yè)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不同步、不同源難題，填補(bǔ)了大型礦山企業(yè)基于統(tǒng)一GIS平臺(tái)的信息化系統(tǒng)建設(shè)模式的空白，各系統(tǒng)圖紙和數(shù)據(jù)共享架構(gòu)如圖17所示。

圖17 各系統(tǒng)圖紙和數(shù)據(jù)共享架構(gòu)

（3）構(gòu)建工作面高精度地質(zhì)模型，為采煤工作面提供數(shù)據(jù)和圖形服務(wù)

通過GIS公共服務(wù)平臺(tái)的基礎(chǔ)圖形服務(wù)，結(jié)合工作面素描、巷道素描、等值線、地質(zhì)構(gòu)造等地測(cè)數(shù)據(jù)，快速構(gòu)建工作面高精度地質(zhì)模型。以地質(zhì)模型、設(shè)備極限范圍、慣導(dǎo)電液控實(shí)際截割數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建工作面規(guī)劃截割數(shù)字模型，為工作面數(shù)字孿生和規(guī)劃截割開采應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和圖形服務(wù)，更好地服務(wù)于薄煤層生產(chǎn)。

GIS公共服務(wù)平臺(tái)在山東能源75座礦井全面推廣使用，建立了集團(tuán)統(tǒng)一圖紙數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，形成了圖紙數(shù)據(jù)繪制、采集、上報(bào)、管理及使用的標(biāo)準(zhǔn)流程，實(shí)現(xiàn)了全集團(tuán)礦山圖紙及各專業(yè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、管理及應(yīng)用，減少相關(guān)系統(tǒng)功能的重復(fù)建設(shè)與多系統(tǒng)底圖數(shù)據(jù)重復(fù)維護(hù)工作量，形成煤礦生產(chǎn)和安全狀況的“電子沙盤”，取得了3個(gè)方面的顯著效果。

（1）提供現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)

薄煤層工作面空間狹小，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和空間位置信息的準(zhǔn)確性、一致性及數(shù)據(jù)質(zhì)量要求高。基于GIS平臺(tái)進(jìn)行工作面地質(zhì)建模，結(jié)合工作面設(shè)備約束、實(shí)際截割數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)等多種分析要素，建立工作面規(guī)劃截割模型，為工作面智能規(guī)劃截割開采，提供貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)。

（2）提升集團(tuán)整體管理水平

GIS公共服務(wù)平臺(tái)專精于煤礦智能化的統(tǒng)一基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和圖形平臺(tái)底座，各專業(yè)根據(jù)需求調(diào)用，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)新的應(yīng)用場(chǎng)景。在集團(tuán)層面，可隨時(shí)調(diào)取查閱任意權(quán)屬礦井的最新圖紙和歷史資料，及時(shí)掌握煤礦生產(chǎn)現(xiàn)狀，為提升集團(tuán)整體生產(chǎn)技術(shù)管理水平奠定數(shù)據(jù)和平臺(tái)基礎(chǔ)，同時(shí)為各專業(yè)信息化智能化系統(tǒng)提供圖紙數(shù)據(jù)和GIS功能服務(wù)。煤礦沖擊地壓大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，直接從GIS平臺(tái)獲取礦井采掘工作面基礎(chǔ)信息和相關(guān)圖形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微震大能量事件及隱蔽致災(zāi)因素的拓展應(yīng)用與管理。

（3）提升礦井協(xié)同工作效率

在礦井層面，可將平臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)功能與各專業(yè)實(shí)際業(yè)務(wù)結(jié)合，拓展應(yīng)用于煤礦日常生產(chǎn)技術(shù)管理工作，數(shù)字化賦能煤礦生產(chǎn)技術(shù)資料管理，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的數(shù)據(jù)與圖檔管理，提高了科室與區(qū)隊(duì)技術(shù)人員的協(xié)同工作效率。

總結(jié)

（1）山東能源在薄煤層工作面支護(hù)、截割、輸送裝備的裝備升級(jí)，在薄煤層高效開采實(shí)踐中的減人、提效應(yīng)用效果，表明裝備性能提升和數(shù)智技術(shù)應(yīng)用是薄煤層開采安全效能、生產(chǎn)效率及綜合效益提升的必要手段，為煤炭行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展提供了可借鑒的“山能樣板”。

（2）薄煤層工作面對(duì)比傳統(tǒng)裝備單班割煤3刀、單面月產(chǎn)5萬(wàn)t，提高到單班割煤連續(xù)6刀、單面月產(chǎn)達(dá)到9萬(wàn)t的新水平。楊村煤礦、濱湖煤礦薄煤層智能化工作面建成運(yùn)行以來，自動(dòng)跟機(jī)移架率99%，遠(yuǎn)程截割率100%，有效提高了煤炭資源回收率，實(shí)現(xiàn)了薄煤層開采生產(chǎn)效率提升。

（3）楊村煤礦、濱湖煤礦應(yīng)用智能規(guī)劃截割精準(zhǔn)控制開采曲線，平均少割矸石10cm，有效杜絕割頂破底現(xiàn)象，降低了原煤灰分、減少了矸石上井，保障了能源綠色供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了薄煤層開采煤炭質(zhì)量提升，兩礦均具備單面年產(chǎn)100萬(wàn)t生產(chǎn)能力，每年創(chuàng)效2100萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)了薄煤層開采綜合效益提升。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國(guó)法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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