煤矿巷道智能化掘进感知关键技术

针对目前煤矿巷道掘进工作面智能化应用水平较低导致掘进效率低下、采掘接替紧张的问题,分析了制约巷道掘进工作面实现智能化的关键技术-快速掘进煤炭地质保障技术、智能超前自主感知技术、智能掘进大数据云计算及控制软件技术。论述了煤矿快速掘进理论及技术基础,以煤矿高分辨率三维地震勘探技术、矿井地质透明化技术为支撑,巷道围岩应力及其控制理论为基础,快速掘进设备为保障,形成实现煤矿智能高效掘进的探测、掘进、支护协同作业的基础支撑理论。重点阐述了煤矿巷道掘进工作面的智能超前自主感知技术,包括高分辨地质雷达探测技术、基于TSOA定位原理混合算法的掘进机位姿感知技术、基于同步定位与建图(SLAM)原理的掘进工作面环境感知技术、掘进设备运行状态感知技术。形成实现智能化掘进工作面的"掘进机位姿感知、工作面环境感知、设备状态感知"的空间一体化感知体系。在分析煤矿综掘工作面实现智能化快掘自主感知和调控技术的基础上,提出按照"以智能化超前感知为基础,以多源数据计算为中心,以安全智能快速掘进为目标"的原则进行设计和构建煤矿智能快速掘进技术体系。开发基于F5G通讯的多源数据和多源图像传输、存储技术,确保了数据传输的高效、可靠和稳定。依托大数据分析和云计算平台,开发具有CPU、存储和网络资源聚合计算基础架构VMware vSphere的软件-智能化掘进-SmartX,系统架构划分为数据源层、智能化超前感知数据采集层、多源数据和图像的传输存储层、大数据云平台数据分析层、决策应用层,包括超前地质探测精准感知、掘进设备位姿感知和掘进工作面环境感知等8个主要功能模块。形成智能化掘进工作面HadoopSpark一体化大数据云计算分析处理平台,智能化掘进-SmartX系统。分析煤矿巷道智能化掘进面临的挑战和未来发展,提出继续研制高质量感知设备与多源数据、图像深度融合技术,提高智能掘进设备上使用的感知设备种类、精度和智能性等,提升多源数据、图像在深度融合方面的精度和准确度。加大研发基于F5G通讯技术的掘进工艺智能化技术,智能化掘进设备在工作过程中,确保各项参数判定和指令动作在提前设定的状态下快速可靠准确完成。提出进一步提升巷道智能化掘进辅助生产环节的智能化水平,以减少现场作业人员数量,减轻作业人员劳动强度,实现掘进工作面智能化水平整体提升。     

智能化综采管理平台中多源异构数据处理

针对智能化综采管理平台存在的信息孤岛以及子系统割裂等煤矿建设中存在的一系列问题,提出了智能化综采管理平台中的多源异构数据处理系统为主体的智能化煤矿建设体系架构。通过对大数据的采集、存储、分析以及系统实现,在井下构建智能化的多源异构大数据平台,成功建成了各个子系统之间能够统一管理、信息之间能够共享的格局。分析认为,多源异构数据处理系统可实现各类多源异构数据的高效传输和快速处理分析,能消除信息孤岛,以及设备持续开采的周期寿命进行预警预判和自动分析。     

张家峁智能化煤矿巨系统关键技术研发与应用

为进一步加强传统采矿工程与新一代信息技术的不断深入融合发展，构建安全、智能、绿色、高效的煤矿，以张家峁煤矿为例介绍了智慧煤矿巨系统关键技术装备研发与示范矿井建设。以智慧煤矿总体规划及综合管理操作平台设计、智能化无人生产系统、智能化巷道掘进系统、环境感知及辅助系统、智能场区建设等为主线，进行张家峁智慧煤矿巨系统的建设。通过对煤矿5G移动通信技术，透明矿山三维管控平台关键技术，煤矿生产危险源分析预测技术，矿山采掘接续一张图集成技术，智能化无人工作面协同控制技术，环境感知及一通三防智能化技术等关键技术的应用解决了信息孤岛，提升了智能化采掘能力，提高了数据驱动决策，实现了矿区全域多源数据深度融合，生产效能、安全态势与业务流程协同优化的多维场景平衡综合分析决策，形成矿区智能化管理、高效协同运行新体系。     

煤矿智能化安全保障体系及关键技术

煤矿智能化是新时代煤炭行业发展的必经之路,是支撑我国未来煤炭行业生产方式转型的核心技术支撑。鉴于煤炭生产的风险客观存在性,智能化条件下的煤矿安全保障体系应适应于煤矿的智能化水平。系统论述了煤矿智能化安全保障体系的定义、内涵及技术特点,指出了其核心在于精准的地测感知、全面的数据平台、实时的风险评估和智慧的灾害处置,形成数字式、一站式、智能式的煤矿风险辨识、预警、处理闭环。介绍了煤矿智能化安全保障体系在感知层面、风险层面、设备层面和管理层面的架构,提出了包涵煤矿精准的全维感知、精确的煤矿风险识别预警、技术密集型的煤矿安全管理理念和智慧化的自检自修设备系统4项技术内涵。首先,在实现技术层面,阐述了需重点解决的以透明地质保障技术为基础,以煤矿大数据共享平台为载体,以煤矿重大风险评估预警技术为核心的关键技术体系,并初步给出了解决路径。然后,论述了系统软件平台的系统架构和核心技术,其要旨是实现系统数据"集成化"、要素展现"可视化"、风险评估"智能化"、操作软件"平台化"。最后,开发了面向煤矿智能化安全保障的煤矿智慧安全管控平台系统,实现了煤矿综合可视化操作平台、煤矿大数据分析平台、煤矿安全风险智能评估、多系统联动控制和移动可持式终端展示功能,为建设完整的煤矿智能化安全保障体系探索了一条可行的技术路径。     

基于云平台的煤矿安全智能管控信息平台设计

为消除煤矿各类监控系统与管理系统的数据孤岛问题,基于大数据与云计算技术,提出了基于云平台的煤矿安全智能管控信息平台设计构想,设计了由感知层、平台层以及应用层的平台架构,构建了基础信息管理、数据联网管理、风险分析指标模型管理、风险分析研判与处置、风险分析数据展现五大模块。同时,根据建立的煤矿安全风险分析指标体系,通过层次分析与隶属度函数结合的方法,实现了对煤矿安全风险的研判。结果表明,该信息平台提高了煤矿数据存储、传输和处理的效率,实现了对煤矿现有数据的有效分析,对于实现煤矿的安全管控,提升煤矿本质安全,有较好的效果。     

综采工作面智能化开采路径及关键技术

智能化开采是煤矿开采技术演进的必由之路,目前我国总体处于智能化开采的初级阶段,智能化开采理论体系尚需不断完善。通过分析我国不同煤矿开采阶段在生产信息获取、处理及控制技术等方面的技术特点,发现信息感知、分析和控制技术是煤矿开采方式进步的本质原因;基于智能化开采的基本要素,明确综采工作面智能化开采的内涵是以"互联互通"的智能化成套综采装备为载体,以物联网技术、人工智能技术、大数据技术、云计算技术、通信技术等现代技术与煤矿生产技术的深度融合为基础,通过智能信息感知、智能信息分析决策、智能控制与反馈,实现具有人工智能特征的工作面自动化采煤技术。提出综采工作面智能化开采的技术路径包含生产物理场景智能感知与矿山大数据储存,矿山大数据关联分析与智能决策,智能化生产装备精准协同控制等3个方面内容。结合目前我国智能化开采发展阶段和发展方向,提出了综采工作面智能化开采亟须突破的关键技术:开采全生命周期地质精准探测与建模技术;工作面生产场景精准感知技术;建立通信协议标准化的信息传输系统;复杂生产环境下的智能决策技术;智能化综采装备系统可靠性增强技术。结合工程实践介绍了基于人-装备-环境多源信息数据的特厚煤层智能化综放开采模式的初步应用。     

智能化煤矿顶层设计研究与实践

建设智能化煤矿是实现煤炭工业转型升级和高质量发展的必由之路。针对当前我国智能化煤矿建设初级阶段缺乏体系性与前瞻性的顶层设计的现状,进行了智能化煤矿顶层设计的系统研究,阐述了智能化煤矿应分为数字融合互联,人机主动交互,主要系统自学习自决策3个阶段分区域分层次实现"物质流、信息流、业务流"的高度一体化协同,构建以人为本的智能生产与生活协调运行的综合生态圈的建设目标和阶段性任务。基于煤矿价值活动分析对智能化煤矿复杂巨系统逻辑关联进行研究和系统归并,提出以泛在网络和大数据云平台为主要支撑,以智能管控一体化系统为核心,能够实现对煤矿开拓、生产、运营全过程进行感知、分析、决策、控制的煤矿十大主要智能系统,包括:煤矿智慧中心及综合管理系统;煤矿安全高效信息网络及地下精准位置服务系统;地质保障及4D-GIS动态信息系统;巷道智能快速掘进系统;开采工作面智能协同控制系统;煤流及辅助运输与仓储智能系统;煤矿井下环境感知及安全管控系统;煤炭洗选智能化系统;固定场所无人值守智能管理系统;煤矿场区及绿色生态智能系统等的智能化煤矿建设顶层架构。通过对数据特征与关联关系研究提出智能化煤矿信息实体特征与抽取方法,并研究智能化煤矿知识图谱构建及数据交互推送方法,构建智能化煤矿数字逻辑模型;研究提出智能化煤矿"云边端"数据处理架构和三层递阶控制策略,在此基础上对煤矿智能化应用系统进行具体设计。以张家峁煤矿生产矿井智能化改造和巴拉素煤矿新建矿井全面智能化建设为典型案例进行了工程实践。     

基于任务驱动的煤矿生产安全智能化管控平台设计与研究

在研究智能化矿井建设的基础上,根据具体业务和任务需求,从煤矿从业人员的角度出发,提出了一个发挥机关科室专业特长,促使基层联队安全、高效、高质量完成每日、每月、每年工作任务的智能化管控平台数学模型;设计了基于此管控平台所需的,将各种单一业务、任务信息化应用的数据之间联系起来的应用层、分析处理层、传输层、设备感知层的技术架构;描述了构建一个统一联动各子系统,实现信息收集与反馈,多类别、多来源不同感知信息集成与融合的数据采集系统,为调度指挥中心及平台使用者实现协同管控一体化、信息流通畅通化、生产效率最大化奠定了坚实的基础。     

煤炭行业大数据分析云平台设计研究

为解决煤炭行业大数据存储、共享及处理与分析等难题,进而提升煤炭行业管理和辅助决策水平,以贵州煤矿智能化升级改造为契机,通过文献研究、现场调研、专家咨询等方法,基于B/S结构设计了由数据采集层、平台支撑层、应用层及访问层组成的煤炭行业大数据分析云平台总体架构,并详细阐述了煤矿辅助生产系统智能化实时数据上云方案,同时构建了包括煤炭分布、煤炭规划、调度统计、预测预警、远程监控、科技创新等六大功能模块,最后按照总体设计方案搭建了煤炭行业大数据分析云平台,实现了对煤炭行业中煤炭分布、规划、调度等进行了全面监测和管理。应用效果表明,平台能够为政府监管部门、煤炭企业管理、科研机构及煤炭消费者等提供有效的数据支撑。     

智能化煤矿数据模型及复杂巨系统耦合技术体系

煤矿井下同步运行着通信、传感、控制等大小上百个子系统,形成了越来越复杂的智能化巨系统.针对整个矿井智能化巨系统缺乏统一数据模型、传感器数据不完备、跨系统数据融合等难题,提出统一的多源异构数据融合处理方法——基于"分级抽取-关联分析-虚实映射"的数据逻辑模型,构建了完整的煤矿井下跨系统全时空信息数字感知体系,形成集井下现...     

智能化煤矿数据治理概念模型及技术架构研究

智能化煤矿有限的网络、存储、计算资源同技术协同、数据协同、业务协同、组织协同和战略协同的现实需求之间的矛盾凸显,已使数据治理成为制约煤矿智能化建设的关键瓶颈,但智能化煤矿数据治理尚未形成完善的概念模型和技术架构。针对该问题,首先界定智能化煤矿数据治理内涵和关键活动,阐明数据治理对智能化煤矿建设的重要意义,基于五要素集成论构建智能化煤矿数据治理概念模型;然后在概念模型的指导下形成智能化煤矿数据治理技术架构基本思想并对技术架构进行具体设计;最后提出智能化煤矿数据治理实施策略,以期为智能化煤矿数据治理提供分析框架和研究逻辑,从顶层设计角度为智能化煤矿数据治理的技术实现指明思想路线和实施策略。     

煤矿智能化(初级阶段)技术体系研究与工程进展

煤炭是实现清洁高效利用的最经济、最可靠的能源,煤炭资源的智能、安全、高效开发与低碳清洁利用是实现我国煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。基于我国煤矿智能化初级阶段的发展要求,开展了煤矿智能化技术体系研究和工程建设,进行了智能化煤矿顶层设计研究,以"矿山即平台"的理念将智能化煤矿整体架构分为设备层、基础设施层、服务层与应用层,实现煤矿生产、安全、生态、保障的智能化闭环管理。针对智能化煤矿存在的信息孤岛问题,开展了多源异构数据建模、特征提取与数据挖掘等技术研究,研发了基于数据驱动的信息实体建模与更新技术;研究了智能化煤矿高精度三维地质模型构建方法,通过在刮板输送机上布设巡检机器人与三维激光扫描仪,将三维激光扫描数据与地质模型数据、采煤机位姿数据、采煤机摇臂截割数据进行有效融合,获取采煤机的实时截割曲线,通过比对采煤机实际截割曲线与地质模型的煤岩层分界面曲线,实现基于地质模型动态更新的煤层厚度自适应截割控制方法;研发了工作面采掘接续智能设计技术,实现了接续工作面图纸、规程、规范的智能设计,大幅降低了采掘接续过程中的重复劳动;研究了掘锚一体机的位姿检测与导航技术、自动打锚杆技术、自动铺网技术、巷道三维建模与质量监测技术,探索了基于远程视频监控的巷道智能高效掘进技术与装备;以"有人巡视,无人操作"为特征的智能化开采工作面在全国逐渐推广应用,开展了基于三维地质模型动态更新的采煤机自适应截割技术研发与实践,在部分矿区取得较好的试验效果。分析了智能分选技术、智能辅助运输技术、5G通信技术在煤矿井上下应用存在的技术难点及解决的技术路径,从技术研发角度系统分析了制约智能化煤矿建设的关键技术难题。详细阐述了神东煤炭集团、兖矿集团、同煤集团、阳煤集团、淄矿集团、新汶矿业集团等国内大型煤炭生产企业现阶段在智能化煤矿建设中取得的阶段性成果,从技术研发与现场实践相结合的角度分析了智能化煤矿建设过程中存在的主要技术难题与发展方向。同时对煤矿智能化标准体系进行研究,提出了煤矿智能化标准体系框架,起草制定了"智能化煤矿分类、分级技术条件与评价指标体系"、"智能化综采工作面分类、分级评价技术条件与指标体系"等相关标准,为智能化煤矿建设提供标准支撑。     

煤矿开采光纤光栅智能感知与安全决策关键技术研究

智能化开采是煤炭工业高质量发展的必由之路。为加快智能化煤矿建设,针对智能化开采初级阶段存在的煤矿开采环境与装备姿态信息感知不全面、多维感知信息精度低、多源异构数据融合弱、安全决策滞后等关键技术难题,笔者及团队经过多年的理论研究与现场应用,提出煤矿开采环境与装备姿态高精度光纤光栅感知理论,以解决多参量感知不准确、可靠性低的瓶颈问题,为高可靠矿用光纤光栅传感设备的研发提供了理论基础;开发了煤矿开采多维感知的光纤光栅传感技术与成套设备,解决了煤矿开采环境与装备姿态感知不全面、传感设备难组网等难题,为煤矿开采多参量感知的实践提供设备支撑;构建煤矿开采环境与装备姿态信息融合的安全决策平台,创新性地建立了煤矿开采“智能感知-动态响应-前兆预警-安全决策”关键技术体系。通过在40余座煤矿的实际应用表明,上述研究成果促进了煤矿开采的科技进步和产业升级发展,可有效解决煤矿智能化开采安全预警与融合决策的关键技术难题。     

煤矿机电设备运行状态大数据管理平台设计

针对目前煤矿机电设备运行状态数据量大、关系复杂且利用率低的现状,提出了一种基于Hadoop的煤矿机电设备运行状态大数据管理平台,整合企业资源数据和设备状态监测数据,建立适用于煤矿机电设备的大数据专用模型。对高通量数据管理技术、多源数据融合技术、并行化数据处理技术及数据可视化技术进行研究,并结合实际需求对数据管理分析平台的原型进行设计和开发。实验表明,该平台可实现对煤矿机电设备状态大数据的高效管理,为数字矿山的建设奠定了基础。     

智慧煤矿主体架构设计与系统平台建设关键技术

针对煤矿建设过程中存在的信息孤岛、子系统割裂等问题,提出了以"自主感知与控制-信息传输系统一操作平台-井下系统平台-生产经营管控平台"为主线的智慧煤矿建设主体架构,通过底层的自主感知系统对井下的"人-机-环-管"信息进行全面感知,并对感知信息的数据格式、通信协议、存储方式等进行统一,构建了井下多源异构大数据共享平台,实现了井下各子系统之间的数据统一管理与信息共享。利用统一操作平台对井下生产系统、安全保障系统、综合保障系统进行统一管理,解决了信息孤岛、子系统割裂等问题。井下系统平台不仅为上层的生产经营管理平台提供数据支撑,而且为底层机械设备的智能操控提供决策依据,实现了井下信息感知、分析、决策、控制的智能化操控。将智慧煤矿智能生产系统细分为地质及矿井采掘运通信息动态管理平台、井下精准定位导航通信管理操作平台、智能化少人采掘系统综合管理平台,详细阐述了智能综采子系统间的组织架构与实现路径。按照井下危险源的种类对智慧煤矿智能安全保障系统进行了分类,搭建了智能安全保障系统的主体架构,分析了井下危险行为、危险区域识别系统的技术路径。基于井下采掘工程需求分析,对智慧煤矿智能综合保障系统进行了分类,构建了智能综合保障系统的主体架构,详细论述了井下设备在线诊断与远程运维系统的实施过程。从基础理论、信息感知、数据处理、高效传输、精准控制5个方面,对未来需要突破的智慧煤矿建设关键技术进行了展望。     

基于多源数据集成的煤矿应急救援平台的研究

基于枣矿集团的网络通讯环境和安全监测监控系统,研究开发了基于多源数据集成的煤矿应急救援平台,分析了该救援平台的"1139"结构模式,详细介绍了多源数据统一集成与共享服务、多源数据统一集成平台逻辑结构和多源数据统一集成的实现方式。通过对不同应用系统的集成整合,初步实现了煤矿安全生产事故灾难的统一监测监控、预警预测、综合研判、信息共享、多级联动、协同救援和应急调度管理。枣矿集团通过应急救援平台的建设,提高了企业应急救援的快速响应能力和决策指挥的科学性。     

智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析

为解决煤炭开采面临的突出问题,找到煤炭开采未来发展方向和急需突破的关键核心技术,分析了国内外能源结构及煤炭的现状,指出利用科技进步实现安全高效绿色开采和清洁高效利用是煤炭的发展方向,建设智慧煤矿发展智能化开采是煤炭工业发展的必然选择。提出了智慧煤矿的内涵和3个基础理论问题及研究方向:① 数字煤矿多源异构数据的统一表达及信息动态关联关系;② 复杂围岩环境-开采系统作用机理及设备群全程路径和姿态智能控制的理论基础;③ 矿井设备群的系统健康状况预测、维护决策机制。提出了建设智慧煤矿MOS多系统综合管理、井下机器人群协同智慧和馈电管理、井下精确定位导航和5G通信管理、地质及矿井采掘运通信息动态管理、视频增强及实时数据驱动三维场景再现远程干预、环境及危险源感知与安全预警系统管理、智能化无人工作面系统管理和全矿井设备和设施健康管理八大智能系统管理操作平台的构想,分析了各平台的功能、特征和关键核心问题,提出了相应的建设路径和方法;分析了智慧煤矿的构成和建设目标,提出了智能化开采的八大核心技术短板和亟待攻破的关键技术,提出了技术层面从数据获取利用、智能决策和装备研发3个主要方向进行突破,管理层面从科学产能布局、专业化运行服务和建立新规范规程体系等促进发展的措施,指出了智慧煤矿和智能化开采技术发展的目标和实现路径。     

智能化煤矿数据治理能力评估与提升策略研究

数据治理能力是实现煤矿智能化建设整体目标的重要基础，对于加快煤矿智能化建设、促进煤炭工业数字化转型、构建现代化能源体系、建设数字中国具有重要意义。本文针对智能化煤矿数据治理能力提升的理论和方法进行探讨。首先剖析了煤矿智能化建设对数据治理的战略诉求，界定智能化煤矿数据治理能力的概念、内涵；然后构建智能化煤矿数据治理能力体系，为数据治理能力的科学评估提供依据；进而基于能力成熟度理论，构建智能化煤矿数据治理能力成熟度模型，指明智能化煤矿数据治理能力提升路径；最后基于PDCA循环理论，提出智能化煤矿数据治理能力提升策略，以期补充完善数据治理能力提升的理论基础，为数据治理最佳实践提供参考。     

矿山物联网的泛在特征分析与泛在能力建设

煤矿智能化是推动煤炭行业高质量发展,促进煤炭产业转型升级的核心技术支撑,矿山物联网技术的深入应用是提升煤矿数字化,实现煤矿智能化的重要基础条件。以煤矿监测监控系统为例,从传感技术与设备、子系统建设、信息化集成等方面分析了煤矿数字化建设的现状,提出了矿山物联网实现"万物感知、万物连接、万物智能"所面临的困难,包括:传感设备功耗大、稳定性不高、维护工作量大,标准规范滞后,子系统建设相对封闭、信息化集成应用受限等。结合智慧矿山的整体目标,概括了矿山物联网泛在感知、泛在连接和泛在智能的技术特性;以矿山物联网的泛在特征为主题,分析了感知的必要元素和能力,连接的必要标准和服务及智能化应用的方向。以提升矿山物联网的泛在能力,实现煤矿智慧体系为总体目标,对实现大样本感知、互联互通和应用智能等层面所需关键技术的国内外现状进行分析,指出:泛在感知的实现需要超低功耗的传感技术、位置服务技术和能量捕获技术的结合,形成无源无线、免标校的感知终端;泛在连接的实现应基于能够与位置服务结合的无线传输方式,应推进标准体系建设、形成D2D(Device to Device)的互联和D4D(Device for Device)的服务;泛在智能的实现是以泛在感知和泛在连接形成的大样本、多参量信息为基础的终端智能和区域智能。作为一种技术支撑体系,矿山物联网技术的深入应用体现在煤矿各个业务中,需要材料、微电子、机械制造、信息与通信等多种学科的前端整合。     

煤矿安全管理智能化建设及发展研究

为了深入探讨我国煤矿智能化建设大背景下，煤矿安全管理智能化建设的发展路径，研究了我国煤矿安全管理体系发展基础——煤矿质量标准化发展历程，分析了我国煤矿智能化发展现状，讨论了煤矿智能化建设对安全管理智能化的支撑作用，并基于此分析了当前安全标准化的构成及与智能化互相推动促进的关系。研究认为，智能化建设和安全管理标准化建设相辅相成、互相促进，智能化技术能促进安全管理标准化运行更高效，标准化建设能带动智能化建设更加全面，为实现煤矿智能安全高效开采，两者需共同发力。