基于精确大地坐标的煤矿透明化智能综采工作面自适应割煤关键技术研究及系统应用

目前煤矿智能综采工作面存在生产环境状态不透明、成套装备难以应对煤层起伏变化、信息化与智能化集成度不高等问题,其系统的适应性和实用性受到影响。具体而言,主要是缺乏基于地理信息系统的可视化数字孪生管控平台,无法实现基于统一大地坐标驱动的透明化工作面的自适应割煤。为突破相关技术难题,提出并研究了测量机器人大地坐标传导、透明化工作面系统建立和动态修正、5G通信、采煤机与地质模型的自适应耦合以及基于时态地理信息系统（TGIS）的“一张图”一体化管控平台等多项关键技术,完成了多维可视化软件系统的开发与硬件系统的高度集成,实现了：(1)采煤机、刮板输送机等固定或移动目标点达毫米或厘米级的精确定位;(2)三维地测模型、设备模型、开采环境与工业控制之间的基于逻辑关系的一体化集成和数字孪生系统的构建;(3)综采工作面采煤机、视频、惯导、测量机器人和地质雷达等信息的可靠、实时传输;(4)为地面调度指挥控制中心的远程决策和智能自适应控制提供了可视化管控环境。系统已经成功应用于临沂矿业集团菏泽煤电郭屯煤矿3301,2305两个工作面,初步实现了较为复杂地质条件下的智能化自适应开采和地面远程管控。     

煤矿数字孪生智采工作面系统构建

为实现煤矿井下采煤工作面的全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测和协同控制,本文构建了数字孪生智采工作面系统的整体框架。首先,将数字孪生智采工作面系统划分为3个层次,并给出各层次的功能及特征;其次,分别构建了数字孪生智采工作面系统中采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、带式输送机、液压支架、乳化液泵站及工作面环境的数据感知模型,并深入剖析采煤机、液压支架、煤流运输系统及设备与环境之间的协同约束关系;最后,给出数字孪生智采工作面系统的整体应用体系结构。基于该数字孪生智采工作面系统,可以实现物理矿山实体与数字矿山孪生体之间的虚实映射与实时交互、数字孪生体的智能感知与协同控制,为提升采煤工作面智能化水平提供实现依据。     

数字孪生智采工作面技术架构研究

为了进一步提高煤矿井下智能化采煤工作面系统自主运行和人机交互能力,达到真正的无人化开采境界,提出数字孪生智采工作面系统(Digital Twin Smart Mining Workface)的概念、架构及构建方法,融合应用5G通信技术、物联网技术和仿生智能技术,从而搭建一个智采工作面的数字孪生远程操作平台。首次定义数字孪生智采工作面是一个数据可视化、人机强交互、工艺自优化的高逼真采煤工作面三维镜像场景,它由物理工作面、数字工作面和数据信息3个部分组成。介绍了DTSMW系统涉及的物理工作面、虚拟工作面、孪生数据、信息交互、模型驱动、边缘计算、沉浸式体验、云端服务、信息物理系统、智能终端等10项关键技术。新的DTSMW系统具有开采过程仿真、优化和监控功能,可以实现开采工艺数字孪生、开采过程数字孪生、设备性能数字孪生、生产管理数字孪生和生产安控数字孪生。研究了智采工作面的仿生智能特性,阐述了物理模块(躯干)、信息模块(大脑)、通信模块(神经)、控制模块(脑肌)、孪生模块(映像)的基本功能特征,特别描述了采煤机、液压支架和刮板输送机的仿生智能要素。针对DTSMW系统数据的高度依赖性,首次将智采...     

矿井综采工作面智能开采系统建设与分析

随着智能化开采在我国煤矿的应用推广,多处煤矿智能化建设已经卓有成效。本文通过构建煤矿智能综采适应性评价指标体系,确定影响智能综采适应性的主控因素,实现对智能综采工作面开采效能和安全性的智能评价。许疃煤矿8224工作面智能化开采以采煤机记忆截割、液压支架自动跟机和可视化远程监控为基础,实现在地面调度指挥中心或井下智能化工作面集控中心对综采设备的智能监测与集中控制。本文以许疃煤矿8224工作面为例阐述了智能化开采关键技术在煤矿的应用效果,并对其当前智能化建设现状及问题进行分析研究。     

煤矿综采工作面实时信息绘图系统的研究与应用

为了实时直观反映井下综采工作面生产过程中的相关情况,设计开发了一套煤矿综采工作面实时信息绘图系统,介绍了该系统的人机交互界面设计、结构设计和功能模块设计.基于AutoCAD二次开发技术设计的煤矿综采工作面实时信息绘图系统可以快速地、准确地和直观地实现当前综采工作面地质相关情况的实测素描图,实际应用表明,该系统实时绘图效果良好,具有较好的实用价值.     

基于数字孪生的智能化工作面三维监测技术研究

针对智能化工作面设备运行数据监控、视频监控存在的不足,结合智能化工作面成套设备状态实时监控需求,提出了一种基于数字孪生技术的多元信息驱动智能化工作面三维可视化监控方法。分析了当前煤矿工作面设备监控、视频监测以及三维可视化等存在的问题,系统阐述了将数字孪生技术应用于智能化生产过程监控的可行性、设计思路、技术路线与关键技术。对工作面煤机设备传感器配套、数字孪生三维监测系统架构、设备精准建模、工作面数字孪生体搭建、模型数据驱动算法、实时数据采集、运行数据管理分析、人机交互界面设计等进行了详细介绍。基于鄂尔多斯中煤某矿大采高智能化工作面,开发了一套工作面数字孪生三维监测系统,内嵌了三维展示、数据监控与开采工艺仿真功能模块,集成了设备传感器数据、生产运行控制数据、历史数据、人员定位数据以及相关的派生数据等,实现对工作面成套设备的实时三维动态监测、数据和模型三维融合展示、设备异常状态诊断预警、工况和生产数据分析管理以及自动化开采工艺虚拟仿真等。实践应用证明,该系统能够直观再现和精准描述设备状态,对工作面设备运行数据和生产数据提供系统性管理,提高了监测的效果。     

综采工作面远程智能监控系统研发及应用

针对中厚煤层地质条件复杂、煤与瓦斯突出等动力灾害威胁大、井下安全系数低等问题,根据蒙大纳林河二号井煤层赋存情况,为实现中厚煤层综采工作面智能化发展,研发了集本地控制、顺槽集中控制和地面远程控制于一体的中厚煤层综采工作面远程智能监控系统。通过视频监测技术对设备及环境等信息进行监测,在控制面板上实现了设备的“一键启停”;运用多传感器技术、数字孪生驱动技术和VR/AR技术实现综采工作面的三维可视化以及设备的实时监测与控制;采用EtherNet/IP通信技术实现地面监控中心与顺槽控制中心的数据交互。将上述关键技术在蒙大纳林河煤矿进行应用,实践结果表明,综采工作面远程智能监控系统实现了中厚煤层综采工作面远程监控,提高了井下生产效率和工作人员的安全系数,实现了综采工作面少人化智能开采,为无人化开采奠定了基础。     

煤矿综采工作面高效服务云管控平台

针对目前煤矿综采工作面远程监测监控系统存在信息孤岛、不利于煤矿智能管控的问题,提出了煤矿综采工作面高效服务云管控平台和多个煤矿综采高效服务云平台的设计思路。综采工作面高效服务云管控平台主要包括智能服务云平台系统、专家智能决策管控系统、设备工况数据交互系统、台账仓储交互系统、大数据决策平台管控系统、设备故障诊断数据交互系统、人员管理交互系统和安全监测监控系统等。在煤矿开展了试验验证,结果表明:该平台在PC端或手机移动终端实现了对综采工作面设备的实时监测、多个综采工作面人员高效协同管理和基于大数据的分析决策等功能,对煤矿安全、高效生产具有重要意义。     

智能综采工作面刮板输送机直线度监测方法研究

综采工作面刮板输送机的直线度误差受刮板输送机的轨迹检测误差和液压支架的推移误差的影响,给刮板输送机的状态监测带来了新的挑战。综采工作面刮板输送机直线度实时监测与控制及其获取精确、可靠的位置状态信息对煤矿智能化开采至关重要。为实现综采工作面刮板输送机自动化、智能化、无人化调直并有效地监测刮板输送机的状态,提出了一种基于卡尔曼滤波的刮板输送机位置状态估计方法,结合综采工作面采煤工艺,利用刮板输送机检测轨迹建立刮板输送机调直方法模型,针对传统方法无法实时反映刮板输送机运动状态的难题,以数字孪生技术作为物理世界与数字世界的桥梁,实时精准地反映刮板输送机的位置状态信息,研究综采工作面“三机”的工作特点,利用卡尔曼滤波算法实现对综采工作面刮板输送机直线度的有效监测,并通过改变检测误差与推移误差的正态分布来检验该方法的准确性。试验结果表明,所提出的监测方法能够有效地减小检测误差和推移误差对综采工作面刮板输送机直线度的影响,且在检测误差与推移误差较大时依旧能发挥出色的效果,监测精准率均能提高30%以上,能使综采工作面刮板输送机的直线度误差稳定在一定的范围内,提高刮板输送机直线度的监测精度。     

标准指导下的金家渠煤矿大倾角煤层智能化工作面建设

以煤矿智能化建设指南和综采工作面安装回收工作标准为指导，介绍了智能化工作面设备配套原则及其配置标准；针对工作面的空间尺寸规格和形状决定智能化工作面设备的安装质量和作用效果发挥，研究确定了两巷相关参数以及开切眼施工工艺；阐述了金家渠煤矿大倾角煤层110401智能化工作面采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机等设备以及电缆管道的安装布置工艺；依据工程设计标准，对该工作面进行了安装施工预验收，并参照山西省地方标准DB14/T 2060-2020智能煤矿建设规范，对该智能综采工作面进行了整体验收。     

智能化综采工作面全景视频远控技术研究及应用

针对智能化综采工作面建设中对井下少人化、无人化的目标诉求，依托先进的无线通信技术，发展全方位的视频监控系统，提升综采设备的远程操控能力，改善相关生产人员的作业环境，是煤矿智能化开采的重要方向。介绍了智能化综采工作面全景视频远控技术方案和该方案的整体架构，详细阐述了井下综采工作面5G网络部署、短物距下大视场摄像机成像、全景视频实时拼接算法等全景视频远控关键技术，以及对采煤机端侧远程操控进行的改造，同时分析了全景视频远控技术在工程实施过程中的难点。具体实践表明，应用综采工作面全景视频远控技术方案能够促进煤炭生产的减人增安，对煤矿智能化综采工作面的建设具有重要意义。     

煤矿5G智能化应用实践关键技术研究

基于山西新元煤矿5G技术智能化应用背景，通过剖析当前煤矿智能化对于4G与WiFi通信技术各项性能的发展需求，提出了煤矿5G智能化应用场景及设计内容；从智能化建设顶层设计体系出发，搭建矿用5G网络、部署组织架构，研究提出适用于井下精准协调控制、综采工作面设备智能监测与集中控制、系统运行状态回传和井下透明可视化巡检的技术方案，以实现井上井下协同作业、综采工作面智能化和机器人智能巡检。研究成果在新元煤矿31004和3411工作面进行应用，应用结果表明，技术方案的实施显著提高了煤矿经济效益，有助于推动实现煤矿井下少(无)人化作业。     

基于信息和态势感知技术智能综采工作面研究

对煤矿综采工作面的技术发展阶段进行了深入研究,对综采工作面的发展4个阶段的关键技术特征进行了分析,对基于信息技术和态势感知技术的智能化综采工作面的系统构成与应用进行了深入研究,并研究了智能综采工作面新技术、新工艺的应用。对煤矿智能化开采趋势和发展具有一定的研究价值和应用推广价值。     

知识驱动的智采数字孪生主动管控模式

构建煤矿智采工作面数字孪生系统需要挖掘“环-机-物”孪生体之间的隐含知识链和操作人员的决策控制经验，并建立虚实空间之间合理的信息交互方式。但是，物理空间与虚拟空间目前仅采用单一的被动信息交互机制。为解决生产运行控制与安全管理决策对开采过程不确定性的适应能力不足、虚拟空间对物理空间的综合管控鲁棒性不强、物理空间设备协同利用率不高等问题，提出一种新型的知识驱动虚实空间主动管控模式。构建了智采工作面五维数字孪生模型，并给出各个维度的具体含义；采用知识工程理论，给出智采工作面全工艺流程中的知识属性划分，建立3类先验知识的规则和模型表达；深入剖析“环-机-物”之间的多层次、多能流关联耦合关系，构建相应的知识动态演化模型；引入机器学习和决策优化方法，建立知识引导的虚实空间信息主动管控机制，从而形成数字孪生智采工作面的知识提取、知识迁移与知识利用新范式。通过提出的虚实空间新型主动管控模式，能够更好地应对煤矿地质条件的不确定性、开采环境的时空动态性，以及开采过程设备群的多样性，为煤矿高效、低碳的智能化开采提供技术支撑，实现平行矿山建设中的“信息可见、轨迹可循、状态可查”提供知识层面的高保真映射框架和决...     

综采工作面智能感知与智能控制关键技术与应用

"十三五"期间,我国煤矿开采开始进入了智能化模式,但处于智能开采的初级阶段。首先,对国内外智能开采技术进展进行了分析,重点介绍了澳大利亚的智能煤矿建设和北京天地玛珂电液控制系统有限公司的无人化综采工作面技术进展。其次,按照智能感知和智能控制2个环节总结了国内智能开采行业的顶层设计。对于智能感知关键技术,建立了智能感知技术体系,攻克了综采装备全方位感知技术和工作面自动找直技术,解决了惯性导航长时间坐标漂移的累积误差增大问题;以物联网推动了围岩透明感知技术,基于多信息融合的煤岩界面识别和超宽带雷达精细测量,具备了一定的超前探测能力和适应煤层地质条件变化能力,高精度三维动态地质模型的动态修正技术;将机器人技术引入到综采工作面感知体系中,通过巡检机器人实现综采工作面生产的快速无缝实时感知;通过对传统VR的建模技术升级,建立了工作面三维实景模型。对于智能控制关键技术,建立了智能控制技术体系,研究了远程监督型控制技术和自主控制技术,利用巡检机器人超前对煤岩界面自动检测和滚筒截割状态的实时识别,实现了智能调高控制、俯仰采控制和推进方向的平滑阶梯多级调整控制,开发了巡检机器人模式下的智能割煤工艺;通过对5G通信系统的协议改进,实现了工作面移动传输上行带宽超过300 Mbps和传输延时小于20 ms的视频传输性能。保证了综采远程控制的实时性和可靠性。通过智能感知与智能控制的关键技术应用,进行了远程干预型智能控制综采生产、视觉测量煤岩分界、直线度自动测量调直、超宽带雷达探测、真实场景综采工作面三维建模和巡检机器人自主采煤等应用实践。最后提出了尚待解决的理论和关键技术问题:深度超前精确探测理论体系、综采全工艺流程无人化控制理论体系、全矿井无缝覆盖通信定位体系、复杂环境下的目标识别、上窜下滑控制和超前自动移架技术等。     

GE智能平台在张家峁煤矿综采工作面的应用

为实现综采工作面监控和提高矿井综合自动化水平,张家峁煤矿研发并应用了基于GE智能平台的监控系统.对系统结构、通信及控制部分进行了介绍.该系统能全面监控综采工作面设备运行状况,经实际使用,效果良好.     

基于工业元宇宙的综采工作面虚实融合运行模式初步探索

以数字孪生技术形成虚实融合的运行模式是推进智能化建设的关键，而以数字孪生为基础的工业元宇宙是智采工作面未来发展的方向。提出基于虚拟现实-数字孪生-信息物理系统-工业元宇宙的综采工作面虚实融合运行模式构想，具有展示与离线模拟、监测与辅助操作、在线模拟与预演等六大内涵特征，是逐渐由低层级的展示模拟到高层级深度融合功能的演变过程，最终具备由实到虚精准的复制映射能力、虚拟迭代的推理预测决策能力、由虚到实的复制控制能力以及虚实人机无缝协作和精益化管理四大能力。分析工业元宇宙所具备的4种能力和实现工业元宇宙的关键技术。在已有的监测、决策、控制能力的基础上融入能加强现场操作人员与远程操作人员协作能力的AR远程协助技术、能加强操作人员安全性的机器人协同技术与能在虚拟空间内利用AI驱动运行的虚拟人技术，构建了基于工业元宇宙的液压支架调架实验系统，形成工业元宇宙在煤矿开采中应用的初步认识。     

王坡煤业透明工作面数字孪生系统应用研究

针对智能化建设对新技术的迫切需求,在分析数字孪生技术的起源、概念及其在煤炭行业应用现状的基础上,阐述了数字孪生系统架构和关键技术,设计了透明化综放工作面数字孪生系统的功能架构,基于Unity3D开发了王坡煤业透明化工作面数字孪生系统。工程实践结果表明,基于实际采掘数据驱动实现综放工作面与虚拟综放工作面之间同步映射的思路在技术上是可行的,能为智能化、透明化矿井建设提供参考。     

砚北煤矿S_1 202综放工作面快速安装方法

综采工作面安装是一项多工种、多工序的复杂工作。介绍了砚北煤矿采用平行作业和流水作业相结合的快速安装综采工作面的方法,实现了综采工作面安装的快速化、安全化、经济化。     

煤矿综采工作面智能服务大数据决策平台

针对现有综采工作面远程监测监控系统无法实现设备全生命周期管理和专家远程指导维护等问题,构建了煤矿综采工作面智能服务大数据决策平台。该平台主要包括智能服务提升大数据决策系统、综采设备故障预判系统、综采设备全生命周期管理系统、综采设备工况数据管理系统、综采设备故障诊断数据管理系统和服务任务管理系统。该平台实现了综采设备工况数据采集、故障预判、专家远程指导维护、设备全生命周期管理和人员管理,并且管理者、服务工作人员在保证生产安全、网络安全、数据安全的前提下,在PC端、网页、移动终端可以对煤矿综采工作面进行实时监测,从而实现管理者、技术工程师高效调度管理和决策指挥,对于煤矿安全、高效生产具有重要意义。