摘要:简述了数字化的概念、内涵，并对煤矿数字化矿山技术的具体实施内容及方案进行了分析

关键词：煤矿生产自动化；数字矿山；综合自动化；安全生产

问题的提出

      数字矿山是建立在数字化、信息化、虚拟化和集成化基础上的，有计算机网络管理的管控一体化系统。它综合生产、经营、管理、环境、资源、安全与效益等各种因素，使企业在实施绿色采矿的条件下实现整体协调优化，以增强矿山企业在市场中的竞争能力和适应能力。数字矿山的是最终目标是矿山的综合自动化。

      我国的煤炭工业是国民经济重要的基础产业，但与国际上发达国家相比，我国煤炭企业普遍存在两个方面的不足；一是煤矿总体装备技术水平，尤其是系统的整体有效性、信息化水平不高；二是煤矿生产事故多，造成国家财产和人民生命的严重损失。其根本原因是对矿井作业过程和环境状况缺乏一套系统、科学的动态监测、分析以及实时有效的控制技术。现代科学技术的发展，尤其是信息化时代的到来，为煤炭工业这一传统工业的改造指定了方向。

      煤矿井下各种监测，监控系统繁多，目前国内这些监测、监控系统仍处于相互独立的状态。各种系统字成体系，信息不能互通，造成通信线路重复投资、重复建设，系统维护量增大,整体可靠性差.许多企业仅仅通过安全生产监控网络将各种子系统连接起来,仍不能实现系统资源管理和信息的共享。这种网络的通讯方式为分时通讯，数据分时采集，远远达不到工业系统实时性是要求。而且现有的矿级网络大多仅支持办公自动化，其实时性、可靠性和抗恶劣环境的能力还不能满足煤矿安全，生产、调度系统的需要。此外，信息不能综合利用，难以从系统工程的整体角度来对矿山进行统一的自动化调度管理。开发数字化矿山关键技术，通过与科研院校的联合，在对煤炭生产过程、作业环境、事故预测、安全控制等关键环节的重点研究，解决关键技术的基础上，全面运用电子信息技术，形成高效的自动化安全生产技术，构建一座真正意义上的数字化煤矿，可实现改造传统工业，提升企业生产装备的综合自动化水平的目的，使其生产流程和安全性控制程序化，集成化、网络化、智能化、大大提高生产、安全装备的综合自动化水平，提高安全监控系统的可用性,确保生产安全和高产效。数字矿山的总体构架。图略。

2国内外概况

2.1  国外相关学派与技术发展的概况

    “数字矿山”是一个实时管理矿区全部信息资源人力资源、生产要素和生产活动、销售活动的信息处理系统，完全意义上的国外相关产品还未见报道，但已有许多相关的地理信息系统平台商品化软件。在通用地理信息系统方面有代表性的有：每个环境系统研究所（ESRI）的ARC/Info。美国Mapinfo公司的MapinfoGIS，澳大利亚GENASYS公司的GENAMAP。美国INTERGRAPH公司的MGE。在地质、水文，矿山等专门地质信息系统方面有代表性的有加APOLLO公司的TITSN GIS，MICROLYNX地学三维模型分析软件。德国FEFLOW公司的FEFLOW 地下水模拟软件等。

2.2  国内相关产品与技术现状

      对于煤炭行业，“数字矿山”或“数字矿区”是煤炭企业实现“企业信息化工程”的主体工程。鉴于“数字矿山”核心技术复杂、投入大、开发周期长，而国际国内在这方面起步时间都不长，所以虽然有些煤炭企业正在或准备开展该项工作，但均不是完全意义上的“数字矿山”。山东   矿山集团公司与2001年开展了“数字 矿”的立项和建设，但目前仅仅局限在“地测空间信息平台构建与开发”，离真正的数字矿山尚有很大距离。徐州矿务集团公司亦开展了“数字煤矿”的建设，先以张双楼煤矿作为试点，但无论在广度（全面的煤矿数字化）的深度（以数字化作为煤矿生产的核心技术）上都还远远不够。$Page_Split$

3、总体实施方案研究

3.1技术特点、关键技术和关键工艺

     煤矿高效自动化安全生产技术——数字化矿山关键技术开发，核心是矿山高效自动化安全生产技术。关键技术主要包括：（1）基于三维GIS的矿井综合信息管理平台的开发；（2）贯穿矿井生产安全过程的综合自动化监测与控制系统；（3）以数值模拟，实时响应及控制为核心的智能化坎井安全监测监控系统。

      关键的工艺是建立一套集井下各类实时数据（生产、安全）的有效采集、准确传输、科学分析、智能化顶测、及时控制和反馈的矿井自动化综合安全生产技术，形成统一平台，其中包含宽带数据传输平台，语音通讯平台，宽带视频传输平台，构建统一的支持各类应用的计算机网络平台，是三网融合。建立统一数据平台，建立以数据中心为基础的企业统一数据平台。逐步构建企业的数据仓库。以统一系统支撑平台，建立以门户技术为核心的应用系统支撑平台。使用门户技术能够和信息系统有效完整集成，具有个性化的定制能力、支持多种开发环境并在管理和维护方面简单。通过统一应用平台，建立以应用服务器技术为核心的三层网络应用技术为基础的应用开发平台。

3.2.1实施的具体内容

     （1）基于三维GIS的矿井综合信息管理平台。首先应用三维GIS技术建立矿井综合信息管理平台，开发出一个实时动态的三维可视化平台，实现矿井空间位置、作业环境、生产过程与行为、设备工况、安全状况等的数字化、生产指挥、调度、管理的科学化与智能化，使信息资源实现最大化的利用。主要包括井下信息管理子系统和地面管理信息系统功能的实现。具有以下特点，数据的完备性，实时信息采集与处理的快速性、正确性、有效性和安全性，管理、指挥的全方位性、预见性和突发事件处理的最佳性。

    （2）矿井生产全过程的综合自动化监测与控制系统，对现有生产系统进行综合自动化改造、自动化补套，将分散独立的子系统进行综合集成，提升生产工艺流程的集约化水平，优化过程控制，建立底层控制网，初步实现主要生产系统的集中监控和部分系统的关联互动。

     （3）数值模拟。实现响应及控制为核心的智能化矿井安全监测监控系统。对安全监测系统进行进一步的优化与完善，尤其是建立一套能对安全监测数据进行全面分析、从而进行灾害识别、预测，并能通过生产综合生产自动化控制系统进行有效控制的安全测控系统。

3.2.2实施的具体内容和技术路线

     （1）基于三维GIS的矿井综合信息管理平台。首先应用三维地理信息技术建立的复合地质数据库和矿井真三维空间地质模型建立生产管理信息系统、地质测量子系统、矿井三维空间地质建模、信息查询及输出模块、采掘信息管理子系统、生产与矿井储量分类统计报表输出模块、运输及生产保障信息子系统。

本系统项目拟采取的技术路线为：

      从矿区层面的地测空间数据入手，按空间数据的几和特征和业务门类进行分类组合，并按国际和行业标准，建立统一的编码系统。根据业务门类或指定主题，按照“不重不漏，留有余地”的原则，规划、构建矿区层面的数据仓库，每一个主题可对应于一个子仓库，如地质、采矿、运输及保障等，每一个子仓库可与一个或几个分布在各矿的操作数据库相连。

      不论某空间要素分布在何处，也不论其原始记录数字 化与否，皆应通过信息平台的构建，使每一个地测空间要素都对应一个体现上述综合特征的标识码，该标识码及其对应的空间要素的所有信息可以分布式地存放在已有的操作型数据库中。凭借数据仓库特有的“向下探察技术”，首先要能够根据标识码从散布在数据仓库里的海量数据中“找到”所需数据，然后通过适当的数据转化机制“打开”该数据，使之能为特定的研究目标所用。根据三维GIS理论和方法，运用空间分析、虚拟现实、WebGIS等技术，构建真三维空间实体模型，动态模拟地质变化、采掘过程、运输过程。建立多维地测绘图系统。建立数据仓库及处理结果的网上数据接口、界面，使用户不仅通过网络实现二维或三维的显示和输出，而且可以借助多维地测绘图系统实现快速成图。

    （2）井下主要设备、生产过程等系统的自动化监测与控制系统。当前国内绝大多数厂矿企业自动化系统都是多个子系统组成，各厂家的产品自成系统，分立运行、彼此无联系，整个系统形成多个自动化监控孤岛。为了实现自动化系统，国内目前许多许多地方采用组态软件（如fix，iniouch、组态王）和网络等IT技术来进行系统集成。因各子系统厂家不同，通信协议不标准，因此实施起来较困难，设计、安装、调试周期长，维护困难，使用设备和布线多，效果差。

      为实现矿井综合自动化监测监控传统集成，建议采用以现场总线为基础的全数字控制系统——现场总线控制系统（FCS）。FCS是信息化在工业自动化领域的体现，是工业自动化发展的方向，是系统集成的重要手段。矿井生产自动化监测与控制系统主要包括：综采工作监控系统、胶带机监控系统、机电设备自动化系统等。首先是应用现场总线建立底层设备之间的通信网络，是计算机数字通信技术在自动化领域的应用，为底层设备信息及生产过程信息集成提供了通信技术平台。实现监控信息纵向集成的透明通信。把DCS集中与分散相结合的集散系统结构,变成了新型全分布式结构,把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身使可实现基本控制功能。工业以太网是以太网技术与现场总线技术相结合的产物，以光纤为传输通道，主要敷设在大巷和主要联络巷道。根据煤矿的实际情况，采用有线、无线等多种方式建立各种监测、监控系统接入综合业务网。控制系统和计算机系统接口技术，基于实时历史数据库管控一体化平台技术，现场总线技术，工业以太网技术，闭环检测控制技术。

      开发数据接口，将各个已有控制系统的实时数据送入一个统一的实时历史数据库管控一体化平台，从此可实现各系统数据共享，构建数据仓库；采用自动控制系统采集现场各生产参数，对现场设备和参数进行监控；通过相应的通信接口如OPC SERVER将各生产对象的数据采集，数据作为整个生产控制信息集成的基础。采集的井下生产数据及地面各控制系统实时数据拟采用工业以太网前沿传输技术，传递到相应的中央服务器或根据地域划分的应用服务器，实现地域调度和集团总体管理。

      主要包括①综采工作面临监控主要实现支架自动电液控制、顶板压力监测和工作面内所有生产设备的集中控制，达到改善作业条件和减人少人的目的。同时采用现场总线技术将系统内的信息送至地面控制中心，为生产调度指挥系统提供可靠的基础信息。②胶带机运输和提升监控系统：本系统通过采用现场总线技术实现对主井胶带机、各盘区胶带机、煤仓给煤机和煤仓库煤位的集中监控，并结合工业电视监视系统和信号通信系统，实现原煤胶带机运输系统的集中控制，提高整个系统的稳定性、可控性，减少岗位司机，提高生产效率。同时将系统内的信息送至地面监控中心，为生产控制和调度指挥系统提供可靠的基础信息。③机电设备自动化系统：通风机房监控系统、压风机自动化系统、井下供排水控制系统、井下供电监控系统。④洗煤厂原煤加工综合自动化系统：采用先进的计算机控制技术、管理技术，通讯网络技术和信息技术，进行系统集成，构成洗煤厂综合自动化信息系统（CIMS），将洗煤厂各独立的控制系统集中进行监控。监控系统与洗煤厂计算机管理信息系统和工业电视监视系统联网，实现集成化和管理一体化，以提高煤炭产品加工质量和生产效率，减员提效，降低生产成本，从而提高企业的经济效益和市场竞争力。

      矿井宽带多功能移动通信系统的开发与应用：工作频率可根据需要，在4MHZ宽带的范围内任意设定。多个信道自动扫描、自动分配，并在手机和基站上自动显示：与地面公用有线电话网和无线移动电话联网；手机和基台的发射功率连续可调，满足各种不同矿井的不同需求，使系统的应用范围更广。可为今后的人员跟踪，图象传输和井下寻呼系统提供技术平台和传输通道。设计带通滤波器设计，采用微机办公室MWOFFICE方法得出较为理想的LC滤波器指标达到设计要求。双向中继放大器的自激。主要改善方法是变换射频信号的接地方法，经过多次调试才获得成功。本安手机电池的研制，研制大容量手机电池（1500mAh），采用新型CCR器件，需经上海防爆检验站的检验，取得了防爆检验合格证。针对现有问题进行相应的技术发展，如采用自诊断技术以提高生产效率，降低维护人员的劳动强度；采用井下宽带放大器以承载多种业务；进行电磁兼容和电缆、外壳改造等综合设计以提高产品的可靠性；采用成熟电路和新型元件以提高产品的集成度和稳定性。

    （3）矿井安全监测监控系统。①矿井监测系统准确、及时的报警技术：根据灾害的不同种类，确定监测系统传感器优化设置参数，包括传感器的类型、数量、布置间距、位置、报警限设置等，并根据不同种类传感器的特性和灾害发生的规律，开发辨别灾害误报、错报的技术、提高矿井灾害预警及时性和可靠性。以提高监测系统相关安全信息的及时传输能力，缩短灾害动态模拟技术的基础上，结合GIS技术，在通风系统风流状态参数变化的影响；