綜采工作面設備繁多、環境復雜，傳統管控方式難以滿足智能化需求。以三道溝煤礦45205綜采工作面為研究對象，構建了涵蓋物理層、數字孿生平臺、數字孿生應用平臺和后臺管理4個模塊的數字孿生的綜采工作面協同控制系統，系統包括場景虛實映射、三維地質模型與孿生動態優化、規劃截割以及設備智能決策。實際應用中實現了地面遠程操作、三維漫游和規劃開采，顯著提升了設備開機率，降低了事故率和大型部件更換率，減少了作業人員數量，有效提高了煤礦智能化水平與安全生產能力。

文章來源：《智能礦山》2025年第3期“學術園地”欄目

第一作者：米彥軍，現任國能集團陜西德源府谷能源有限公司三道溝煤礦機電副礦長，主要從事煤礦機電、智能化建設等相關工作。E-mail：38178936@qq.com

通訊作者：張弼強，主要從事煤礦智能化建設工作。E-mail：362064837@qq.com

作者單位：國能集團陜西德源府谷能源有限公司三道溝煤礦

引用格式：米彥軍，梁偉鋒，張侯，等.三道溝煤礦數字孿生綜采工作面協同控制系統研發及應用[J].智能礦山，2025，6(3)：64-68.

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綜采工作面設備眾多，環境復雜，面向采煤機、液壓支架和刮板輸送機的狀態信息采集、數據傳輸、動作決策與執行等環節是數字孿生的關鍵。國能集團陜西德源府谷能源有限公司三道溝煤礦（簡稱三道溝煤礦）根據45205綜采工作面實際情況，以5G網絡作為數據鏈路，結合將物聯網、大數據和云計算，利用深度學習、數據挖掘和機器學習等算法，研發了數字孿生智能協同控制系統，實現對工作面三維建模、智能通風、災害預警等場景的精確感知，實現了生產過程進行精細化管控、智能化控制。

綜采工作面數字孿生協同控制系統架構

三道溝煤礦45205綜采工作面位于5-2煤層四盤區。可采長度為2675.8m，傾向長度291.5m，回采5-2煤層。煤層厚度2.65～4.27m，平均3.24m，設計采高3.2m。工作面供電設備19臺、液壓支架171臺、超前支架5組。設計轉載機、破碎機、泵站等環境及設備信息采集點8024個，接入三維地質模型、智能通風、災害預警等系統的數據合計10246個。

三道溝煤礦45205工作面數字孿生協同控制系統分為物理層、數字孿生平臺、數字孿生應用平臺、后臺管理等4個模塊，數字孿生協同控制系統架構如圖1所示。

圖1 數字孿生協同控制系統架構

（1）物理層主要功能是通過傳感器、相機、激光掃描等對采煤機、帶式輸送機、支架等物理設備實現實時數據采集，同時完成對井下工作面、巷道等狀態的感知。

（2）數字孿生平臺為系統核心，分為映射工具和虛擬空間2個部分。映射工具主要將現場真實數據轉換為數字信息，供虛擬空間使用；虛擬空間將數字信息轉換為孿生體信息，通過視覺渲染、接口技術等向外展示信息。

（3）數字孿生應用平臺是基于數字孿生平臺建立環境和設備信息感知、控制、運維等服務。

（4）后臺管理統一管理數字孿生平臺和應用實施。

三道溝煤礦45205工作面以5G網絡為信息通道，以數字孿生技術為核心，構建了綜采工作面信息感知模型，實現了虛擬空間對物理層環境和設備的實時跟蹤和可視化展示，通過虛實融合，共智互驅，實現工作面成套裝備的智能協同控制。

綜采數字孿生協同控制系統核心技術

2.1 綜采工作面場景虛實映射

針對三道溝煤礦45205工作面實際情況，對環境和設備分類建模。共建立37類設備、386個模型組件、155萬個三角面的綜采數字孿生模型。數字孿生通過在物理實體和數字孿生體之間全面建立精確映射的孿生關系，進而對操作對象全生命周期的狀態、過程及變化進行建模、仿真、分析和預測，實現對物理實體1∶1的忠實映射和復制，綜采工作面場景虛實映射效果界面如圖2所示。

圖2 綜采工作面場景虛實映射效果界面

2.2 三維地質模型與孿生動態優化

三維地質模型是透明工作面、規劃開采的核心基礎信息，也是設備智能控制與決策的支撐信息。三維地質模型與數字孿生系統的虛擬環境信息相融合，建立從實際地質信息到環境孿生體的映射關系是協同孿生控制系統的核心。

通過地質鉆孔、地震全波形反演、采掘工程等實測數據，采用GIS建立粗略三維地質模型；依托在工作面及兩巷道安裝的激光點云掃描設備，獲取工作面實時激光點云地質信息；對點云信息進行體系化處理，得到工作面實時柵格矢量數據；將矢量柵格信息與工作面回采位置匹配；采用BIM工具修正和優化GIS三維地質模型，三維地質模型界面如圖3所示。

圖3 三維地質模型界面

由于GIS三維地質模型以地質探測為基礎，在工作面回采過程中，只能反映少量地質信息，BIM將實時工作面激光點云信息轉化為虛擬空間孿生體，是GIS三維地質模型的細化信息，為規劃開采提供了重要決策信息。

2.3 基于數字孿生的綜采工作面規劃截割

三道溝煤礦45205工作面的GIS地質模型與激光點云數據動態優化、融合生成的環境孿生體，可真實反映工作面的實際狀態。在虛擬空間中，采煤機孿生體的動作可根工作面環境孿生體和支架、采煤機、刮板輸送機等設備孿生體的狀態信息，規劃采煤機動作。通過實時環境孿生體和設備孿生體數據，規劃開采決策算法，生成采煤機截割三維曲線，提前將下一開采循環的截割曲線下發至采煤機，實現自主規劃截割，基于數字孿生的規劃截割規劃如圖4所示。

圖4 基于數字孿生的規劃截割規劃

2.4 數字孿生的設備智能決策

數字孿生將工作面環境和設備均映射到虛擬空間，并與真實設備實現實時信息交互，為設備自分析、自診斷、自調整、自運行等智能決策提供了平臺。數字孿生的設備智能決策如圖5所示。

圖5 數字孿生的設備智能決策

傳感器檢測為時序信號，攝像頭、激光掃描為檢測手段的信息分別形成二維和三維信息，全面反映開采環境和設備實時狀態。三道溝煤礦45205工作面以環境和設備信息為基礎，形成設備智能決策數據源。利用5G網絡將實時信息傳送至大數據處理中心，數字孿生映射模型到虛擬空間；設備狀態感知、故障預測診斷、環境感知、風險評估與預警等數字孿生應用，根據實時數據對設備、環境和操作人員信息，推理設備動作決策，實現采煤機截割與行走姿態、支架支撐動作與平衡調節、刮板輸送機運載速度等智能協同控制。

綜采數字孿生協同控制系統現場應用

3.1 實現地面遠程操作

根據智能綜采數字孿生模型架構，建立滿足幾何、物理、行為、規則、約束的虛擬綜采工作面，將工作面機電設備、地理環境、人員位置監測、智能通風、災害預警等同步映射到孿生體大平臺中，實現工作面數字化描述，創建映射物理工作面的虛擬形態，跟蹤物理工作面實時數據、歷史數據及運行狀態，實現了綜采工作面從井下移至地面操控室人員的地面遠程操作，綜采工作面地面遠程操作如圖6所示。

圖6 綜采工作面地面遠程操作

3.2 綜采工作面三維漫游

基于PBR物理光照模型，對井下綜采設備高精度建模，地面真實還原綜采工作面的原生場景，模型支持自動漫游與手動漫游，通過多方向、多角度將井下采煤工作面以直觀、全面的方式展示，為使用者帶來沉浸式體驗，綜采工作面沉浸式漫游如圖7所示。

圖7 綜采工作面沉浸式漫游

3.3 綜采工作面規劃開采

基于綜采工作面地質模型與綜采設備歷史數據（支架姿態數據、采煤機位姿數據、慣導測繪數據、激光點云掃描數據），通過實時計算構建截割模型，生成截割預測三維曲線，提前將下一開采循環截割曲線下發至采煤機，實現自主規劃截割，綜采工作面規劃開采界面如圖8所示。

圖8 綜采工作面規劃開采界面

結語

三道溝煤礦45205綜采工作面數字孿生應用表明，設備開機率提升了19%，設備事故率降低了31%，大型部件更換率降低了30%；生產班平均作業人員減至3～4人。數字孿生技術在煤礦綜采工作面的應用，實現了三維建模和可視化、遠程智能操作，以及數據共享與協同作業等功能，更好地管理和控制煤礦生產過程和安全保障，提高了煤礦智能化水平和安全生產能力。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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