礦山智能化精準感知技術(shù)專題

基于數(shù)字孿生技術(shù)，采用多源數(shù)據(jù)融合、三維建模及動態(tài)仿真等方法，開展了煤礦綜采工作面兩巷數(shù)字孿生系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計與功能開發(fā)。研究構(gòu)建了包含物理層、感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、展示層的五層系統(tǒng)架構(gòu)，通過傳感器實時采集設(shè)備運行與環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至平臺層分析處理后，在展示層生成全要素虛擬場景。開發(fā)了設(shè)備全局總覽、單元運行監(jiān)控、固定與自由巡檢模式等功能模塊，實現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)三維可視化、故障預(yù)警及遠程運維管理。應(yīng)用案例表明：在小保當(dāng)煤礦實現(xiàn)了關(guān)鍵數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測與智能預(yù)警，減少工作面巡檢人員數(shù)量，提升了煤礦生產(chǎn)的智能化水平與安全保障能力。

文章來源：《智能礦山》2025年第6期“礦山智能化精準感知技術(shù)"專題”

作者簡介：王皓宇，主要從事自動化及無人化開采技術(shù)方面的研究工作，E-mail：wanghaoy@tdmarco.com

作者單位：北京天瑪智控科技股份有限公司

引用格式：王皓宇.煤礦綜采工作面兩巷數(shù)字孿生系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(4)：60-65.

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煤礦綜采工作面作為煤炭生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)，智能化水平直接影響煤礦的生產(chǎn)效率和安全性。由于煤礦綜采工作面環(huán)境復(fù)雜、裝備眾多，智能化升級面臨諸多挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生技術(shù)的引入為解決此類問題提供了新的思路和方法。

數(shù)字孿生技術(shù)概述

數(shù)字孿生技術(shù)借助先進的數(shù)字化手段，在虛擬空間構(gòu)建出與現(xiàn)實世界中的物體、系統(tǒng)或流程高度一致的虛擬模型。模型精準復(fù)刻物理實體幾何結(jié)構(gòu)與外觀，實時映射動態(tài)運行狀態(tài)、行為模式及性能表現(xiàn)。

在煤礦生產(chǎn)場景中，數(shù)字孿生技術(shù)通過建模與仿真技術(shù)，構(gòu)建井下巷道、采掘工作面、通風(fēng)系統(tǒng)等精確數(shù)字模型，模擬瓦斯、煤塵等危險氣體擴散路徑及透水、冒頂?shù)仁鹿蔬^程，提前預(yù)判安全隱患點，為制定安全防護措施提供依據(jù)。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時采集并同步井下設(shè)備運行參數(shù)與環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)至模型，出現(xiàn)異常情況及時預(yù)警，降低事故風(fēng)險，保障安全生產(chǎn)。

通過實時監(jiān)測分析采煤機、刮板輸送機等設(shè)備運行，利用人工智能算法預(yù)測設(shè)備故障，維護減少停機時間；運輸系統(tǒng)建模仿真合理規(guī)劃煤炭運輸路線，提高運輸效率。運用數(shù)據(jù)融合與交互技術(shù)，整合地質(zhì)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)計劃、設(shè)備狀態(tài)等多源信息，提供決策支持優(yōu)化生產(chǎn)資源配置，助力提升生產(chǎn)效率。

煤礦綜采工作面兩巷數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

煤礦綜采工作面兩巷數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)是實現(xiàn)智能化開采的核心支撐，主要涵蓋物理層、感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和展示層5個關(guān)鍵層次，煤礦綜采工作面兩巷數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦綜采工作面兩巷數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

（1）物理層

物理層是整個系統(tǒng)的基石，包括綜采配套設(shè)備、井下作業(yè)人員、煤層煤料以及井下環(huán)境等所有實際參與煤炭生產(chǎn)的物理對象，物理實體構(gòu)成的真實生產(chǎn)場景是數(shù)字孿生系統(tǒng)模擬和映射的原型。

（2）感知層

感知層采集和傳輸綜采工作面多源異構(gòu)實時數(shù)據(jù)，通過溫度傳感器、液位傳感器，壓力傳感器及其他多種傳感器，全方位、多角度采集監(jiān)測設(shè)備運行溫度、液壓系統(tǒng)液位、頂板壓力等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換后上傳，為后續(xù)分析處理提供原始數(shù)據(jù)。

（3）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層連接感知層與平臺層。網(wǎng)絡(luò)交換機、5G 基站以及 API 網(wǎng)管等關(guān)鍵設(shè)備在此層協(xié)同運作。網(wǎng)絡(luò)交換機進行數(shù)據(jù)交換與分發(fā)，5G基站高速率、低時延、大連接保障數(shù)據(jù)的傳輸速度與穩(wěn)定性，海量傳感數(shù)據(jù)實時傳。API 網(wǎng)管通過智能化管理，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/span>

（4）平臺層

平臺層接收到感知層上傳的傳感數(shù)據(jù)后，依據(jù)協(xié)議進行深入分析與處理。分析設(shè)備運行數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備潛在故障風(fēng)險。處理后的數(shù)據(jù)會精準下發(fā)到模型層，確保數(shù)據(jù)的準確性、有效性和可用性，為后續(xù)的決策支持、智能化控制和各類應(yīng)用提供數(shù)據(jù)保障。

（5）展示層

展示層呈現(xiàn)與實際綜采工作面全要素、全流程對應(yīng)的虛擬對象。孿生數(shù)據(jù)源自感知層，為虛擬場景提供真實數(shù)據(jù)支撐；孿生模型的三維結(jié)構(gòu)模型，直觀展示設(shè)備與煤層的空間關(guān)系，仿真模型模擬生產(chǎn)過程中的各種工況。

數(shù)字孿生環(huán)境是對井下生產(chǎn)環(huán)境的逼真虛擬映射，從光照、溫度到通風(fēng)情況，力求與實際一致。為操作人員提供沉浸式交互體驗，實時掌握生產(chǎn)動態(tài)，并做出科學(xué)決策。煤礦綜采工作面兩巷數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)各層緊密協(xié)作，實現(xiàn)了物理世界與虛擬世界的深度融合，為煤炭安全、高效、智能化開采提供了有力保障。

煤礦綜采工作面兩巷數(shù)字孿生系統(tǒng)功能

煤礦綜采工作面兩巷中設(shè)備種類多樣，主要設(shè)備包括以下6類。

（1）超前架位于工作面最前方是巷道前沿支護設(shè)備，防止頂板在開采過程中發(fā)生坍塌，為后續(xù)作業(yè)提供安全的空間環(huán)境，確保人員和設(shè)備的安全通行。

（2）破碎機緊鄰采煤作業(yè)區(qū)域，破碎處理大塊煤炭，使其粒度符合后續(xù)運輸和加工要求，保障煤炭運輸?shù)捻槙场＾D(zhuǎn)載機架在采煤工作面與帶式輸送機之間，將刮板輸送機運來的煤炭順利轉(zhuǎn)載至帶式輸送機，實現(xiàn)煤炭從工作面到地面運輸系統(tǒng)的高效銜接。

（3）乳化泵為液壓支架等設(shè)備提供高壓乳化液，確保液壓系統(tǒng)正常工作，保障支護設(shè)備穩(wěn)定運行；噴霧泵通過產(chǎn)生高壓水霧，用于降塵、冷卻設(shè)備以及改善作業(yè)環(huán)境，減少粉塵對工作人員健康的危害。增加泵根據(jù)巷道內(nèi)實際需求，靈活調(diào)節(jié)液體壓力和流量，滿足特定工況下的液體輸送要求。

（4）組合開關(guān)是電氣設(shè)備的控制中樞，對各類用電設(shè)備進行集中控制與保護，確保設(shè)備運行的穩(wěn)定性和安全性，防止電氣故障引發(fā)事故。移變開關(guān)轉(zhuǎn)換和分配電壓，為不同設(shè)備提供合適的電壓等級，保障設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。

（5）水處理設(shè)備在兩巷中凈化水資源，處理井下污水達到可重復(fù)利用標準，實現(xiàn)水資源合理循環(huán)利用，降低生產(chǎn)成本。水箱和液箱分別用于儲存水和乳化液等液體介質(zhì)，為噴霧泵、乳化泵等設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定地供應(yīng)工作液體。

（6）集控中心為整個綜采工作面兩巷設(shè)備的控制系統(tǒng)，通過整合各類設(shè)備數(shù)據(jù)信息，集中監(jiān)控、遠程操作以及智能化管理各類設(shè)備，提高生產(chǎn)效率和安全性，所有設(shè)備協(xié)同工作，共同保障了煤礦綜采工作面兩巷的正常生產(chǎn)運作。

3.1 煤礦綜采工作面兩巷設(shè)備全局總覽

運用數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建綜采工作面兩巷設(shè)備的全局總覽界面。對兩巷設(shè)備的超前支架、破碎機、轉(zhuǎn)載機等所有設(shè)備，依據(jù)作業(yè)邏輯科學(xué)合理的抽象布局，構(gòu)建出清晰直觀、便于用戶理解和操作的設(shè)備運行三維場景。

在三維場景中，利用線條、箭頭等圖形元素，精準且全面地呈現(xiàn)設(shè)備之間的邏輯連接以及信息傳遞關(guān)系。泵站向支架供液通過線條相連，箭頭指向明確表示乳化液及水的流動方向，展現(xiàn)出傳輸邏輯，同時清晰展現(xiàn)各設(shè)備間數(shù)據(jù)交換、通信和控制關(guān)聯(lián)。

借助動態(tài)圖標和圖表，為每臺設(shè)備定義獨特標識，設(shè)備圖標根據(jù)運行狀態(tài)呈現(xiàn)不同顏色，綠色代表正常運行，紅色則警示故障。生產(chǎn)數(shù)據(jù)的連續(xù)運行時長、泵站出口壓力等，以動態(tài)圖表形式實時更新展示。

3D 模型高度還原設(shè)備外觀與結(jié)構(gòu)，配合實時動態(tài)展示，用戶可全方位觀察設(shè)備運轉(zhuǎn)細節(jié)，在地面監(jiān)控中心或遠程移動端，可迅速掌握全局設(shè)備作業(yè)邏輯，實時監(jiān)控和有效管理設(shè)備狀態(tài)，煤礦綜采工作面兩巷設(shè)備設(shè)備總覽界面如圖2所示。

圖2 煤礦綜采工作面兩巷設(shè)備設(shè)備總覽界面

3.2 煤礦綜采工作面設(shè)備單元運行監(jiān)控

精準展現(xiàn)單個設(shè)備的運行狀態(tài)，基于設(shè)備運行數(shù)據(jù)建立驅(qū)動模擬，根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)模擬和展示設(shè)備內(nèi)部機械運動。通過固定接口獲取傳感器數(shù)據(jù)，提供實時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，顯示設(shè)備運行時的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)。

乳化液系統(tǒng)涵蓋乳化液箱與乳化液泵。依據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器實際運行數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生模型精準模擬電機的高速旋轉(zhuǎn)，帶動泵體內(nèi)部活塞有節(jié)奏地往復(fù)運動，將乳化液從乳化液箱抽出并加壓輸送的全過程。用戶在監(jiān)測頁面上，通過縮放、旋轉(zhuǎn)等交互操作，清晰觀察到泵體內(nèi)部復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)的運作細節(jié)，乳化液泵站三維監(jiān)測界面圖3。

圖3 乳化液泵站三維監(jiān)測界面

在可視化呈現(xiàn)方面，溫度傳感器數(shù)據(jù)以直觀的折線圖形式，顯示溫度隨時間變化趨勢，當(dāng)溫度處于正常工作區(qū)間時，折線顯示為淺藍色，代表設(shè)備運行狀態(tài)良好；當(dāng)溫度接近或超出預(yù)設(shè)安全閾值，折線顏色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色預(yù)警；若溫度持續(xù)異常攀升，折線變?yōu)榧t色，同時觸發(fā)警報提示，工作人員第一時間察覺設(shè)備異常。

液位傳感器數(shù)據(jù)通過標尺百分比進行展示，實時展示乳化液箱內(nèi)的液位高度。正常液位時柱狀圖顯示為藍色且平穩(wěn)；當(dāng)液位低于警戒線，柱狀圖顏色轉(zhuǎn)為橙色，并以動態(tài)閃爍效果警示液位過低，需及時補充乳化液，乳化液箱三維監(jiān)測界面如圖4所示。

圖4 乳化液箱三維監(jiān)測界面

數(shù)字孿生模型通過傳感器數(shù)據(jù)與圖表、色彩、動態(tài)效果緊密結(jié)合的呈現(xiàn)方式，用戶能夠全面、精準地掌握各設(shè)備的實時運行狀態(tài)。提前預(yù)判潛在故障風(fēng)險，及時采取維護措施，并通過優(yōu)化設(shè)備運行參數(shù)，提升設(shè)備運行效率，全方位保障設(shè)備在安全穩(wěn)定的狀態(tài)下持續(xù)運行，為綜采工作面兩巷設(shè)備的高效協(xié)作提供可靠監(jiān)測支持。

3.3 煤礦綜采工作面兩巷設(shè)備巡檢

煤礦綜采工作面兩巷設(shè)備巡檢在數(shù)字孿生場景中，設(shè)計了2種高效實用的巡檢模式，為設(shè)備運維管理提供有力支持。

（1）固定巡檢模式

固定巡檢模式下，系統(tǒng)依據(jù)設(shè)備布局與作業(yè)邏輯，規(guī)劃出科學(xué)合理的固定巡檢路線，確保全面覆蓋供電系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、破碎機、轉(zhuǎn)載機等所有兩巷設(shè)備。在巡檢過程中，系統(tǒng)自動對設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，同時采集設(shè)備溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

對于重點巡檢設(shè)備，系統(tǒng)特別設(shè)置了快速到達路標，以醒目的圖標形式顯示在全局總覽界面上，用戶只需點擊相應(yīng)路標，便能快速定位并直接跳轉(zhuǎn)至關(guān)鍵設(shè)備所在位置，縮短查找設(shè)備時間，提高巡檢效率。

（2）自由巡檢模式

自由巡檢模式賦予用戶高度的自主性。用戶可根據(jù)實際需求，自由選擇巡檢路線和查看設(shè)備。在自由路線巡檢中，用戶可對單個設(shè)備進行深入細致的巡檢。通過簡單操作，用戶可輕松切換設(shè)備視角，全方位觀察設(shè)備外觀。

點擊設(shè)備圖標即可查看詳細的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括各類傳感器實時反饋的數(shù)值及設(shè)備運行時長、累計工作量等關(guān)鍵信息。用戶還能深入了解設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的運行原理，通過數(shù)字孿生模型，模擬設(shè)備內(nèi)部機械部件的運轉(zhuǎn)過程，幫助用戶直觀掌握設(shè)備運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)潛在問題。

應(yīng)用效果分析

陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司二號煤礦（簡稱小保當(dāng)二號煤礦）在綜采工作面液壓系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)了兩巷設(shè)備狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測，應(yīng)用效果主要包括以下3個方面，小保當(dāng)二號煤礦調(diào)度中心實景如圖5所示。

圖5 小保當(dāng)二號煤礦調(diào)度中心實景

（1）數(shù)字孿生平臺的漫游巡檢功能，操作人員只需在控制終端上輕松操作，即可借助數(shù)字孿生模型全方位、無死角地對工作面設(shè)備運行狀態(tài)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)展開漫游巡檢，包括超前架支護姿態(tài)、乳化液泵的壓力、流量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)字孿生系統(tǒng)可對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行故障預(yù)警。通過對設(shè)備運行數(shù)據(jù)實時分析與深度挖掘，當(dāng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常波動，接近或超出預(yù)設(shè)安全閾值，系統(tǒng)發(fā)出精準故障預(yù)警。預(yù)警信息以醒目方式在數(shù)字孿生平臺呈現(xiàn)，為控制決策提供堅實有力的依據(jù)。

（3）在實際生產(chǎn)中，在地面監(jiān)控中心通過數(shù)字孿生平臺完成高效巡檢工作，減少了工作面巡檢工人數(shù)。降低了人力成本，實現(xiàn)了減人增安的目標，提升了煤礦生產(chǎn)的安全性與智能化水平，為小保當(dāng)二號煤礦的可持續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。

結(jié) 語

煤礦綜采工作面兩巷數(shù)字孿生的研究與應(yīng)用為煤礦智能化生產(chǎn)提供了新的思路和方法。通過數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)了對綜采工作面的實時監(jiān)測和智能調(diào)控，提高了生產(chǎn)效率，增強了安全性，降低了運營成本。未來，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在煤礦行業(yè)的應(yīng)用將更加廣泛和深入。將進一步探索數(shù)字孿生與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)的深度融合，推動煤礦智能化水平的不斷提升。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《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)研用新進展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

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