能耗降低40%！天瑪智控尹春雷：綜采工作面智能照明控制工藝與應用

2025年09月17日 16:07 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

為解決煤礦綜采工作面傳統照明設備功能單一、能耗高、缺乏配套輔助指引與動態控制等問題，提出智能照明與液壓支架開采工藝的自動協同控制方法，設計智能照明控制工藝，實現地面規劃截割中不同動作區域燈光分區指導及調整。智能照明工藝在小屯煤礦1702工作面應用后，滿足不同場景照明需求并實現動態節能，解決了地面人員視覺分辨動作區域困難的問題，促進綜采工作面智能化開采的安全生產與動態節能。

文章來源：《智能礦山》2025年第8期“學術園地”欄目

作者簡介：尹春雷，現任北京天瑪智控科技股份有限公司產品經理，主要從事煤礦智能化、煤礦控制軟件的相關研究工作。E-mail：15510681673@163.com

作者單位：北京天瑪智控科技股份有限公司

引用格式：尹春雷.綜采工作面智能照明控制工藝與應用[J].智能礦山，2025，6(8)：83-86.

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煤礦井下綜采工作面照明系統綜合兼顧安全性、功能性與智能化要求。智能化采煤工作面采用礦用LED無頻閃照明，對視頻系統與工作面提供良好的光照條件，每臺礦用LED燈照度>4 000 Lux，智能化采煤工作面巷道、設備列車、移動變電站等場所采用礦用LED無頻閃固定照明，每臺礦用LED燈照度>6 000 Lux，布置地點應符合《煤礦綜采采區設計規范》（GB50536）相關規定。

綜采工作面是煤礦生產的核心區域，照明系統與開采工藝的智能化水平直接影響生產效率與安全性。傳統照明系統功能單一、能源浪費、缺乏動態調控等問題；傳統光源能耗高、顯色性差，且依賴人工操作無效照明占比約35%。

為解決以上問題，以貴州大方煤業有限公司小屯煤礦（簡稱小屯煤礦）1702工作面為例，針對薄煤層復雜地質條件（頂板破碎、底板松軟等），開發了智能照明與液壓支架開采工藝的協同控制系統。通過千兆網絡型控制平臺（Longwallmind）與動態分區算法，實現燈光指引與設備動作的精準匹配，解決傳統照明無法適應自動化開采需求的問題。

開采工藝整體設計

1.1 液壓支架自動化控制體系

液壓支架作為綜采工作面的核心支護設備，智能化控制依托電液控制系統與多模態協同算法，實現了高效、精準的頂板控制。自適應跟機技術通過位移傳感器、壓力傳感器及姿態傳感器實時采集支架狀態，結合分布式蓄能供液系統優化液壓流量分配，全工作面移架平均時間小于8 s。針對底板松軟等特殊工況，系統采用標準移架與特性移架雙模式一鍵切換機制，確定規劃截割工藝，自動化開采工藝界面如圖1所示。

圖1 自動化開采工藝界面

1.2 智能照明的協同需求

液壓支架動作與照明系統的實時交互，通過智能化技術實現安全高效協同，包括區域指引與動態響應功能。

（1）區域指引基于綜采工作面網格化分區方法，將采煤機截割區域與支架移動范圍劃分為回風端頭、進風端頭、三角煤及中部采煤等區域。通過集成機器視覺識別系統，實時監測支架與采煤機開采的空間位置，并結合LED照明系統的多色溫調節功能，區域指引整體設計思路如圖2所示。

圖2 區域指引整體設計思路

（2）采用不同顏色燈光標識作業區域，白色冷光標記采煤機作業區域，黃色暖光標識待移架，紅色警示帶標定危險邊界。分區標識系統降低人工視覺分辨誤差>30%，尤其在低照度或煤塵干擾環境下顯著提升安全性。

綜采工作面部署設計

2.1 工作面基本情況

小屯煤礦1702工作面可采走向長度480.8 m，傾斜長150.0 m，面積72 120 m2。工作面范圍內煤層厚度0.8～1.4 m，平均厚度1.13 m，可采儲量12.17萬t。1702綜采工作面安裝的設備為液壓支架102組，刮板輸送機、采煤機、破碎機各1部，帶式輸送機2部，轉載機1部，電站設備21車以及工作面電纜管路等。

2.2 工作面智能照明適應性配置

在煤礦井下照明的平均照度計算中，采用平均照度法。工作面平均照度（_av，Lux）為燈具數量（）、單個燈具光通量（，lm）、利用系數（為0.3～0.6，由燈具類型和空間反射率決定）、維護系數（，煤礦井下取0.7～0.8，考慮灰塵和老化等影響）的乘積，除以照明區域面積（，m），即工作面平均照度等于燈具數量、單個燈具光通量、利用系數、維護系數相乘的結果，再除以照明區域面積，計算煤礦井下工作面的平均照度情況，用于指導照明設計與評估。

小屯煤礦1702工作面煤層厚度最高1.4 m，支架中心距1.75 m，切眼寬度5.6 m，=999.6 m根據每3架1臺，共計34臺；空間反射率較低，取0.3；井下粉塵多，維護系數較低，取0.7。正常光照強度需結合具體場景判斷，根據《煤礦設計規范》，井下關鍵區域最低照度要求，_av=5 Lux，需要單個燈具光通量必須>700 lm。

根據現場測試情況，選用智能照明燈為紅、藍、冷白、暖白4種顏色，且可自定義燈光閃爍頻率，具備多種模式燈光報警功能，與網絡型控制器通信，可警示液壓支架不同工作狀態，提醒工作面內人員注意安全；支架燈可自定義調節亮度，有利于降低工作面功耗；支架燈外殼為鑄鋼材質，具有IP66防護等級，適配井下不同類型工作面。智能照明燈實物關鍵技術參數包括3個方面，智能照明燈實物如圖3所示。

圖3 智能照明燈實物

（1）供電電源工作電壓：AC127 V±10%。

（2）光源：平均照度為150 Lux（照射距離2 m）；額定光通量為3 512 lm；峰值光強為1 551 cd；光源顏色及最大功率為暖白光40 W、冷白光40 W、紅光10 W、藍光10 W；色溫為暖白光3 000 K/冷白光5 700 K，色溫可配置。

（3）Zigbee通信：工作頻率2.4±0.1 GHz；通信信道：24（可配置）；發射功率0～20 dBm；最大傳輸距離10 m（無遮擋）。

2.3 設備與網絡架構

液壓支架電液控制系統配置含壓力傳感器、紅外接收器、測高傳感器。智能照明模塊每3架部署1組，集成LED光源、無線通信模塊。井下萬兆環網實現支架控制器、照明終端與地面調度中心的數據交互。

智能照明燈網絡架構采用分層分布式設計，清晰展示了從控制終端到終端設備的完整通信鏈路，設備通信網絡結構如圖4所示。核心控制層利用千兆型網絡控制器與智能照明燈通過Zigbee無線通信，進行控制交互；網絡傳輸層為有線千兆以太網交換機，構建網絡骨干節點，實現地面監控中心到智能照明燈的數據交換。通過分層解耦設計，實現了照明系統的集中管理與本地自治相結合，在保證控制精度的同時提升了系統可靠性。

圖4 設備通信網絡結構

智能照明控制工藝實現

3.1 動態分區與協同控制算法

煤礦井下場景的智能照明動態分區與協同控制算法，結合環境感知、人員定位及能源優化需求，根據開采、檢修等不同作業場景，設定亮度等級。智能照明采用通信架構內置ZigBee模塊，構建Mesh網絡，支持100 m內自組網，確保信號全覆蓋。

每個燈具作為智能體，分布式決策，利用共享人員位置、環境數據，實現機來全亮、機走漸滅的跟隨照明效果。燈光分區與協同控制邏輯，燈光動態分區與協同控制如圖5所示。

圖5 燈光動態分區與協同控制

（1）采煤機作業區：高亮度冷白光覆蓋截割范圍。

（2）支架動作區：暖白光覆蓋支架動作范圍，紅色警示閃爍標識動作支架。

（3）人員安全區：低功耗藍光標記避險通道，感應距離可調。

3.2 燈光協同控制流程

控制系統展示了綜采工作面環境下的動態區域生成。通過3條并行路徑同步獲取關鍵數據，開采工藝參數、采煤機實時運行軌跡（位置、方向、速度）及井下人員定位信息，數據流匯聚至中央服務器，經決策算法融合分析后，執行動態區域智能劃分。

燈光協同控制系統根據空間定位結果觸發3種響應機制，當識別到采煤機作業區時，下達冷白色指令，支架作業區激活暖白色指令，人員安全區則切換藍色指令。若設備或人員處于非特定區域，自動進入默認的低色溫藍色節能模式。最終完成了所有決策路徑匯集，形成閉環控制。流程通過多源數據實時交互與智能決策，實現了采礦作業的安全性與能效管理的雙重優化，燈光協同控制流程如圖6所示。

圖6 燈光協同控制流程

3.3 節能控制策略

通過環境光傳感器與人員定位數據，實現人來燈亮、人走燈滅。空閑時段降低照明功率，動態電源管理降低無效能耗36%。在作業區和動作區進行色溫提升，采用高色溫指標LED光源，減少色彩失真導致的誤判。動態控制燈光工藝，年節電約2.5萬度。

智能照明的綜采工作應用

針對煤礦“三軟”和“雙突”的特殊條件，結合煤礦實際生產工藝，定制化千兆控制系統和Longwallmind系統解決方案，地面規劃截割控制界面如圖7所示。為實現地面遠程開采模式，引入智能照明輔助指引和協同控制系統，解決地面人員視覺切換和區域快速定位的問題，支持了地面規劃截割的推廣應用。

圖7 地面規劃截割控制界面

液壓支架處于支架動作區，該范圍內智能照明處于暖白色燈光，支架動作區燈光如圖8所示，采煤機作業區燈光如圖9所示，具有明顯視覺差。在支架動作區，支架進行動作過程中，通過紅色閃爍進行預警提示，支架推移刮板輸送機動作中預警燈光如圖10所示。

圖8 支架動作區燈光

圖9 采煤機作業區燈光

圖10 支架推移刮板輸送機動作中預警燈光

經過支架動作區，支架不進行必要動作，處于人員安全區，該區域為無人狀態，結合人員定位，降低燈光亮度和色溫，一段時間后進入節能模式，人員安全區燈光如圖11所示。

圖11 人員安全區燈光

智能照明控制系統在小屯煤礦1702工作面實施后，燈光分區指引使支架移架響應時間縮短至5 s，開采效率提升，循環周期減少18%。節能效果方面，動態調控策略降低照明能耗40%，年節約電費約25萬元。安全生產方面，事故率降低，故障燈具遠程診斷率100%。

智能照明控制系統模塊化設計支持不同地質條件的快速適配，滿足大傾角工作面燈光傾斜校準；地面遠程運維方面，通過云臺視頻與井下平板監控，減少人工巡檢頻次50%。

結語

通過智能照明與液壓支架的協同控制，實現了綜采工作面照明-開采-安全的一體化調控。綜采工作面的“光”不再是簡單的照明工具，而是智能化開采的“神經末梢”，是工藝狀態的可視化載體，也是人機協同的交互界面，更是無人化場景的基礎支撐。小屯煤礦1702工作面應用表明，該系統在地面和自動化開采模式下具有顯著的輔助指導優勢，為煤礦智能化升級提供了可復制的解決方案。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領域產學研用新進展的綜合性技術刊物。

主編：王國法院士

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