礦山智能化精準(zhǔn)感知技術(shù)專(zhuān)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(dòng)態(tài)仿真等方法，開(kāi)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(jì)與功能開(kāi)發(fā)。研究構(gòu)建了包含物理層、感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層、展示層的五層系統(tǒng)架構(gòu)，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行與環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至平臺(tái)層分析處理后，在展示層生成全要素虛擬場(chǎng)景。開(kāi)發(fā)了設(shè)備全局總覽、單元運(yùn)行監(jiān)控、固定與自由巡檢模式等功能模塊，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)三維可視化、故障預(yù)警及遠(yuǎn)程運(yùn)維管理。應(yīng)用案例表明：在小保當(dāng)煤礦實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(lái)源：《智能礦山》2025年第6期“礦山智能化精準(zhǔn)感知技術(shù)"專(zhuān)題”

作者簡(jiǎn)介：王皓宇，主要從事自動(dòng)化及無(wú)人化開(kāi)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(jí)面臨諸多挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生技術(shù)的引入為解決此類(lèi)問(wèn)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(jìn)的數(shù)字化手段，在虛擬空間構(gòu)建出與現(xiàn)實(shí)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(zhǔn)復(fù)刻物理實(shí)體幾何結(jié)構(gòu)與外觀，實(shí)時(shí)映射動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)、行為模式及性能表現(xiàn)。

在煤礦生產(chǎn)場(chǎng)景中，數(shù)字孿生技術(shù)通過(guò)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(xiǎn)氣體擴(kuò)散路徑及透水、冒頂?shù)仁鹿蔬^(guò)程，提前預(yù)判安全隱患點(diǎn)，為制定安全防護(hù)措施提供依據(jù)。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)采集并同步井下設(shè)備運(yùn)行參數(shù)與環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)至模型，出現(xiàn)異常情況及時(shí)預(yù)警，降低事故風(fēng)險(xiǎn)，保障安全生產(chǎn)。

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等設(shè)備運(yùn)行，利用人工智能算法預(yù)測(cè)設(shè)備故障，維護(hù)減少停機(jī)時(shí)間；運(yùn)輸系統(tǒng)建模仿真合理規(guī)劃煤炭運(yùn)輸路線，提高運(yùn)輸效率。運(yùn)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(jì)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(shí)現(xiàn)智能化開(kāi)采的核心支撐，主要涵蓋物理層、感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和展示層5個(gè)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(gè)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(shí)際參與煤炭生產(chǎn)的物理對(duì)象，物理實(shí)體構(gòu)成的真實(shí)生產(chǎn)場(chǎng)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)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(cè)設(shè)備運(yùn)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(tái)層。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、5G 基站以及 API 網(wǎng)管等關(guān)鍵設(shè)備在此層協(xié)同運(yùn)作。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與分發(fā)，5G基站高速率、低時(shí)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(shí)時(shí)傳。API 網(wǎng)管通過(guò)智能化管理，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/span>

（4）平臺(tái)層

平臺(tái)層接收到感知層上傳的傳感數(shù)據(jù)后，依據(jù)協(xié)議進(jìn)行深入分析與處理。分析設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備潛在故障風(fēng)險(xiǎn)。處理后的數(shù)據(jù)會(huì)精準(zhǔn)下發(fā)到模型層，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(lèi)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)保障。

（5）展示層

展示層呈現(xiàn)與實(shí)際綜采工作面全要素、全流程對(duì)應(yīng)的虛擬對(duì)象。孿生數(shù)據(jù)源自感知層，為虛擬場(chǎng)景提供真實(shí)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(guò)程中的各種工況。

數(shù)字孿生環(huán)境是對(duì)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(shí)際一致。為操作人員提供沉浸式交互體驗(yàn)，實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)動(dòng)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(shí)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(kāi)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(lèi)多樣，主要設(shè)備包括以下6類(lèi)。

（1）超前架位于工作面最前方是巷道前沿支護(hù)設(shè)備，防止頂板在開(kāi)采過(guò)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(jī)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(yùn)輸和加工要求，保障煤炭運(yùn)輸?shù)捻槙?。轉(zhuǎn)載機(jī)架在采煤工作面與帶式輸送機(jī)之間，將刮板輸送機(jī)運(yùn)來(lái)的煤炭順利轉(zhuǎn)載至帶式輸送機(jī)，實(shí)現(xiàn)煤炭從工作面到地面運(yùn)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(hù)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行；噴霧泵通過(guò)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(duì)工作人員健康的危害。增加泵根據(jù)巷道內(nèi)實(shí)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(kāi)關(guān)是電氣設(shè)備的控制中樞，對(duì)各類(lèi)用電設(shè)備進(jìn)行集中控制與保護(hù)，確保設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，防止電氣故障引發(fā)事故。移變開(kāi)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(jí)，保障設(shè)備正常運(yùn)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(dá)到可重復(fù)利用標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)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(chǔ)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(gè)綜采工作面兩巷設(shè)備的控制系統(tǒng)，通過(guò)整合各類(lèi)設(shè)備數(shù)據(jù)信息，集中監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作以及智能化管理各類(lèi)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(yùn)作。

3.1 煤礦綜采工作面兩巷設(shè)備全局總覽

運(yùn)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(duì)兩巷設(shè)備的超前支架、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)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(yùn)行三維場(chǎng)景。

在三維場(chǎng)景中，利用線條、箭頭等圖形元素，精準(zhǔn)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(guò)線條相連，箭頭指向明確表示乳化液及水的流動(dòng)方向，展現(xiàn)出傳輸邏輯，同時(shí)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(dòng)態(tài)圖標(biāo)和圖表，為每臺(tái)設(shè)備定義獨(dú)特標(biāo)識(shí)，設(shè)備圖標(biāo)根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)呈現(xiàn)不同顏色，綠色代表正常運(yùn)行，紅色則警示故障。生產(chǎn)數(shù)據(jù)的連續(xù)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、泵站出口壓力等，以動(dòng)態(tài)圖表形式實(shí)時(shí)更新展示。

3D 模型高度還原設(shè)備外觀與結(jié)構(gòu)，配合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示，用戶可全方位觀察設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)細(xì)節(jié)，在地面監(jiān)控中心或遠(yuǎn)程移動(dòng)端，可迅速掌握全局設(shè)備作業(yè)邏輯，實(shí)時(shí)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(yùn)行監(jiān)控

精準(zhǔn)展現(xiàn)單個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，基于設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)建立驅(qū)動(dòng)模擬，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)模擬和展示設(shè)備內(nèi)部機(jī)械運(yùn)動(dòng)。通過(guò)固定接口獲取傳感器數(shù)據(jù)，提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)，顯示設(shè)備運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)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(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生模型精準(zhǔn)模擬電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)泵體內(nèi)部活塞有節(jié)奏地往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將乳化液從乳化液箱抽出并加壓輸送的全過(guò)程。用戶在監(jiān)測(cè)頁(yè)面上，通過(guò)縮放、旋轉(zhuǎn)等交互操作，清晰觀察到泵體內(nèi)部復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)作細(xì)節(jié)，乳化液泵站三維監(jiān)測(cè)界面圖3。

圖3 乳化液泵站三維監(jiān)測(cè)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(shí)間變化趨勢(shì)，當(dāng)溫度處于正常工作區(qū)間時(shí)，折線顯示為淺藍(lán)色，代表設(shè)備運(yùn)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(shí)觸發(fā)警報(bào)提示，工作人員第一時(shí)間察覺(jué)設(shè)備異常。

液位傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)尺百分比進(jìn)行展示，實(shí)時(shí)展示乳化液箱內(nèi)的液位高度。正常液位時(shí)柱狀圖顯示為藍(lán)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(dòng)態(tài)閃爍效果警示液位過(guò)低，需及時(shí)補(bǔ)充乳化液，乳化液箱三維監(jiān)測(cè)界面如圖4所示。

圖4 乳化液箱三維監(jiān)測(cè)界面

數(shù)字孿生模型通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)與圖表、色彩、動(dòng)態(tài)效果緊密結(jié)合的呈現(xiàn)方式，用戶能夠全面、精準(zhǔn)地掌握各設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。提前預(yù)判潛在故障風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)采取維護(hù)措施，并通過(guò)優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，提升設(shè)備運(yùn)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(yùn)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(cè)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(chǎng)景中，設(shè)計(jì)了2種高效實(shí)用的巡檢模式，為設(shè)備運(yùn)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(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等所有兩巷設(shè)備。在巡檢過(guò)程中，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)采集設(shè)備溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

對(duì)于重點(diǎn)巡檢設(shè)備，系統(tǒng)特別設(shè)置了快速到達(dá)路標(biāo)，以醒目的圖標(biāo)形式顯示在全局總覽界面上，用戶只需點(diǎn)擊相應(yīng)路標(biāo)，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(shí)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(shí)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(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行深入細(xì)致的巡檢。通過(guò)簡(jiǎn)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(diǎn)擊設(shè)備圖標(biāo)即可查看詳細(xì)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括各類(lèi)傳感器實(shí)時(shí)反饋的數(shù)值及設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、累計(jì)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(yùn)行原理，通過(guò)數(shù)字孿生模型，模擬設(shè)備內(nèi)部機(jī)械部件的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程，幫助用戶直觀掌握設(shè)備運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題。

應(yīng)用效果分析

陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司二號(hào)煤礦（簡(jiǎn)稱小保當(dāng)二號(hào)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(shí)現(xiàn)了兩巷設(shè)備狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，應(yīng)用效果主要包括以下3個(gè)方面，小保當(dāng)二號(hào)煤礦調(diào)度中心實(shí)景如圖5所示。

圖5 小保當(dāng)二號(hào)煤礦調(diào)度中心實(shí)景

（1）數(shù)字孿生平臺(tái)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(wú)死角地對(duì)工作面設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)展開(kāi)漫游巡檢，包括超前架支護(hù)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(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)警。通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析與深度挖掘，當(dāng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常波動(dòng)，接近或超出預(yù)設(shè)安全閾值，系統(tǒng)發(fā)出精準(zhǔn)故障預(yù)警。預(yù)警信息以醒目方式在數(shù)字孿生平臺(tái)呈現(xiàn)，為控制決策提供堅(jiān)實(shí)有力的依據(jù)。

（3）在實(shí)際生產(chǎn)中，在地面監(jiān)控中心通過(guò)數(shù)字孿生平臺(tái)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(shí)現(xiàn)了減人增安的目標(biāo)，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(hào)煤礦的可持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

結(jié) 語(yǔ)

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(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)綜采工作面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能調(diào)控，提高了生產(chǎn)效率，增強(qiáng)了安全性，降低了運(yùn)營(yíng)成本。未來(lái)，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(jìn)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(jìn)技術(shù)的深度融合，推動(dòng)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(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)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(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國(guó)法院士

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聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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