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米彥軍副礦長：三道溝煤礦數(shù)字孿生綜采工作面協(xié)同控制系統(tǒng)研發(fā)及應用

2025年04月27日 16:44 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

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綜采工作面設備繁多、環(huán)境復雜，傳統(tǒng)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(shù)字孿生平臺、數(shù)字孿生應用平臺和后臺管理4個模塊的數(shù)字孿生的綜采工作面協(xié)同控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括場景虛實映射、三維地質(zhì)模型與孿生動態(tài)優(yōu)化、規(guī)劃截割以及設備智能決策。實際應用中實現(xiàn)了地面遠程操作、三維漫游和規(guī)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(yè)人員數(shù)量，有效提高了煤礦智能化水平與安全生產(chǎn)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(xiàn)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(shù)字孿生綜采工作面協(xié)同控制系統(tǒng)研發(fā)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(huán)境復雜，面向采煤機、液壓支架和刮板輸送機的狀態(tài)信息采集、數(shù)據(jù)傳輸、動作決策與執(zhí)行等環(huán)節(jié)是數(shù)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(jù)45205綜采工作面實際情況，以5G網(wǎng)絡作為數(shù)據(jù)鏈路，結合將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算，利用深度學習、數(shù)據(jù)挖掘和機器學習等算法，研發(fā)了數(shù)字孿生智能協(xié)同控制系統(tǒng)，實現(xiàn)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(xiàn)了生產(chǎn)過程進行精細化管控、智能化控制。

綜采工作面數(shù)字孿生協(xié)同控制系統(tǒng)架構

三道溝煤礦45205綜采工作面位于5-2煤層四盤區(qū)?？刹砷L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(zhuǎn)載機、破碎機、泵站等環(huán)境及設備信息采集點8024個，接入三維地質(zhì)模型、智能通風、災害預警等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)合計10246個。

三道溝煤礦45205工作面數(shù)字孿生協(xié)同控制系統(tǒng)分為物理層、數(shù)字孿生平臺、數(shù)字孿生應用平臺、后臺管理等4個模塊，數(shù)字孿生協(xié)同控制系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生協(xié)同控制系統(tǒng)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(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集，同時完成對井下工作面、巷道等狀態(tài)的感知。

（2）數(shù)字孿生平臺為系統(tǒng)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(xiàn)場真實數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，供虛擬空間使用；虛擬空間將數(shù)字信息轉(zhuǎn)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(shù)字孿生應用平臺是基于數(shù)字孿生平臺建立環(huán)境和設備信息感知、控制、運維等服務。

（4）后臺管理統(tǒng)一管理數(shù)字孿生平臺和應用實施。

三道溝煤礦45205工作面以5G網(wǎng)絡為信息通道，以數(shù)字孿生技術為核心，構建了綜采工作面信息感知模型，實現(xiàn)了虛擬空間對物理層環(huán)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(qū)，實現(xiàn)工作面成套裝備的智能協(xié)同控制。

綜采數(shù)字孿生協(xié)同控制系統(tǒng)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(huán)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(shù)字孿生模型。數(shù)字孿生通過在物理實體和數(shù)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(tài)、過程及變化進行建模、仿真、分析和預測，實現(xiàn)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(zhì)模型與孿生動態(tài)優(yōu)化

三維地質(zhì)模型是透明工作面、規(guī)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(zhì)模型與數(shù)字孿生系統(tǒng)的虛擬環(huán)境信息相融合，建立從實際地質(zhì)信息到環(huán)境孿生體的映射關系是協(xié)同孿生控制系統(tǒng)的核心。

通過地質(zhì)鉆孔、地震全波形反演、采掘工程等實測數(shù)據(jù)，采用GIS建立粗略三維地質(zhì)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(zhì)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(shù)據(jù)；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(yōu)化GIS三維地質(zhì)模型，三維地質(zhì)模型界面如圖3所示。

圖3 三維地質(zhì)模型界面

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

2.3 基于數(shù)字孿生的綜采工作面規(guī)劃截割

三道溝煤礦45205工作面的GIS地質(zhì)模型與激光點云數(shù)據(jù)動態(tài)優(yōu)化、融合生成的環(huán)境孿生體，可真實反映工作面的實際狀態(tài)。在虛擬空間中，采煤機孿生體的動作可根工作面環(huán)境孿生體和支架、采煤機、刮板輸送機等設備孿生體的狀態(tài)信息，規(guī)劃采煤機動作。通過實時環(huán)境孿生體和設備孿生體數(shù)據(jù)，規(guī)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(huán)的截割曲線下發(fā)至采煤機，實現(xiàn)自主規(guī)劃截割，基于數(shù)字孿生的規(guī)劃截割規(guī)劃如圖4所示。

圖4 基于數(shù)字孿生的規(guī)劃截割規(guī)劃

2.4 數(shù)字孿生的設備智能決策

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

圖5 數(shù)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(huán)境和設備實時狀態(tài)。三道溝煤礦45205工作面以環(huán)境和設備信息為基礎，形成設備智能決策數(shù)據(jù)源。利用5G網(wǎng)絡將實時信息傳送至大數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)字孿生映射模型到虛擬空間；設備狀態(tài)感知、故障預測診斷、環(huán)境感知、風險評估與預警等數(shù)字孿生應用，根據(jù)實時數(shù)據(jù)對設備、環(huán)境和操作人員信息，推理設備動作決策，實現(xiàn)采煤機截割與行走姿態(tài)、支架支撐動作與平衡調(diào)節(jié)、刮板輸送機運載速度等智能協(xié)同控制。

綜采數(shù)字孿生協(xié)同控制系統(tǒng)現(xiàn)場應用

3.1 實現(xiàn)地面遠程操作

根據(jù)智能綜采數(shù)字孿生模型架構，建立滿足幾何、物理、行為、規(guī)則、約束的虛擬綜采工作面，將工作面機電設備、地理環(huán)境、人員位置監(jiān)測、智能通風、災害預警等同步映射到孿生體大平臺中，實現(xiàn)工作面數(shù)字化描述，創(chuàng)建映射物理工作面的虛擬形態(tài)，跟蹤物理工作面實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及運行狀態(tài)，實現(xiàn)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(guī)劃開采

基于綜采工作面地質(zhì)模型與綜采設備歷史數(shù)據(jù)（支架姿態(tài)數(shù)據(jù)、采煤機位姿數(shù)據(jù)、慣導測繪數(shù)據(jù)、激光點云掃描數(shù)據(jù)），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(huán)截割曲線下發(fā)至采煤機，實現(xiàn)自主規(guī)劃截割，綜采工作面規(guī)劃開采界面如圖8所示。

圖8 綜采工作面規(guī)劃開采界面

結語

三道溝煤礦45205綜采工作面數(shù)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(chǎn)班平均作業(yè)人員減至3～4人。數(shù)字孿生技術在煤礦綜采工作面的應用，實現(xiàn)了三維建模和可視化、遠程智能操作，以及數(shù)據(jù)共享與協(xié)同作業(yè)等功能，更好地管理和控制煤礦生產(chǎn)過程和安全保障，提高了煤礦智能化水平和安全生產(chǎn)能力。

END

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(chǎn)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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