XX煤矿数字化矿山整体方案20160105 - 图文-

1、煤矿数字化矿山技术建议书 北京龙软科技股份有限公司2016年01月目录第一章项目概述 (11.1项目背景和意义 (11.2当前国内外煤矿行业信息化现状 (11.2.1国外发展现状 (11.2.2国内发展现状 (31.3数字化矿山概况 (81.3.1 数字化矿山建设历程 (81.3.2 数字化矿山建设各阶段关键特征 (91.3.3 数字化矿山定义 (101.4XX煤矿概况及数字化矿山调研现状 (101.4.1XX煤矿概况 (101.4.2XX煤矿数字化矿山调研现状 (101.5数字化矿山工程建设的目标和原则 (221.5.1数字化矿山建设总体目标 (221.5.2数字化矿山建设具体目标 (221

2、.5.3数字化矿山建设的预期效果 (231.5.4数字化矿山建设指导思想 (241.5.5数字化矿山建设原则 (24第二章数字化矿山建设设计依据与范围 (272.1数字化矿山建设设计依据 (272.2数字化矿山的建设范围 (282.3数字化矿山建设与集团信息化的关系 (30第三章数字化矿山架构及建设模型 (313.1 数字化矿山系统架构 (313.1.1数字化矿山统一的平台或系统规划 (323.1.2数字化矿山的六层架构 (323.2系统建设的理论支撑和模型研究 (343.2.1灰色地理信息系统的理论及技术 (343.2.2灰色地理信息系统的相关概念 (353.2.3灰色地理信息系统的定义及特

3、征 (373.2.4灰色地理信息系统数据模型 (393.2.5 GGIS的功能特点 (433.3高精度透明化三维动态地质模型和巷道建模 (473.3.1矿井三维地质模型的自动构建 (473.3.2巷道几何建模 (503.3.3高精度透明化三维地质模型的动态生成 (513.4面向多部门管理与信息共享应用的管理模型 (653.4.1面向多部门协作与信息共享应用模型 (653.4.2基于工作流的安全信息分级处理反馈管理模型 (663.5矿井重大危险源评价指标体系和方法 (683.5.1煤矿重大危险源分级体系 (683.5.2评价指标体系构建的原则 (693.5.3评价指标体系结构 (703.5.4评

4、价指标体系 (733.5.5瓦斯、水害评价方法研究 (863.6煤矿重大危险源预警模型 (873.6.1基于GIS的煤矿重大危险源隐患识别预警模型研究 (883.6.2其他数学模型的研究与应用 (97第四章数据传输与集成数据处理平台 (1024.1XX煤矿数据传输平台 (1024.1.1管理网络 (1034.1.2工业以太环网(综合自动化网络 (1044.1.3接口标准 (1104.1.4服务器和磁盘阵列 (1114.1.5网络安全系统 (1134.1.6网络行为管理系统 (1144.1.7工业以太环网主干光缆 (1144.2XX煤矿数据传输系统 (1154.2.1传输系统设计 (1154.2

5、.2传输系统功能特点 (1154.2.3各监测监控网络和以太网的融合 (1174.3XX煤矿数据仓库、模型及软件平台的集成开发 (1174.3.1矿山数据仓库 (1174.3.2软件平台的总体架构设计 (1184.3.3软件系统与网络集成的总体架构设计 (1194.4XX煤矿专用GIS的开发和设计 (1214.4.1开发内容 (1214.4.2关键技术 (1224.5三维可视化平台的关键技术开发 (1244.5.1开发内容 (1244.5.2关键技术 (1244.6XX煤矿组态软件平台的设计 (1254.6.1功能设计 (1254.6.2软件平台系统设计 (1354.6.3关键技术 (137第

6、五章综合自动化和在线数据监测 (1385.1综合自动化监控平台 (1385.2组态软件 (1405.3综合自动化子系统的建设和接入 (1445.3.1 综采工作面监控系统 (1465.3.2 主煤流运输集控系统 (1495.3.3 井下排水监控子系统(接入 (1545.3.4 矿井通风监控系统(接入 (1575.3.5 矿井压风机监控系统 (1615.3.6 矿井水处理系统 (1635.3.7 生活水、污水处理厂监控系统(接入 (1655.3.8 水源井水处理系统(接入 (1665.3.9 锅炉房监控系统(接入 (1675.3.10 主副井提升监控系统(接入 (1695.3.11 2#副立井监

7、控系统(接入 (1715.3.12电力监控系统 (1725.3.13瓦斯抽放监控系统 (1775.3.14洗煤厂生产系统(接入 (1795.3.15钢丝绳在线检测系统 (1825.3.16矿井产量监测系统 (1825.3.17机车信集闭系统 (1845.3.18综掘工作面监控系统(接入 (1865.3.19其他子系统接入 (1875.3.20集团公司和XX矿系统平台 (1895.4矿井通讯系统建设 (1905.4.1矿井调度通讯系统 (1905.4.2矿井无线通讯系统(wifi方案 (1915.4.3矿井无线通讯系统(3G方案 (2015.4.4矿井信息引导发布系统 (2095.4.5矿井IP

8、广播系统 (2105.5矿井辅助系统建设 (2135.5.1数字工业电视系统 (2135.5.2大屏幕显示系统 (2145.5.3煤矿安全生产三维仿真培训与地质构造透明化3D环幕显示系统 (2145.5.4综合布线工程 (2245.5.5机房工程 (2255.5.6瓦检员巡更系统 (2255.5.7无人值守灯房系统 (226第六章安全生产监测系统 (2276.1 通风调度大屏显示系统 (2276.1.1 系统概述 (2276.1.2 系统设计 (2276.1.3 系统功能 (2276.1.4 产品主要指标和技术参数 (2306.2 安全监测子系统 (2316.2.1 系统概述 (2316.2.

9、2 系统设计 (2316.2.3 系统功能 (2316.2.4 系统接入 (2326.3 井下人员定位管理系统 (2336.3.1系统概述 (2336.3.2系统组成 (2346.3.3系统功能 (2366.3.3系统主要技术参数 (2386.4 无轨胶轮车调度管理系统 (2396.4.1系统概述 (2396.4.2系统组成 (2416.4.3系统主要技术指标及功能 (2426.5 矿井水文监测子系统 (2446.5.1系统概述 (2446.5.2系统整体结构 (2456.5.3系统组成与工作原理 (2466.5.4数据接入方式及格式要求 (2486.6 顶板压力监测子系统 (2486.6.1

10、 监测、分析内容 (2486.6.2 系统实现功能 (2496.6.3 系统接入 (2496.7束管监测子系统 (2496.7.1 系统概述 (2496.7.2 系统组成与特点 (2496.7.3 系统接入 (2506.8 防火灌浆监控系统 (2506.9其它安全生产监测监控子系统接入 (251第七章数字化矿山软件平台及应用系统 (2527.1生产技术综合管理系统 (2527.1.1地测空间管理信息系统 (2527.1.2防治水管理信息系统 (2627.1.3地质保障数据处理系统 (2627.1.4“一通三防”管理信息系统 (2627.1.5采矿辅助设计系统 (2687.1.6矿井供电、固定与

11、运输设备选型设计系统 (2767.1.7调度指挥系统 (2957.1.8机电设备管理系统 (2977.1.9质量标准化管理系统 (2987.1.10煤质、运销管理信息系统 (2997.1.11基于Web生产技术管理信息系统 (3007.2安全生产管理信息系统 (3097.2.1安全管理信息系统 (3097.2.2安全生产综合管理信息系统 (3197.2.4矿井应急救援管理系统 (3287.2.5矿井安全闭环管理系统 (3357.3煤矿井下危险源识别、预测、预警系统 (3457.3.1水害识别、预测、预警系统 (3457.3.2通防危险源识别、预测、预警系统 (3737.3.3顶板危险源识别、预

12、测、预警系统 (3967.3.4其他危险源预警 (4017.4 技术资料数字档案馆系统 (4047.4.1总体方案说明 (4047.4.2总体方案架构 (4047.4.3技术设计方案 (406第八章煤矿三维综合管理系统 (4108.1地质模型、巷道模型和机电设备模型等的建立及可视化 (4108.1.1地层与断层建模与三维可视化 (4108.1.2巷道几何建模及可视化 (4118.1.3钻孔自动建模及可视化 (4138.1.4工作面、采空区、积水区、异常区等建模与三维可视化 (4138.1.5 机电设备的建模与三维可视化 (4158.1.6煤矿管网的建模与三维可视化 (4188.2三维编辑平台

13、(4208.2.1三维自动建模功能 (4208.2.2第三方模型导入 (4208.2.3场景设置 (4218.2.4场景匹配 (4218.2.5图层控制 (4218.2.6视图控制 (4228.2.7对象编辑 (4228.3三维管理一体化平台 (4228.3.1三维漫游 (4258.3.2视频和图片输出 (4308.3.3坐标、距离和面积量测 (4308.3.4属性信息查询 (4308.3.5通风线路、避灾线路等模拟 (4318.3.6三维剖切 (4328.3.7井上下环境监测信息实时显示 (4338.3.8井下设备综合自动化信息查询与显示 (4358.3.9工业视频数据接入 (4378.3.

14、10危险源三维预警 (4388.3.11 工作面设计 (4398.4网络三维管理平台(系统 (4408.4.1 三维综合管理平台 (4408.4.2三维管理平台 (4418.4.3监测监控与应急救援 (441第九章项目实施计划 (443第十章项目培训计划 (44610.1项目培训目的 (44610.2项目培训对象 (44610.3项目培训计划 (44610.4项目技术培训内容和方式 (44610.4.1技术培训方式 (44610.4.2技术培训内容 (447第一章项目概述1.1项目背景和意义在相当长的时间内,煤炭仍将是我国的主要能源。随着我国国民经济的高速发展,对煤炭的需求也随之快速增加,特别

15、是深部矿井和开采技术条件复杂矿井的增加,使得每年因安全事故的死亡人数达数以千计,这严重影响了党和政府的形象,也制约了企业的健康快速发展。近年来,根据国家的产业政策,关闭小煤窑,组建大型煤炭集团、提高安全管理水平、降低安全生产事故的发生是国家煤炭工业发展的既定方针。目前,国内已经形成数十个大型煤炭集团,也已经形成管理或生产的四级架构(生产矿井、分公司、集团公司、国家行政管理部门,但其管理模式和方法较为落后,没有形成集成的数据处理和决策支持平台,信息化程度低下,与国家“两化融合”的战略方针不相适应。上述问题的存在使得我国煤矿安全生产形势没有本质的好转,大量的信息化建设成果(硬件、软件在煤矿安全生产

16、过程中也没有取得预期的成效。解决上述问题的关键就是基于数字煤矿技术建立集成的矿井综合自动化系统和安全生产综合管理信息系统,实现煤矿的现代化和信息化管理。1.2当前国内外煤矿行业信息化现状1.2.1国外发展现状自上世纪80年代初以来,随着计算机,特别是微型计算机技术的出现和成熟,国内外都投入了大量的人力、物力开展计算机在矿山的应用研究,并召开了数十次国际学术会议,如APCOM国际学术会议,为现代化矿山的建设和生产提供了高技术支持。相比国内而言,国外发达国家矿山计算机应用不仅时间早,而且已经开发出一些功能比较成熟的商业化软件系统。到目前为此,诸如Surpac等系统已经在国外矿山得到了广泛的使用。归

17、纳起来,国外矿山信息化技术和软件产品现状总结如下:1.已经实现了核心技术的研发和实用化国外矿山软件研究和开发机构大多没有基于其他成熟应用软件平台进行二次开发(如利用AutoCAD、ARC/INFO,而是基于GIS、CAD、三维可视化等技术,结合矿产勘查、开采的具体技术和数据处理要求完全自主开发专用软件平台和系统。为此,他们已经解决了相关核心技术问题:(1满足矿山开采需求的三维可视化平台的数据模型和数据结构。根据这些模型,系统能够在统一平台下集成处理二维和三维地质、测量、开采设计、计划编排、调度管理等专题图形和信息。(2研究并开发了系列化的二维、三维核心数据处理方法,如图形或属性的存储、绘制、编

18、辑、查询、输入、输出等。(3为矿床品位的估算和块段设计研究了先进的数学处理方法,如地质统计学方法。(4矿床构模技术水平伴随着信息及计算技术的发展而不断地提升。在数值矿床模型方面,先后有面向地质统计学的块段模型、面向层状矿体的网格模型和基于矿床平面图和剖面图上地质信息的断面模型问世。在几何模型方面,主要有线框模型、表面模型、八叉树模型等,这些模型的实质是通过空间对象信息来描述三维矿体,但不涉及矿床自身的属性信息,譬如品位、岩性等。(5全自动或交互式的快速地下采矿工程设计技术,如参数化设计核心技术。参数化设计可以通过设计参数驱动(或图元驱动方式在设计或绘图状态下灵活地修改图形,方便设计过程,提高设

19、计效率。(6诸如美国科罗拉多矿业大学的Alexandra M. Newman,Mark Kuchta 等学者运用混合整数规划对地下矿长期生产计划进行了优化。(7利用三维可视化、多目标决策、神经网络等技术对编制生产调度系统。(8报表或台帐表头或结构的自定义技术。2. 已经形成了矿山专用软件开发队伍和研究机构通过二十多年的发展,英国、澳大利亚、美国、加拿大、南非等矿业发达国家的研发人才不仅精通矿山勘查和开采专业知识,而且对计算机技术的发展和关键技术也有深入的研究。仅就用于储量估算的地质统计学而言,法国枫丹白露研究中心、美国史坦福大学等就有专门的研究队伍,他们带动了学界和产业界对地质统计学的研究和应

20、用。3.已经开发出系列化的实用软件系统比较著名的系统有:Micromine,Surpac,MDS,SurvCAD ,Datamine,Minex, Vulcan、MineMap,MineSoft等。由于矿山软件的特殊性,这些软件并非由其他通用软件平台(如AutoCAD、Arc/Info二次开发而成,都是从底层自主设计与开发。目前,国内外主要使用的是Surpac、Datamine、Micromine等系统,这些系统大多具有优良的数据处理功能:野外数据采集、勘探和钻孔数据库、数据有效性检查和校正、钻探计划及优化、地质建模、三维可视化显示、资源评估、地下矿设计、矿山测量、采掘进度计划、经济评价、地下

21、爆破设计等等。进入21世纪,现代高新技术和信息科技为采矿业带来了前所未有的发展机遇,传统矿业正迈入一个信息化、自动化、智能化的高科技发展领域,如“数字化矿山”、“智慧矿山”等诸多新概念不断涌现。从20世纪90年代开始,芬兰、瑞典、加拿大、澳大利亚等国为取得在采矿工业中的竞争优势,都先后制定了“智能化矿山”或“无人化矿山”的发展规划,如加拿大国际镍公司就研制了一种基于有线电视和无线电发射技术相结合的地下通讯系统,可传输多频道的视频信号,操控每台设备。相关技术还可实现诸如铲运机、凿岩台车、井下汽车等的无人驾驶,工人在地面中央控制室就可直接操作这些设备。加拿大还制订出一项拟在2050年实现的远景规划

22、,即在加拿大北部边远地区建设一个无人化矿山。芬兰在1992年宣布了智能化矿山技术规划,涉及采矿实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网建设、新机械应用和自动控制等28个专题;瑞典也制定了向矿山自动化进军的“Grounteeknik 2000”战略计划。虽然国外发达国家在矿山信息化领域已经取得丰硕的成果,但存在如下几个主要问题:(1研究成果以及计算机软件系统大多与非层状露天采矿和设计有关,而且主要满足制图和设计业务流程的需求,缺乏煤矿决策支持的功能。更为重要的是,金属或非金属矿床的成矿过程、开采流程、危险源类型、危险源发生的机理与煤矿存在或多或少的差异,所以,相关成果无法在煤矿,特别是地采矿井得到

23、很好的应用。(2在西方发达国家,煤炭不是他们的主要能源,而且目前开采的都是条件相对简单的矿井,故在煤矿信息化领域没有过多的投入,研究成果有限。(3对3S技术的集成应用研究较少,而且物联网、决策支持等概念和技术与矿业的联结也是近年才出现的事情,故矿山软件系统并没有或存在实用化的功能模块。(4虽然国外著名矿业软件公司(Surpac,Datamine,Micromine等在中国成立了办事处或代理机构,但除了在我国露天煤矿有少量应用外,在地采煤矿日常生产几乎没有实际应用的案例或报道。1.2.2国内发展现状上世纪80年代,煤矿信息化的研究主要集中在利用DBASE数据库管理系统、BASIC、FORTRAN

24、等算法语言开展地学信息(包括地质、测量、水文、储量及“三量”管理、采矿信息的数据库管理、多元统计方法在矿山的应用、地学和矿压参数的预测预报、通风网络的解算、矿山的优化设计;利用AutoCAD进行矿图的绘制研究,矿井设计算法的研究;另外也利用ARC/INFO进行与矿山生产有关的专题性研究,如矿井突水的预测预报等。上世纪90年代后,由于计算机图形技术的进一步引进和发展,在井下通讯、通风等信息系统的地理空间位置表示方面引入了与采掘工程有关的简单图形。但直到上世纪90年代中后期,由于对空间信息的管理缺乏有效手段,煤矿信息化的研究仍然没有取得实质性的突破,难以应用于煤矿的日常生产,矿井对日常空间信息的处

25、理、查询、图形的修改和绘制仍以传统的手工方式。到本世纪初,矿山空间管理信息系统的理论和相关技术的研究取得一定的成果,面向矿山地质、测量、通风等行业的软件开始出现,主要有从底层研究开发的煤矿地测专业制图系统和基于MapInfo或AutoCAD等二次开发系统。采矿CAD 软件包的体系模型,将采矿CAD划分为物理层、逻辑层和应用层。对矿井系统模型进行了面向对象分析,并对软件包实施的几个关键问题作了简要分析,最终开发出基于AutoCAD的数字化矿井模型和煤矿生产技术软件包。基于ADS采用原型法在AutoCAD 平台上用C语言开发的露天矿采剥计划CAD系统。还有一些基于AutoCAD的矿山专业需求二次开

26、发研究,实现了井田开拓和采区巷道布置图的程序化和智能化。这些理论在煤炭行业得到初步应用。除了对采矿GIS/CAD理论研究,还涌现出很多商业化的软件平台产品有:北京大学和北京龙软科技股份有限公司联合开发的“煤矿生产综合管理系统”、“煤矿专用地理信息系统”;煤炭科学研究总院唐山分院研制的“煤矿测量多图种综合绘图系统”,西安集灵公司开发的“煤矿地测信息系统”,泰安蓝光计算机技术研究所的“矿井通风CAD系统”、“蓝光三维地下工程CAD平台”等,柳州市轶新计算机软件有限公司开发的“采矿工程CAD系统”等。随着煤矿对信息化的进一步需求,煤矿信息化从单纯的制图软件逐步转向为煤矿矿图、数据的管理、更新等提供信

27、息的共享和服务,同时也对煤矿通风安全专业应用和防治水管理等方面展开研究。这些商业化自主开发的矿山GIS或者CAD系统具有如下特点:采用VC、VB 等开发工具针对矿山地测专业从底层设计或者二次开发;具有很强的自动制图功能,与AutoCAD等软件相比,图形的修改和绘制效率大大提高;引用网络和多用户管理,采用商用DBMS管理属性,实现了地质、测量、储量、水文、煤质等矿山空间信息高效管理;采用文件方式管理图形,数据库和图形系统松散结合;逐步向WebGIS发展,实现了图形属性信息查询的专业Web服务;具有地表地下空间三维可视化功能等。近年来,工业电视系统、瓦斯监测系统、束管系统、矿压监测系统、井下人员管

28、理及定位系统、井下工业环网、组态软件也逐步在煤矿得到推广,为煤矿的安全生产起到了一定的保驾护航作用。此外,从上世纪80年代初开始,原煤炭工业部、各矿业集团、各生产矿井就开始逐步进行煤矿信息化建设,相关单位都有通信信息中心或计算机室,职能和技术部门配置的计算机也逐步增多。终上所述,党和政府高度重视煤矿的信息化建设,已经取得了阶段性的成果,为项目的实施奠定了坚实的基础,但离数字煤矿以及实现煤矿的完全信息化管理决策还有很远的距离。归纳起来,目前存在的问题如下(见图1-1。1.对信息化的投入有限,理论研究落后这里包括资金和人才的投入。煤矿信息化已经走过了近30年的历程,但对信息化,特别是对软件开发的投

29、入十分有限,其结果造成其生产方式仍以人海战术为主,信息化程度低,数据处理和管理模式较为落后。井下人少就是安全。此外,在相当长的时间内,主要是对在其他行业已经成熟的计算机辅助设计系统、地理信息系统理论和技术方法以及商业化软件(如AutoCAD的使用,没有进行理论和技术方法的探索。由于煤矿数据的特殊性,相关理论、技术方法、软件系统在煤矿并没有得到全面和本质的使用,他们并不适合数字和智慧煤矿的需求。2.数据处理的核心技术没有全面的突破煤矿信息属于空间信息的范畴,而且不同矿井开采技术条件有或多或少的差异,技术方法和管理模式也有很大的不同,大量的数据也是通过众多的工程和监测监控系统获取的。此外,煤炭生产

30、还具有企业庞大、设备多、工作环境恶劣,生产、调度和管理环节复杂、信息量大等特点。所以一般的通用软件(如Arc/Info、MapGIS、SuperMap等难以适应安全生产的需求,这就要求开发煤矿专用GIS软件平台,而且该系统必须具备GIS的核心功能(如二维、三维的数据处理功能。 图1-1 煤矿信息化存在的问题此外,对通过监测设备获取的海量数据缺乏数据挖掘,只是一些简单的分析和表达,如折线图、饼状图、直方图;报表的生成和打印;诸如瓦斯超限等基于阈值的报警;关联度分析、回归分析、模糊分析、神经网络分析、多源信息拟合分析等等。更为重要的是,多年来,相关方法并没有进一步的本质创新。近年来,相关企业和高等

31、院校在核心技术方面已经取得阶段性的成果,但离智慧煤矿还有很远的距离。3.专业分得太细,缺乏集成的数据处理平台对煤矿安全生产信息化的研究已经走过了数十年的历程,但目前绝大多数矿井仍以专业为界线(监测监控、地测、通风、运输、机电、调度、采矿等等分别研究、开发、配置软硬件系统,没有统一的信息化数据处理平台,对相关事故的分析和研究考虑因素较为单一,造成信息无法共享交流、系统操作复杂、信息孤岛严重。此外,与煤矿安全生产有关的数据具有共享的特征,而且对很多安全生产事故的分析和预警必须对不同专业的数据进行综合分析才能得到正确的结果。4.重硬件、轻软件重视对硬件的投入,如瓦斯监测系统、水位遥测系统、工业电视系

32、统、皮带和水仓远程控制系统、人员定位系统、矿压观测系统、束管系统等等,轻视对专业分析软件和技术的研究、开发和应用,海量数据没有得到深层次的使用,只是数据的堆砌。虽然相关硬件系统也有软件模块,但主要是对数据的采集、传输和简单的分析或阈值报警,与水、火、瓦斯、顶板等危险源专业防治技术人员的结合不是十分紧密,也就是说,开发人员对地测、采矿、一通三防等专业技术不是十分精通,其软件的实用性肯定受到影响。5.重事务处理、轻决策支持对安全生产而言,目前开发的软件系统其主要目的是代替原来的手工管理方式,即替代手工绘图、报表的生成和打印,他只是一个事务处理系统,而且以单机版为主,不具备基于最新网络技术的全面、系

33、统的决策支持功能,无法根据最新的安全生产信息对重大危险源进行高精度的分析、预警、传输,为位于不同地理位置的管理决策层的日常工作服务。6.缺乏与信息化相适应的企业管理制度目前煤炭企业的管理模式还是为传统的手工管理模式服务的,无法适应信息化管理的需求,不能充分发挥信息技术快速、准确、实时的优点。7.对重大危险源的分类模糊我国国家标准GB18218-2000对重大危险源的概念定义为:长期地或临时地生产、加工、搬运、使用、或贮存危险物质,且危险物质的数量等于或超过临界量的单元。“安全生产法”第九十六条对重大危险源的定义是:长期地或者临时地生产、搬运、使用或者储存危险物品,且危险物品的数量等于或者超过临

34、界量的单元(包括场所和设施。安全生产系统的危险状态,其源于系统中客观存在着导致事故发生的各种能量,当能量的安全存在条件遭到破坏时,系统就处于危险状态,并具有较大的事故发生可能性。近年来,伴随着对煤矿事故预防控制的需要,出现了“危险源”、“重大危险源”等概念。但究竟什么是煤矿井下危险源,危险源有哪些种类等问题,到目前为止尚无理论上的确切界定。有必要从本质特征上将危险源加以区分,为安全管理提供正确的理论指导。8.没有建立多专业、多学科集成的重大危险源检测、识别和预警模型目前,我国相关科研院所对煤矿井下重大危险源的检测、辨识、预测和预警做了大量的研究工作,取得了一定的研究成果。但集成的重大危险源辨识

35、、检测和预警模型还没有完全建立,特别是基于多专业或多源信息的检测、辨识、预测和预警模型还没有实质的进展。具体来说就是通过检测、监测设备获取的海量数据缺乏综合性的数据挖掘,主要是基于阈值的报警(如瓦斯。9.各检测、监测系统及数据管理平台相对独立,信息不能共享对煤矿井下重大危险源的研究已经走过了较长的历程,但目前绝大多数矿井仍以专业为界线(监测监控、地测、通风、运输、机电、调度、采矿等分别研究、开发、配置软硬件系统,没有统一的信息化数据处理平台和网络平台,对相关事故的分析和研究考虑因素较为单一,造成信息无法共享交流、系统操作复杂、预测预报精度低。实际上,与煤矿安全生产有关的数据具有共享的特征,而且

36、对很多安全生产事故的分析和预警必须对不同专业的数据进行综合分析才能得到正确的结果。10. 缺乏集成的三维动态数据处理平台目前的系统主要是二维的,表现形式单一,而且与综合自动化、在线检测等系统的集合不紧密。更为关键的,现有的系统动态数据处理功能弱,无法适应煤矿动态生产的需求。上述问题的存在使得我国煤矿安全生产形势没有本质的好转,大量的信息化建设成果(硬件、软件在煤矿安全生产过程中也没有取得预期的显著成效,这就需要以新的思维开展新方法、新技术的研究,以集成的数字煤矿矿山架构为目标,突破我国目前煤矿安全生产信息化技术落后的局面,其最终目的是降低煤矿安全生产事故的发生,实现煤矿的现代化、信息化管理。1

37、.3数字化矿山概况1.3.1 数字化矿山建设历程随着自动化、信息化技术的不断发展及在煤矿行业的逐步应用,我国数字化矿山的建设历程主要分为如下几个阶段(参见图1-2: 图1-2 数字化矿山的发展历程目前矿井单一自动化系统基本已经实现,绝大多数单系统,例如主排水、主运输等都已实现了自动化管理。但到目前为此,虽然高速网络及软件技术得到了飞速发展,但数字化矿山建设绝大多数矿井仍然处于浅层次的综合自动化水平,主要实现了地面的远程监测监控。只有在单系统自动化的基础上,通过高速网络接入各单系统,充分数据融合,建立合理的联动机制才能完成从单系统自动化到综合自动化的转变,该部分的转变从投入的资金和实现的容易度相

38、对来讲可实现性和可控性都比较容易,但是从综合自动化向数字化矿山发展,涉及的面比较广,必须由多方共同来推进,一般涉及到“综合自动化”、“空间数字化”及“管理信息化”三大方面,三者缺一不可,通过三者的有机融合,再通过合适的平台例如三维可视化平台进行展示,同时通过科学合理的管理制度和流程加以应用才是真正意义上有血有肉的数字化矿山。这阶段的转变除了需要大量的资金投入,更多的需要理念的转变,相对来说难度较大,数字化矿山同时也是后续矿山数字化发展的基础,在合适的环节加以有效的决策分析系统,必然能够为领导层提供生产经营管理的决策依据,实现向智能矿山的发展,实现这一阶段的转变需要不断的对决策分析系统进行丰满,

39、完成信息化向知识化的转变。1.3.2 数字化矿山建设各阶段关键特征1. 单系统自动化阶段关键特征(1具备可靠和全面的传感和执行机构。(2具备可编程的控制系统。(3具有远程监测监控功能。(4单系统根据条件可以进行系统自动化运行。2. 综合自动化阶段关键特征(1具备高速网络通道。(2实现各自动化系统的数据融合。(3具备一定的数据挖掘能力。(4具备可建模的联动控制策略。3. 数字化矿山阶段关键特征(1综合自动化、管理信息化、空间数字化三化数据融合;(2在多维空间矿山实体的基础上动态嵌入与矿山安全、生产、经营相关的所有信息如环境参数、机电设备运行状态、人员、产量、业务管理信息等,并找出这些信息内在的联

40、系,赋予数字化矿山更丰富的含义。(3具备基于GIS的二维、三维或多维展示平台。4. 智能矿山阶段关键特征(1在数字化矿山的基础上,运用人工智能技术、数据挖掘技术,将煤矿行业内各专业的专家思想及专业解决方案编制成若干可重复运行、决策指挥的决策分析系统,能为安全生产经营提供决策依据;(2运用云计算、物联网等技术实现矿山的“物联化、互联化、智能化”。1.3.3 数字化矿山定义数字化矿山由数字地球的定义延伸而来, 即在矿山范围内以三维坐标信息及其相互关系为基础组成信息框架, 并在该框架内嵌入所获得的静态和动态信息及并对进行分析、操作和决策。集团数字化矿山的定义如下:“数字化矿山”是以先进的煤矿机电及一

41、体化技术、计算机技术、3S技术、与信息化相适应的现代企业管理制度为基础,以网络技术为纽带,以煤矿安全生产、高产高效、绿色开采、可持续发展为目标,实现多源煤矿信息的采集、输入、存储、检索、查询、动态修正与专业空间分析,并实现多源信息的多方式输出、实时联机分析处理与决策、专家会诊煤矿安全事故与调度指挥等的现代化矿山系统。归纳起来,“数字化矿山”主要涵盖四大部分:网络和底层支撑系统,综合自动化和在线检测系统、安全和生产技术综合管理系统、行政办公和经营管理系统。1.4XX煤矿概况及数字化矿山调研现状1.4.1XX煤矿概况1. 矿井概况(1交通位置XX。(2自然地理(4煤层及煤质1.4.2XX煤矿数字化

42、矿山调研现状根据对XX煤矿数字化矿山综合自动化、信息化系统设计与建设现状的调研, XX煤矿各个系统主要设计与建设情况参见表1-1、表1-2、表1-3、表1-4。表1 总体网络情况 表2 综合自动化系统各个子系统建设与接入情况 17 18 表3 煤矿安全六大系统各个子系统建设与接入情况 19 表4 数字化矿山信息化软件平台各个子系统建设与接入情况 20 211.5数字化矿山工程建设的目标和原则1.5.1数字化矿山建设总体目标通过数字化矿山建设实现矿山资源与开采环境数字化、技术设备智能化、生产过程控制可视化、信息传输网络化、生产管理与决策科学化。数字化矿山工程建设是以矿山采掘系统的完整过程和具体需

43、求为基础,以地理空间为参考系,以煤矿综合自动化技术、在线数据检测技术、计算机技术、3S 技术、网络技术和采矿专用技术为支撑,建立起系列化的数据采集、传输、分析、输出和决策支持模型以及软硬件系统,实现采矿过程的信息化管理,大大降低安全生产事故的发生。数字化矿山包含三个层次:一个层次是将“数字化矿山”中的固有信息(即与空间位置直接有关的固定信息,如地面地形,井下地质、开采方案、已完成的井下工程等数字化,按三维坐标组织起来一个“数字化矿山”,全面、详尽地刻画矿山及矿体;另一个层次是在此基础上再嵌入所有相关信息(即空间位置间接有关的相对变动的信息,如地测、水文、储量、安全、机电、人事、生产、技术、营销

44、等组成一个意义更加广泛的、多维的“数字化矿山”。最后一个层次是数据的综合分析和决策支持。1.5.2数字化矿山建设具体目标1. 加强底层设备自动化的建设XX煤矿“数字化矿山”的建设采用技术领先、标准统一的千兆工业以太网网络结构,集成全矿各个生产安全子系统的实时监控数据,完成生产系统的远程集中监控,通过数据分析、数据整合,保证数据同企业管理决策信息系统无缝的连接,保证整个综合自动化系统数据的有效性、一致性,实现不同业务和系统间能够实时的交换和数据共享。2.加强井下感知物联网和数据中心建设提高底层监测设备和传感器的可靠性,加大无线物联网传感器的应用,感知矿井各个地域的环境参数,实现设备的智能化在线检

45、测。通过工业以太网、安全监测监控等采集的数据,根据信息化的标准要求,实现统一标准、统一存储、统一管理,实现最大程度的数据共享。3.加强煤矿安全生产技术综合管理系统建设建设基于(2D+3D地理信息系统的生产技术管理系统。数字化矿山是一个典型的多部门、多专业、多层次管理的煤矿空间信息共享与Web协作应用平台。煤矿空间数据应用涉及到地质测量、一通三防、生产调度、生产技术、矿井安全、安全监察、质量标准化和机电设备等专业数据的输入、计算、统计、分析和输出等多个生产专业部门环节上的信息,涉及面广,更新快,由大量的图形、图像、属性数据以及元数据构成。统一建设的地理信息系统平台能够实现多部门、多专业、多层次的

46、数据共享。4.加强重大危险源预测预警和决策支持系统建设由于XX煤矿地质构造复杂,危险源较多,应运用GIS技术、物联网技术、数据库技术、专家系统等开展煤矿井下水、火、瓦斯、顶板等重大危险源检测、识别及预测预警,将煤矿井下各类危险源数据集成于同一平台,基于WebGIS统一展示,实现重大危险的早期预测预警,以提高煤矿重大危险源预警能力,降低重大危险源事故发生率,进而提高煤矿整体安全管理水平。5.加强高精度三维透明化地质模型和三维可视化系统甚至虚拟矿井建设构建包含各种复杂地质构造(正断层、逆断层、陷落柱、含水层、老窑区等的高精度三维地质透明化模型,并实现基础地测数据的动态更新。有效地支持大型数据库和实

47、时信息流通讯技术,集成安全监测、综合自动化、通讯视频等各类工业实时数据,构建矿井“采、掘、机、运、通”专业仿真模拟系统,实现全矿井“监测、管理、控制”的一体化,最终实现基于三维虚拟矿井平台的网络化、分布式综合管理,为煤矿安全生产管理提供保障。1.5.3数字化矿山建设的预期效果XX煤矿数字化矿山,系统建设完成后,能够为煤矿安全生产管理带来的预期效果:(1安全管理由事先预防向事先预控发展。(2生产系统由自动化向智能化发展,最终实现少人(无人化作业。(3各监测系统由单一工作向协同工作发展。(4综合管理数据输入发展为全部数据系统自动生成。(5由监测监控功能向辅助分析管理功能发展。(6调度监控由菜单式提

48、取升级为区域立体展示,由故障(事故被动跟踪向主动报警提示发展。(7矿井各系统由二维模拟发展为虚拟矿井三维综合管理系统展示和控制功能。1.5.4数字化矿山建设指导思想根据党的十七届五中全会精神和“十二五”发展规划的要求, 集团深入贯彻落实科学发展观,着力构建新一代信息基础设施,增强信息化发展的支撑能力;着力推动信息化与新型工业化深度融合,构建现代“两化”产业体系。1.技术领先采用国内一流和世界先进的技术和装备,实施科学开采,努力提高矿井的信息化和自动化水平,降低劳动强度、改善工作条件、减少井下人员。利用云计算、物联网、高精度透明化三维地质模型等前沿技术,实现动态生产数据的实时处理,研究重大危险源

49、预测预警技术,对整个采矿过程的数字化和智能化。煤炭的开采工艺上,集团利用技术领先的“数字化矿山”三维可视系统,通过模拟采煤演示和组织专家论证,确定采用适合于矿区煤层特点的最佳开采工艺和技术;在矿井的生产和建设中,集团应突出技术创新,不断地研究和推广“数字化矿山”的领先技术,促进煤矿建设与安全生产各项技术的进步。2.管理现代利用现代化管理手段,借助“数字化矿山”的各类信息,应用“数字化矿山”系统,提高煤矿管理工作的效率,在尽力确保安全的基础上,提高职工的健康水平和素养。要加强对各级管理人员的技术培训,不断提高他们的现代化管理的理念和素质。使煤矿的现代化管理上一个新的台阶。实现三个统一,实现数据的

50、高度共享和业务流程的协同工作:统一传输、统一存储、统一GIS数据处理平台。3.环保低碳低碳运行是现代化矿井的发展方向,煤矿要实施绿色开采,勇于承担社会责任,做到资源节约、环境友好,实现矿产资源开发与环境协调发展。要将“低碳”作为生态矿山建设一项全方位、长时效的系统工程,有计划地分步实施;要加强示范工程的建设和突出创新。4.和谐一流“数字化矿山”建设以人为本,融合良好的企业文化,促使矿山和谐全面发展。“数字化矿山”的各项经济技术指标应达到国内一流水平,某些指标应该是国际领先水平。1.5.5数字化矿山建设原则建设按照“总体规划、分步实施、因地制宜、效益优先”的总体原则进行。因此数字化矿山建设遵循以

51、下设计原则:1.业务驱动,标准先行原则建设XX煤矿数字化矿山要以业务需求为导向,结合实际,以解决安全生产管理的瓶颈问题为切入点,不追求华而不实。要在统一的建设标准指导下进行,要充分整合现有信息资源,在保护投资的前提下,规范建设,逐步提升信息化应用效益。通过标准化建设,实现系统间的集成,达到信息共享的目的。2.实用性原则建设将以满足现行需求为基础,在节省投资的同时,充分考虑发展的需要来确定系统规模。在系统功能方面,确保系统的有效性和实用性,选择合适的技术和产品,使整个系统达到最佳的性价比。界面应易学易用,傻瓜式操作。3.先进性原则在满足系统平台整体性的前提下,其整体技术水平处于国内领先水平,在5

52、至10年内不落后或不被淘汰。先进性不仅反映对提高矿井安全生产管理与提高企业生产效率方面,还体现了企业的管理水平和企业形象。4.成熟性原则要求整个系统平台具有成熟的功能和技术,并且有现场实际应用的成功案例,以保证系统平台运行、使用的稳定性和可靠性。如果相当部分需要开发研究,则无法预期系统的实际功能和使用效果。5.整体性原则“数字化矿山”的建设,不是子系统或专业系统的建设,是各软硬件子系统的集成和扩展应用,要求有稳定可靠安全的系统平台作为支撑。系统平台即要满足矿井安全与生产管理的需要,同时要满足集团公司对矿井集团化管理的需要,“数字化矿山”平台是有机结合的一体化平台。6.全面覆盖、高效精细原则数字

53、化矿山建设要以数字化矿山为核心,并实现分子公司和集团总部的全面覆盖,最终达到集团煤炭生产经营的安全、高效、智能管理目标。7.可扩展性原则作为系统平台,其扩展功能反映其是否有长远的生命力。要求根据企业发展需要,不断接入融合新的软硬件子系统,使平台得到不断完善。8.分步实施原则根据全面建设方案,对方案的局部模块进行实施,即在局部首先实现方案设计的要求,其余部分在适当的时候再行实施。由于以全面矿井安全、通讯等系统集成设计方案为指导,所以各个分步实施的局部建设能够很好的整合,解决了整体设计与进一步实施的矛盾。9.安全性原则系统应该能提供网络层上的安全手段防止非控制网授权用户访问以及操作人员的越权操作,

54、确保工业控制网数据正常传输和控制指令下发准确到达。同时必须实现工业控制网数据全公司全方位共享。系统的安全性包含了煤矿设备安全、网络、数据及软件多方面的内容。井下用相关设备必须要符合煤矿安全规程的要求,达到本质安全或防爆安全要求;通用型网络和软件必须配备完善的安全保密措施,以保证系统安全稳定地运行,必要时可以牺牲一定的带宽或速度来保证安全性。第二章数字化矿山建设设计依据与范围2.1数字化矿山建设设计依据基于安全生产和数字化矿山建设的实际情况,矿井“数字化矿山”系统设计和开发应执行以下国家标准(GB、行业标准和企业标准。煤矿安全规程2012年版煤炭工业矿井设计规范GB50215-2005煤炭洗选工

55、程设计规范2005通用用电设备配电设计规范煤矿安全装备基本要求电子计算机房设计规范计算机软件可靠性和维护性管理计算机软件质量保证计划规范煤炭工业信息化“十二五”发展规划集团“十二五”发展规划集团信息化“十二五”规划MT/T1006-2006矿用信号转换器MT/T1007-2006矿用信息传输接口爆炸性环境用防爆电气设备通用要求爆炸性环境用防爆电气设备防爆型电气设备爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术条件爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范爆炸危险场所安全规定煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件AQ6210-2007煤矿井下作业人员管理系统使用

56、与管理规范AQ1048-2007煤矿监控系统总体设计规范煤矿安全生产监控系统通用技术条件煤矿安全监控系统使用与管理规范煤矿监控系统中心站软件开发规范煤矿监控系统主要性能测试方法防治煤与瓦斯突出细则矿山安全条例矿井防灭火规范矿井通风及安全装备标准矿井通风安全监测装置使用管理规范中华人民共和国消防法建筑内部装修设计防火规范火灾自动报警系统建筑物防雷设计规范邮电部网管系统技术规范中国国内电话网No.7信号方式技术规范(暂行规定及补充规范国内No.7信令方式技术规范综合数字网用户部分(ISUP暂行规定建筑电气设计规范电气装置安装工程施工及验收规范信息技术设备包括电气设备的安全规范安全技术防范规范工程程序技术规范智能建筑设计标准建筑与建筑群综合布线工程系统设计规范建筑与建筑群综合布线系统工程验收规范GB-T15972.15-1998光纤总规范中华人民共和国公共安全行业标