數字化礦井解決方案

概述

煤礦作為一個高危行業，安全生產的話題向來備受關注。隨著國家國民經

濟的不斷快速發展，對煤炭需求量也越來越大，超負荷開采，或監管不力造成

的各級安全事故接連發生。如何利用現有的科學技術有效地解決煤礦安全隱患

問題，已是煤礦生產過程的重中之重及各級煤礦主管單位所關注的焦點，也是

我們煤礦行業安全集成商的一大議題。

目前，煤礦安全事故不斷發生，其中重要原因之一就是企業安全生產“長

效機制”還沒有真正建立起來，企業安全生產信息手段落后，礦井安全監測監

控體系不健全，除瓦斯監控設備外，井下其它生產監測監控系統，如電力、提

升、運輸等方面的建設也是不盡如人意。煤礦使用的各種監測、監控和通信系

統相當復雜，幾乎每一套系統都有一套各自獨立的通信傳輸系統，投資重復浪

費、通信線路雜亂、維護困難，導致信息資源浪費嚴重，已經不能滿足新型現

代化煤礦信息交流的需要。打造數字化、網絡化、集成化的礦井是未來行業發

展的一個必然趨勢。

我們在總結安全生產管理經驗的基礎上，并結合煤炭行業生產的自身特點,

利用計算機技術、通訊技術和網絡技術，為煤炭行業的安全生產提供了一套完

整的數字化礦井的解決方案。“數字煤礦”就是以先進的煤礦機電及一體化技術、

計算機技術、3s技術、與信息化相適應的現代企業管理制度為基礎，以網絡技

術為紐帶，煤礦安全生產、高產高效、可持續發展為目標，實現多源煤礦信息

的采集、輸入、存儲、檢索、查詢與專業空間分析，并實現多源信息的多方式

輸出、實時聯機分析處理與決策、專家會診煤礦安全事故與調度指揮等。建成

后的數字化礦井不僅提高了煤礦的自動化水平及辦公效率，同時也能使各級領

導的決策更加科學、及時。

在數字化煤礦解決方案中，山利科技提供了企業最急需，也最實用的煤礦

綜合自動化平臺解決方案。通訊網關將安全系統（安全檢測、井下排水、通風

系統、人員定位、瓦斯抽放、消防系統等）、生產系統（膠帶傳輸、提升系統、

工作面、礦井水處理、污水處理、選煤、空壓機、供水系統等）、電力系統（井

上110/35KV變電站、井下變電站、膠帶配電、選煤配電）等的各種接口類型、

各種通訊協議規范的諛備統一成基于以太網絡的通訊協議；綜合自動化平臺實

時歷史數據庫收發所有現場數據，并為監控人員提供完備的圖形、趨勢、報表

等工藝監控畫面，從而實現機電設備的監控自動化、聯合調度管理。

山利數字化煤礦系統的建設本著“實用、可靠、先進、經濟”的指導思想,

根據煤炭行業信息化的典型需求，要在企業實現自動化的基礎上，建立集中管

理的安全生產實時信息平臺，實現井下監控設備實時數據的采集和遠程監控，

通過實時數據和管理數據的信息有效集成，提高煤炭監管部門的監控力度，以

信息化帶動企業管理和行政管理的科學化，從根本上避免或杜絕惡性生產安全

責任事故的發生，旨在為煤礦生產節約成本、強化生產安全管理、提高工作效

率。

系統本著總體規劃、分步實施的原則，系統將從整體上實現以下的建設目

標：

令建立安全生產數據中心：建立統一、集中的實時數據庫平臺，

根據客觀現實條件，采用技術較為成熟的IP網絡對井下不同的硬件平

臺、軟件環境的各自動化裝置實現實時數據的采集和存儲，為事故分析

提供可靠的依據。

?實現數據的分級共享和監測：通過完善的用戶管理機制，實現

數據分級共享和監測。

。建立安全報警防范機制：系統將提供對生產安全數據的超限報

警功能，以閃爍、聲音等形式實時提醒，并充分利用短消息機制，及時

傳遞給相關領導和人員。安全生產報警機制可以大大提高對生產現場問

題的響應速度，有利于安全生產的指揮和調度，提高各級管理者的管理

效率，形成與救護、公安、醫療等部門一體化的災害處理應急聯動機制。

令提高數據分析能力：通過數據分析工具，采用多樣化的數據展

示方式對煤礦安全生產實時數據進行分析和智能化應用，實現生產數據

及設備狀態的自動統計、分析，為政府、企業領導和相關管理人員進行

科學的生產經營決策提供及時可靠的支持。

數字化礦井綜合管理平臺總體結構

數字化礦井綜合管理平臺是一個以各級安全生產監管單位為主體，實現對

分布在管轄范圍內的礦井生產實時數據的采集、存儲和監控，通過安全生產數

據的統計分析，為監管部門進行科學決策提供依據，最大程度地排除事故隱患,

杜絕突發性安全事故的發生。

根據煤炭安全生產的具體需求，我們設計如下的數字化礦井綜合管理平臺

總體功能結構：

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數字化礦井綜合管理平臺總體結構

整個系統由井下監測系統、數據采集系統、實時數據平臺、井上生產管理

系統等子系統組成，以下主要介紹各子系統的功能:

(-)井下監測系統

針對井下能夠實時監控的人員、設備以及設備運行狀態等參數，利用自動

化設備進行自動實時監控，不能夠自動進行監控的(如：采區開機回來刀數、掘

進進刀數、開拓尺寸、頂板離層量、巷道下沉量、井下放煤量），則利用人工

進行定時手工錄入到系統中。

器生產監測監控系統

在我國煤炭行業，瓦斯事故是當前煤礦生產的主要災害。大多數煤礦企業

都已經或正在進行瓦斯等生產監測監控系統的建設，但由于現有系統的局限性，

無法使安全生產監督管理部門及時掌握礦井的瓦斯情況，企業的領導及主要安

全責任人無法第一時間獲得瓦斯超限報警信息。

煤礦瓦斯監測報警系統，充分利用當前先進的通信網絡及信息技術，與監

測監控系統緊密結合，實時采集數據，全方位識別，全天候處理，通過網絡將

瓦斯實時信息發送到冬級相關責任人手中，為有效防范煤礦瓦斯事故提供輔助

手段，達到群防群治的目的。

系統具有屬于主機系統的PLC模塊，用戶可以根據自身的特色靈活、快速

地編制出符合實際的可編程控制邏輯，使系統能在最短的時間內自動響應外界

發生的變化，向有關分站、閉鎖或傳感器發出控制指令，從而減少了人為因素

造成的時間延誤，并能實現交叉斷電。系統還能通過GSM網絡把報警信息按預

先的設計發送到遠端相關設備（如：上級領導機關的手機或計算機終端等設備）

或相關網絡（如：上級領導機關的管理信息系統）上，這樣使得有關領導、技

術人員和管理人員等相關人員能在第一時間內方便快捷的了解系統的運行狀

況。系統還具備數據存儲功能，報表查看及打印功能，能將以往的井下參數進

行存儲，方便日后查看，并可以對當天的日報表進行實時打印。

主要監測煤礦井下各種有毒有害氣體及工作面的作業條件，如高濃度甲烷

氣體、低濃度甲烷氣體、一氧化碳、氧氣濃度、風速、負壓、溫度、頂板壓力、

頂板位移及煙霧等；井上、井下主要生產環節的各種生產參數和重要設備的運

行狀態參數，如煤倉燥位、水倉水位、供電電壓、供電電流、功率等模擬量；

水泵、提升機、局扇、主扇、膠帶機、采煤機、開關、磁力起動器運行狀態和

參數等。

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a井下人員定位系統

井下作業人員流動性大，一旦下井后,就無法確切地知道他們所處的位置,

當礦井發生透水、火災等事故時，將給救災工作帶來極大的困難。為了能實時的

了解井下人員的流動情況；了解當前井下人員的數量及分布情況；查詢任一指定

下井人員當前或指定時刻所處的區域；和查詢任一指定人員本日或指定日期的活

動蹤跡。在平時可作為下井考勤系統，對任一指定月份、或任一指定日期段，對

下井人員進行下井次數、下井時間等進行分類統計，便于考核，打印相關報表;

一旦礦井發生透水、火災等災害事故，可對搶險救災的人員統計、定位等起準確

的指導作用。

煤礦井下人員跟蹤定位管理系統是集計算機軟硬件、信息采集處理、無線數

據傳輸、網絡數據通訊、自動控制等技術多學科綜合應用為一體的自動識別信息

技術產品，該系統是通過對坑道遠距離移動目標進行非接觸式信息采集處理，實

現對人車物在不同狀態（移動靜止）下的自動識別從而實現目標的自動化管理。

該系統集成了技術含量很高的射頻識別技術，并采用跳頻點或者固定頻點頻

率實現可靠的半雙工通信，分站設備和無源本質安全型標識卡采用全新的嵌入式

微處理器和嵌入式軟件進行設計，具有隔爆兼本質安全型設計系統作用距離遠、

可任意調整系統的識別范圍、信號穿透力強、安全保密性能高、對人體無電放污

染、環境適應性強可、同時識別眾多目標、便于網絡連接等性能優點，目前這種

嶄新的信息采集、存貯、傳遞和處理技術，已迅速得到國內外同行的廣泛關注，

它將為煤礦井下人員定位跟蹤管理起非常重要的作用

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?礦井主排水控制系統

礦井突水是煤礦的致命災害，嚴重威脅著煤礦的安全生產，有時會造成巨

大的經濟損失和人員傷亡，隨著煤礦水害問題的日益突出，煤礦防治水研究將

會越來越占有其重要的地位。數字化礦井綜合管理系統采用集中化、智能化、

高可靠性的礦用本質安全型礦井水壓實時監測系統。該系統可對煤礦井下幾個

至上百個分布式水文觀測孔的水壓、水位進行“一線多點”形式的超遠距離地

面集中實時監測。采用高速數據交換技術，系統具有最佳的實時性。實時監測

數據能及時反映當前礦井不同地質層位的水壓、水位及動態變化情況。

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0工作面頂板壓力監測系統

礦井工作面頂板壓力監測系統是數字化礦井綜合管理系統的重要組成部

分，它主要用于煤礦工作面綜采支架壓力參數的在線遠程監測。該系統由井上、

井下兩大部分組成。井下部分包括：工作面壓力分機、通訊分站、通訊電纜等,

各壓力分機采用專用電纜串聯至通訊分站，通訊分站輸出的數據信導通過數據

傳輸線路傳至井上。井上部分包括：接收機、計算機、監控軟件、打印機等，

接收機完成與井下通訊分站的通信及與計算機的數據傳輸接收工作。能動態實

時監測煤礦頂板壓力以及位移變化量，并能通過表格、曲線等形式對數據進行

實時或歷史顯示，并通過聲、光等多種形式進行實時預警預報，使用戶能及時

地對頂板壓力及位移變化趨勢做出反應。實現對礦山頂板的全面監測，能幫助

煤礦相關工作者或煤礦領導指揮安全生產。

S通風系統監測及集控系統

通風機集中控制系統主要完成在地面集控中心對礦井通風機的遠程開

停和在線監測，實現通風機房無人值守，達到減人提效的目的。實現在礦

井地面集控中心對井下風機的遠程開停控制。

II井下皮帶控制系統

井下皮帶集中控制系統它主要完成在地面集控中心對井下皮帶運輸系

統的遠程開停和在線監測，實現皮帶運輸系統現場崗位的無人值守，達到

減人提效、提高礦井安全程度的目的。井下皮帶集中控制系統均采用現場

總線方式連接后通過PLC就近接入井下工業以太環網，從而進入礦井綜合

自動化平臺并組杰，在地面集控中心設置兩臺操作微機進行控制。同時，

在皮帶機頭、機尾等重要地點設置工業電視攝像頭，在井下通訊及語音一

起作為遠程控制的監視、聯系手段。

各皮帶機均設有煤倉煤位、跑偏、堆煤、煙霧、溫度、打滑、帶速、

電機電流、沿線急停等保護，并在地面集控中心進行狀態監視。

該子系統主要完成在地面集控中心對井下各變電所高低壓開關設備的

遠程開停和在線監測，實現各變電所無人值守，達到減人提效、提高礦井

安全程度的目的。實現了在礦地面集控中心對海域變電所的“四遙”切能

（遙控、遙測、遙調、遙信）。井下供電控制系統均采用現場總線方式連

接后通過PLC就近接入井下工業以太環網，從而進入礦井綜合自動化平臺

并組態，在地面集控中心設置兩臺操作微機進行控制。同時，在變電所設

置工業電視攝像頭，與井下通訊系統及語音系統一起，作為遠程控制的監

視、聯系手段。

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（二）數據采集系統

數據采集系統負責從礦井井下監控系統中讀取數據，通過建立的數據傳輸

網絡鏈路，向安全生產監控中心發送獲得的實時數據。本系統主要由以下功能

模塊組成：

0實時數據采集

從井下監控系統中實時讀取監控設備和儀器儀表所檢測到的瓦斯濃度等生

產現場環境數據，以及風機、水泵等設備的運行狀況數據。

0數據發送

將采集得到的數據按照設定的時間間隔，通過井下專用網絡向井上發送至

中央監控中心的數據接收服務器。

0無線傳輸模塊

由于礦井大都處在偏僻荒郊地帶，礦井監控系統充分利用了移動網絡覆蓋面

廣、無線傳輸的優勢。礦井環境實時監控系統囊括了短消息、GPRS和專線接入、

互聯網接入等幾乎所有的移動數據業務。系統通過專用設備將煤礦井下的瓦斯

指數、一氧化碳、溫度、風速、負壓等重要監控數據實時采集并利用移動公司

網絡通過無線方式從不同礦井或礦井的不同層面遠距離傳至礦務局或煤炭管理

局以及煤礦安全監察部門，使各級安全管理部門及時掌握礦井的生產安全動態,

正確指揮生產，避免重大事故發生。

（三）實時數據平臺

實時監測系統的對象是監測數據，實時數據庫的核心就是管理實時監測數

據，它采集并存儲與生產過程相關的各種數據。

煤炭生產安全要求各級生產監控中心能夠及時掌握影響生產安金的現場實

時數據，預見安全隱患，并及時下達調整指令，形成一個信息暢通的閉環控制

系統。為此，建立以實時數據庫為核心的生產過程數據集成平臺是本系統的關

鍵，利用先進的實時數據庫技術可以完成生產過程數據的高效壓縮和安全存儲,

實現資源共享，保障生產安全數據的在線查詢。

實時數據平臺不僅能將分散在各礦井的實時信息集成起來，虛擬成一個大

系統，為管理者全面地實時監控所轄范圍內企業妁生產過程提供一個集成化的

平臺，而且能夠通過對生產過程數據的再次加工處理，提煉出真正對安全生產

決策有用的數據，從而在生產經營管理和實時過程控制之間架起一座橋梁，達

到兩者之間的信息交換和緊密集成。

（四）井上生產管理系統

?基礎業務平臺

基礎業務平臺主要用于數字化礦井綜合管理系統的初始化定義、組織機構

的建立、用戶及權限的設置，為其它業務系統提供基礎業務框架和身份認證機

制。用于整個系統平臺的維護管理，確保綜合管理系統安全、穩定、持續的運

行。

a安全監控及分析系統

煤炭安全監控及分析系統的一個非常重要的目的就是要實現對煤炭生產過

程實行安全監控，通過對從井下檢測設備中采集上來的數據進行分析，可以判

斷監控礦井的井下工作狀態，對發生瓦斯濃度超標等危害礦工生命安全的異常

情況立即自動報警，并根據嚴重程度通過短信報警系統將信息分級發送給相關

領導、管理人員和礦井現場負責人，以及時采取必要措施，保障礦井的安全生

產。通過安全實時監控系統，實現了數據在人員、控制中心和設備間的互通互

傳，管理人員在何時、何地都可及時了解礦井下的安全狀況，并根據情況正行

及時響應。

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對實時歷史數據正行綜合分析，并以多種方式進行數據的展示。通過信息

綜合分析平臺，可以快捷地形成各種安全生產報表，從而降低了煤炭安全生產

監管部門的統計工作量，提高了數據的準確性和及時性。系統提供豐富的數據

顯示方式，能以文字、圖形、報表、語音、聲光等多種方式為監控中心的管理

人員提供提示信息。

II應急指揮系統

煤礦是一個事故多發、頻發的企業，爆炸、漏水、缺氧是主要的事故形式,

不同的事故有不同的救助方式，因此有一套好的應急指揮系統十分必要，本系

統提供了應急指揮預案快速生成的方法。

數字化礦井是結合煤炭生產相關法律法規、救援專家、救援知識、救援預

案和事故數據，采用數據庫、地理信息系統等技術開發而成的。其中煤炭事故

數據庫中記錄事故單位，傷亡情況、事故的原因、處理過程、經驗教訓等信息,

安全事故的善后處理、責任人的處理等方面信息，當煤礦企業發生事故，特別

是重大事故時，可以利用數據庫中收集到的各種相關事故資料與搶險處理措施,

提出幾個具有重要參考價值的，與發生事故企業或部門條件類似的事故案例，

供事故搶險指揮者或搶險人員在對事故進行搶險處理過程中借鑒，以便能使所

采用的搶險處理方法更為可靠、有效。也是進行事故預防、安全教育的很好教

材。

?應急預案管理系統

安全事故發生后，如果沒有應急預案，往往造成慘重的生命和財產損失；

事前制定相關的應急預案，利用預先的計劃和實際可行的應急對策，可使事故

及時得到控制，從而大大減小事故造成的損失。因此，除加強事故前的預防和

控制措施外，還應該加大對各種事故的分析，建立事故應急預案數據庫。

應急預案編制是一項知識性、系統性很強的工作，通過預案的實施，可以

有效的控制事故發展，可以有效防止二次災害事故的發生，減少事故產生的損

失。一個完善的事故預案，平時可用于預防事故演練提高全員素質，提高人員

抵抗事故的能力，事故狀態下，指導救援人員沉著救災，避免手忙腳亂。

應急救援預案是針對具體設備、設施、場所或環境，在安全評價的基礎上,

評估了事故形式、發展過程、危害范圍和破壞區域的條件下，為降低事故損失,

就事故發生后應急救援機構和人員，應急救援設備、設施、條件和環境，行動

步驟和綱領，控制事故發展的方法和程序等，預先做出的計劃、安排和應對措

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fl事故救援知識管理系統

知識庫綜合了目前煤礦各種災害的救災知識，并對其進行了科學的分類、

歸納，按救災步驟提供了相應的具體的救災知識，知識庫具有學習的功能，隨

著救災理論的不斷完善，可以將更新、更成熟的救災知識對其進行更新，使之

具有廣泛應用、吐故納新，保持最新水平的動態實用管理功能。

B礦山救護隊管理子系統

對救護隊進行調查，將救護隊信息進行處理，建立管理信息系統，當接到

煤礦事故報告時，能夠及時調用相關的救護隊資源投入事故救護工作。

。專家數據庫管理子系統

專家數據管理是用來對專家庫進行維護，維護的數據包含專家個人基本信

息、專家的特長、成就等擴展信息，專家信息是專家數據庫管理子系統的基礎,

以便在事故救援過程中及時得到專家的支持與幫助，提高事故救援的效率，降

低事故的損失，減少事故的傷亡。

a生產管理系統

a生產計劃編制：計劃編制是企業管理的首要職能，企業根據生產歷史教據、

企業發展戰略、企業生產能力和煤炭儲備分析等信息，在年初制定全年

的生產計劃等，并以此分配出季、月、日生產計劃，隨著時間的進行，

及時跟蹤計劃的執行情況，調整計劃，努力保證計劃的順利完成。本模

塊用于計劃的生成和計劃完成情況的查詢，

0煤質管理：包括煤質計劃、煤質統計、煤樣化驗，統計某時間段煤質報

表、煤質折線圖等內容，記錄煤質日常檢查。

0生產調度記錄：生產調度是企業生產的指揮中心，它按計劃安排、協調、

維持整個企業的生產過程，各個生產環節又及時將生產實時信息傳給它。

本模塊以文本或錄音的方式存儲調度指令，可通過使用消息機制，當一

個調度指令創建并發送后，系統會通過多種方式提示該調度指令的接收

用戶，以保證調度指令下達的及時性。

0生產班報記錄：本模塊是生產過程的全面記錄，以文檔的形式存儲，由

班組長記錄主要的生產過程，如下井人員、采掘產量、應急處理、工作

層面、事故及救助的過程。

0設備檢修管理：基于資產管理中設備管理模塊的基礎數據，對設備進行

預防性維護，保證設備的正常運行，提高設備開機率。包括設備檢修計

劃、檢修記錄、備件庫存管理等。

0員工下井考勤：在井口安裝門禁系統，礦工下井出井時都必須進行刷卡,

系統記錄下員工的姓名和上下井時間，即可考核員工的出勤率，也專利

于事故發生時確認進行礦工的實際情況。

0安全法規：煤礦的生產安全的重要性不言而喻，礦工必須經過認真的培

訓和安全知識的考核，該模塊搜集國內的煤炭安全監察法律和法規及各

地的安全監察條例。本系統中存儲了安全生產的相關知識和員工的考核

記錄，考核不合格的不能上崗，并可記錄不定期的抽檢記錄。

0安全用品領取：礦工用的如安全帽、礦燈、工具等，營救用的氧氣瓶等,

以及井下安全信息的采集設備、傳感器等用品都要登記在冊，用品的領

取都要記錄在案，包括采集、傳感設備的安裝位置都有記載。

3煤礦產量監控系統

煤炭產量信息采集是各級政府部門包括煤炭管理部、稅務部門、國土資源

管理部門、統計部門和政府決策等部門一項重要、煩瑣、工作量巨大的工作，

目前大部分采取手工記錄報告的形式。不能滿足管理部門對煤炭產量信息采集

的要求。可以通過煤礦產量監控系統解決以上問題。

監控主機

控制器監控中心

礦車運輸

tt綜合服務系統

【二大屏顯示子系統

大屏幕顯示系統是數字化礦井建設的重要組成部分，是現代化煤礦形象的

窗口，是煤礦調度指揮和集中控制不可或缺的手段；大屏幕系統的主要功能是

進行煤炭安全監控數據的大屏顯示，更加方便地進行生產實時監控和管理。同

時大屏顯示系統在事故救援過程中也發揮著重要的作用，結合煤礦視頻監控系

統和事故救援系統，使領導可以通過大屏顯示系統，第一時間了解和掌握事故

現場的情況，方便進行救援決策分析，制定相應的救援方案，進行遠程的救援

和指揮，為事故救援贏得時間。

系統效果圖及體系架構如下圖所示：

PDP投影曲接墻

......控制線

-------網線

----------RGB線

-------視頻線

2G1S地理信息子系統

地理信息系統(GeographicInformationSystem簡稱GIS)是一項以計

算機為基礎的新興技術，系統不僅具有強大的數據和圖形處理功能，而且具有

完善的圖形輸入、輸出功能。系統可擴展性，地圖上的各種地理要素也會發生

變化，如救援機構位置的改變、煤礦地理信息的變化等。

地理信息系統(GIS)是數字化礦井安全指揮中心的重要組成部分，它主要

是跟蹤可移動物體的移動位置，完成事故中員工的定位和安全救助，以一和簡

明直觀的圖形方式顯示員工的移動信息數據，仿真模擬出礦工的移動情況。通

過此系統可以方便的了解他們的地區分布信息，方便政府部門進行救援決策分

析。GIS是一種采集、處理、傳輸、存儲、管理、查詢檢索、分析、表達和應用

地理信息的計算機系統，是分析、處理和挖掘海量地理數據的通用技術。

地理信息系統邏輯示意圖如下:

IT

G】S應用

O1S平臺

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成鼻數擲麻一]|GIS空間陣]

地理信息系統邏輯圖

3工業電視監控子系統

工業電視監控系統也是數字化礦井的重要組成部分，是實現礦井自動