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综采工作面数字孪生系统关键设计分析
摘要：为进一步提升煤矿智能化工作面管理水平、促进先进智能技术在安全生产中的应用，将数字孪生技术与采掘工作面全流程重点环节中人员、装备等相结合，将多种功能传感器安装在重要节点上采集特定异常信息，并将采掘作业现场以数据形式模拟构建环境模型，达到物理装备与虚拟环境的交互融合，借助5G、大数据和人工智能等先进技术，确保了装备生产的真实状态能够被传感器实时采集、反馈，由操作人员和安全监控人员直观掌握和分析，从而判断人员和装备的安全状态，减少管理盲区的事故发生，有效提升安全管理效果。
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为进一步提升矿山建设的数字化､智能化水平,将数字孪生体技术与煤矿开采技术深度融合,基于其在物理模型构建､历史数据运行､传感器数据采集传输等方面的资源整合平台优势,可将煤矿生产期间的装备运行信息､人员结构信息､管理参数信息等进行数字化处理,对数据进行管理分类,根据生产环节中各要素之间的供需关系合理分配人､财､物等资源,并将具体实物信息通过数字孪生体技术转化为虚拟数据进行信息化管理,更有利于数字信息的传输与转换,资源进一步得到优化配置,从而提升矿井生产效率和智能化管理水平[1-2]｡通过对数字孪生体技术的研究,与煤矿安全生产管理的不同层面相结合,谢军峰等[3]提出将5G通信技术､物联网技术和云计算等技术引进煤矿生产,构建数字孪生智能工作面,实现智能化操控采煤平台;安成等[4]提出构建掘锚一体化智能综掘技术,将综掘机运行参数和掘后支护工程质量验收参数相结合,实现快速综掘效果;丁序海等[5]提出将DT驱动和悬臂式综掘机结合,构建可实现远程操控的虚拟控制系统,完善综掘巷道数字化､可视化管理｡因此,通过数字孪生体技术的融合应用,推动矿山智能化建设,对实现智慧生产和数字开采具有广阔应用前景和推广价值｡
1、数字孪生体技术体系框架构建
数字孪生体技术体系框架主要包括用户域､数字孪生体､掘进物理域数字孪生组件､测量与控制实体和现实物理域等部分[6-7]｡通过各系统构成之间信息交换和数据共享,从而构建由现实装备到虚拟操控转换的智能共生生产环境,将煤矿采掘工作面生产流程､装备运行参数､状态信息等内容以数字模拟的形式进行呈现,经过系统优化和解构重组,将现实生产的全流程一一对应,组建数字孪生模型,在框架平台的指导下,通过态势感知与分析,完成多机协同操控作业｡数字孪生体技术体系框架如图1所示｡
图1数字孪生体技术体系框架
(1)技术体系框架中用户域涉及到人､人机接口､应用软件和共智孪生体等内容,是在专业技术管理人员､计算机处理技术软件开发和适配的人机接口等方面开展顶层设计,配套软硬件设施构建共智孪生体｡
(2)数字孪生体主要涉及建模管理､仿真服务和孪生共智三部分,其中建模管理包括数字建模､模型展示､模型同步和运行管理内容,主要对采掘作业环境､主要装备和生产工序流程构建仿真模型,通过数字逻辑语言搭建管理平台的第一步;仿真服务包括模型仿真､报告生成､分析服务和平台支持,主要提供模型对数据的分析处理服务和结果评估服务等;孪生共智包括资源接口､资源互动､安全访问和在线插拔等,便于数据信息的高效传输｡
(3)掘进物理域数字孪生组件作为重要环节,是将生产全流程中涉及到的操作施工人员､综掘设备､运输设备､综采设备和通风除尘设备等进行数字孪生模拟,并对其工作状态进行数字化生成,实时掌握现场环境的作业工况,形成生产流程的数字化管理｡
(4)测量与控制实体可分为测量感知和对象控制两部分,测量感知主要功能为通过设置多组传感器进行数据采集和远程监测,将监测到的数据信息与预警值和正常值进行分析对比,自动进行标识,从而区分人机状态和工况是否合理､是否存在风险异常等,判断运行状态是否健康安全;而对象控制是在测量感知基础上进一步实施动作,其中包括设备控制､设备执行和设备标识等,通过测量感知采集到的异常数据回传给地面中央处理器,经过计算机信息处理和分析,将异常信息按照处置指令下发给各对应控制部,由负责具体指令动作的设备进行切断电源､停止动作或停机等,负责具体指令的反馈落实｡
(5)现实物理域和数字孪生组件职责内容相同,但不同点在于数字孪生组件主要通过数字化管理模拟设备的具体状况,分析判断是否存在隐患点和安全风险,属于生产流程的上游终端,而现实物理域中涉及内容需要经过测量与控制实体环节的数据采集分析和指令下达,位于控制端下游,是具体指令的执行单元,也是信息反馈单元,因此从功能划分上具有本质区别｡
2、智能化采掘工作面远程控制技术
(1)智能感知系统
为将数字孪生系统更好地应用于采掘工作面,形成智慧化感知系统,需要对采掘生产全流程中的各个主要环节构建数字模型,模拟真实生产状况,通过安装各类具体功能的传感器和视频监控设备等,利用PLC集控系统实时呈现设备和人员工作的工况信息,从而评估工作状态是否安全正常｡智能化采掘工作面装备远程控制体系如图2所示｡
图2智能化采掘工作面装备远程控制体系
对采掘工作面作业地点范围内涉及到的所有工况信息预先进行采集,并设定异常信息报警域值,确保作业场所的环境安全,例如录入作业地点的地质条件､煤层厚度､岩层岩性和硬度､施工坡度､环境温度和湿度,以及电气设备的最大耐受负荷电压､电缆和开关选型等基础参数｡通过预设安全参数,在实际运行中,一旦采集信息超过安全阈值,如设备过载､开关短路等情况发生时,对应的传感器可快速采集信息,并形成特定数据回传上一级控制单元,得到指令后执行特定动作,完成远程控制,确保故障可能引发的安全事故得到有效阻断｡传感器采集的设备态势感知信息如图3所示｡
图3设备态势感知信息
图3中采掘装备的状态感知包括状态信息和工况信息,状态信息主要监测风量､粉尘浓度､一氧化碳和瓦斯气体浓度等环境信息,而工况信息包括电气设备运行参数､乳化液泵和管路液压参数､电气设备故障信息､电缆载荷信息,以及综掘机､采煤机等装备的截割部位､行走部路径､伸缩缸行程等具体信息,随时通过状态分析对设备姿态进行优化调整｡
(2)数据无损无延时传输技术
随着5G通信､人工智能和大数据等先进技术的快速发展,与智能矿山建设相互融合,形成矿井上下通信互联互通,尤其在超大带宽､传输无延时等方面取得显著进步｡对于监测监控系统而言,其自身对于生产中每天每班的输送带运输､打钻监控､抽采计量流量监控等要求数据储存量巨大,必须具备大容量的储存空间,而且对于连续作业的装备,要具有无延时的流畅传输效果,对通信监控技术提出了更高要求｡
(3)精准姿态测量控制技术
煤矿井下作业环境在生产期间会产生大量粉尘,严重阻碍操作人员观察视线,尤其当煤岩粉尘浓度较高时,通过增加环境灯光照明度仍显示模糊视距,不能有效判断环境是否安全｡因此,需要通过采取其他物理手段如红外感知传感器或激光测距仪等装备进行辅助观测,具体装备与感知信息如图4所示｡
图4辅助观测装备与感知信息
在视线模糊情况下,不方便随时观察瓦斯监控探头的数据,可利用采煤机和综掘机上显示屏的数据联网功能实时显示环境中气体浓度和变化指标｡当浓度上升或者风量检测不足时,可能造成风排瓦斯量增大而导致超限事故发生,可通过采集数据进行反馈,及时对作业设备进行断电,或者调控风机实施变频,增大作业点供风量｡如机身姿态和截割臂状态信息监控,可通过安装行程传感器监测综掘机截割臂伸缩长度､摆动方位角,以及仰角和倾角等信息,以便司机在盲开状态下依然能够通过显示屏显示数据信息,可以判断截割臂所处断面具体位置,避免出现超欠挖影响工程质量现象;通过在采煤机上安装数字全站仪和光纤贯导,利用激光定向技术可以准确测量､计算出采煤机截割状态和机身倾斜角度,同时通过在工作面切眼内的位置连续测量,还可以绘制轨道和刮板输送机的真实曲率,避免拉移支架推溜滞后造成链条负荷增大､磨损设备｡
(4)数字孪生驱动坐标体系
数字孪生技术与采掘作业相融合的基础是通过建立精准的坐标体系来实现虚拟和现实有机结合､相互转换｡利用数字模拟技术构建真实的三维立体空间环境,确保坐标体系的准确性,同时利用传感器采集的环境变量参数进行计算分析,研判可能导致的风险类型和事故等级[8],模拟参数变量持续存在可能造成的后果;经过系统修正后,发出优化指令,由特定设备执行命令,从而实现被动监控向主动预防管理模式的转变｡
3、数字孪生技术应用实例
(1)综采工作面远程控制
综采工作面主要包括液压支架､采煤机､刮板输送机､转载机和破碎机等物理装备,其中采煤机又包括行走电机､截割电机等电气设备,还有摇臂､滚筒和本体､下滑靴等辅助物理装备,而液压支架主要内部参数为液压油压力､支架初撑力等参数｡通过对主要部件参数进行监测,实时动态感知采集数据,利用数字孪生技术将预先设定参数录入模拟模型中,构建系统感知层和智能控制层;在动态生产过程中,经过中间过渡环节的模型优化层对虚拟工作面数据模型进行动态修正,对态势感知做出合理优化方案,并制定优化后的事宜调整参数｡如刮板输送机出现一定量弯曲,未能与煤壁和支架等形成“三平一直”,此时系统给出计算后优化结果为40#~70#架需要向前推溜0.5m左右,可通过具体指导数据完善刮板输送机曲率,降低链条拉移负荷｡该应用实例如图5所示｡
图5综采工作面数字孪生技术应用实例
(2)综掘工作面远程控制
通过在综掘机上安装传感器实现对环境参数的实时监测,并利用数字孪生技术模拟生产状态,将监测数据上传至计算机交互中心,可直观分析各项运行参数｡在综掘机司机操作位的集控平台显示屏上,对摇臂摆动位置､二运启停状态､输送带负荷情况,以及铲板前方堆矸量和星轮上料量等人员视角观测盲区实现模型数字的可视化,提高观测视野,避免安全事故发生｡其次,借助虚拟辅助操控系统可实现物理设备动作与显示屏数据的同步回传,确保操控精度,即使在截割生产期间产生大量的煤岩粉尘时,仍然可以根据屏显截割轨迹判断巷道断面轮廓线截割成形质量,利用捷联贯导技术和激光传感器等装备实时采集､测量摇臂摆动幅度,同时以空间坐标系确定综掘机的准确位置,从而有效控制综掘机截割头和摇臂行程､进尺截深和旋转压力等,以虚实结合形态实现人机交互､姿态调整､远程控制和协同作业等功能｡综掘工作面远程控制应用如图6所示｡
图6综掘工作面数字孪生技术应用实例
4、结语
(1)通过构建数字孪生体技术体系框架,从理论逻辑上确定技术基础,采用先进的5G技术､人工智能和大数据互联技术等,与矿井采掘生产全流程中主要环节相结合,建立数字模拟模型,将工况环境､设备状态和人员等因素均考虑在内,实现了数字虚拟-物理装备的远程监测监控,同时完成了现场安全管理理念由被动管控向主动预防转变;
(2)利用各种不同功能的传感器实现特定数据的采集,通过5G通信技术完成毫秒级无延时数据传输,确保设备动态运行过程的流畅监控,避免视频卡顿影响设备故障检测分析､迟缓救援时间;
(3)将数字孪生体技术应用于矿井实际采掘工作面生产全流程中,可改变传统的生产作业模式,改善生产环境,将空间设备布局优化为屏显的二维模型,以更加直观的数据形式辅助操作人员进行特定环境的盲操,利用传感器采集数据,扩大操作人员观测视野,消除盲区可能存在的安全隐患,有效确保安全生产｡
参考文献:
[1]邢震.数字孪生驱动的煤矿多元业务全局动态协同管控[J].工矿自动化,2023,49(7):60-66+82.
[2]陈太光,郗存根.基于数字孪生的煤矿带式输送机监控技术研究[J].机电工程技术,2024,53(10):69-72+84.
[3]谢军峰,张阳.基于数字孪生的智能控制技术在煤矿提升系统的设计及应用[J].煤矿机械,2024,45(10):212-215.
[4]安成,王静宜,杨木易.基于数字孪生技术构建煤矿综采工作面智能开采系统[J].山东煤炭科技,2024,42(6):149-154.
[5]丁序海,张侯,胡伟.三道沟煤矿综采工作面数字孪生智能生产协同管控关键技术研究及应用[J].智能矿山,2024,5(5):67-72.
[6]曹誉.数字孪生控制系统在煤矿掘进机的应用[J].煤矿机械,2024,45(1):179-181.
[7]蔡兴旺,裴耀强,杨继华,等.煤矿掘进机系统数字孪生技术研究[J].系统仿真学报,2024,36(10):2455-2468.
[8]李伟,叶鸥,刘辉,等.基于数字孪生技术的大型煤矿远程智能监控研究[J].计算机测量与控制,2023,31(11):204-211.
文章来源:赵文,王超,何利辉,等.综采工作面数字孪生系统关键设计分析[J].煤矿机械,2025,46(04):208-211.
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围岩松动圈是指地下工程开挖后,由于应力重分布和爆破等因素影响,在洞室周围形成的具有一定厚度的破裂､松动区域[1]｡这一区域内的岩体力学性质发生显著变化,主要表现为强度降低､渗透性增加等特征｡围岩松动圈的形成和发展直接影响地下工程的稳定性和安全性｡
2025-09-07
钻孔探测作为矿井地质分析预测及灾害处理的重要手段,具有实揭性､灵活性及长距离等优点,常用于煤矿瓦斯抽放､探放水及地质填图等勘探工程｡然而,受限于软碎岩层､断层发育带等井下复杂地质条件,常规钻孔极易产生塌孔､缩径的问题,严重影响钻孔的成孔效率及施工效果｡
2025-08-03
断层是地壳中常见的地质构造之一,是由破断面两层岩体发生明显位移而形成的｡在采煤过程中,断层的发育增加了开采的难度,影响采煤方法的选择和回采速度｡断层的大小､走向､数量,均会加剧煤层漏风问题,进而增加煤层自燃的风险,对此,诸多学者开展了大量研究[1-2]｡
2025-08-03
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2025-08-03
采煤机自动拖缆是指采煤机在工作运行过程中,采用特定的拖曳装置移动电缆,替代人工来管理电缆,避免采煤机往复运行中,电缆因多次叠加引起电缆出槽､损伤等现象｡采煤机自动拖缆装置对于采煤机的正常运行至关重要,特别是对电缆槽高度较低的薄煤层工作面,效果更为显著,它确保了电缆不被损坏,从而保证了采煤机的电力供应｡
2025-08-03
光纤技术是基于光传播原理的高新技术创新,广泛应用于通信､传感､医疗等领域,光纤传感器利用光波在光纤内部的传播特性,这些特性使得光纤传感器在复杂环境中,特别是需要长期监测的工程领域中,应用更加广泛[1]｡在采矿作业中,随着深部采矿技术的不断发展,围岩的复杂性和变异性不断增加,对支护结构的稳定性提出了新的挑战[2]｡
2025-08-03
陶文斌[8]研究了大断面过破碎带失稳变形原因,提出了“预注浆+超前支护+架棚+二次注浆”的支护方案,有效保证了巷道围岩的稳定;伊丽娟[9]以某煤矿大巷过破碎带为工程背景,提出“锚杆+锚索+U型钢”的联合支护技术,成功控制了巷道围岩变形问题｡针对不同地质环境应确定相应的巷道支护技术｡
2025-08-03
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2025-07-12
针对荫营煤矿密闭区域检测环节操作繁琐，检测结果反馈时间长、效率低等问题，归纳了密闭“呼吸”现象的影响因素，基于现场测试分析了密闭“呼吸”现象的基本特征，对煤自燃气体产生的规律进行研究，结果表明：大气参数的变化导致密闭区出现“呼吸”效应，密闭内外压差的变化范围为-160～350 Pa,说明荫营煤矿密闭存在“呼吸”效应，且密闭内外气体交换量较大。研究结果对荫营煤矿快捷高效地实现井下密闭火情智能监测预警及风险管控以预防煤自燃具有重要指导和现实意义。
2025-07-07
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2025-07-07我要评论
期刊名称：煤矿机械
期刊人气：2105
主管单位：国家煤矿安全监察局
主办单位：哈尔滨煤矿机械研究所
出版地方：黑龙江
专业分类：煤矿
国际刊号：1003-0794
国内刊号：23-1280/TD
邮发代号：14-38
创刊时间：1980年
发行周期：月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：1年以上
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2025-04-06
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