為解決高瓦斯綜放工作面在環(huán)境感知、設(shè)備協(xié)同、煤流控制、放煤工藝等方面存在的問題，基于5G通信和云邊端協(xié)同技術(shù)，研發(fā)了智能化綜放工作面控制系統(tǒng)，構(gòu)建了管控一體化平臺，設(shè)計了智能綜放工藝，開發(fā)了智能放煤系統(tǒng)，并制定了瓦斯?jié)舛阮A(yù)測及聯(lián)動控制、人員定位與避讓等安全保障措施。該系統(tǒng)在保德煤礦81202 綜放工作面應(yīng)用后，生產(chǎn)人員從13 人減至5 人，工作面自動化跟機率>90%，開采效率提高11%，頂煤回收率>85%，資源回收率達94%，設(shè)備故障率降低7%。

文章來源：《智能礦山》2025年第9期“學(xué)術(shù)園地”欄目

第一作者：林恩強，現(xiàn)任北京天瑪智控科技股份有限公司高級技術(shù)專家，主要從事煤礦智能化、無人化開采控制技術(shù)的相關(guān)研究工作。E-mail： lineq@tdmarco.com

作者單位：北京天瑪智控科技股份有限公司

引用格式：林恩強，崔耀，付振，等.基于 5G 的智能化綜放工作面控制系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(9)：72-78.

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煤礦易采煤層逐漸枯竭，開采深度不斷加大，賦存條件更趨復(fù)雜；面臨資源利用率較低，大量底煤和頂煤無法高效回收等問題，安全風(fēng)險日益凸顯，瓦斯超限、冒頂片幫等災(zāi)害時有發(fā)生。傳統(tǒng)的以人力為主導(dǎo)的開采模式已難以適應(yīng)新形勢，智能化改造是煤礦開采高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。

通過智能化建設(shè)，可最大限度挖掘資源潛力，提高開采效率和資源回收率，實現(xiàn)對復(fù)雜采場條件的精確感知和智能決策，從根本上降低安全風(fēng)險；減少人力投入和現(xiàn)場作業(yè)，改善工人勞動強度和環(huán)境；實現(xiàn)生產(chǎn)過程信息化、自動化和智能化。當(dāng)前綜放工作面智能化建設(shè)面臨一系列復(fù)雜問題，主要包括5個方面。

（1）環(huán)境感知

中厚煤層礦井通常存在高瓦斯風(fēng)險，此為嚴(yán)重的安全隱患。智能化系統(tǒng)需要精準(zhǔn)感知環(huán)境，特別是對有害氣體濃度，以采取相應(yīng)的措施來保障高效安全生產(chǎn)。

（2）設(shè)備協(xié)同

設(shè)備間協(xié)同控制水平低，全自動化程度不夠。采用實時數(shù)據(jù)共享、智能控制算法和設(shè)備協(xié)同等有效協(xié)調(diào)策略，提高生產(chǎn)效率和安全性。

（3）煤流控制

煤流波動性大，刮板容易壓死，甚至發(fā)生斷鏈。通過采用先進的刮板控制算法、實時反饋和自適應(yīng)控制策略，智能化系統(tǒng)更精確地控制煤流，以避免此類問題發(fā)生。

（4）放煤工藝

人工放煤勞動強度大，效率低。通過自動化放煤系統(tǒng)、機器視覺輔助和智能調(diào)度等智能化技術(shù)措施，改善放煤工藝。

（5）工程質(zhì)量

頂板易冒落，片幫現(xiàn)象頻發(fā)，難以保證三平一直。采用智能傳感器以及實時監(jiān)測和預(yù)測模型的智能化系統(tǒng)，可實現(xiàn)更好的頂板控制和支護。

綜上所述，為推進高瓦斯綜放工作面智能化發(fā)展，解決目前高瓦斯綜放工作面智能放煤技術(shù)的不足。在分析綜放開采放煤工藝參數(shù)和智能放煤工藝流程的基礎(chǔ)上，研發(fā)了基于5G通信和云邊端協(xié)同技術(shù)的智能放煤控制系統(tǒng)，推進煤礦綜放工作面智能化建設(shè)。經(jīng)過近3年的智能化探索和技術(shù)改造，成功在國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司保德煤礦（簡稱保德煤礦）構(gòu)建了集成自動化控制、機器視覺、人工智能等先進技術(shù)的智能開采系統(tǒng)，提升了開采質(zhì)量和效率，為行業(yè)樹立了新的標(biāo)桿。

基于5G的管控一體化平臺

高效的信息通信和數(shù)據(jù)集成是實現(xiàn)智能化生產(chǎn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。為打破傳統(tǒng)煤礦信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的無縫連接和數(shù)據(jù)共享，深度融合5G通信和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了智能綜放系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，形成了礦山生產(chǎn)智能化管控的新范式。

圖1 智能綜放系統(tǒng)架構(gòu)

（1）管控一體化平臺架構(gòu)及功能模塊

采用5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)，融合5G無線通信和工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了集控中心、分控中心、三崗位一體化等應(yīng)用系統(tǒng)的整體集成，打通了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的“最后一公里”，實現(xiàn)了煤礦生產(chǎn)各環(huán)節(jié)、各層級的數(shù)據(jù)互聯(lián)與集成，上層通過分析處理底層采集的視覺、控制、檢測等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了精細(xì)化管理生產(chǎn)運營環(huán)節(jié)，提升了生產(chǎn)自動化和智能化程度。

管控一體化平臺涵蓋大數(shù)據(jù)中心、生產(chǎn)指揮調(diào)度、設(shè)備管理、實時監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、應(yīng)急指揮等多個功能模塊，可對綜放工作面各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)實施全流程智能化管理，通過工藝編排引擎，可實現(xiàn)生產(chǎn)流程和工藝規(guī)則的可視化配置與集成，支持多種工藝場景下智能分析決策與控制執(zhí)行，智能工作面大數(shù)據(jù)中心平臺界面如圖2所示。

圖2 智能工作面大數(shù)據(jù)中心平臺界面

（2）5G網(wǎng)絡(luò)性能及遠(yuǎn)程控制

5G網(wǎng)絡(luò)為生產(chǎn)作業(yè)提供更快速、更可靠、更安全的通信和數(shù)據(jù)支持，提升了生產(chǎn)效率、降低成本，并為煤礦企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級提供網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)。

煤礦5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)包括核心網(wǎng)（5GC）和無線接入側(cè)（NG-RAN）2個部分，核心網(wǎng)包括2個功能單元與無線接入側(cè)對接，分別是接入和移動性功能單元（AMF），提供控制面的處理功能；以及用戶面的功能單元（UPF），提供用戶面的處理功能。NG-RAN包含gNB和ng-eNB網(wǎng)元，無線接入側(cè)的網(wǎng)元根據(jù)無線接入側(cè)組網(wǎng)的方式不同存在差異。5GC與NG-RAN之間的接口為NG接口，gNB之間和gNB與ng-eNB之間為Xn接口，煤礦5G網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 煤礦5G網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)

5G通信滿足多樣化場景和應(yīng)對極致性能挑戰(zhàn)。采用5G低頻空口技術(shù)，引入大規(guī)模天線、新型多址、新波形等先進技術(shù)，支持更短的幀結(jié)構(gòu)，更精簡的信令流程，更靈活的雙工方式；滿足廣覆蓋、大連接等多場景下的速率、時延、連接數(shù)以及能效等指標(biāo)要求，實現(xiàn)了工作面及其他生產(chǎn)區(qū)域的無線通信網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，確保了各控制節(jié)點和終端可靠互聯(lián)，保障了工作面數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性。5G網(wǎng)絡(luò)平均時延為50 ms，在智能綜放工作面滿足對采煤機、支架等設(shè)備的高時效遠(yuǎn)程控制，最大控制時延<100 ms，滿足智能化實時控制的需求。

（3）視頻智能識別與人工智能應(yīng)用

5G無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和管控一體化平臺的構(gòu)建，為人工智能技術(shù)的使用奠定了基礎(chǔ)。在工作面綜合布設(shè)具有遠(yuǎn)程控制功能的云臺攝像機、智能攝像機等視覺采集終端，并將感知信息接入管控平臺的智能視頻識別子系統(tǒng)，實現(xiàn)了采煤機滾筒狀態(tài)識別、束筒跟蹤、煤流量檢測、大塊煤識別以及工人工號和位置識別等多種視覺識別功能，準(zhǔn)確率>90%。

智能視頻識別子系統(tǒng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)上傳至人工智能模塊，結(jié)合其他傳感器數(shù)據(jù)、歷史運行數(shù)據(jù)，通過機器學(xué)習(xí)算法建模分析，實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場各類設(shè)備狀態(tài)、人員作業(yè)行為、環(huán)境條件等實時監(jiān)測與預(yù)測診斷，為高層智能決策提供有力支撐，智能視頻識別系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 智能視頻識別系統(tǒng)界面

智能綜放工藝設(shè)計

中厚煤層礦井的智能綜放工藝是開采的核心工藝環(huán)節(jié)。基于5G的管控一體化平臺設(shè)計智能綜放工藝可實現(xiàn)采煤機及支架等設(shè)備的高度協(xié)同，提升了自動化和智能化水平。

（1）智能工藝驅(qū)動引擎平臺

智能工藝驅(qū)動引擎平臺是實現(xiàn)智能綜放工藝的關(guān)鍵基礎(chǔ)。智能工藝驅(qū)動引擎平臺融合了工藝規(guī)劃、調(diào)度執(zhí)行、實時監(jiān)控等多項功能，可對生產(chǎn)全過程實施跨層次、多維度的智能管控。平臺可靈活配置工藝規(guī)則、參數(shù)、流程等，實現(xiàn)工藝的可視化編排和自動化執(zhí)行，智能工藝驅(qū)動引擎平臺界面如圖5所示。

圖5 智能工藝驅(qū)動引擎平臺界面

（2）基于機架群協(xié)同的智能綜放

智能綜放工藝通過構(gòu)建機架群控制系統(tǒng)，使采煤機推進、支架推移、放煤作業(yè)實現(xiàn)高度協(xié)同。支架根據(jù)煤機位移自動跟移，放煤動作也與支架動作精確銜接，支架自動跟機率>90%，減少了人工干預(yù)，支架自動跟機率界面如圖6所示。

圖6 支架自動跟機率界面

（3）智能調(diào)速及負(fù)荷控制

智能調(diào)速及負(fù)荷控制技術(shù)通過融合煤流量、刮板輸送機狀態(tài)、主運輸系統(tǒng)狀態(tài)等多源信息，構(gòu)建了智能調(diào)速模型，實時優(yōu)化調(diào)整采放運各環(huán)節(jié)的設(shè)備速度和負(fù)荷，實現(xiàn)工作面采放運高效平衡，智能調(diào)速及負(fù)荷控制系統(tǒng)界面如圖7所示。

圖7 智能調(diào)速及負(fù)荷控制系統(tǒng)界面

（4）LASC慣導(dǎo)定位系統(tǒng)

LASC慣導(dǎo)系統(tǒng)基于慣性導(dǎo)航和位置優(yōu)化技術(shù)，精確測量工作面三維直線度、采煤機位置和朝向，定位精度為10 cm，準(zhǔn)確獲取采煤機的位置及朝向等運動姿態(tài)信息，實現(xiàn)了設(shè)備精準(zhǔn)協(xié)同作業(yè)。保證了“三平一直”，為精準(zhǔn)控制奠定了基礎(chǔ)。

智能放煤系統(tǒng)

通過5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，實時傳輸大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻流等信息，連接更多的傳感器、監(jiān)控設(shè)備等終端，滿足毫秒級響應(yīng)，具備高可靠性和安全性。中厚煤層礦井可實現(xiàn)精準(zhǔn)高效的放煤控制，提高資源回收率和生產(chǎn)效率。智能放煤系統(tǒng)，通過自動化和智能化技術(shù)，實現(xiàn)對放煤過程的精準(zhǔn)控制，提高資源回收水平，降低人員勞動強度，確保生產(chǎn)安全。

針對放煤作業(yè)復(fù)雜程度的差異，采用了分層控制的應(yīng)對策略，即自動放煤、記憶放煤和智能放煤3個層次，實現(xiàn)了放煤自動化和智能化的漸進推進，智能放煤架構(gòu)如圖8所示。

圖8 智能放煤架構(gòu)

（1）自動放煤是對人工經(jīng)驗的直接模擬和固化，通過分析大量歷史作業(yè)數(shù)據(jù)，總結(jié)歸納各類典型的放煤操作模式，設(shè)置自動放煤參數(shù)庫，標(biāo)準(zhǔn)化定義不同條件下的插板、尾梁動作序列、動作時間、行程等系列參數(shù)，控制系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的參數(shù)自動執(zhí)行各類型放煤工序，完全替代人工操作。

（2）記憶放煤是在自動放煤基礎(chǔ)上的進一步升級，通過深度分析挖掘大量歷史操作數(shù)據(jù)，提取放煤操作的本質(zhì)規(guī)律，形成參數(shù)化的放煤工藝規(guī)則庫。與之前單一設(shè)置參數(shù)不同，記憶放煤根據(jù)具體放煤場景（如頂?shù)装鍫顩r、支架參數(shù)等），依據(jù)工藝規(guī)則自動生成插板、尾梁等系列動作序列，更接近人工智能決策。

（3）對于工作面復(fù)雜多變的瞬時條件，采用固化的記憶工藝規(guī)則仍存在一定偏差，難以做到絕對精準(zhǔn)。智能放煤技術(shù)在記憶放煤的基礎(chǔ)上，在管控一體化平臺中，將煤矸聲振、視覺煤流、設(shè)備運行狀態(tài)、矸率、放矸量等感知信息作為特征數(shù)據(jù)，結(jié)合強化學(xué)習(xí)等智能算法，專家干預(yù)放煤參數(shù)，實時評估放煤效果，適時調(diào)整放煤窗口、結(jié)束放煤時機等參數(shù)，并反饋至記憶工藝庫持續(xù)完善。

智能放煤系統(tǒng)實現(xiàn)了放煤操作的自動化和智能化，放煤自動化率>85%，控制響應(yīng)及時性<100 ms，煤矸識別率>85%，放煤工人由原來的2人專職減至1人兼職，降低了人力投入，提升了放煤質(zhì)量和效率。

安全保障措施

針對高瓦斯礦井，安全生產(chǎn)置于首要地位。為滿足現(xiàn)場對于安全生產(chǎn)的快速響應(yīng)控制和數(shù)據(jù)預(yù)處理需求，管控一體化平臺的云邊協(xié)同架構(gòu)，通過將云端高性能分析管理能力與邊緣計算技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時處理和響應(yīng)，保障了數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和安全性。

（1）瓦斯?jié)舛阮A(yù)測及聯(lián)動控制

5G的智能化綜放工作面控制系統(tǒng)集成了通風(fēng)監(jiān)測、風(fēng)流場數(shù)值模擬等模塊，構(gòu)建了智能瓦斯?jié)舛阮A(yù)測模型。根據(jù)井下開采工況、風(fēng)量等參數(shù)，精準(zhǔn)預(yù)測未來一段時間內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊淖兓厔荨Ｈ纛A(yù)測到瓦斯超限風(fēng)險，系統(tǒng)自動聯(lián)動調(diào)節(jié)通風(fēng)參數(shù)、限制作業(yè)節(jié)奏，有效預(yù)防瓦斯事故。

（2）人員定位與避讓

在工作面每20架支架處安裝1臺基站，借助UWB無線定位技術(shù)，實現(xiàn)對人員和關(guān)鍵設(shè)備的30 cm高精度定位。定位信息與控制系統(tǒng)對接，當(dāng)人員進入危險區(qū)域時，自動對采煤機和支架下達避讓指令，切實保障人身安全。視頻監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)急管理系統(tǒng)等也為安全生產(chǎn)提供了有力保障。通過一系列智能化安全措施，徹底扭轉(zhuǎn)了高瓦斯礦井高風(fēng)險、難治理的局面。

應(yīng)用效果

基于5G的智能化綜放工作面控制系統(tǒng)在保德煤礦全面實施應(yīng)用。智能放煤、智能綜放工藝設(shè)計等相關(guān)系統(tǒng)部署在81202綜放工作面，測試并持續(xù)運行至該工作面開采結(jié)束，生產(chǎn)人員從原先的13人減至5人。工作面自動化跟機率>90%，開采效率提高11%，產(chǎn)能提高至800萬t/a。頂煤回收率>85%，資源回收率為94%，減少矸石排放11.75萬t/a，設(shè)備故障率降低7%，完好率>90%。

保德煤礦智能化改造實現(xiàn)了向精益化、綠色化、智能化的全面轉(zhuǎn)型，作業(yè)人員大幅減少，作業(yè)環(huán)境和工作強度得到顯著改善；資源集約利用，環(huán)境影響有效降低；通過國家首批智能化礦井評審，智能化改造使得經(jīng)濟效益顯著提升。

結(jié) 語

5G的智能化綜放工作面控制系統(tǒng)集成了人工智能、自動控制、視覺識別等先進技術(shù)，構(gòu)建了一體化的智能開采解決方案，有效提升了開采的質(zhì)量、效率、安全性和綠色性，實現(xiàn)了資源節(jié)約和經(jīng)濟社會效益的雙贏。后續(xù)將進一步深化對全礦山透徹感知、精準(zhǔn)決策和自動執(zhí)行能力，推動實現(xiàn)無人化生產(chǎn)、智能化管理的目標(biāo)。

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、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊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。

期刊簡介

《智能礦山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中國煤炭科工集團有限公司主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

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