為解決高瓦斯綜放工作面在環(huán)境感知、設備協(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，研發(fā)了智能化綜放工作面控制系統(tǒng)，構建了管控一體化平臺，設計了智能綜放工藝，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 綜放工作面應用后，生產人員從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%，設備故障率降低7%。

文章來源：《智能礦山》2025年第9期“學術園地”欄目

第一作者：林恩強，現任北京天瑪智控科技股份有限公司高級技術專家，主要從事煤礦智能化、無人化開采控制技術的相關研究工作。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，安全風險日益凸顯，瓦斯超限、冒頂片幫等災害時有發(fā)生。傳統(tǒng)的以人力為主導的開采模式已難以適應新形勢，智能化改造是煤礦開采高質量發(fā)展的必由之路。

通過智能化建設，可最大限度挖掘資源潛力，提高開采效率和資源回收率，實現對復雜采場條件的精確感知和智能決策，從根本上降低安全風險；減少人力投入和現場作業(yè)，改善工人勞動強度和環(huán)境；實現生產過程信息化、自動化和智能化。當前綜放工作面智能化建設面臨一系列復雜問題，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險，此為嚴重的安全隱患。智能化系統(tǒng)需要精準感知環(huán)境，特別是對有害氣體濃度，以采取相應的措施來保障高效安全生產。

（2）設備協(xié)同

設備間協(xié)同控制水平低，全自動化程度不夠。采用實時數據共享、智能控制算法和設備協(xié)同等有效協(xié)調策略，提高生產效率和安全性。

（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度等智能化技術措施，改善放煤工藝。

（5）工程質量

頂板易冒落，片幫現象頻發(fā)，難以保證三平一直。采用智能傳感器以及實時監(jiān)測和預測模型的智能化系統(tǒng)，可實現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的不足。在分析綜放開采放煤工藝參數和智能放煤工藝流程的基礎上，研發(fā)了基于5G通信和云邊端協(xié)同技術的智能放煤控制系統(tǒng)，推進煤礦綜放工作面智能化建設。經過近3年的智能化探索和技術改造，成功在國能神東煤炭集團有限責任公司保德煤礦（簡稱保德煤礦）構建了集成自動化控制、機器視覺、人工智能等先進技術的智能開采系統(tǒng)，提升了開采質量和效率，為行業(yè)樹立了新的標桿。

基于5G的管控一體化平臺

高效的信息通信和數據集成是實現智能化生產的關鍵基礎。為打破傳統(tǒng)煤礦信息系統(tǒng)的數據壁壘，實現各子系統(tǒng)之間的無縫連接和數據共享，深度融合5G通信和工業(yè)互聯(lián)網技術，構建了智能綜放系統(tǒng)架構如圖1所示，形成了礦山生產智能化管控的新范式。

圖1 智能綜放系統(tǒng)架構

（1）管控一體化平臺架構及功能模塊

采用5G+工業(yè)互聯(lián)網的架構，融合5G無線通信和工業(yè)有線網絡，實現了集控中心、分控中心、三崗位一體化等應用系統(tǒng)的整體集成，打通了生產數據的“最后一公里”，實現了煤礦生產各環(huán)節(jié)、各層級的數據互聯(lián)與集成，上層通過分析處理底層采集的視覺、控制、檢測等數據，實現了精細化管理生產運營環(huán)節(jié)，提升了生產自動化和智能化程度。

管控一體化平臺涵蓋大數據中心、生產指揮調度、設備管理、實時監(jiān)控、遠程控制、應急指揮等多個功能模塊，可對綜放工作面各個生產環(huán)節(jié)實施全流程智能化管理，通過工藝編排引擎，可實現生產流程和工藝規(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，智能工作面大數據中心平臺界面如圖2所示。

圖2 智能工作面大數據中心平臺界面

（2）5G網絡性能及遠程控制

5G網絡為生產作業(yè)提供更快速、更可靠、更安全的通信和數據支持，提升了生產效率、降低成本，并為煤礦企業(yè)的數字化轉型和智能化升級提供網絡通信基礎。

煤礦5G網絡系統(tǒng)架構包括核心網（5GC）和無線接入側（NG-RAN）2個部分，核心網包括2個功能單元與無線接入側對接，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網元，無線接入側的網元根據無線接入側組網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網絡的系統(tǒng)架構如圖3所示。

圖3 煤礦5G網絡的系統(tǒng)架構

5G通信滿足多樣化場景和應對極致性能挑戰(zhàn)。采用5G低頻空口技術，引入大規(guī)模天線、新型多址、新波形等先進技術，支持更短的幀結構，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、連接數以及能效等指標要求，實現了工作面及其他生產區(qū)域的無線通信網絡全覆蓋，確保了各控制節(jié)點和終端可靠互聯(lián)，保障了工作面數據傳輸的穩(wěn)定性和安全性。5G網絡平均時延為50 ms，在智能綜放工作面滿足對采煤機、支架等設備的高時效遠程控制，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用

5G無線網絡的覆蓋和管控一體化平臺的構建，為人工智能技術的使用奠定了基礎。在工作面綜合布設具有遠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，準確率>90%。

智能視頻識別子系統(tǒng)產生的海量數據上傳至人工智能模塊，結合其他傳感器數據、歷史運行數據，通過機器學習算法建模分析，實現對生產現場各類設備狀態(tài)、人員作業(yè)行為、環(huán)境條件等實時監(jiān)測與預測診斷，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)?；?G的管控一體化平臺設計智能綜放工藝可實現采煤機及支架等設備的高度協(xié)同，提升了自動化和智能化水平。

（1）智能工藝驅動引擎平臺

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

圖5 智能工藝驅動引擎平臺界面

（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)實現高度協(xié)同。支架根據煤機位移自動跟移，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，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）智能調速及負荷控制

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

圖7 智能調速及負荷控制系統(tǒng)界面

（4）LASC慣導定位系統(tǒng)

LASC慣導系統(tǒng)基于慣性導航和位置優(yōu)化技術，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，準確獲取采煤機的位置及朝向等運動姿態(tài)信息，實現了設備精準協(xié)同作業(yè)。保證了“三平一直”，為精準控制奠定了基礎。

智能放煤系統(tǒng)

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

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

圖8 智能放煤架構

（1）自動放煤是對人工經驗的直接模擬和固化，通過分析大量歷史作業(yè)數據，總結歸納各類典型的放煤操作模式，設置自動放煤參數庫，標準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，控制系統(tǒng)可根據設定的參數自動執(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上的進一步升級，通過深度分析挖掘大量歷史操作數據，提取放煤操作的本質規(guī)律，形成參數化的放煤工藝規(guī)則庫。與之前單一設置參數不同，記憶放煤根據具體放煤場景（如頂底板狀況、支架參數等），依據工藝規(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。智能放煤技術在記憶放煤的基礎上，在管控一體化平臺中，將煤矸聲振、視覺煤流、設備運行狀態(tài)、矸率、放矸量等感知信息作為特征數據，結合強化學習等智能算法，專家干預放煤參數，實時評估放煤效果，適時調整放煤窗口、結束放煤時機等參數，并反饋至記憶工藝庫持續(xù)完善。

智能放煤系統(tǒng)實現了放煤操作的自動化和智能化，放煤自動化率>85%，控制響應及時性<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，提升了放煤質量和效率。

安全保障措施

針對高瓦斯礦井，安全生產置于首要地位。為滿足現場對于安全生產的快速響應控制和數據預處理需求，管控一體化平臺的云邊協(xié)同架構，通過將云端高性能分析管理能力與邊緣計算技術相結合，實現了數據實時處理和響應，保障了數據穩(wěn)定性和安全性。

（1）瓦斯?jié)舛阮A測及聯(lián)動控制

5G的智能化綜放工作面控制系統(tǒng)集成了通風監(jiān)測、風流場數值模擬等模塊，構建了智能瓦斯?jié)舛阮A測模型。根據井下開采工況、風量等參數，精準預測未來一段時間內瓦斯?jié)舛鹊淖兓厔荨Ｈ纛A測到瓦斯超限風險，系統(tǒng)自動聯(lián)動調節(jié)通風參數、限制作業(yè)節(jié)奏，有效預防瓦斯事故。

（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，實現對人員和關鍵設備的30 cm高精度定位。定位信息與控制系統(tǒng)對接，當人員進入危險區(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)、應急管理系統(tǒng)等也為安全生產提供了有力保障。通過一系列智能化安全措施，徹底扭轉了高瓦斯礦井高風險、難治理的局面。

應用效果

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用。智能放煤、智能綜放工藝設計等相關系統(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束，生產人員從原先的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，設備故障率降低7%，完好率>90%。

保德煤礦智能化改造實現了向精益化、綠色化、智能化的全面轉型，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，智能化改造使得經濟效益顯著提升。

結 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，構建了一體化的智能開采解決方案，有效提升了開采的質量、效率、安全性和綠色性，實現了資源節(jié)約和經濟社會效益的雙贏。后續(xù)將進一步深化對全礦山透徹感知、精準決策和自動執(zhí)行能力，推動實現無人化生產、智能化管理的目標。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學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術交流陣地，也是行業(yè)最大最權威的期刊集群。

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、煤炭科學研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領域產學研用新進展的綜合性技術刊物。

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刊載欄目：企業(yè)/團隊/人物專訪政策解讀視角·觀點智能示范礦井對話革新·改造學術園地、專題報道等。

投稿網址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

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期刊成果：創(chuàng)刊5年來，策劃出版了“中國煤科煤礦智能化成果”“陜煤集團智能化建設成果”“聚焦煤炭工業(yè)‘十四五’高質量發(fā)展”等特刊/專題30多期。主辦“煤礦智能化重大進展發(fā)布會”“煤炭清潔高效利用先進成果發(fā)布會”“《智能礦山》理事、特約編輯年會暨智能化建設論壇”“智能礦山零距離”“礦山智能化建設運維與技術創(chuàng)新高新研修班”等活動20余次。組建了理事會、特約編輯團隊、卓越人物等千余人產學研用高端協(xié)同辦刊團隊，打造了“刊-網-號-群-庫”全覆蓋的1+N全媒體傳播平臺，全方位發(fā)布礦山智能化領域新技術、新產品、新經驗。

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