山东能源集团杨村煤矿：采煤工作面数字孪生辅助控制

中国煤炭工业协会

采煤工作面数字孪生辅助控制

山东能源集团杨村煤矿

一、场景描述

薄煤层工作面受采高限制，工作面配套支架等设备安全间隙小，采动幅度变化会增加设备干涉风险，作业和行人空间受限，且煤层中存在断层等地质构造，造成薄煤层作业环境复杂，作业人员长期处于低矮且恶劣的作业环境内，劳动强度大且容易引发安全生产事故和职业病危害，为实现薄煤层工作面的安全高效回采，将智能化技术深入融合到薄煤层开采中，可以有效降低安全风险和作业人员劳动强度，更加准确地进行采煤机的控制以及周围环境各项参数的确定，所以不断加强智能化技术的应用至关重要。

煤矿工作面迫切需要一套实时化、精准化辅助控制系统，真实再现工作面物理场景，并以精准的“数字场景”指导生产，因此，构建基于可视化三维模型的综采工作面全信息感知分析、工艺模拟、协同控制与实时优化决策的数字孪生系统势在必行。

数字孪生可将物理实体的属性、结构、状态、性能、功能和行为映射到数字世界，形成高保真的动态多维、多尺度、多物理量模型，从而为物理实体提供更加实时、高效、智能的运行或操作服务。数字孪生技术已经在产品设计、生产制造和运维服务等方面得到了广泛应用。在复杂产品创新设计中，利用数字孪生3D设计平台，通过人机交互信息反馈，更新孪生体设计模型，并最终映射为物理实体产品。

二、解决方案

利用数字孪生技术构建一套具有设备真实尺寸和地质信息真实坐标的可视化真实模型，将采煤机运行数据、工作面曲线状态、刮板输送机起伏姿态、支架推移位置、左右滚筒高度实时映射在智能辅助控制系统，对此进行智能化分析、决策，完成设备综合协同控制，防碰撞、直线度偏离、上窜下滑预警控制等信息交互和控制交互，减少人员干预，真正实现基于真实数据的智能化生产管控数字孪生。

基于工作面设备的真实数据和各类传感器参数，可以监测设备运行状态，显示采煤机截割曲线，结合惯导系统、电液控系统，能够实现截割程序的设计，设备干涉状态的监测，为采煤机远程控制提供多个视角，且系统根据程序截割算法、防碰撞算法等实现对采煤机、液压支架的联动控制，打造采煤工作面辅助控制系统，实现更高层次的智能截割，推动少人化、无人化进程。

薄煤层工作面数字孪生智能化辅助控制系统能够做到实时监测、仿真分析、优化控制、智能化辅助，实现物理矿山实体与数字矿山之间的实时映射和交互。数字孪生智能化辅助控制系统界面包括左滚筒视角、右滚筒视角、正视图、侧视图、自由视角等跟机设置，以便于工作人员全方位了解综采工作面设备工作情况和几何位置关系；设备状态栏包括采煤机左右滚筒高度、速度、位置架、液压支架行程高度等信息。

图1数字孪生全景视角图

图2数字孪生侧视图

三、应用效果

本系统在山东能源集团杨村煤矿薄煤层智能化工作面部署。其工作面主采煤层为17煤，煤厚平均1.15m,走向长度1178m,倾向长度135m,煤层倾角平均5°,属于典型的薄煤层工作面。

应用数字孪生智能化辅助控制系统后，实现数字孪生系统与工作面实体之间的双向通信、信息交互，通过井上集控中心对井下无人化工作面的物理空间进行全息感知、对生产过程及性能实时监控、对虚拟场景三维可视化再现，结合工作面开采信息、设备运行信息、环境信息，进行开采作业、设备管理、环境管控的计算分析，为生产控制提供决策依据，有效提升了该工作面的智能化水平，实现地面集控中心远程操控、工作面无人化的生产模式。该系统运行后将作业人员从危险狭小的作业环境中解放出来，降低了职工安全风险和劳动强度，提升了现场安全管控水平。通过高级的界面和交互设计，系统能够更有效地与人进行交互，对采煤工作面的环境和设备状态进行全面监测，使得操作人员能够更加直观地控制和监控采煤过程，实现工作面生产作业的连续性和稳定性。同时，系统能够实现对采煤机械和其他设备的协同控制，对采集到的数据进行处理和分析，为操作提供科学的决策支持，实现远程精准操作，确保各设备的安全高效运行。

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