米彦军副矿长：三道沟煤矿数字孪生综采工作面协同控制系统研发及应用
综采工作面设备繁多、环境复杂，传统管控方式难以满足智能化需求。以三道沟煤矿45205综采工作面为研究对象，构建了涵盖物理层、数字孪生平台、数字孪生应用平台和后台管理4个模块的数字孪生的综采工作面协同控制系统，系统包括场景虚实映射、三维地质模型与孪生动态优化、规划截割以及设备智能决策。实际应用中实现了地面远程操作、三维漫游和规划开采，显著提升了设备开机率，降低了事故率和大型部件更换率，减少了作业人员数量，有效提高了煤矿智能化水平与安全生产能力。
文章来源：《智能矿山》2025年第3期“学术园地”栏目
第一作者：米彦军，现任国能集团陕西德源府谷能源有限公司三道沟煤矿机电副矿长，主要从事煤矿机电、智能化建设等相关工作。E-mail：38178936@qq.com
通讯作者：张弼强，主要从事煤矿智能化建设工作。E-mail：362064837@qq.com
作者单位：国能集团陕西德源府谷能源有限公司三道沟煤矿
引用格式：米彦军，梁伟锋，张侯，等.三道沟煤矿数字孪生综采工作面协同控制系统研发及应用[J].智能矿山，2025，6(3)：64-68.
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综采工作面设备众多，环境复杂，面向采煤机、液压支架和刮板输送机的状态信息采集、数据传输、动作决策与执行等环节是数字孪生的关键。国能集团陕西德源府谷能源有限公司三道沟煤矿（简称三道沟煤矿）根据45205综采工作面实际情况，以5G网络作为数据链路，结合将物联网、大数据和云计算，利用深度学习、数据挖掘和机器学习等算法，研发了数字孪生智能协同控制系统，实现对工作面三维建模、智能通风、灾害预警等场景的精确感知，实现了生产过程进行精细化管控、智能化控制。
综采工作面数字孪生协同控制系统架构
三道沟煤矿45205综采工作面位于5-2煤层四盘区。可采长度为2675.8m，倾向长度291.5m，回采5-2煤层。煤层厚度2.65～4.27m，平均3.24m，设计采高3.2m。工作面供电设备19台、液压支架171台、超前支架5组。设计转载机、破碎机、泵站等环境及设备信息采集点8024个，接入三维地质模型、智能通风、灾害预警等系统的数据合计10246个。
三道沟煤矿45205工作面数字孪生协同控制系统分为物理层、数字孪生平台、数字孪生应用平台、后台管理等4个模块，数字孪生协同控制系统架构如图1所示。
图1 数字孪生协同控制系统架构
（1）物理层主要功能是通过传感器、相机、激光扫描等对采煤机、带式输送机、支架等物理设备实现实时数据采集，同时完成对井下工作面、巷道等状态的感知。
（2）数字孪生平台为系统核心，分为映射工具和虚拟空间2个部分。映射工具主要将现场真实数据转换为数字信息，供虚拟空间使用；虚拟空间将数字信息转换为孪生体信息，通过视觉渲染、接口技术等向外展示信息。
（3）数字孪生应用平台是基于数字孪生平台建立环境和设备信息感知、控制、运维等服务。
（4）后台管理统一管理数字孪生平台和应用实施。
三道沟煤矿45205工作面以5G网络为信息通道，以数字孪生技术为核心，构建了综采工作面信息感知模型，实现了虚拟空间对物理层环境和设备的实时跟踪和可视化展示，通过虚实融合，共智互驱，实现工作面成套装备的智能协同控制。
综采数字孪生协同控制系统核心技术
2.1 综采工作面场景虚实映射
针对三道沟煤矿45205工作面实际情况，对环境和设备分类建模。共建立37类设备、386个模型组件、155万个三角面的综采数字孪生模型。数字孪生通过在物理实体和数字孪生体之间全面建立精确映射的孪生关系，进而对操作对象全生命周期的状态、过程及变化进行建模、仿真、分析和预测，实现对物理实体1∶1的忠实映射和复制，综采工作面场景虚实映射效果界面如图2所示。
图2 综采工作面场景虚实映射效果界面
2.2 三维地质模型与孪生动态优化
三维地质模型是透明工作面、规划开采的核心基础信息，也是设备智能控制与决策的支撑信息。三维地质模型与数字孪生系统的虚拟环境信息相融合，建立从实际地质信息到环境孪生体的映射关系是协同孪生控制系统的核心。
通过地质钻孔、地震全波形反演、采掘工程等实测数据，采用GIS建立粗略三维地质模型；依托在工作面及两巷道安装的激光点云扫描设备，获取工作面实时激光点云地质信息；对点云信息进行体系化处理，得到工作面实时栅格矢量数据；将矢量栅格信息与工作面回采位置匹配；采用BIM工具修正和优化GIS三维地质模型，三维地质模型界面如图3所示。
图3 三维地质模型界面
由于GIS三维地质模型以地质探测为基础，在工作面回采过程中，只能反映少量地质信息，BIM将实时工作面激光点云信息转化为虚拟空间孪生体，是GIS三维地质模型的细化信息，为规划开采提供了重要决策信息。
2.3 基于数字孪生的综采工作面规划截割
三道沟煤矿45205工作面的GIS地质模型与激光点云数据动态优化、融合生成的环境孪生体，可真实反映工作面的实际状态。在虚拟空间中，采煤机孪生体的动作可根工作面环境孪生体和支架、采煤机、刮板输送机等设备孪生体的状态信息，规划采煤机动作。通过实时环境孪生体和设备孪生体数据，规划开采决策算法，生成采煤机截割三维曲线，提前将下一开采循环的截割曲线下发至采煤机，实现自主规划截割，基于数字孪生的规划截割规划如图4所示。
图4 基于数字孪生的规划截割规划
2.4 数字孪生的设备智能决策
数字孪生将工作面环境和设备均映射到虚拟空间，并与真实设备实现实时信息交互，为设备自分析、自诊断、自调整、自运行等智能决策提供了平台。数字孪生的设备智能决策如图5所示。
图5 数字孪生的设备智能决策
传感器检测为时序信号，摄像头、激光扫描为检测手段的信息分别形成二维和三维信息，全面反映开采环境和设备实时状态。三道沟煤矿45205工作面以环境和设备信息为基础，形成设备智能决策数据源。利用5G网络将实时信息传送至大数据处理中心，数字孪生映射模型到虚拟空间；设备状态感知、故障预测诊断、环境感知、风险评估与预警等数字孪生应用，根据实时数据对设备、环境和操作人员信息，推理设备动作决策，实现采煤机截割与行走姿态、支架支撑动作与平衡调节、刮板输送机运载速度等智能协同控制。
综采数字孪生协同控制系统现场应用
3.1 实现地面远程操作
根据智能综采数字孪生模型架构，建立满足几何、物理、行为、规则、约束的虚拟综采工作面，将工作面机电设备、地理环境、人员位置监测、智能通风、灾害预警等同步映射到孪生体大平台中，实现工作面数字化描述，创建映射物理工作面的虚拟形态，跟踪物理工作面实时数据、历史数据及运行状态，实现了综采工作面从井下移至地面操控室人员的地面远程操作，综采工作面地面远程操作如图6所示。
图6 综采工作面地面远程操作
3.2 综采工作面三维漫游
基于PBR物理光照模型，对井下综采设备高精度建模，地面真实还原综采工作面的原生场景，模型支持自动漫游与手动漫游，通过多方向、多角度将井下采煤工作面以直观、全面的方式展示，为使用者带来沉浸式体验，综采工作面沉浸式漫游如图7所示。
图7 综采工作面沉浸式漫游
3.3 综采工作面规划开采
基于综采工作面地质模型与综采设备历史数据（支架姿态数据、采煤机位姿数据、惯导测绘数据、激光点云扫描数据），通过实时计算构建截割模型，生成截割预测三维曲线，提前将下一开采循环截割曲线下发至采煤机，实现自主规划截割，综采工作面规划开采界面如图8所示。
图8 综采工作面规划开采界面
结语
三道沟煤矿45205综采工作面数字孪生应用表明，设备开机率提升了19%，设备事故率降低了31%，大型部件更换率降低了30%；生产班平均作业人员减至3～4人。数字孪生技术在煤矿综采工作面的应用，实现了三维建模和可视化、远程智能操作，以及数据共享与协同作业等功能，更好地管理和控制煤矿生产过程和安全保障，提高了煤矿智能化水平和安全生产能力。
END
编辑丨李莎
审核丨赵瑞
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《智能矿山》
Journal of Intelligent Mine
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