天玛智控王皓宇：煤矿综采工作面两巷数字孪生系统的研发与应用

2025年07月24日 11:43 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

矿山智能化精准感知技术专题

基于数字孪生技术，采用多源数据融合、三维建模及动态仿真等方法，开展了煤矿综采工作面两巷数字孪生系统的架构设计与功能开发。研究构建了包含物理层、感知层、网络层、平台层、展示层的五层系统架构，通过传感器实时采集设备运行与环境数据，经5G网络传输至平台层分析处理后，在展示层生成全要素虚拟场景。开发了设备全局总览、单元运行监控、固定与自由巡检模式等功能模块，实现了设备状态三维可视化、故障预警及远程运维管理。应用案例表明：在小保当煤矿实现了关键数据动态监测与智能预警，减少工作面巡检人员数量，提升了煤矿生产的智能化水平与安全保障能力。

文章来源：《智能矿山》2025年第6期“矿山智能化精准感知技术"专题”

作者简介：王皓宇，主要从事自动化及无人化开采技术方面的研究工作，E-mail：wanghaoy@tdmarco.com

作者单位：北京天玛智控科技股份有限公司

引用格式：王皓宇.煤矿综采工作面两巷数字孪生系统的研发与应用[J].智能矿山，2025，6(4)：60-65.

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煤矿综采工作面作为煤炭生产的核心环节，智能化水平直接影响煤矿的生产效率和安全性。由于煤矿综采工作面环境复杂、装备众多，智能化升级面临诸多挑战。数字孪生技术的引入为解决此类问题提供了新的思路和方法。

数字孪生技术概述

数字孪生技术借助先进的数字化手段，在虚拟空间构建出与现实世界中的物体、系统或流程高度一致的虚拟模型。模型精准复刻物理实体几何结构与外观，实时映射动态运行状态、行为模式及性能表现。

在煤矿生产场景中，数字孪生技术通过建模与仿真技术，构建井下巷道、采掘工作面、通风系统等精确数字模型，模拟瓦斯、煤尘等危险气体扩散路径及透水、冒顶等事故过程，提前预判安全隐患点，为制定安全防护措施提供依据。借助物联网技术实时采集并同步井下设备运行参数与环境监测数据至模型，出现异常情况及时预警，降低事故风险，保障安全生产。

通过实时监测分析采煤机、刮板输送机等设备运行，利用人工智能算法预测设备故障，维护减少停机时间；运输系统建模仿真合理规划煤炭运输路线，提高运输效率。运用数据融合与交互技术，整合地质数据、生产计划、设备状态等多源信息，提供决策支持优化生产资源配置，助力提升生产效率。

煤矿综采工作面两巷数字孪生系统架构

煤矿综采工作面两巷数字孪生系统架构是实现智能化开采的核心支撑，主要涵盖物理层、感知层、网络层、平台层和展示层5个关键层次，煤矿综采工作面两巷数字孪生系统架构如图1所示。

图1 煤矿综采工作面两巷数字孪生系统架构

（1）物理层

物理层是整个系统的基石，包括综采配套设备、井下作业人员、煤层煤料以及井下环境等所有实际参与煤炭生产的物理对象，物理实体构成的真实生产场景是数字孪生系统模拟和映射的原型。

（2）感知层

感知层采集和传输综采工作面多源异构实时数据，通过温度传感器、液位传感器，压力传感器及其他多种传感器，全方位、多角度采集监测设备运行温度、液压系统液位、顶板压力等数据，数据经协议转换后上传，为后续分析处理提供原始数据。

（3）网络层

网络层连接感知层与平台层。网络交换机、5G 基站以及 API 网管等关键设备在此层协同运作。网络交换机进行数据交换与分发，5G基站高速率、低时延、大连接保障数据的传输速度与稳定性，海量传感数据实时传。API 网管通过智能化管理，保障数据传输的可靠性。

（4）平台层

平台层接收到感知层上传的传感数据后，依据协议进行深入分析与处理。分析设备运行数据，判断设备潜在故障风险。处理后的数据会精准下发到模型层，确保数据的准确性、有效性和可用性，为后续的决策支持、智能化控制和各类应用提供数据保障。

（5）展示层

展示层呈现与实际综采工作面全要素、全流程对应的虚拟对象。孪生数据源自感知层，为虚拟场景提供真实数据支撑；孪生模型的三维结构模型，直观展示设备与煤层的空间关系，仿真模型模拟生产过程中的各种工况。

数字孪生环境是对井下生产环境的逼真虚拟映射，从光照、温度到通风情况，力求与实际一致。为操作人员提供沉浸式交互体验，实时掌握生产动态，并做出科学决策。煤矿综采工作面两巷数字孪生系统架构各层紧密协作，实现了物理世界与虚拟世界的深度融合，为煤炭安全、高效、智能化开采提供了有力保障。

煤矿综采工作面两巷数字孪生系统功能

煤矿综采工作面两巷中设备种类多样，主要设备包括以下6类。

（1）超前架位于工作面最前方是巷道前沿支护设备，防止顶板在开采过程中发生坍塌，为后续作业提供安全的空间环境，确保人员和设备的安全通行。

（2）破碎机紧邻采煤作业区域，破碎处理大块煤炭，使其粒度符合后续运输和加工要求，保障煤炭运输的顺畅。转载机架在采煤工作面与带式输送机之间，将刮板输送机运来的煤炭顺利转载至带式输送机，实现煤炭从工作面到地面运输系统的高效衔接。

（3）乳化泵为液压支架等设备提供高压乳化液，确保液压系统正常工作，保障支护设备稳定运行；喷雾泵通过产生高压水雾，用于降尘、冷却设备以及改善作业环境，减少粉尘对工作人员健康的危害。增加泵根据巷道内实际需求，灵活调节液体压力和流量，满足特定工况下的液体输送要求。

（4）组合开关是电气设备的控制中枢，对各类用电设备进行集中控制与保护，确保设备运行的稳定性和安全性，防止电气故障引发事故。移变开关转换和分配电压，为不同设备提供合适的电压等级，保障设备正常运转。

（5）水处理设备在两巷中净化水资源，处理井下污水达到可重复利用标准，实现水资源合理循环利用，降低生产成本。水箱和液箱分别用于储存水和乳化液等液体介质，为喷雾泵、乳化泵等设备持续稳定地供应工作液体。

（6）集控中心为整个综采工作面两巷设备的控制系统，通过整合各类设备数据信息，集中监控、远程操作以及智能化管理各类设备，提高生产效率和安全性，所有设备协同工作，共同保障了煤矿综采工作面两巷的正常生产运作。

3.1 煤矿综采工作面两巷设备全局总览

运用数字孪生技术创建综采工作面两巷设备的全局总览界面。对两巷设备的超前支架、破碎机、转载机等所有设备，依据作业逻辑科学合理的抽象布局，构建出清晰直观、便于用户理解和操作的设备运行三维场景。

在三维场景中，利用线条、箭头等图形元素，精准且全面地呈现设备之间的逻辑连接以及信息传递关系。泵站向支架供液通过线条相连，箭头指向明确表示乳化液及水的流动方向，展现出传输逻辑，同时清晰展现各设备间数据交换、通信和控制关联。

借助动态图标和图表，为每台设备定义独特标识，设备图标根据运行状态呈现不同颜色，绿色代表正常运行，红色则警示故障。生产数据的连续运行时长、泵站出口压力等，以动态图表形式实时更新展示。

3D 模型高度还原设备外观与结构，配合实时动态展示，用户可全方位观察设备运转细节，在地面监控中心或远程移动端，可迅速掌握全局设备作业逻辑，实时监控和有效管理设备状态，煤矿综采工作面两巷设备设备总览界面如图2所示。

图2 煤矿综采工作面两巷设备设备总览界面

3.2 煤矿综采工作面设备单元运行监控

精准展现单个设备的运行状态，基于设备运行数据建立驱动模拟，根据实际运行数据模拟和展示设备内部机械运动。通过固定接口获取传感器数据，提供实时监测设备状态，显示设备运行时的实时状态数据。

乳化液系统涵盖乳化液箱与乳化液泵。依据转速传感器实际运行数据，数字孪生模型精准模拟电机的高速旋转，带动泵体内部活塞有节奏地往复运动，将乳化液从乳化液箱抽出并加压输送的全过程。用户在监测页面上，通过缩放、旋转等交互操作，清晰观察到泵体内部复杂机械结构的运作细节，乳化液泵站三维监测界面图3。

图3 乳化液泵站三维监测界面

在可视化呈现方面，温度传感器数据以直观的折线图形式，显示温度随时间变化趋势，当温度处于正常工作区间时，折线显示为浅蓝色，代表设备运行状态良好；当温度接近或超出预设安全阈值，折线颜色转变为黄色预警；若温度持续异常攀升，折线变为红色，同时触发警报提示，工作人员第一时间察觉设备异常。

液位传感器数据通过标尺百分比进行展示，实时展示乳化液箱内的液位高度。正常液位时柱状图显示为蓝色且平稳；当液位低于警戒线，柱状图颜色转为橙色，并以动态闪烁效果警示液位过低，需及时补充乳化液，乳化液箱三维监测界面如图4所示。

图4 乳化液箱三维监测界面

数字孪生模型通过传感器数据与图表、色彩、动态效果紧密结合的呈现方式，用户能够全面、精准地掌握各设备的实时运行状态。提前预判潜在故障风险，及时采取维护措施，并通过优化设备运行参数，提升设备运行效率，全方位保障设备在安全稳定的状态下持续运行，为综采工作面两巷设备的高效协作提供可靠监测支持。

3.3 煤矿综采工作面两巷设备巡检

煤矿综采工作面两巷设备巡检在数字孪生场景中，设计了2种高效实用的巡检模式，为设备运维管理提供有力支持。

（1）固定巡检模式

固定巡检模式下，系统依据设备布局与作业逻辑，规划出科学合理的固定巡检路线，确保全面覆盖供电系统、供液系统、破碎机、转载机等所有两巷设备。在巡检过程中，系统自动对设备的运行状态进行实时监测，同时采集设备温度、压力、转速等关键数据。

对于重点巡检设备，系统特别设置了快速到达路标，以醒目的图标形式显示在全局总览界面上，用户只需点击相应路标，便能快速定位并直接跳转至关键设备所在位置，缩短查找设备时间，提高巡检效率。

（2）自由巡检模式

自由巡检模式赋予用户高度的自主性。用户可根据实际需求，自由选择巡检路线和查看设备。在自由路线巡检中，用户可对单个设备进行深入细致的巡检。通过简单操作，用户可轻松切换设备视角，全方位观察设备外观。

点击设备图标即可查看详细的运行状态数据，包括各类传感器实时反馈的数值及设备运行时长、累计工作量等关键信息。用户还能深入了解设备内部结构的运行原理，通过数字孪生模型，模拟设备内部机械部件的运转过程，帮助用户直观掌握设备运行状况，及时发现潜在问题。

应用效果分析

陕西小保当矿业有限公司二号煤矿（简称小保当二号煤矿）在综采工作面液压系统应用数字孪生技术，实现了两巷设备状态的动态监测，应用效果主要包括以下3个方面，小保当二号煤矿调度中心实景如图5所示。

图5 小保当二号煤矿调度中心实景

（1）数字孪生平台的漫游巡检功能，操作人员只需在控制终端上轻松操作，即可借助数字孪生模型全方位、无死角地对工作面设备运行状态、关键数据展开漫游巡检，包括超前架支护姿态、乳化液泵的压力、流量等关键数据。

（2）数字孪生系统可对关键数据进行故障预警。通过对设备运行数据实时分析与深度挖掘，当关键数据出现异常波动，接近或超出预设安全阈值，系统发出精准故障预警。预警信息以醒目方式在数字孪生平台呈现，为控制决策提供坚实有力的依据。

（3）在实际生产中，在地面监控中心通过数字孪生平台完成高效巡检工作，减少了工作面巡检工人数。降低了人力成本，实现了减人增安的目标，提升了煤矿生产的安全性与智能化水平，为小保当二号煤矿的可持续发展奠定了坚实基础。

结语

煤矿综采工作面两巷数字孪生的研究与应用为煤矿智能化生产提供了新的思路和方法。通过数字孪生技术，实现了对综采工作面的实时监测和智能调控，提高了生产效率，增强了安全性，降低了运营成本。未来，随着信息技术的不断发展，数字孪生技术在煤矿行业的应用将更加广泛和深入。将进一步探索数字孪生与人工智能、物联网、大数据等先进技术的深度融合，推动煤矿智能化水平的不断提升。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

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《智能矿山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦矿山智能化领域产学研用新进展的综合性技术刊物。

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