天玛智控林恩强：基于5G的智能化综放工作面控制系统研发与应用

2025年10月24日 17:19 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

为解决高瓦斯综放工作面在环境感知、设备协同、煤流控制、放煤工艺等方面存在的问题，基于5G通信和云边端协同技术，研发了智能化综放工作面控制系统，构建了管控一体化平台，设计了智能综放工艺，开发了智能放煤系统，并制定了瓦斯浓度预测及联动控制、人员定位与避让等安全保障措施。该系统在保德煤矿81202 综放工作面应用后，生产人员从13 人减至5 人，工作面自动化跟机率>90%，开采效率提高11%，顶煤回收率>85%，资源回收率达94%，设备故障率降低7%。

文章来源：《智能矿山》2025年第9期“学术园地”栏目

第一作者：林恩强，现任北京天玛智控科技股份有限公司高级技术专家，主要从事煤矿智能化、无人化开采控制技术的相关研究工作。E-mail： lineq@tdmarco.com

作者单位：北京天玛智控科技股份有限公司

引用格式：林恩强，崔耀，付振，等.基于 5G 的智能化综放工作面控制系统研发与应用[J].智能矿山，2025，6(9)：72-78.

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煤矿易采煤层逐渐枯竭，开采深度不断加大，赋存条件更趋复杂；面临资源利用率较低，大量底煤和顶煤无法高效回收等问题，安全风险日益凸显，瓦斯超限、冒顶片帮等灾害时有发生。传统的以人力为主导的开采模式已难以适应新形势，智能化改造是煤矿开采高质量发展的必由之路。

通过智能化建设，可最大限度挖掘资源潜力，提高开采效率和资源回收率，实现对复杂采场条件的精确感知和智能决策，从根本上降低安全风险；减少人力投入和现场作业，改善工人劳动强度和环境；实现生产过程信息化、自动化和智能化。当前综放工作面智能化建设面临一系列复杂问题，主要包括5个方面。

（1）环境感知

中厚煤层矿井通常存在高瓦斯风险，此为严重的安全隐患。智能化系统需要精准感知环境，特别是对有害气体浓度，以采取相应的措施来保障高效安全生产。

（2）设备协同

设备间协同控制水平低，全自动化程度不够。采用实时数据共享、智能控制算法和设备协同等有效协调策略，提高生产效率和安全性。

（3）煤流控制

煤流波动性大，刮板容易压死，甚至发生断链。通过采用先进的刮板控制算法、实时反馈和自适应控制策略，智能化系统更精确地控制煤流，以避免此类问题发生。

（4）放煤工艺

人工放煤劳动强度大，效率低。通过自动化放煤系统、机器视觉辅助和智能调度等智能化技术措施，改善放煤工艺。

（5）工程质量

顶板易冒落，片帮现象频发，难以保证三平一直。采用智能传感器以及实时监测和预测模型的智能化系统，可实现更好的顶板控制和支护。

综上所述，为推进高瓦斯综放工作面智能化发展，解决目前高瓦斯综放工作面智能放煤技术的不足。在分析综放开采放煤工艺参数和智能放煤工艺流程的基础上，研发了基于5G通信和云边端协同技术的智能放煤控制系统，推进煤矿综放工作面智能化建设。经过近3年的智能化探索和技术改造，成功在国能神东煤炭集团有限责任公司保德煤矿（简称保德煤矿）构建了集成自动化控制、机器视觉、人工智能等先进技术的智能开采系统，提升了开采质量和效率，为行业树立了新的标杆。

基于5G的管控一体化平台

高效的信息通信和数据集成是实现智能化生产的关键基础。为打破传统煤矿信息系统的数据壁垒，实现各子系统之间的无缝连接和数据共享，深度融合5G通信和工业互联网技术，构建了智能综放系统架构如图1所示，形成了矿山生产智能化管控的新范式。

图1 智能综放系统架构

（1）管控一体化平台架构及功能模块

采用5G+工业互联网的架构，融合5G无线通信和工业有线网络，实现了集控中心、分控中心、三岗位一体化等应用系统的整体集成，打通了生产数据的“最后一公里”，实现了煤矿生产各环节、各层级的数据互联与集成，上层通过分析处理底层采集的视觉、控制、检测等数据，实现了精细化管理生产运营环节，提升了生产自动化和智能化程度。

管控一体化平台涵盖大数据中心、生产指挥调度、设备管理、实时监控、远程控制、应急指挥等多个功能模块，可对综放工作面各个生产环节实施全流程智能化管理，通过工艺编排引擎，可实现生产流程和工艺规则的可视化配置与集成，支持多种工艺场景下智能分析决策与控制执行，智能工作面大数据中心平台界面如图2所示。

图2 智能工作面大数据中心平台界面

（2）5G网络性能及远程控制

5G网络为生产作业提供更快速、更可靠、更安全的通信和数据支持，提升了生产效率、降低成本，并为煤矿企业的数字化转型和智能化升级提供网络通信基础。

煤矿5G网络系统架构包括核心网（5GC）和无线接入侧（NG-RAN）2个部分，核心网包括2个功能单元与无线接入侧对接，分别是接入和移动性功能单元（AMF），提供控制面的处理功能；以及用户面的功能单元（UPF），提供用户面的处理功能。NG-RAN包含gNB和ng-eNB网元，无线接入侧的网元根据无线接入侧组网的方式不同存在差异。5GC与NG-RAN之间的接口为NG接口，gNB之间和gNB与ng-eNB之间为Xn接口，煤矿5G网络的系统架构如图3所示。

图3 煤矿5G网络的系统架构

5G通信满足多样化场景和应对极致性能挑战。采用5G低频空口技术，引入大规模天线、新型多址、新波形等先进技术，支持更短的帧结构，更精简的信令流程，更灵活的双工方式；满足广覆盖、大连接等多场景下的速率、时延、连接数以及能效等指标要求，实现了工作面及其他生产区域的无线通信网络全覆盖，确保了各控制节点和终端可靠互联，保障了工作面数据传输的稳定性和安全性。5G网络平均时延为50 ms，在智能综放工作面满足对采煤机、支架等设备的高时效远程控制，最大控制时延<100 ms，满足智能化实时控制的需求。

（3）视频智能识别与人工智能应用

5G无线网络的覆盖和管控一体化平台的构建，为人工智能技术的使用奠定了基础。在工作面综合布设具有远程控制功能的云台摄像机、智能摄像机等视觉采集终端，并将感知信息接入管控平台的智能视频识别子系统，实现了采煤机滚筒状态识别、束筒跟踪、煤流量检测、大块煤识别以及工人工号和位置识别等多种视觉识别功能，准确率>90%。

智能视频识别子系统产生的海量数据上传至人工智能模块，结合其他传感器数据、历史运行数据，通过机器学习算法建模分析，实现对生产现场各类设备状态、人员作业行为、环境条件等实时监测与预测诊断，为高层智能决策提供有力支撑，智能视频识别系统界面如图4所示。

图4 智能视频识别系统界面

智能综放工艺设计

中厚煤层矿井的智能综放工艺是开采的核心工艺环节。基于5G的管控一体化平台设计智能综放工艺可实现采煤机及支架等设备的高度协同，提升了自动化和智能化水平。

（1）智能工艺驱动引擎平台

智能工艺驱动引擎平台是实现智能综放工艺的关键基础。智能工艺驱动引擎平台融合了工艺规划、调度执行、实时监控等多项功能，可对生产全过程实施跨层次、多维度的智能管控。平台可灵活配置工艺规则、参数、流程等，实现工艺的可视化编排和自动化执行，智能工艺驱动引擎平台界面如图5所示。

图5 智能工艺驱动引擎平台界面

（2）基于机架群协同的智能综放

智能综放工艺通过构建机架群控制系统，使采煤机推进、支架推移、放煤作业实现高度协同。支架根据煤机位移自动跟移，放煤动作也与支架动作精确衔接，支架自动跟机率>90%，减少了人工干预，支架自动跟机率界面如图6所示。

图6 支架自动跟机率界面

（3）智能调速及负荷控制

智能调速及负荷控制技术通过融合煤流量、刮板输送机状态、主运输系统状态等多源信息，构建了智能调速模型，实时优化调整采放运各环节的设备速度和负荷，实现工作面采放运高效平衡，智能调速及负荷控制系统界面如图7所示。

图7 智能调速及负荷控制系统界面

（4）LASC惯导定位系统

LASC惯导系统基于惯性导航和位置优化技术，精确测量工作面三维直线度、采煤机位置和朝向，定位精度为10 cm，准确获取采煤机的位置及朝向等运动姿态信息，实现了设备精准协同作业。保证了“三平一直”，为精准控制奠定了基础。

智能放煤系统

通过5G+工业互联网架构，实时传输大量的监测数据、视频流等信息，连接更多的传感器、监控设备等终端，满足毫秒级响应，具备高可靠性和安全性。中厚煤层矿井可实现精准高效的放煤控制，提高资源回收率和生产效率。智能放煤系统，通过自动化和智能化技术，实现对放煤过程的精准控制，提高资源回收水平，降低人员劳动强度，确保生产安全。

针对放煤作业复杂程度的差异，采用了分层控制的应对策略，即自动放煤、记忆放煤和智能放煤3个层次，实现了放煤自动化和智能化的渐进推进，智能放煤架构如图8所示。

图8 智能放煤架构

（1）自动放煤是对人工经验的直接模拟和固化，通过分析大量历史作业数据，总结归纳各类典型的放煤操作模式，设置自动放煤参数库，标准化定义不同条件下的插板、尾梁动作序列、动作时间、行程等系列参数，控制系统可根据设定的参数自动执行各类型放煤工序，完全替代人工操作。

（2）记忆放煤是在自动放煤基础上的进一步升级，通过深度分析挖掘大量历史操作数据，提取放煤操作的本质规律，形成参数化的放煤工艺规则库。与之前单一设置参数不同，记忆放煤根据具体放煤场景（如顶底板状况、支架参数等），依据工艺规则自动生成插板、尾梁等系列动作序列，更接近人工智能决策。

（3）对于工作面复杂多变的瞬时条件，采用固化的记忆工艺规则仍存在一定偏差，难以做到绝对精准。智能放煤技术在记忆放煤的基础上，在管控一体化平台中，将煤矸声振、视觉煤流、设备运行状态、矸率、放矸量等感知信息作为特征数据，结合强化学习等智能算法，专家干预放煤参数，实时评估放煤效果，适时调整放煤窗口、结束放煤时机等参数，并反馈至记忆工艺库持续完善。

智能放煤系统实现了放煤操作的自动化和智能化，放煤自动化率>85%，控制响应及时性<100 ms，煤矸识别率>85%，放煤工人由原来的2人专职减至1人兼职，降低了人力投入，提升了放煤质量和效率。

安全保障措施

针对高瓦斯矿井，安全生产置于首要地位。为满足现场对于安全生产的快速响应控制和数据预处理需求，管控一体化平台的云边协同架构，通过将云端高性能分析管理能力与边缘计算技术相结合，实现了数据实时处理和响应，保障了数据稳定性和安全性。

（1）瓦斯浓度预测及联动控制

5G的智能化综放工作面控制系统集成了通风监测、风流场数值模拟等模块，构建了智能瓦斯浓度预测模型。根据井下开采工况、风量等参数，精准预测未来一段时间内瓦斯浓度的变化趋势。若预测到瓦斯超限风险，系统自动联动调节通风参数、限制作业节奏，有效预防瓦斯事故。

（2）人员定位与避让

在工作面每20架支架处安装1台基站，借助UWB无线定位技术，实现对人员和关键设备的30 cm高精度定位。定位信息与控制系统对接，当人员进入危险区域时，自动对采煤机和支架下达避让指令，切实保障人身安全。视频监控系统、应急管理系统等也为安全生产提供了有力保障。通过一系列智能化安全措施，彻底扭转了高瓦斯矿井高风险、难治理的局面。

应用效果

基于5G的智能化综放工作面控制系统在保德煤矿全面实施应用。智能放煤、智能综放工艺设计等相关系统部署在81202综放工作面，测试并持续运行至该工作面开采结束，生产人员从原先的13人减至5人。工作面自动化跟机率>90%，开采效率提高11%，产能提高至800万t/a。顶煤回收率>85%，资源回收率为94%，减少矸石排放11.75万t/a，设备故障率降低7%，完好率>90%。

保德煤矿智能化改造实现了向精益化、绿色化、智能化的全面转型，作业人员大幅减少，作业环境和工作强度得到显著改善；资源集约利用，环境影响有效降低；通过国家首批智能化矿井评审，智能化改造使得经济效益显著提升。

结语

5G的智能化综放工作面控制系统集成了人工智能、自动控制、视觉识别等先进技术，构建了一体化的智能开采解决方案，有效提升了开采的质量、效率、安全性和绿色性，实现了资源节约和经济社会效益的双赢。后续将进一步深化对全矿山透彻感知、精准决策和自动执行能力，推动实现无人化生产、智能化管理的目标。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

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