智能化矿井开采系统设计与关键技术研究

摘要：智能化矿井开采系统是智慧矿井建设的核心组成之一，有利于提高采矿效率、强化安全管控与资源调配。因此，文章简单介绍智能化矿井开采系统的优点，论述智能化矿井开采系统设计与关键技术，并验证智能化矿井开采系统的现实应用效果。得出：智能化矿井开采系统的应用效果良好，具有较大的推广应用价值。

关键词：智能化矿井开采系统；设计；人工智能技术

前言：某矿井位于宜章县梅田镇上洞村，始建于2003年1月，主要开采锡、方解石等，开采方式为地下开采，矿区面积为4.8635km2。在矿井开采过程中，为进一步提高开采效率，矿井所属宜章金子坪矿业有限公司将智能化矿井开采系统的构建提上日程，旨在实现采掘、运输与选矿的无缝协同，将资源回收率与生产效率推向新高峰。智能化矿井开采系统设计与关键技术的应用如下：

1 智能化矿井开采系统的优点

智能化矿井开采系统的应用优点。智能化矿井开采系统的应用优点包括提高效率、强化安全、精准开采等。一方面，智能化矿井开采系统可实现开采流程自动化，减少人工干预，同时系统可实时采集开采数据、实时分析数据并根据分析结果进行开采方案的动态调整，提升开采效率。另一方面，智能化矿井开采系统可以实时监测井下环境参数与地质构造，提前发现安全隐患，强化安全性能[1]。除此之外，智能化矿井开采系统可以精准控制能源消耗与污染产生，实现绿色精准开采。

2 智能化矿井开采系统设计与关键技术

2.1 智能化矿井开采系统设计

智能化矿井开采系统设计框架。智能化矿井开采系统设计框架由管理层、控制层、设备层构成。其中，管理层负责采用成熟的工业以太网（Industrial Ethernet）技术与局域网（Internet）技术，集中整合现场总线网络，自动化解决问题，并经人机界面可视化展现解决方案；控制层负责基于现场总线系统的集中监控与资源调度，每一套开采设备（含采掘机、液压支架、运输设备、供液系统等）现场总线系统相互独立，且可与管理层进行信息交互，某一开采设备现场总线故障不影响其他设备与管理层交互；设备层负责收集全部矿井开采设备的信息，并增设通信链路，实现现场控制层网络融合。

1）从硬件来看，智能化矿井开采系统设计需要将设备的各个性能参数作为输入，优化传感器、信号调理电路、滤波电路、存储器、A/D（模拟量/数字量）转换与液晶显示输出部分电路，实现参数数据智能处理。其中，传感器包括电感传感器、空动时间传感器、油温传感器、涡流传感器、油压传感器等。

2）从软件来看，智能化矿井开采系统设计需要进行数据采集、数据调理、数据存储、数据通信、监测报警、故障查询、数据分析等功能的模块化集成[2]。设计程序包括初始化、参数设置、调用串行通讯子程序、进入数据采集状态、数据处理并存储、显示监测值、发出预警或报警等。整个软件设计过程需要遵循功能相互独立、数据稳定显示、程序可扩展等原则，以降低系统应用难度。

2.2 智能化矿井开采系统的关键技术

智能化矿井开采系统的关键技术主要有现场总线技术、工业以太网技术、物联网技术、人工智能技术、数据库技术、地理信息系统等。

1）智能化矿井开采系统现场网络以Profibus-DP现场总线网络技术为支撑，实现现场信号可靠安全连接。在系统现场组网时，以模块式可编程逻辑控制器为核心，集成信号模块、接口模块、电源模块、编程设备、通信处理器等部分，组合连接矿井电控系统与新增设备。比如，在Profibus-DP现场总线网络技术的支持下，将现场网络柜、装载站、直流调速装置、井口上位监控系统、卸载站、数字监控器等组接，实现信息数据共享，为智能化集中控制奠定基础。

2）工业以太网技术是智能化矿井开采系统实现的基础技术，主要用于管理层监控网络构建。比如，利用2套100M/1000M中心工业网络交换机（含光口与电口）、3台上位监控计算机、4套现场网络交换机与4块工业以太网卡，经光缆组网，在SIMATIC WINCC平台内组成支持TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/互联网协议）协议的开放式可扩容工业以太网，实现矿井开采数据的统一监控与调度。

3）在智能化矿井开采系统中，物联网技术主要应用于设备层，支持设备参数实时监测、设备故障预警与应急响应等[3]。其中，设备参数实时监测功能的实现需要相关方部署气体浓度传感器、温度传感器、油压传感器等，并进行传感器联网；设备故障预警与应急响应则是通过物联网技术实施设备远程监控数据分析，根据设备运行历史数据识别安全隐患、异常行为，进行设备预维护。

4）人工智能技术主要用于智能化矿井开采系统的采矿设备智能化控制层，以机器学习算法为核心，搭载工业物流智能平台、AI（人工智能）环境感知系统、自动驾驶车载平台等，实现矿井开采设备全天候与全流程自主导航、自动化钻井、自动化装载、自动化运输等。同时，人工智能技术可以应用到智能化矿井开采系统的管理层，以实时监测的矿井开采数据为基础，智能识别矿井开采问题，输出开采资源调度方案，助力生产效率提升。

5）数据库技术是智能化矿井开采系统软件设计的重要技术，主要应用支持DDL（Data Definition Language描述存储物理实体语言）、InnoDB（存储引擎）的MySQL数据库技术，嵌入前后端分离的架构程序中，满足海量矿井开采数据交互需求。

2.3 智能化矿井开采系统应用效果

在智能化矿井开采系统构建完毕后，由上位机向下位机发送数据，确定上位机发送数据与下位机返回数据一致，且在输入信号为静态量时系统灵敏度、分辨率、非线性度均达到要求。确认无误后，将智能化矿井开采系统应用到宜章县梅田镇锡、方解石矿的开采环节，统计平均值，得出应用效果见表1。

由表1可知，较之智能化矿井开采系统应用前，智能化矿井开采系统应用后的开采效率、资源利用率显著提升，安全事故发生率显著下降。表明智能化矿井开采系统应用效果良好，可以进一步推广应用。

3 结束语

综上所述，智能化矿井开采系统不仅可以提高开采效率，而且可以加强安全管控，实现精准开采。因此，建议矿业企业借鉴宜章金子坪矿业有限公司智能化矿井开采系统的建设经验，以人工智能技术、工业以太网技术、地理信息系统等关键技术为支撑，设计集为设备层、管理层、控制层一体的智能化矿井开采系统。充分发挥智能化矿井系统的优势，提高开采效益。

参考文献：

[1]彭宝山，孙剑锋，宗广存，等.基于智能化GIS平台的矿井通防预警系统设计[J].煤炭技术，2025，44（03）：244-247.

[2]郎鑫，刘银.基于综合自动化系统矿井智能化建设初探[J].内蒙古煤炭经济，2025，43（03）：123-125.

[3]习晓，周晓明，刘坤.智能矿井建设战略布局及关键技术研究[J].电子元器件与信息技术，2024，8（10）：96-98.