煤炭是我國的基礎能源和重要原料，煤炭資源的安全穩(wěn)定開發(fā)關系國計民生和國家能源安全。在推進碳達峰碳中和目標、建設多能融合的新型能源體系過程中，煤炭擔負著能源穩(wěn)定供應“壓艙石”和結構優(yōu)化升級“穩(wěn)定器”的作用，肩負著保障國家經(jīng)濟社會平穩(wěn)運行、確保國家能源安全的重要歷史使命。在未來相當長時間內，我國能源需求仍將繼續(xù)增長，煤炭仍將是可清潔高效利用的主體能源。但是，能源特別是煤炭需求的不確定性增加，現(xiàn)有煤炭生產(chǎn)供給方式難以適應國家能源發(fā)展要求，必須建立以煤礦智能化支撐的柔性生產(chǎn)供給體系，發(fā)揮煤炭為“雙碳”兜底、為能源安全兜底、為國家安全兜底的作用。煤礦智能化是煤炭工業(yè)發(fā)展的必由之路，是實現(xiàn)新時期、新煤炭、新格局高質量發(fā)展目標的核心技術支撐。2020年2月，國家發(fā)改委等八部委聯(lián)合印發(fā)了《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》，提出了我國煤礦智能化發(fā)展的原則、目標與技術路徑，明確提出了3個階段發(fā)展目標。其中，第一個階段發(fā)展目標：2021年底，建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦。為了落實國家八部委指導意見精神，2020年12月，國家能源局、原國家煤礦安全監(jiān)察局印發(fā)了《關于開展首批智能化示范煤礦建設的通知》，確定71處煤礦作為國家首批智能化示范建設煤礦，其中，井工煤礦66座，露天煤礦5座。為了進一步指導智能化示范煤礦建設，2021年6月，由國家能源局、國家礦山安全監(jiān)察局聯(lián)合印發(fā)了《煤礦智能化指南（2021年版）》（以下簡稱《指南》）。2021年版《指南》是基于我國現(xiàn)階段煤礦智能化建設現(xiàn)狀、智能化技術與裝備研發(fā)應用實際確定的技術指導性文件，提出了煤礦智能化建設的原則、目標、技術架構和建設內容，為智能化煤礦建設提供技術路徑與方向指引。

01煤礦智能化建設原則、目標與技術架構

《指南》首先從4個維度闡述了智能化煤礦建設原則：1）從宏觀區(qū)域維度提出了井工煤礦分類建設、分級達標的原則。由于我國不同區(qū)域煤礦的煤層賦存條件、建設基礎、智能化技術成熟度等存在較大差異，因此，提出了分類建設和分級達標相結合的原則。其中，露天煤礦和選煤廠則不進行分類，直接根據(jù)工藝技術條件進行分級建設。2）從單個礦井維度提出了因礦施策、培育典型的原則。雖然進行了分類建設，但同一類別的不同礦井仍然存在較大差異，因此，智能化煤礦建設應一礦一策，培育建設一批智能化示范煤礦，發(fā)揮智能化示范煤礦的模范帶動作用。3）從礦井各系統(tǒng)維度提出系統(tǒng)規(guī)劃、全面推進的原則。單個系統(tǒng)的智能化建設并不能代表整個礦井的智能化程度，智能化煤礦建設應進行各個業(yè)務系統(tǒng)的融合建設，體現(xiàn)礦井的整體智能化程度。4）最后從安全、效率與效益維度提出以人為本、安全高效的原則。智能化煤礦建設不應是花架子，應將減人、增安、提效作為煤礦智能化建設的終極目標，實現(xiàn)礦井安全、效率、效益的穩(wěn)步提升?！吨改稀访鞔_了生產(chǎn)礦井、新建（改建）礦井的建設目標，其中新建礦井應全面開展智能化煤礦建設，生產(chǎn)礦井又根據(jù)不同礦井的分類結果，分別細化了總體建設目標。從信息化建設的角度進行分析，井工煤礦、露天煤礦、選煤廠均應具備感知、分析、決策、控制等智能化特征，受不同煤礦開采工藝、災害類型等影響，不同煤礦的系統(tǒng)模塊可能存在一定的差異，但總體技術架構差異不大。因此，建設智能井工煤礦與露天煤礦采用了相同的技術架構，如圖1所示，《指南》中的技術架構主要是對智能化煤礦建設進行總體架構設計引導，是一種參考性的架構思想。

 

圖1 智能化煤礦參考技術架構

 

02井工煤礦智能化建設內容與技術路徑

井工煤礦智能化建設內容主要包含了12個子模塊，由于智能化綜合管控平臺對于煤礦智能化建設非常重要，因此，在信息基礎設施中提出了綜合管控平臺的總體建設內容，后續(xù)又將其單獨作為一個獨立模塊進行相關技術內容的論述，智能化煤礦綜合管控平臺設計思路如圖2所示。圖2 智能化煤礦綜合管控平臺設計思路
信息基礎設施部分主要對網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)中心進行了相關技術指引，重點提出了網(wǎng)絡的高速、高可靠性。針對5G技術不夠成熟以及相關應用場景缺乏的現(xiàn)狀，《指南》中提出鼓勵逐步開展5G+礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設，提升煤礦各系統(tǒng)的綜合感知能力、融合交互能力。針對礦井各業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)標準、格式等不統(tǒng)一導致煤礦數(shù)據(jù)煙囪、信息孤島現(xiàn)象較為突出的現(xiàn)狀，《指南》中明確提出應統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和訪問接口標準；針對煤礦低維度小樣本的數(shù)據(jù)特征，傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)技術難以直接應用于煤礦各業(yè)務系統(tǒng)，《指南》中提出在平臺沉淀礦山知識模型，相關數(shù)據(jù)模型的建設上難以一蹴而就，這是一個長期積累、逐步突破的過程；另外，《指南》還根據(jù)數(shù)據(jù)處理時效性等差異，提出了云邊端的架構設計思路，智能化煤礦數(shù)據(jù)中心建設思路如圖3所示。圖3 智能化煤礦數(shù)據(jù)中心建設
智能地質保障系統(tǒng)則重點從地質探測與數(shù)據(jù)處理2個方面進行了論述。地質保障系統(tǒng)首先應實現(xiàn)地質數(shù)據(jù)的數(shù)字化、地質探測裝備的自動化等，然后對地質數(shù)據(jù)建模進行了要求，如圖4所示。高精度地質模型是智能化煤礦建設的基礎，還是智能化煤礦各子系統(tǒng)實現(xiàn)業(yè)務智能聯(lián)動控制的資源底圖，但地質模型精度目前尚難以滿足智能化煤礦要求。在透明地質專欄中對地質數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、高精度地質模型、地質大數(shù)據(jù)云平臺進行了詳細說明。圖4 智能地質保障系統(tǒng)建設架構
智能掘進系統(tǒng)的技術成熟度相對較低，目前我國煤礦煤巷掘進平均月進尺尚不足200 m，因此，智能掘進應首先突破智能化快速掘進相關技術，實現(xiàn)掘支平行作業(yè)，在快速掘進的基礎上實現(xiàn)智能化掘進。智能化快速掘進目前尚存在智能探測、掘進設備定姿定位與導航、智能截割等相關技術難題。在《指南》中鼓勵對相關技術進行研發(fā)應用，并在智能掘進系統(tǒng)專欄中對智能超前探測系統(tǒng)、掘進設備導航和定位截割系統(tǒng)、錨桿錨索自動化鉆裝系統(tǒng)、多機協(xié)同控制系統(tǒng)、裝備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)等進行了特別說明，明確了相關技術存在的難點及研發(fā)方向。智能化采煤系統(tǒng)相對技術成熟度比較高，《指南》中建議對不同煤層條件的采煤工作面采用資源條件適應性智能化開采技術，提出了4種智能化采煤模式。由于薄、中厚煤層更容易實現(xiàn)智能化開采，因此，指南中提出條件適宜的薄、中厚煤層應實現(xiàn)智能化少人開采，逐步實現(xiàn)常態(tài)化無人開采。LASC技術雖然在澳大利亞進行了全面推廣應用，但在國內多個礦區(qū)應用中尚存在諸多問題，其應用效果并未達到預期效果，因此，在《指南》中并未對LASC技術應用做相關要求。另外，基于地質模型的智能化開采技術部分在礦井進行了試驗性應用，取得了一定的效果，如圖5所示，但相關技術仍然存在諸多技術瓶頸，因此，《指南》鼓勵條件適宜的工作面應用基于地質模型的智能化開采。在智能采煤系統(tǒng)專欄中對采煤機智能截割系統(tǒng)、液壓支架自適應支護系統(tǒng)、刮板輸送機智能運輸系統(tǒng)、帶式輸送機智能運輸系統(tǒng)等進行了技術說明。

圖5 基于透明地質的工作面智能化開采

智能主煤流運輸系統(tǒng)的技術成熟度相對也比較高，《指南》中明確提出了帶式輸送機應具備單機自動控制、多機協(xié)同聯(lián)動、遠程集中控制、煤量自動平衡、粉塵濃度檢測等相關功能，而對于基于AI的煤量識別、人員違規(guī)作業(yè)監(jiān)測等技術，雖然相關技術較成熟，但考慮在不同類型礦井其應用效果及應用成本等問題，《指南》中鼓勵采用相關AI技術。對于立井箕斗提升則重點關注對提升設備相關技術參數(shù)的監(jiān)測與聯(lián)動控制，要求條件適宜的礦井應實現(xiàn)立井箕斗提升的無人值守作業(yè)。

智能輔助運輸?shù)募夹g成熟度相對較低，對于智能輔助運輸?shù)募夹g發(fā)展路徑，提出應首先實現(xiàn)輔助運輸?shù)倪B續(xù)運輸、自動運輸，然后再實現(xiàn)輔助運輸?shù)闹悄芑?/span>由于目前井下精準定位相關標準尚未發(fā)布，在《指南》中并未就車輛精準定位進行定量要求?！吨改稀分忻鞔_了智能輔助運輸系統(tǒng)應建設智能調度系統(tǒng)，但目前智能調度系統(tǒng)的技術成熟度相對也比較低，所以并未進行詳細說明。對于無軌膠輪車，則鼓勵開展無軌膠輪車的無人駕駛研發(fā)及實踐，研發(fā)應用地面遠程遙控駕駛和智能化自動駕駛技術，實現(xiàn)車輛自動啟停、自主避讓、自動跟車等功能。該部分內容還對井下機器人相關技術進行說明，目前，國家鼓勵機器人研發(fā)及應用，但主要以巡檢機器人為主，執(zhí)行操作類機器人的技術成熟度尚較低，因此，《指南》鼓勵開展井下輔助作業(yè)的機器人研發(fā)。智能通風系統(tǒng)主要對通風參數(shù)感知、通風網(wǎng)絡智能解算進行了限定，目前，部分礦井研發(fā)應用了智能通風系統(tǒng)，但受制于《煤礦安全規(guī)程》相關條款約束，煤礦尚不允許通風系統(tǒng)根據(jù)通風網(wǎng)絡解算結果進行智能調風。在智能通風系統(tǒng)專欄中，對通風系統(tǒng)感知技術、通風設備、智能通風軟件系統(tǒng)進行了相關技術路徑說明。智能供電與供排水系統(tǒng)的相關技術成熟度較高，在《指南》中明確井下變電所、水泵房等固定場所應實現(xiàn)無人值守作業(yè)，提出應建設大數(shù)據(jù)分析的智能供電決策系統(tǒng)，實現(xiàn)故障的預判和預處理、快速故障隔離；智能排水系統(tǒng)應按照水量實現(xiàn)排水用電自動削峰填谷，智能優(yōu)化排水方式，實現(xiàn)能耗自評估和故障自診斷?？紤]水資源保護問題，《指南》中對污水智能處理系統(tǒng)進行了相關技術要求，提出了污水處理系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的主要技術路徑。智能安全監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦非常重要的一個子系統(tǒng)，但由于不同礦井的災害類型存在較大差異，因此，應根據(jù)礦井自身的災害類型建設相關的災害防控模塊。《指南》中提出應建設基于綜合監(jiān)測的災害防治平臺，具備災害風險監(jiān)測預警、智能分析模擬、應急救援輔助指揮、事故原因分析、礦井災變狀態(tài)下避災路線智能規(guī)劃等功能，該平臺是對井下各災害防控模塊的集成，實現(xiàn)了不同災害的數(shù)據(jù)融合與聯(lián)動控制。在智能安全監(jiān)控系統(tǒng)專欄中，對不同災害模塊實現(xiàn)智能化監(jiān)測、預測、預警、防控進行了技術路徑梳理。智能綜合管控平臺是體現(xiàn)煤礦智能化程度的集成平臺，通過進行多部門、多專業(yè)、多管理層面的數(shù)據(jù)集中應用、交互共享和決策支持，實現(xiàn)煤礦地質勘探、巷道掘進、煤炭開采、主輔運輸、通風排水、供液供電、安全防控等業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合、分析決策與智能聯(lián)動控制，井上下各系統(tǒng)實現(xiàn)“監(jiān)測、控制、管理”的一體化及智能聯(lián)動控制。智能化園區(qū)主要是煤礦地面設施和運營的智能化建設，由于智能化園區(qū)建設需要較大的資金投入，且與生產(chǎn)安全和效率效益的相關性不強，因此，《指南》中只要求地質條件Ⅰ類礦井進行示范性的建設，體現(xiàn)相關技術的應用及先進性，其他礦井可以根據(jù)自身需要進行相關模塊的建設，并不作為全面建設要求。經(jīng)營管理系統(tǒng)相對技術成熟度要高一些，主要是構建“人財物一體、產(chǎn)運銷一體、業(yè)務全面互聯(lián)互通”的智能化經(jīng)營管理平臺，覆蓋煤礦的管理決策、財務、生產(chǎn)、人力、物資、機電、計劃預算、安環(huán)、調度、項目管理等領域。根據(jù)不同建設條件的礦井類型，《指南》還提出了相關重點建設內容，以及部分定量建設指標。

 

03露天煤礦智能化建設內容與技術路徑

露天煤礦與井工煤礦采用相同的技術架構，但不進行分類，而是直接根據(jù)礦井地質條件進行分級建設。露天煤礦相關建設內容主要分為2部分，信息基礎設施與生產(chǎn)運行系統(tǒng)建設內容，如圖6所示。圖6 露天煤礦智能化建設內容
信息基礎設施主要對智能感知與網(wǎng)絡建設進行了技術說明，露天礦應采用應用自動控制、智能感知等技術對鉆機、挖掘機、自卸卡車、破碎機、帶式輸送機、排土機、推土機等設備及其他基礎設施進行數(shù)字化改造，完善工業(yè)網(wǎng)絡及信息安全建設，通過生產(chǎn)設備的自動化、集成化、智能化改造逐步替代人工操作，實現(xiàn)節(jié)能減排、減員增效、提高勞動生產(chǎn)率和資源綜合利用率的目的。生產(chǎn)運行系統(tǒng)建設內容又細分為智能地質、測量、開采保障系統(tǒng)、智能穿爆系統(tǒng)、單斗—卡車間斷工藝智能化系統(tǒng)、半連續(xù)工藝智能化系統(tǒng)、輪斗連續(xù)工藝智能化系統(tǒng)、智能輔助生產(chǎn)系統(tǒng)、智能安全監(jiān)控系統(tǒng)、智能化園區(qū)、生產(chǎn)經(jīng)營管理系統(tǒng)、信息智能綜合管控平臺，我國露天煤礦多采用間斷工藝或半連續(xù)工藝，導致相關智能化技術與國外露天礦尚有一定差距。由于不同地質條件露天煤礦采用不同的開采工藝，因此，《指南》對穿爆系統(tǒng)、單斗—卡車間斷工藝智能化系統(tǒng)、半連續(xù)工藝智能化系統(tǒng)、輪斗連續(xù)工藝智能化系統(tǒng)分別進行了說明，而不同礦井的智能地質、測量、開采保障系統(tǒng)、智能輔助生產(chǎn)系統(tǒng)、智能安全監(jiān)控系統(tǒng)、智能化園區(qū)、生產(chǎn)經(jīng)營管理系統(tǒng)、信息智能綜合管控平臺建設則相差不大。

 

04結語

煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的必由之路，這已成為行業(yè)共識，《指南》明確了建設什么樣的智能化煤礦，如何建設智能化煤礦的基本路徑。一些地方和企業(yè)已發(fā)布的煤礦智能化地方標準、規(guī)范和建設要求由于技術支撐不成熟，存在很多不合理、不科學的內容，應以八部委《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》和《煤礦智能化建設指南（2021年版）》為指導，以相關標準為依據(jù)，統(tǒng)一架構、統(tǒng)一標準，統(tǒng)一術語，糾正概念濫用，棄虛向實，攻堅克難，推動煤礦智能化健康發(fā)展。煤炭智能化發(fā)展愿景是實現(xiàn)煤礦全時空多源信息實時感知，風險閉環(huán)管控本質安全；全流程人-機-環(huán)-管數(shù)字互聯(lián)高效協(xié)同運行，生產(chǎn)現(xiàn)場全自動化作業(yè)；煤礦職工更體面地工作，煤炭企業(yè)實現(xiàn)更多價值創(chuàng)造。煤炭智能化是信息技術、智能技術與采礦技術的深度融合發(fā)展，智能化煤礦建設是高新技術融入礦山應用場景，實現(xiàn)迭代發(fā)展、不斷進步的變化過程，不是一次性結果，不是“基建交鑰匙工程”。煤礦智能化建設開啟了煤炭行業(yè)全面創(chuàng)新和技術變革的新時代，支撐我國煤炭開采邁向減人、增安、提效、職工幸福、體面工作的美好未來。

來源:智能礦山雜志