智能化煤矿建设若干问题研究与思考

唐恩贤，李 川

(1.西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710051；2. 陕西延长石油矿业有限责任公司, 陕西省西安市，710075；3.中国矿业大学矿业学院，江苏省徐州市，221008)

煤炭是我国的主体能源，2020年我国煤炭产量仍达39亿t 。党的十九大报告指出：“我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段”；国家八部委在《关于关于加快煤矿智能化发展的指导意见》(发改能源[2020]283号)中指出，“煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑”[1]。加快煤矿智能化发展、建设智慧煤矿是煤炭工业发展的战略方向[2]。我国智能化煤矿建设是基于矿山自动化技术和物联网技术相结合而提出的[3]，井工煤矿的最终目标就是实现井下无人操作。2014年陕西煤业化工集团黄陵矿业公司一号煤矿较薄煤层智能化采煤工作面的成功建成，开创了我国煤矿智能化开采的先河[4]。经过5年多来的发展，到2020年底，全国已建成400多个智能化采掘工作面。智能化开采已经上升到国家层面，并成为行业共识，全国已掀起一股智能化开采的浪潮，推动我国煤炭工业的第四次技术革命。

1 我国煤矿智能化矿井建设现状

1.1 煤矿智能化建设发展脉络

我国煤矿开采的作业方式，经过了传统的人力作业—(半)机械化-综合自动化-智能化开采(工业互联网)4个阶段的发展过程，最终目标是实现“智慧化矿山”。

自20世纪80年代到20世纪末，我国煤炭开采经历了机械化、自动化的发展过程。同时，液压牵引与电牵引采煤机、电液控液压支架、井下人员定位、通风、瓦斯等监控技术与装备开始在全国各类煤矿推广应用，为煤炭企业安全高效生产发挥了重要作用。智能矿山建设的提出是信息时代与知识经济发展的必然结果[5]。煤矿实现机械化开采后，进一步开展自动化开采，进而再实现智能化开采成为世界采矿界不懈追求的目标。信息技术的发展促进了煤炭智能化建设，比如：基于计算机技术的自动化采矿技术，基于信息技术的数字化采矿技术，基于互联网技术的矿山物联网技术等，这些技术的发展为智能化开采奠定了坚实基础。

2000年之后，随着我国通信、工业以太网技术的发展，逐步形成了深度融合云计算、大数据、人工智能等科学技术的5G技术生态，为煤炭行业的智能化发展提供了基础保障[6]。同时，在智能化煤矿总体构架建设、应用场景分析、关键装备与产品研发、行业标准制定等方面也取得很大进步。王国法院士团队[7-8]阐述了煤矿智能化建设的原则和总体要求，给出了煤矿智能化标准体系构架及建设思路，并在设备研发方面做了大量工作；范京道、李川、闫振国等[9]提出了包含智能煤矿内涵和定义、智能煤矿基础搭建、智能煤矿顶层设计等内容的智能煤矿总体架构建设方案；何满潮院士[10]提出了5G +N00 矿井的远程无人化智慧采矿模式。

1.2 智能化采煤技术

煤矿智能化建设经过5年多的发展，技术也在不断升级完善，采矿技术从1.0时代也发展到了3.0时代，从技术发展的角度正逐步向4.0时代迈进。目前，智能化开采的核心是以电液控技术、网络技术为基础，以“采煤机记忆截割+增强感知高清视频场景在现+人工远程辅助干预”的地面采煤模式[11]。

1.0时代是以综采工作面中部“三机”协同，巷道远程控制的采煤技术；2.0时代是以全工作面增强感知+“三机”协同+全工艺自动化作业技术系统，井下巷道或地面控制中心均可远程控制的“一键启停”，两端头实现超前支架自移的配套作业技术；3.0时代是以地质勘探勘测数据为基础，建立工作面静态三维模型，形成以地质模型+数据规划+自主决策的全工作面自动化作业技术系统，同时可应用大数据、分析决策、精准控制等技术实现采煤机自主截割，工作面无人开采。2014年智能开采3.0时代的技术体系在黄陵矿业公司一号矿进行工业试验获得成功，工作面中部煤机截割速度达到7 m/min，割三角煤速度达到5 m/min，模型精度达到150 mm左右，取得突破性进展。

1.3 智能化掘进技术

目前，煤炭行业的智能化掘进，从现场的装备配置及应用来看，是在传统综掘的基础上，进一步升级的快速掘进系统，是以掘锚一体机和TBM盾构机为代表的装备系统。掘锚一体机，主要用于煤巷掘进，月进尺达到2 000～3 000 m/月，取得较好应用效果。TBM盾构机主要用于岩巷掘进，从应用情况来看，月进尺达到400 m以上，应用效果非常好，这2项技术装备的应用，大大缓解了矿井生产接续紧张的局面，为加快推广智能化掘进技术发挥了巨大作用。该系统具备如下功能：①实现掘、支、运一体化。掘进落煤、临时支护、运煤、永久支护一体化，可实现部分工艺同时作业。②实现掘进远程控制。在掘锚一体机后方约20～30 m设置操控平台，操作人员利用视频监控操作掘进机，按设定的截割模型实现自动截割。③实现导航定位，中心偏移自调整。利用红外控制器，控制截割头按设定的路线割煤，防止超挖，提升自动化水平。④设置电子围栏。在掘进作业期间，若有人员靠近电子围栏设定区域，立即发出报警信号并自动切断电源，保障安全掘进。同时，工作面现场视频画面实时上传地面调度室，提升安全管理水平。

1.4 安全生产与生产经营管理系统

目前大型现代化煤矿基本都建设了综合自动化管理平台，对井下人员定位、矿压、通风、瓦斯、防灭火、水文、煤尘等指标可进行实时监测，地面瓦斯抽采、主通风机运行、水电供应系统、主带式输送机等均实行运行状态监测及远程控制。生产辅助系统使用机器人巡检，固定岗位无人，取得明显减人效果。同时，这些煤矿大都建设了“三网一张图”系统，可进行产供销全流程的信息化管理，基本能实现生产经营领域的信息共享。

2 智能化矿井建设需要把握的几个问题

2.1 灾害治理永远是矿井智能化工作的前提

智能化环境感知代替不了灾害治理，灾害治理达标是矿井安全生产的前提，否则智能化矿井的安全运行就不会实现。2021年初以来，全国多处煤矿出现的煤与瓦斯突出、矿井突水等事故，再次给我们敲响了警钟。安全大于天，加强灾害治理的基础理论研究，强化日常管理，夯实煤矿安全生产与监督管理的长效机制，仍是企业安全生产的根本。以技术为支撑，以精细管理为抓手，以装备为保障，三者并重，实施“人-机-环-管-物”的闭环管理，才能彻底消除安全隐患，智能化矿井才能根基牢固。因此对灾害治理的达标评价，应作为智能化矿井建设的前置条件，实行安全一票否决。

2.2 现阶段矿井智能化仍处于初级水平

智能化煤矿是现代采煤技术与信息化技术融合的产物。从目前现场应用条件看，在煤层赋存相对稳定、变化较小的煤矿应用较好，对煤层赋存条件较复杂的倾斜煤层等的应用还有待进一步研究[12]。从智能化开采系统本身来看，现在的煤矿智能化是以采煤机记忆截割+生产运输系统的远程集中控制来实现的，是利用采煤机的自主学习功能，在矿井综合自动化基础上实现的智能化。因此，也就决定了现阶段智能化矿井建设的初级阶段特征。当前煤矿全时空多元信息融合感知还远远达不到要求；数据存储运用的作用还不足；分析决策、数字孪生协同控制、系统故障自诊断及分析预警、工作面矿压与支护耦合自适应机理等方面还需要进一步研究。

2.3 矿井智能化离不开采煤、掘进两个核心的智能化

智能化矿井是采煤、掘进为主体的智能化。具体是要把采掘工艺用数字化描述并转为机器语言，把过去由人工操作，全部转换成由高级智能机器来操作。实现采煤、掘进作业数字化的目标，才接近真正的智能化。智能化开采是多专业、多学科融合的系统工程，是以采矿理论为统领，融入计算机、电子信息、网络、大数据等技术融合的巨系统。因此，实现智能化开采是衡量智能化矿井的必要条件。尤其现阶段的智能化掘进，要把掘进工艺优化与装备自动化、智能化相融合，需要以钻锚自动化，支护参数设计，锚杆结构优化及材料改进，掘锚平行作业的研究为突破口，开发实用可靠的支护工艺、材料与装备。

2.4 准确把握行业智能化矿井建设，绝大多数煤矿应以矿井升级改造为主

根据国家能源局等八部委下发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》要求的3个阶段性目标，以及公布的71处智能化示范矿井建设矿井名单，其中改造型矿井63处，新建矿井8处。改造型矿井的采掘装备智能化的功能版本较低，改造难度大，涉及机械、电子、控制等方面的技术，开采条件复杂的工作面设备位姿，传感器网络的改造难度更大。因此，前期方案的制定、工程总体设计要科学合理，否则欲速则不达，不但满足不了智能化升级改造的总体效果要求，还造成更大的浪费。对于矿井网络系统的改造升级，要立足当前，谋划长远。加快对“5G+工业物联网”技术研究，把5G技术的低延时、低能耗、泛在网的优势和物联网的感知识别普适化、异构设备互联化、网络终端规模化等特点相融合。尤其是应用场景的研究，用识别定位技术，M2M技术的优越功能，实现机器对机器，点对点的通信，远距离收集信息、设置参数与发布指令。利用信息物理系统(CPS)针对井下系统战线长、设备监控点多、安全监测广等特点，通过3C(通信、计算、控制)技术有机融合与深度协作，建设系统构架，定制智能化矿井的发展规划。

2.5 具有嵌入式技术的智能化装备是实现煤矿智能化的必然要求

煤炭行业传统的采掘装备，单机自动化程度比较低，无法满足自动化、智能化运行的基本要求。具有嵌入式技术的装备是集计算机的软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术于一体的新型装备。该新型装备具有自感知，是集信息接收、传递、处理、发布指令等功能于一身的自组网智能装备，是未来智能化矿井发展的必然要求，也是装备制造企业理念创新、产品转型升级的必然要求。

2.6 综合自动化系统要提升集成网络价值

当前，矿井综合自动化系统基本是矿井原来各种系统的简单集成，集成网络价值未得到提升，具体表现在如下几个方面：①感知手段传统单一，集中式的传感装置在某个子系统内难以按实际要求构建灵活实用的逻辑系统，缺乏传感器层面的信息融合；②缺乏泛在感知网络，基本没有统一的井下无线覆盖感知层网络，存在很大的感知盲区，不能保证安全感知全覆盖；③缺乏应用层面的信息融合，煤矿综合自动化平台实现了已有子系统的网络化集成，但各个应用子系统之间的联动与信息融合智能决策没有应用，虚拟世界与物理世界的深度融合还远未实现。

2.7 采掘工作面辅助作业移动机器人研究滞后

目前矿井智能化减人主要是减综采和综掘工作面的作业人员、矿井主运输系统及井下固定硐室的岗位人员。除此之外，井下物料的搬运、管道拆除、风筒挂设拆除等辅助作业岗位上仍然需要大量人员，仍是传统的作业方式。移动机器人替代这些岗位的人工势在必行。尤其是灾变情况下，机器人替代人力作业研究更是迫在眉睫。

2.8 汽车无人驾驶技术在井工矿井应用尚早

汽车无人驾驶技术，国外从20世纪80年代开始研究，我国2011年才开始起步。目前采用L2技术的部分自动操作汽车已经上路，称为“自动驾驶”，但离不开司机；近期更高级别的采用L4技术的车辆正在上路测试，该级别汽车属于高级别“自动驾驶”，但也离不开司机，只是减少了司机操作的工作量，遇到特殊情况必须人工操作。自动驾驶、无人驾驶，需要车、路、环境(网络)三要素配合，缺一不可。煤矿井下车辆的使用环境与地面差别较大，而假设不能实现真正的无人驾驶，又与智能化矿山建设的初衷不符。因此，认为只有具备L5级以上技术的无人驾驶技术，才能在煤矿井下应用。

3 结论

智能化开采、智能化矿井建设是煤炭企业实现高质量发展的必然选择。智能化生产把煤矿工人从危险的作业环境中解放出来，从繁重的体力劳动中解放出来，可实现“无人则安，少人则安”，是以人为本的煤炭企业担当的社会责任和企业核心价值观的体现。然而在当前煤矿智能化发展过程中，对现实问题要有清醒认识，发展中要围绕核心、突出重点，解决难点痛点问题，以期使煤炭企业的智能化矿井建设之路更加平稳健康发展，企业职工能获得更多的幸福感、自豪感，国家能源安全的“压舱石”也能更加稳固。