＊王瑞鋼

（山西柳林金家莊煤業(yè)有限公司 山西 033000）

引言

因煤礦開采成本的增加和國家對于節(jié)能減排的政策要求，在煤礦開采上，如何更好地提升效率，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級是煤礦開采接下來的重要研究方向。20世紀(jì)90年代，部分學(xué)者提出采礦智能化的概念，為實現(xiàn)無人化綜合開采做出積極貢獻(xiàn)，相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)也被陸續(xù)研究出爐。智能化采煤技術(shù)通過結(jié)合人工智能，以智能采煤機(jī)器、智能液壓支架等煤礦挖掘設(shè)備為核心，結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控，利用自動控制系統(tǒng)，進(jìn)行煤礦的開采。這種方式不僅可以減人增效、節(jié)能減排，也能保證采煤安全性，是信息化和工程化相結(jié)合而帶來的煤礦開采技術(shù)改革和創(chuàng)新，也是推動采礦產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的又一創(chuàng)舉。

1.國外煤礦智能化開采狀況

國外的煤炭開采開始從原先注重經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)效益轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩咝?、?jīng)濟(jì)環(huán)保的方向。國外采煤智能化技術(shù)采用的是地質(zhì)勘探、鉆探、深度挖掘相融合，對于想要開采的煤層區(qū)域進(jìn)行深入了解，包括煤層厚度、實際分布情況等，然后利用陀螺儀精準(zhǔn)定位鎖定采煤機(jī)位置，實施自動化采煤，同時建立起智能化采煤服務(wù)中心。而對于采煤區(qū)域的整體了解和精準(zhǔn)定位更有利于采煤智能化和自動化的實施，服務(wù)中心的建立可以及時調(diào)整采煤設(shè)備停機(jī)次數(shù)和時間，大大提升設(shè)備使用壽命，很好地實現(xiàn)降本增效。

2.我國煤礦智能化開采狀況

20世紀(jì)90年代國內(nèi)學(xué)者對于煤礦開采提出了很多的概念和觀點，比如，方新秋提出的關(guān)于自動化和傳統(tǒng)工藝相結(jié)合的技術(shù)框架和系統(tǒng)模型；張良提出采用遙控型無人開采和智能型無人開采的技術(shù)路線；謝和平提出自動-智能-無人化的開采技術(shù)變革；李首濱總結(jié)并闡釋了智能化開采從1.0-4.0的四個階段；王存飛針對技術(shù)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、透明工作面進(jìn)行探討等。2018年后，王國法帶領(lǐng)團(tuán)隊在煤礦的智能開采、智能化方向提出四種開采模式和五項關(guān)鍵技術(shù)；葛世榮團(tuán)隊提出融合5G通信、仿生智能技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字化開采技術(shù)，也為機(jī)器人煤礦技術(shù)研發(fā)體系打下基礎(chǔ)。

目前，我國的煤礦開采步入初級智能化階段，開采工作的開展與國家政策和國家對于科研力量的投入程度息息相關(guān)。近些年，在國家對于技術(shù)設(shè)備政策和資金的支持下，我國煤礦智能化開采有了重大進(jìn)展。2013年關(guān)于加快煤礦開采智能化、機(jī)器人研發(fā)、采煤工作面分類技術(shù)條件和評價體系等一系列的標(biāo)準(zhǔn)和政策的發(fā)布，極大推進(jìn)我國示范煤礦和采煤智能化工作的進(jìn)程，從2019年到2021年，一些省份陸續(xù)推出驗收煤礦智能化的方法，在《國家能源集團(tuán)煤礦智能化建設(shè)指南》中對煤礦智能化進(jìn)行初、中、高級的智能化煤礦分類，2021年3月頒布了《智能化煤礦建設(shè)指南》，提出指導(dǎo)思想、原則和目標(biāo)、要求和內(nèi)容。我國863計劃，將準(zhǔn)能露天煤礦和錦界煤礦建設(shè)成為數(shù)字礦山重點研究和示范項目，在多項技術(shù)上實現(xiàn)突破并在2016年驗收成功。2017年國家研發(fā)的“煤礦智能開采榆樹與裝備研發(fā)”項目和2018年研發(fā)的《千萬噸級特厚煤層智能化綜放開采關(guān)鍵技術(shù)及示范》，通過對裝備系統(tǒng)和多項技術(shù)研究，大大提升生產(chǎn)安全性和行業(yè)智能化科技水平。但也看到，我國煤礦多為地下開采，地質(zhì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，有時會發(fā)生重大的事故問題，因此由粗放向智能化、精細(xì)化的發(fā)展是煤礦開采的必經(jīng)之路。

3.煤礦智能化開采技術(shù)中的問題

目前，我國煤礦開采智能化建設(shè)存在的問題主要受智能化的認(rèn)知和發(fā)展水平、開采設(shè)備、管理水平、技術(shù)水平和應(yīng)用場景、商業(yè)發(fā)展模式、人才和投入保障等多方面因素影響和制約。

(1)對于煤礦智能化認(rèn)知不一致

我國的煤炭工業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了四個階段，包括：人工采煤和炮采、機(jī)械開采、綜合機(jī)械化開采、智能化開采。在不同的地區(qū)，對于建設(shè)智能化煤礦，信息化、機(jī)械化和智能化之間的關(guān)系、智能化和數(shù)字化之間的關(guān)系沒有達(dá)到統(tǒng)一的認(rèn)知，根據(jù)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平發(fā)展?fàn)顩r不同，一些地方的煤礦企業(yè)對于智能化和數(shù)字化的發(fā)展趨勢沒有深刻認(rèn)知，只是做做表面功夫，片面地認(rèn)為煤礦開采就是需要較大地投入，高的技術(shù)和要求，這些煤礦企業(yè)擔(dān)心經(jīng)濟(jì)受到影響，不愿意承擔(dān)風(fēng)險，表現(xiàn)得畏首畏尾，因此導(dǎo)致煤礦智能化開采工作進(jìn)展滯后。所謂煤礦的智能化，是將現(xiàn)代煤炭的開發(fā)技術(shù)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、智能裝備、機(jī)器人等進(jìn)行充分融合，形成可以實時互聯(lián)、充分感知、分析并決策、動態(tài)預(yù)測、協(xié)同控制的一整套智能系統(tǒng)，它的形成打通了煤礦的開采、運輸、通風(fēng)、洗選、安全保障、經(jīng)營管理的各個環(huán)節(jié)，在全過程實現(xiàn)智能化運行?？梢哉f，智能化的煤礦是搭載多個系統(tǒng)多個環(huán)節(jié)的綜合體系，實現(xiàn)信息的交流、內(nèi)部與外部的運輸、交換。

(2)煤礦智能化發(fā)展不均衡

①建設(shè)基礎(chǔ)不均衡。不同地區(qū)礦井煤層賦存條件也不同。西部晉陜蒙礦區(qū)煤層的賦存條件和礦井經(jīng)濟(jì)效益好，對于智能化的投入多，建設(shè)的基礎(chǔ)好，相對的，西南云貴川礦區(qū)就沒有那么好的賦存條件，導(dǎo)致礦井的產(chǎn)量低，經(jīng)濟(jì)效益不佳，智能化的建設(shè)基礎(chǔ)單薄。②建設(shè)水平發(fā)展不平衡。智能化開發(fā)技術(shù)和裝備相對于成熟的地區(qū)，人才多，智能化煤礦建設(shè)見效又快又好；但像西南部、中東部條件差的礦區(qū)，在開采技術(shù)、裝配、人才配備上也較差，導(dǎo)致了煤礦智能化建設(shè)進(jìn)度遲緩。③采用智能化系統(tǒng)不同導(dǎo)致發(fā)展不均衡。煤礦對于礦井巷道掘進(jìn)的重視程度不足，不同系統(tǒng)的智能化水平層次不齊，且系統(tǒng)和系統(tǒng)之間沒有形成互通互聯(lián)，這讓礦井整體的智能化水平不高。④軟件和硬件投入不均衡。決策者往往更愿意投入在購買采掘裝備、高性能計算機(jī)等硬件上，而忽略了大數(shù)據(jù)中心的建設(shè)、軟件開發(fā)、智能化平臺建設(shè)等軟件投入，硬件與軟件能力無法做到匹配而讓硬件產(chǎn)品未能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。⑤智能化投入產(chǎn)出不均衡。我們看到，部分礦區(qū)投入了大量資金、人力和物力之后，取得了較高的經(jīng)濟(jì)效益，獲得了社會認(rèn)可，但還有一部分礦區(qū)沒有達(dá)到，導(dǎo)致對于智能化建設(shè)意愿度不高。

(3)開采設(shè)備技術(shù)相對落后

大部分的大型采煤設(shè)備需要從國外進(jìn)口，引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)，運營和維護(hù)成本較高，且不便利。而我國煤炭生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)出的設(shè)備無法適應(yīng)時代需求和市場發(fā)展要求，大部分生產(chǎn)設(shè)備被國外壟斷，讓我國煤炭集約、高效開采無法實現(xiàn)，煤炭產(chǎn)能落后于國外的發(fā)達(dá)國家。

(4)管理水平較低，人才儲備不足

在部分地區(qū)仍然采用傳統(tǒng)的管理模式和方式，缺少智能化職能部門，一些地區(qū)采用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和畫圖處理，但在計算機(jī)應(yīng)用關(guān)于煤礦的管理方面還有待提升。從業(yè)人員對于智能化技術(shù)和設(shè)備的熟悉程度差、整體技術(shù)水平偏低、人才培養(yǎng)體系不健全、缺少運維團(tuán)隊等問題，導(dǎo)致現(xiàn)有人員能力難以匹配智能化建設(shè)的工作，儲備人才也不充分的情況。

(5)技術(shù)水平較低，缺乏5G應(yīng)用場景

在實際中，技術(shù)水平往往會限制煤礦智能化開采的推廣，表現(xiàn)在：①受到科技水平、地質(zhì)條件、煤層不可預(yù)測性，煤礦在開采過程中的自動化水平不高；②設(shè)備穩(wěn)定性不足，可靠性差，需要從傳統(tǒng)單機(jī)模式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成的智能化設(shè)備；③缺乏5G應(yīng)用場景和生態(tài)。5G信息技術(shù)擁有帶寬、連接廣、及時性強(qiáng)等優(yōu)勢和特點，可以帶來行業(yè)變革。我國對煤礦5G通信系統(tǒng)也做了信息安全技術(shù)要求，但在應(yīng)用場景上仍有一些不足，基于5G技術(shù)的無人駕駛試驗和傳感器研究未取得模塊化應(yīng)用，在終端生態(tài)方面受限。

(6)“透明地質(zhì)”技術(shù)保障支撐力不足

①地質(zhì)探測精度和范圍無法滿足煤礦智能化建設(shè)需求；②地質(zhì)數(shù)據(jù)的錄入多為人工采集與錄入的紙質(zhì)數(shù)據(jù)，未形成數(shù)字化數(shù)據(jù)；③地質(zhì)體模型精度不高，預(yù)測能力弱，建模技術(shù)需要提升；④受建模精度和地質(zhì)探測影響，難以建立高精度的“透明地質(zhì)”模型，無法實現(xiàn)精準(zhǔn)定位的智能開采；⑤地質(zhì)數(shù)據(jù)錄入、分析、建模的自動化程度低，現(xiàn)有的探測技術(shù)和裝備也需要人工大量參與，機(jī)載式智能探測技術(shù)和裝備能夠解決這一點，提升探測精度和智能化程度，降低工人參與度；⑥三維地質(zhì)模型沒有將工程和地質(zhì)信息全面融合，在探測精度和分辨率上難以提升，有些模型只是為了展示，與井下工程的施工和其他系統(tǒng)融合度差，無法完全發(fā)揮三維地質(zhì)模型應(yīng)有的用途。

(7)智能化系統(tǒng)兼容協(xié)同難

數(shù)據(jù)格式的不統(tǒng)一。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議兼容性、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間協(xié)同兼容性、業(yè)務(wù)系統(tǒng)兼容性差。煤礦智能化建設(shè)投入保障不足，企業(yè)與企業(yè)之間差距也較大，一些數(shù)據(jù)資源沒有得到很好的挖掘和利用，并且缺少真實客觀地對煤礦智能化投入和產(chǎn)生效益做出全面評價的方法。

4.如何提升煤礦智能化開采技術(shù)

在我國煤炭轉(zhuǎn)型升級期，通過引入先進(jìn)的信息技術(shù)，對于煤炭開采智能化的推進(jìn)、提升效率具有現(xiàn)實性意義。

（1）在粗煤綜采的智能化應(yīng)用上。采用無線通信技術(shù)和手段，可以有效控制煤礦井下開采的電纜數(shù)量；將無線通訊技術(shù)應(yīng)用在煤礦的采掘工作，可以迅速提升井下數(shù)據(jù)采集、傳輸數(shù)據(jù)的速度和圖像質(zhì)量，大大降低人員和物資成本；智能信息設(shè)備的配備，可以讓巡邏人員與監(jiān)控中心取得實時聯(lián)絡(luò)，有助于提升巡邏人員的防護(hù)能力和保障安全性；用高精度傳感器來實時監(jiān)控井下高危物質(zhì)，建立起災(zāi)難預(yù)防體系。當(dāng)采集值達(dá)到上限則自動停止采集，確保礦井的安全性，通過收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模得到合理的開采方案。

（2）復(fù)雜環(huán)境下的智能化綜合技術(shù)應(yīng)用。在一些地質(zhì)條件較為復(fù)雜、容易產(chǎn)生災(zāi)害的礦區(qū)，在引入和應(yīng)用智能采煤技術(shù)時，需要考慮到當(dāng)?shù)厍闆r，建立健全安全保障機(jī)制，并將收集到的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行效益分析，比如：采用適用性強(qiáng)、靈活性高的遙感技術(shù)。在煤礦開采期間，要為所有的地面、巷道和高危作業(yè)區(qū)部署完善網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備。在智能化開采控制裝置的基礎(chǔ)之上，可以建立一套系統(tǒng)性的通用性可視化控制裝置，將采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、供電系統(tǒng)、送煤機(jī)等形成統(tǒng)一整體，便于統(tǒng)一掌握和控制，確保設(shè)備穩(wěn)定安全運行，也有助于形成網(wǎng)絡(luò)化的信息綜合評價。

（3）關(guān)于智能化綜合開采技術(shù)。作為源于綜合開采發(fā)展而起的新工藝，智能化綜合開采技術(shù)可以提升礦山開采效率，實現(xiàn)資源回收，加強(qiáng)開采工程安全。高精度導(dǎo)航、全面探測和智能管理等已被納入到煤礦智能化開采當(dāng)中，能夠有效提升煤礦質(zhì)量和生產(chǎn)力。

（4）關(guān)于5G技術(shù)在煤礦智能化的應(yīng)用。5G技術(shù)以能夠全新的無線高度融合進(jìn)技術(shù)的特殊優(yōu)勢而得到社會的關(guān)注。它可以讓網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)和5G技術(shù)高度融合，在無線技術(shù)領(lǐng)域，全頻譜接入、多址技術(shù)和大規(guī)模天線陳列技術(shù)是5G的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容。5G技術(shù)的使用可以大大提升網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)性能，具有頻譜更寬、更可靠、安全性更高、傳輸更快、傳輸量更大、延時性更低等特點。具體到應(yīng)用于煤礦智能化中，可以分為如下幾個方面：①高精細(xì)度的實時定位與應(yīng)用服務(wù)。通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，將煤礦智能化應(yīng)用物理空間網(wǎng)格進(jìn)行切割和劃形分成多個虛擬空間，根據(jù)對于不同虛擬空間的不同需求，來增強(qiáng)其不同功能，靈活應(yīng)對煤礦智能化開采應(yīng)用過程中的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景。基于5G技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)高精度的實時定位和服務(wù)應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)和傳統(tǒng)傳輸技術(shù)，更能夠確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性。②虛擬交互應(yīng)用。主要體現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用中，顛覆了傳統(tǒng)的人機(jī)互動方式，讓煤礦智能化開采經(jīng)過三個階段的技術(shù)變革過程：三維建模和虛擬展示、互動模式和可視化設(shè)計、混合現(xiàn)實與云端實時渲染。比如，在混合現(xiàn)實和云端實時渲染階段，能夠?qū)碌拿旱V資源采取虛擬開采和協(xié)同運營的操作。③遠(yuǎn)程實時監(jiān)控和控制。傳統(tǒng)的方式需要用傳感器、路由器、多類型互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，將數(shù)據(jù)通過傳感器匯集到集中控制中心再到遠(yuǎn)程控制中心，數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性不高，對于井下空間有安全風(fēng)險的情況不能采用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。而5G技術(shù)打破了這個難題，可以在井下全程遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳送，大大提升了煤礦開采的安全性。④井下遠(yuǎn)程協(xié)同運維。5G技術(shù)在井下空間的應(yīng)用，能夠很好解決過去傳統(tǒng)人工維修因空間狹小無法做到高度智能化設(shè)備運營維護(hù)的需要，通過傳遞井下空間現(xiàn)成音頻視頻數(shù)據(jù)，結(jié)合虛擬模型和操作系統(tǒng)可以直接連接到井下空間智能化設(shè)備中，通過專家和礦工同時觀察和操作，對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和管理。⑤井下巡檢和安防。通過數(shù)據(jù)傳輸和智能定位功能，可以很好開展井下空間高效巡查和安全防護(hù)。實時分析井下空間裝備運行情況、人員身體情況等信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的實時共享，可以以更快、更經(jīng)濟(jì)、效率更高的方式開采煤礦。

5.結(jié)語

新技術(shù)的應(yīng)用和引入為煤礦智能化發(fā)展添上重要一筆。基于5G技術(shù)的煤礦智能化系統(tǒng)，能夠很好解決過往傳統(tǒng)中定位不精準(zhǔn)、數(shù)據(jù)傳輸不及時、無法實時動態(tài)查看礦井和礦工動態(tài)等問題，通過與大數(shù)據(jù)信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、云平臺計算技術(shù)、虛擬交互技術(shù)的充分且深度融合，為煤礦開采過程中的大量數(shù)據(jù)信息處理、分析和決策提供依據(jù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化操作，極大程度提升煤礦開采的精準(zhǔn)程度、效率和安全性，對于加快我國煤礦開采、行業(yè)轉(zhuǎn)型升級有重要意義。