有關(guān)煤礦智能化開采技術(shù)思考

＊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(guó)家對(duì)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)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(shí)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(dòng)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(dòng)采礦產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的又一創(chuàng)舉。

1.國(guó)外煤礦智能化開采狀況

國(guó)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(guó)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(duì)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(shí)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(shí)施自動(dòng)化采煤，同時(shí)建立起智能化采煤服務(wù)中心。而對(duì)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(dòng)化的實(shí)施，服務(wù)中心的建立可以及時(shí)調(diào)整采煤設(shè)備停機(jī)次數(shù)和時(shí)間，大大提升設(shè)備使用壽命，很好地實(shí)現(xiàn)降本增效。

2.我國(guó)煤礦智能化開采狀況

20世紀(jì)90年代國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于煤礦開采提出了很多的概念和觀點(diǎn)，比如，方新秋提出的關(guān)于自動(dòng)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(dòng)-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(gè)階段；王存飛針對(duì)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(guó)法帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在煤礦的智能開采、智能化方向提出四種開采模式和五項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)；葛世榮團(tuán)隊(duì)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(guó)的煤礦開采步入初級(jí)智能化階段，開采工作的開展與國(guó)家政策和國(guó)家對(duì)于科研力量的投入程度息息相關(guān)。近些年，在國(guó)家對(duì)于技術(shù)設(shè)備政策和資金的支持下，我國(guó)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(píng)價(jià)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(guó)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(yàn)收煤礦智能化的方法，在《國(guó)家能源集團(tuán)煤礦智能化建設(shè)指南》中對(duì)煤礦智能化進(jìn)行初、中、高級(jí)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(guó)863計(jì)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(diǎn)研究和示范項(xiàng)目，在多項(xiàng)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破并在2016年驗(yàn)收成功。2017年國(guó)家研發(fā)的“煤礦智能開采榆樹與裝備研發(fā)”項(xiàng)目和2018年研發(fā)的《千萬(wàn)噸級(jí)特厚煤層智能化綜放開采關(guān)鍵技術(shù)及示范》，通過對(duì)裝備系統(tǒng)和多項(xiàng)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(guó)煤礦多為地下開采，地質(zhì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，有時(shí)會(huì)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(guó)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(chǎng)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(duì)于煤礦智能化認(rèn)知不一致

我國(guó)的煤炭工業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)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(duì)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(duì)于智能化和數(shù)字化的發(fā)展趨勢(shì)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(xiǎn)，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(jì)算、智能裝備、機(jī)器人等進(jìn)行充分融合，形成可以實(shí)時(shí)互聯(lián)、充分感知、分析并決策、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、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(yùn)輸、通風(fēng)、洗選、安全保障、經(jīng)營(yíng)管理的各個(gè)環(huán)節(jié)，在全過程實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行?？梢哉f，智能化的煤礦是搭載多個(gè)系統(tǒng)多個(gè)環(huán)節(jié)的綜合體系，實(shí)現(xiàn)信息的交流、內(nèi)部與外部的運(yùn)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(duì)于智能化的投入多，建設(shè)的基礎(chǔ)好，相對(duì)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(duì)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(duì)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(gòu)買采掘裝備、高性能計(jì)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(tái)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(shì)。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(huì)認(rèn)可，但還有一部分礦區(qū)沒有達(dá)到，導(dǎo)致對(duì)于智能化建設(shè)意愿度不高。

(3)開采設(shè)備技術(shù)相對(duì)落后

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

(4)管理水平較低，人才儲(chǔ)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(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和畫圖處理，但在計(jì)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(duì)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(yùn)維團(tuán)隊(duì)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(chǔ)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(chǎng)景

在實(shí)際中，技術(shù)水平往往會(huì)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(cè)性，煤礦在開采過程中的自動(dòng)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(chǎng)景和生態(tài)。5G信息技術(shù)擁有帶寬、連接廣、及時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，可以帶來行業(yè)變革。我國(guó)對(duì)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(chǎng)景上仍有一些不足，基于5G技術(shù)的無人駕駛試驗(yàn)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(cè)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(cè)能力弱，建模技術(shù)需要提升；④受建模精度和地質(zhì)探測(cè)影響，難以建立高精度的“透明地質(zhì)”模型，無法實(shí)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(dòng)化程度低，現(xiàn)有的探測(cè)技術(shù)和裝備也需要人工大量參與，機(jī)載式智能探測(cè)技術(shù)和裝備能夠解決這一點(diǎn)，提升探測(cè)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(cè)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(shí)客觀地對(duì)煤礦智能化投入和產(chǎn)生效益做出全面評(píng)價(jià)的方法。

4.如何提升煤礦智能化開采技術(shù)

在我國(guó)煤炭轉(zhuǎn)型升級(jí)期，通過引入先進(jìn)的信息技術(shù)，對(duì)于煤炭開采智能化的推進(jìn)、提升效率具有現(xiàn)實(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(dòng)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(shí)，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(yùn)行，也有助于形成網(wǎng)絡(luò)化的信息綜合評(píng)價(jià)。

（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(shí)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(cè)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(shì)而得到社會(huì)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(shí)性更低等特點(diǎn)。具體到應(yīng)用于煤礦智能化中，可以分為如下幾個(gè)方面：①高精細(xì)度的實(shí)時(shí)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(gè)虛擬空間，根據(jù)對(duì)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(duì)煤礦智能化開采應(yīng)用過程中的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景。基于5G技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高精度的實(shí)時(shí)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(shí)性。②虛擬交互應(yīng)用。主要體現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用中，顛覆了傳統(tǒng)的人機(jī)互動(dòng)方式，讓煤礦智能化開采經(jīng)過三個(gè)階段的技術(shù)變革過程：三維建模和虛擬展示、互動(dòng)模式和可視化設(shè)計(jì)、混合現(xiàn)實(shí)與云端實(shí)時(shí)渲染。比如，在混合現(xiàn)實(shí)和云端實(shí)時(shí)渲染階段，能夠?qū)碌拿旱V資源采取虛擬開采和協(xié)同運(yùn)營(yíng)的操作。③遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)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(shí)性不高，對(duì)于井下空間有安全風(fēng)險(xiǎn)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(gè)難題，可以在井下全程遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(yùn)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(yùn)營(yíng)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(shí)觀察和操作，對(duì)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(shí)時(shí)分析井下空間裝備運(yùn)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(shí)時(shí)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(yǔ)

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?；?G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(shí)、無法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)查看礦井和礦工動(dòng)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(tái)計(jì)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(shí)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(duì)于加快我國(guó)煤礦開采、行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)有重要意義。