范京道，黃克軍，李 川2,，劉 渭，宋 岳，閆振國

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司，陜西 西安 710065；2.應急管理部煤礦智能化開采技術創(chuàng)新中心，陜西 黃陵 727307；3.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；4.陜西延長石油礦業(yè)有限責任公司，陜西 西安 710065)

礦產資源是人類社會發(fā)展的重要物質基礎，在當前人類社會消耗的自然資源中，占比80%以上[1]，煤炭資源更是我國的主體能源，預計到2030 年，消耗量為35～40 億t。工程是最直接、最現(xiàn)實的社會生產力，是人類社會存在和可持續(xù)發(fā)展的基礎[2]。礦業(yè)工程是由科學、技術、社會、人文、管理、經濟等組成的復雜系統(tǒng)工程，是人類基于對自然物理世界的認識和現(xiàn)階段掌握的知識、技術、裝備等生產資料。在“物質、能量、信息”“三位一體”的自然物理世界中，把自然礦產資源轉化為社會用途的產品及生產力，對社會經濟持續(xù)發(fā)展和國家能源安全起著重要的支撐作用。

“十四五”時期是我國構建安全高效智能、清潔低碳現(xiàn)代能源體系及高質量發(fā)展的關鍵階段[3-5]。然而，傳統(tǒng)的煤炭開發(fā)工程管理模式難以滿足煤炭資源高效開發(fā)與智能化建設的需求，嚴重制約著煤炭工業(yè)的高質量發(fā)展。一方面，發(fā)展不充分、不平衡的工程技術水平與人們日益增長的能源與生態(tài)需求不適應，特別是智能化時代的到來，傳統(tǒng)煤炭行業(yè)與信息技術深度融合發(fā)展，是決定煤炭行業(yè)實現(xiàn)轉型升級發(fā)展和擺脫 “傻大黑粗，臟累苦險”面貌的關鍵。2021 年我國原煤產量再創(chuàng)新高，已達41.3 億t，能源結構中煤炭占比依然高達56.8%。雖然礦產資源在智能綠色開發(fā)及與循環(huán)經濟取得一定成果[6-7]，但是，傳統(tǒng)礦業(yè)工程開發(fā)建設勞動強度大、安全風險高、施工效率低、自動化與智能化水平低與自然環(huán)境矛盾突出等問題依然沒有根本解決。另一方面，在人類科學、技術、工程進入由“物理空間–人類社會–信息空間”所組成的CPH 三元空間后，傳統(tǒng)工程管理理論與模式難以適應工業(yè)4.0 對多元融合的發(fā)展需求，也制約著工程項目建設安全、高效、經濟等目標的實現(xiàn)。礦業(yè)工程開發(fā)與建設過程中復雜性與危險性，警示人類在進行工程建設和開發(fā)中要注重多智能體協(xié)同管控[8]，重視多目標平衡。特別是當今煤炭作為能源和資源的“兜底作用”得到進一步強化，大型煤礦、特大型煤礦急劇增多和CPH三元空間融合新時代背景下，必須按照工程哲學理念，在總結分析自然–科學–技術–工程–產業(yè)–經濟–社會知識、技術等要素的基礎上，運用系統(tǒng)、整體、協(xié)同、智能、綠色等思維方式，對礦業(yè)工程技術和工程管理的規(guī)律進行提煉和歸納，促進各工程目標、要素之間相互融合、相互協(xié)同，實現(xiàn)科學與工程、技術與工程、技術與管理、工程與經濟、工程與社會融合發(fā)展，推動人與人、人與工程、工程與自然的可持續(xù)發(fā)展[9]。因此，建立符合新時代礦業(yè)工程建設與管理理論和模式是礦業(yè)工程實現(xiàn)安全高效智能綠色發(fā)展的必然要求。

作者運用系統(tǒng)論、協(xié)同論等理論，提出了以價值最優(yōu)化為目標的綠色化、智能化、集成化、專業(yè)化和精細化等“五化協(xié)同”工程管理模式，該模式應用于礦業(yè)工程的多個重大實踐中，以期高效解決工程管理多目標、多層次協(xié)同不足的難題，整體突破復雜系統(tǒng)工程安全高效綠色智能建設與管控，促進工程技術與管理的多元融合發(fā)展，為社會經濟持續(xù)發(fā)展和國家能源安全提供重要支撐。

1 “五化協(xié)同”工程管理模式

1.1 “五化協(xié)同”工程管理模式內涵

針對礦業(yè)工程建設資源賦存條件復雜，涉及專業(yè)多，作業(yè)環(huán)境差，危險程度高，影響范圍大，建設周期長，集成程度高，制約因素多及管理的復雜性與非線性等特征。依托重大工程創(chuàng)新與實踐，融合基礎理論、技術創(chuàng)新、裝備研發(fā)、工程規(guī)劃與設計、智能控制與決策、組織與管理、建設與示范、運行與評價、資源開發(fā)與利用、工程建設與生態(tài)保護等要素?；贑PH 熵等理論，創(chuàng)建了以“融合賦能”為理念，以數(shù)字化為支撐，以綠色化、智能化、精細化、專業(yè)化和集成化等協(xié)同融合為核心的工程管理技術與方法，構建以價值最優(yōu)化為目標的“五化協(xié)同”工程管理新模式。通過目標與要素協(xié)同互促，賦能工程建設與管理實踐融合發(fā)展，實現(xiàn)工程全局動態(tài)綜合最優(yōu)(圖1)。

圖1 五化協(xié)同工程管理模式Fig.1 Project management mode of Five Modernizations and Cooperation

1.2 “五化”主要內容

1.2.1 綠色化?引領方向

工程綠色化是人類利用自然規(guī)律和自然資源，改造自然環(huán)境的有效手段[9]。從2009 年，國家發(fā)改委、國土資源部聯(lián)合發(fā)布《全國礦產資源規(guī)劃(2008?2015)》，到2015 年《中共中央國務院關于加快推進生態(tài)文明建設的意見》，再到2020 年，自然資源部印發(fā) 《綠色礦山評價標準》等相關文件出臺，給礦業(yè)工程綠色化建設提出了明確要求、戰(zhàn)略目標與標準規(guī)范，使我國礦山綠色化有法可依[10]。

礦業(yè)工程綠色化是將生態(tài)與經濟協(xié)同發(fā)展理念貫穿工程建設與管理全過程，圍繞安全、高效、智能、綠色的目標，借助新一代信息化技術，開展工程綠色化的技術創(chuàng)新、裝備研制、管理與運營及資源綜合利用與節(jié)能減排等方面研究與應用，并將綠色化工程建設與管理理念融入其他“四化”的建設過程中，提高工程建設與生產效率、資源綜合利用效率，實現(xiàn)工程經濟、社會與生態(tài)的和諧發(fā)展，如圖2 所示。

圖2 五化協(xié)同?綠色化系統(tǒng)Fig.2 Five Modernizations and Cooperation-greenization system

1.2.2 智能化?技術創(chuàng)新

煤炭開采的危險性、環(huán)境的復雜性，對機器替代人有天然的需求。“讓機器替代人能做的事，更應該讓機器去做人類做不到的事”，是發(fā)展人工智能技術的目的。礦業(yè)工程智能化是多學科、多領域、多系統(tǒng)的協(xié)同耦合，是指通過采礦技術與人工智能、工業(yè)物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據、機器人、智能裝備等新技術深度融合。將智能基因植入到規(guī)劃設計、技術創(chuàng)新、裝備研發(fā)、管理運營等工程全生命周期中，進行工程全過程的信息采集、數(shù)據共享、分析決策、智能控制、智能監(jiān)測，形成全面感知、實時互聯(lián)、分析決策、自主學習、動態(tài)預測、協(xié)同控制的工程綜合智能系統(tǒng)，實現(xiàn)礦業(yè)工程的地質保障、礦井建設、煤炭開采、巷道掘進、運輸、通風、排水、供電、安全保障、分選、經營管理等全流程安全高效建設與運行[11-13]。煤炭開采利用作為傳統(tǒng)行業(yè)必須與人工智能等信息技術深度融合，促使煤炭產業(yè)由勞動密集型向技術密集型轉變，助推煤炭行業(yè)升級轉型、安全發(fā)展。智能化技術已成為傳統(tǒng)煤炭行業(yè)發(fā)展方式的“轉換器”和產業(yè)升級的“助推器”，如圖3 所示。

圖3 五化協(xié)同?智能化系統(tǒng)Fig.3 Five Modernizations and Cooperation-intelligent system

1.2.3 集成化?多元融合

礦業(yè)工程集成化是針對多源、多對象、多系統(tǒng)、多目標和多階段的工程特征，將與礦業(yè)工程相關的知識、方法、手段、設備等集成。同時，結合資本、資源、勞動力等要素，形成有功能、有價值且滿足工程目的與需求的過程。以信息網絡集成為支撐，創(chuàng)建包含規(guī)劃、設計、研制、生產、運營、管理等階段的工程元素、管理過程、知識技術3 個維度的整體化集成。進行物質流、信息流、控制流、知識流和價值流統(tǒng)一，發(fā)揮系統(tǒng)的整體優(yōu)勢和綜合優(yōu)勢[9,14]。實現(xiàn)礦業(yè)工程價值構建和整體主動尋優(yōu)，減少投資成本，提高生產建設效益，保障工程安全運行，如圖4 所示。

圖4 五化協(xié)同?集成化系統(tǒng)Fig.4 Five Modernizations and Cooperation-integration system

1.2.4 專業(yè)化?高效協(xié)同

礦業(yè)工程專業(yè)化是針對工程系統(tǒng)的復雜性、多目標性、多階段性及煤炭開發(fā)的復雜性與危險性，對工程全周期的設計、技術、裝備、施工、安全、管理及人才隊伍等要素進行專業(yè)組織分工實施，并通過自我評估、優(yōu)勢挖掘、協(xié)同融合、創(chuàng)新發(fā)展，以加強結構差異性、強化風險應對能力、提高生產效率和管理效率，實現(xiàn)工程建設的價值最優(yōu)化目標，如圖5 所示。

圖5 五化協(xié)同?專業(yè)化系統(tǒng)Fig.5 Five Modernizations and Cooperation-professionalization system

1.2.5 精細化?精準管控

精細化管理的核心是復雜的事情簡單化、簡單的事情流程化、流程化事情定量化、定量的事情信息化。礦業(yè)工程精細化是以規(guī)范化為前提，以系統(tǒng)化為保證，以數(shù)據化為標準，以信息化為手段。通過工程全過程的實施精確定位，合理分工，細化責任，量化考核，將工程規(guī)劃、技術創(chuàng)新、裝備研發(fā)、工程建設等分階段的精細化與人、財、物、市場、經營等工程管理的精細化融合統(tǒng)一。使組織管理各單元精確、高效、協(xié)同和持續(xù)運行。創(chuàng)新形成“五精崗位”“五精現(xiàn)場”和崗位自主管理體系，構建礦業(yè)工程建設與管理為一體的綜合管控平臺，推動企業(yè)由粗放型管理向集約化管理轉變，由經驗管理向科學管理轉變，賦能企業(yè)安全高效有效運行，實現(xiàn)管理效益最大化目標[15]。

1.3 “五化”協(xié)同建設的主要特性

“五化協(xié)同”工程管理模式是一個動態(tài)復雜的系統(tǒng)，具有多目標、開放、協(xié)同、伺服、交互升級及動態(tài)最優(yōu)等特性。“五化”之間既單獨運行，又相互協(xié)同、相互融合、相互促進，是一個有機的整體。在“五化”內部、外部及整體不斷地能量、物質、信息的交換中，通過各“化”自身控熵優(yōu)化及“五化”整體協(xié)同控熵，實現(xiàn)“五化協(xié)同”工程管理模式的技術與管理，局部與整體、內部與外部的有序協(xié)同統(tǒng)一與低熵化運行。

1.3.1 系統(tǒng)的多目標性

工程預期目標一般分為進度目標、質量目標、成本目標、安全目標、技術目標、生態(tài)目標、社會目標等。礦業(yè)工程建設目標具有極強的能源行業(yè)特點，其工程的復雜性、多層次性，對于多目標的設定有著天然的需求，綠色是工程建設與發(fā)展的基本要求，高效是工程建設與發(fā)展的本質需求，智能是工程建設與發(fā)展的核心技術手段，安全是工程建設與發(fā)展的根本保障。建立了以安全、高效、智能、綠色為子目標，以價值最優(yōu)化為最終目標的礦業(yè)工程目標體系。實現(xiàn)多目標協(xié)同融合是實現(xiàn)礦業(yè)工程高質量發(fā)展的必然選擇。

1.3.2 系統(tǒng)的協(xié)同性

基于“五化協(xié)同”發(fā)展的整體性、多層次性、多子系統(tǒng)性，系統(tǒng)形成之初是由各“化”子系統(tǒng)協(xié)同度不足，然而為了工程目標的實現(xiàn)，各“化”子系統(tǒng)不僅要單獨運行，有著自身的運動軌跡，又要與其他子系統(tǒng)相互關聯(lián)、相互影響、相互制約，實現(xiàn)整體系統(tǒng)有序化、協(xié)同化的“協(xié)同效應”。礦業(yè)工程協(xié)同融合是傳統(tǒng)煤炭工業(yè)順應時代發(fā)展的必然趨勢。

1.3.3 系統(tǒng)的開放性

礦業(yè)工程是一個包含經濟、社會、生態(tài)等的多維度體，其動態(tài)運行過程中，各子系統(tǒng)或要素與外部系統(tǒng)或因素均存在著諸多相互交流與相互影響，與科學、技術、社會的發(fā)展及國家政策等息息相關，緊密相連，充分體現(xiàn)了礦業(yè)工程的開放性特征。

1.3.4 系統(tǒng)的伺服性

根據協(xié)同學的伺服原理，系統(tǒng)的內外部元素均存在信息交流與相互影響，在達到一定的臨界點后系統(tǒng)某個或幾個少數(shù)因素或子系統(tǒng)會起到主導作用。比如在智能化建井工程的井筒建設過程中，將形成以工程精細化管控和專業(yè)化施工為基礎，以智能化全斷面敞開式掘進機高效掘進為主導的工程施工形態(tài)。

1.3.5 系統(tǒng)的自組織性

任何系統(tǒng)動態(tài)運行過程中均存在著系統(tǒng)內外部不同要素與子系統(tǒng)間的合作與競爭的雙重關系[16]。基于礦業(yè)工程的動態(tài)性、時空性、交互升級性，系統(tǒng)內部與外部在人類社會?物理空間?信息空間的“三元世界”存在著共生與合作，又存在著博弈或競爭。通過兩種關系的動態(tài)演變及把握工程不同階段的主控因素，礦業(yè)工程系統(tǒng)不斷交互升級與自我優(yōu)化中實現(xiàn)有效性控制與不同階段最優(yōu)及整體價值最優(yōu)。

2 “五化協(xié)同”工程管理體系構建

2.1 “五化”協(xié)同的內在機理

礦業(yè)工程“五化”協(xié)同的核心是“五化”互動，融合發(fā)展；本質是追求工程管理技術創(chuàng)新與工程高質量建設、環(huán)境保護、節(jié)能減排的和諧統(tǒng)一；目標是創(chuàng)建一種結構最優(yōu)化、功效最大化的工程發(fā)展模式。其中，綠色化是要求，智能化是動力，集成化是基礎，專業(yè)化是手段，精細化是保障。

“五化協(xié)同”工程管理模式的各子目標、系統(tǒng)之間是互聯(lián)互促的整體，彼此之間通過物質、能量或者信息不斷交換與迭代升級。系統(tǒng)在時間、空間和功能上逐步有序化、結構化，使系統(tǒng)由無序狀態(tài)轉變?yōu)橛行驙顟B(tài)，由熵增狀態(tài)到減緩熵增狀態(tài)，由同一專業(yè)、同一層級物理反應的聯(lián)合，到不同專業(yè)、不同層級化學反應的整合，最終發(fā)展為產生新元素的耦合。工程管理模式的運用耦合度反應系統(tǒng)動態(tài)演變過程中各子系統(tǒng)及要素相互融合、相互配合與和諧一致的強度與屬性。但耦合度不能反映協(xié)同建設與發(fā)展水平，為此又引入協(xié)調度的概念，用耦合度與協(xié)調度來度量“五化”間的融合關聯(lián)能力和協(xié)同發(fā)展水平[17]。

系統(tǒng)的復雜性又決定“五化”協(xié)同不是一蹴而就，“五化”各系統(tǒng)間相互影響、相互適應、相互促進，每個子系統(tǒng)都影響其他子系統(tǒng)。同時，任何子系統(tǒng)的不平衡建設與發(fā)展均會影響到整個工程“五化”的協(xié)同水平?！拔寤奔案鳌盎苯ㄔO是一個熵增過程，如何通過“五化”協(xié)同融合實現(xiàn)控熵，是“五化協(xié)同”工程管理模式建設的核心。因此，在及時掌握各子系統(tǒng)之間的協(xié)同耦合規(guī)律基礎上，“五化”各子系統(tǒng)唯有充分應用當前先進的科學技術，同步建設，協(xié)同發(fā)展，互為動力、互為支撐、融合共生、優(yōu)化互促，推進系統(tǒng)整體形成最大合力，同頻共振，賦能系統(tǒng)的整體效應大于各系統(tǒng)疊加的工程價值最優(yōu)化，即“五化”系統(tǒng)優(yōu)化互促，迭代升級過程就為控熵過程，通過控熵實現(xiàn)價值最優(yōu)化的目標，實現(xiàn)資源、工程、經濟、社會、環(huán)境和人的協(xié)同融合發(fā)展。其協(xié)同機理如圖6 所示。

圖6 “五化”協(xié)同機理Fig.6 “Five Modernizations and Cooperation” mechanism

2.2 “五化協(xié)同”的管控模式

礦業(yè)工程建設可分為規(guī)劃、實施、運行等階段。礦業(yè)工程“五化協(xié)同”管理是一種多層次、多目標的復雜系統(tǒng)模型，由目標層、準則層、要素層等組成。目標層是以價值最優(yōu)化為整體目標；準則層是由綠色化、智能化、集成化、專業(yè)化、精細化等組成；要素層由每 “化”的具體要素組成。

煤礦智能化的實質是新一代信息技術與傳統(tǒng)煤炭技術的深度融合，融合賦能是煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的核心方法與手段。本文運用“五化”協(xié)同融合技術，構建以數(shù)字化為支撐的工程全生命周期的“五化”協(xié)同工程構架體系，實現(xiàn)工程設計、實施、管理等全過程的信息、業(yè)務流程的綜合管控。工程建設從科研到設計，從裝備研發(fā)或選型到實施建設，再到生產運營，隨著工程不斷推進及各種信息的反饋，五化各子系統(tǒng)不斷自適應、自調整、自優(yōu)化、自決策等。在此過程中各“化”不僅自成體系，優(yōu)化升級，而且通過五“化”持續(xù)的反饋迭代，使“五化”協(xié)同管理體系在相互協(xié)同、相互融合、相互促進及動態(tài)整合中深化升級并向目標邁進。五化協(xié)同管理實現(xiàn)了礦業(yè)工程全過程因素的集成，創(chuàng)新形成了基于融合賦能的“五化協(xié)同”礦業(yè)工程管理新模式，有效提升工程建設與生產管理的數(shù)字化、智能化水平和管理效能，如圖7 所示。

圖7 “五化”協(xié)同工程管理架構體系Fig.7 Project management framework system of “Five Modernizations and Coordination”

3 工程實踐

3.1 案例一：黃陵礦業(yè)智能化開采示范工程

黃陵礦區(qū)是西部煤炭基地的典型代表，煤炭地質儲量20 億t，煤油氣共生，水、火、瓦斯、頂板、煤塵五害俱全，工程建設技術條件復雜，急需通過工程技術與管理創(chuàng)新實現(xiàn)煤炭安全高效開發(fā)[18]。

在黃陵礦業(yè)智能化開采國家示范工程建設過程中，從改變人與煤空間關系的哲學思辨出發(fā)，運用基于融合賦能的“五化協(xié)同”工程建設與管理方法，以信息化融合工業(yè)化賦能煤礦地下開采場景。

1) 在綠色化方面

智能化開采工程綠色化不僅是指工程建設采用智能化技術、自動化裝備、瓦斯高效抽采、環(huán)境監(jiān)控生態(tài)保護及治理技術，而且包括建設與運營的節(jié)能減排與資源綜合利用，實現(xiàn)工程建設智能化程度高、“三廢”排放少、資源利用率高、環(huán)境污染低與破壞小、安全風險低等目標。形成了以智能化開采為主體，以電力和煤化工等多元化互補為重點的智能化工程產業(yè)，建成了我國首個智能化開采工作面、2 000 MW 燃煤電廠、全國最大的焦爐煤氣制甲醇項目、全國首臺套汽輪機帶動壓縮機生態(tài)液氮系統(tǒng)(10 萬t)等多行業(yè)、多層次、多目標的產業(yè)循環(huán)經濟鏈，為我國煤炭資源高效開發(fā)與綜合利用提供了工程示范。具體體現(xiàn)在：一是基于綠色、智能發(fā)展的專業(yè)性、前瞻性決策，即提出智能化開采思路與方法；二是基于機械化、自動化與智能化的開采設備，即研發(fā)綠色化開采成套技術裝備體系；三是基于專業(yè)化的節(jié)能、智能的綠色化高效開采，即提出智能化開采與資源循環(huán)利用工藝；四是基于精細化的高效、精準管控，即構建安全控制、質量控制、工期控制、投資控制與企業(yè)增效的綠色化管理模式。在綠色化子系統(tǒng)構建的同時，實現(xiàn)了綠色化與其他 “四化”的協(xié)同融合。

2) 在智能化方面

智能化無人綜采技術是指采用具有感知能力、記憶能力、學習能力和決策能力的液壓支架、采煤機、刮板輸送機等綜采裝備，以自動化控制系統(tǒng)為核心，以可視化遠程監(jiān)控為手段，實現(xiàn)綜采工作面采煤全過程 “無人跟機作業(yè)，有人安全巡視”的安全高效開采技術。

在黃陵礦區(qū)首創(chuàng)地面遠程智能采煤方法，提出了智能化開采的科學內涵與技術路徑，開創(chuàng)復雜條件工作面圍巖智能協(xié)同控制方法、采煤機端頭割三角煤新工藝；研發(fā)了我國首套實現(xiàn)作業(yè)流程自動化、地面遠程可視化協(xié)同控制的智能開采系統(tǒng)，攻克復雜系統(tǒng)總體設計、采煤工藝變革、技術裝備配套、多元管理協(xié)同等智能化開采的工程技術難題，主持建成我國首個智能化開采工作面，創(chuàng)建了“有人安全巡視，人跟機作業(yè)”的智能化開采模式，實現(xiàn)了智能化開采從0 到1的突破[19]。勞動生產效率提高了68%，生產班組人員由24 人減少為7 人，“無人則安，少人則安”，“礦工穿著西裝，打著領帶在地面采煤”的夢想成真。把礦工從艱苦危險的環(huán)境中解放出來，從超強度體力勞動中解放出來，改變了千百年來礦工必須下井采煤的歷史。

針對黃隴煤田煤與油型氣共生、多種災害、厚煤層開采并存的難題，揭示出油型氣儲集層賦存和涌出 “啞鈴型”分布規(guī)律，研發(fā)了油型氣不規(guī)律涌出超前預測的煤機多級聯(lián)控技術，提出液壓支架工作阻力、工作面直線度、采煤機截割高度與速度等參數(shù)自適應調控工藝模型，構建高可靠遠程智能控制系統(tǒng)，綜采工作面實現(xiàn)自動連續(xù)協(xié)同作業(yè)，自動化作業(yè)時間占比超過95%。建立了采場“精細探查?超前預測?立體抽采?多級聯(lián)動”全時空一體化精準防治與智能開采工程協(xié)同技術體系，實現(xiàn)了較薄、中厚、厚煤層智能化開采技術的整體突破，解放受威脅煤炭1.2 億t，創(chuàng)造直接經濟效益達106 億元，增加產量4 000 萬t，為我國不同地質賦存與開采條件的煤礦實現(xiàn)智能開采提供核心技術支撐與工程示范。

3) 在集約化方面

智能化開采工程創(chuàng)建了以工業(yè)云技術的綜采工作面移動終端管控平臺為基礎，包括項目決策、開采技術、生產工藝、成套裝備、控制系統(tǒng)、保障體系、工程管理等整套智能化無人綜采工程體系。工程在集成過程中，不僅進行了智能化開采工程目標、系統(tǒng)、元素等勞動資料集成，而且實現(xiàn)了與其他“四化”的深度融合，為綠色化提供了高效節(jié)約的綠色開采工程建設方法；為智能化、專業(yè)化、精細化提供了基礎與平臺。工程活動不僅要實現(xiàn)工程知識、工程技術、工程裝備、工程管理等元素“廣大”處協(xié)同集成，而且要在工程全過程中實現(xiàn)精細化管控、專業(yè)化高效協(xié)同等“細微”處精準配合。具體表現(xiàn)為：一是開采、自動化控制、智能化技術、裝備制造、傳感、監(jiān)測、監(jiān)控、物聯(lián)網、安全保障、精細化管理等方面技術創(chuàng)新集成；二是割煤、移架、運輸?shù)戎悄芑_采工藝集成；三是液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機、乳化液泵、噴霧泵、可伸縮膠帶運輸機、超前支架、控制設備、控制系統(tǒng)平臺等智能化成套裝備體系集成；四是采煤機控制、支架電液控制、工作面運輸控制、三機通信控制、泵站控制、監(jiān)測監(jiān)控、地面指揮控制中心等控制系統(tǒng)集成；五是通風安全、瓦斯防治、綜合防塵、火災防治、頂板災害防治、水害防治、安全跟蹤分析系統(tǒng)等安全保障技術集成。

4) 在專業(yè)化方面

創(chuàng)建了以人才隊伍專業(yè)化為基礎，以職能專業(yè)化為核心，以安全質量專業(yè)化為保障，以經營管理專業(yè)化為手段的專業(yè)化職能元素體系，開展項目決策、實施、運營等智能化開采工程全周期的專業(yè)化組織分工，且通過自身系統(tǒng)的優(yōu)化調整與決策，不僅實現(xiàn)自身熵減優(yōu)化，而且實現(xiàn)了與其他各“化”協(xié)同融合，實現(xiàn)工程多階段、多專業(yè)、多層次的協(xié)同融合、優(yōu)勢互補與創(chuàng)新升級發(fā)展。

具體表現(xiàn)為：一是人才隊伍專業(yè)化，采用人才引進、自身培養(yǎng)、與科研院所結合等方法，打造滿足項目全周期建設與運營的高層次人才隊伍；二是職能業(yè)務專業(yè)，基于專業(yè)化人才隊伍，開展項目規(guī)劃、智能化技術、智能控制系統(tǒng)、智能裝備制造、安全保障、運營管理、標準制定等工程專業(yè)化建設與運營；三是安全保障專業(yè)，以各設備、系統(tǒng)、環(huán)節(jié)等信息進行采集、傳輸處理的信息化為基礎，建立了網絡支撐平臺和數(shù)據中心，形成了礦井一體化管控平臺和關鍵單項信息化系統(tǒng)等智能化開采綜合保障系統(tǒng)。同時構建了包括水、火、瓦斯、煤塵、頂板等災害防治保障專業(yè)化系統(tǒng)；四是管理經營專業(yè)化，在統(tǒng)一網絡平臺、統(tǒng)一數(shù)據平臺的基礎上，集成了人力資源系統(tǒng)、財務管理系統(tǒng)、全面預算系統(tǒng)、公司門戶網站、OA 辦公自動化系統(tǒng)、生產調度日周月報系統(tǒng)、礦井安全生產一體化管控平臺，實現(xiàn)了各業(yè)務系統(tǒng)間的協(xié)同共享，為企業(yè)發(fā)展提供決策支撐。

5) 在精細化管理方面

管理是企業(yè)發(fā)展的核心競爭力，精細化管理是時代發(fā)展的必然趨勢，黃陵礦業(yè)將管理創(chuàng)新作為企業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略，提出了打造產量大、裝備優(yōu)、效益佳、管理精細、環(huán)境優(yōu)美”的礦井工程建設目標。創(chuàng)建了由ABC 三卡考核、推行“三工”轉換的基礎階段，到人本精細化管理六要素的修煉階段，再到“五精”崗位、“五精”現(xiàn)場打造階段的精細化管理模式，借助礦井一體化管控系統(tǒng)，為智能化開采工程建設及其他“四化”的順利建設提供了工程管理平臺，實現(xiàn)了“五化”協(xié)同融合與互促發(fā)展及“崗位增值、工程增效、員工增收”的工程建設目標。得到政府與行業(yè)的認可并向全國推廣應用，為我國礦業(yè)工程建設與生產提供了一條科學、智能、可借鑒、可復制的工程管理模式。

基于“五化協(xié)同”工程管理模式，創(chuàng)建了以工作面智能化開采技術為核心，以災害防治為前提，以工程裝備與技術標準體系為保障，以精細化管理為支撐的有人安全巡視，無人跟機作業(yè)，具有“五新六高七到位”特點的智能化開采“黃陵模式”[20-21]。建成了首個國家煤礦智能化示范基地，組建了應急管理部煤礦智能化開采技術創(chuàng)新中心，推動應用智能化開采“黃陵模式”，引領了智能化采煤技術的發(fā)展方向。全國智能化開采工作面從2014 年建成第1 個，一直到2021 年建成687 個；煤礦百萬噸死亡率由2014 年的0.257 下降到2021 年的0.044，下降比例達到82.4%，死亡人數(shù)由2014 年的946 人，下降到2021 年的178 人。

3.2 案例二：可可蓋煤礦智能化建井示范工程

延長石油在陜北地區(qū)擁有煤炭資源地質儲量超210 億t，可采儲量超120 億t，是國家煤炭開發(fā)戰(zhàn)略西移的“主力軍”。在建的可可蓋煤礦位于陜北煤炭基地榆橫礦區(qū)，是國家和陜西省“十四五”重點建設項目，礦井設計生產能力15 Mt/a。傳統(tǒng)的建井技術難以滿足安全高效建井需求，亟待進行建井技術裝備突破。同時，智能化建井技術是適應技術革命的發(fā)展趨勢，是實現(xiàn)煤炭資源安全高效開發(fā)的必然選擇。

智能化建井工程建設過程中，從工程規(guī)劃、技術創(chuàng)新、裝備研發(fā)、工程管理等項目全周期過程中運用 “五化協(xié)同”工程管理技術與方法，確定了“綠色化整體規(guī)劃–智能化技術創(chuàng)新–集成化工藝與裝備融合–專業(yè)化人才隊伍與施工–精細化工程全周期管控”的工程建設與運營模式。

1) 在綠色化方面

創(chuàng)建了包含綠色化設計，綠色化建井技術，綠色化全斷面掘進機裝備制造，綠色化智能管理及水資源、矸石、清潔能源綜合利用等工程全過程綠色化子系統(tǒng)。具體體現(xiàn)為：一是綠色化技術，針對傳統(tǒng)鉆爆法和綜掘法建井技術存在施工工期長、機械化與自動化程度低、勞動強度大、安全風險高、工序不連續(xù)、圍巖擾動強度高、施工質量難以控制等諸多難點，創(chuàng)建了基于全斷面掘進機智能掘進、自動化錨網噴支護的智能化綠色化建井工法技術體系；二是綠色化裝備，“綠色制造工程”是“中國制造2025”重點實施的五大工程之一，要求研發(fā)能源清潔低碳和安全高效發(fā)展的關鍵技術裝備并開展示范應用。針對傳統(tǒng)建井裝備自動化智能化程度低、工序不連續(xù)等，研發(fā)了集探–掘–支–錨–運為一體的綠色化成套裝備體系；三是綠色化工程建設，采用專業(yè)化施工隊伍，提高了工效，降低了能耗，40 m2超大斷面最高成井速度突破800 m/月，相比傳統(tǒng)鉆爆法、綜掘法掘進效率提高3～5 倍，節(jié)約炸藥量1 100 t、雷管140 萬發(fā)，減排二氧化碳220 t。對于我國綠色高效建井、生態(tài)經濟協(xié)同發(fā)展具有重要意義。

2) 在智能化方面

自動化、數(shù)字化、智能化是現(xiàn)代工程最典型的特征?；谥悄芑ň枨螅岢隽恕爸悄芑ň?，建智能礦井”的定義與科學內涵，創(chuàng)建了包含智能化建井方法、智能化控制系統(tǒng)、智能化建井成套裝備、綜合保障系統(tǒng)、三維一體管控平臺的智能化建井系統(tǒng)，將 “智能”基因融合植入智能化建井工程全過程，有效助推了智能化建井工程“五化”協(xié)同融合，并賦能我國建井技術實現(xiàn)綠色、安全、高效、智能的新突破，創(chuàng)新形成了智能化建井新模式。

“智能”作為智能化建井的核心元素，首創(chuàng)煤礦斜井智能化建井方法，發(fā)明了斜井敞開式全斷面掘進機 “探–掘–支–錨–運”智能高效協(xié)同施工工藝；研發(fā)首套斜井敞開式全斷面掘進機，創(chuàng)新了超長斜井全斷面掘進機始發(fā)關鍵工藝與技術，研制了斜井智能掘進成套新裝備；研發(fā)斜井敞開式全斷面掘進機智能協(xié)同控制系統(tǒng)，構建智能化建井三維一體管控體系；創(chuàng)新了復雜地層斜井敞開式全斷面智能掘進安全保障技術，開創(chuàng)了我國煤礦智能化發(fā)展新領域。

3) 在集約化方面

整體上項目以斜井全斷面掘進機智能協(xié)同控制系統(tǒng)與三維一體管控平臺為基礎，開展了包括建井工藝、成套裝備、控制系統(tǒng)與平臺、安全保障體系、工程實踐等整套智能化建井工程體系，形成包含規(guī)劃、設計、裝備、生產、運營、管理等階段項目整體化集成。集成作為工程的主要特征，為工程的實現(xiàn)提供了集成平臺和重要手段，也為工程“五化”協(xié)同建設奠定了基礎。具體體現(xiàn)在：一是超前探放水、智能掘進、錨網噴支護、智能運輸、控制系統(tǒng)、監(jiān)控平臺、智能裝備研制、安全保障、精細化管理等方面工藝技術集成；二是全斷面掘進機、自動化鋼拱架安裝、錨網噴支護、自動化混噴、長距離膠帶運輸?shù)戎悄芑商籽b備集成；三是由掘進機控制系統(tǒng)、支護控制系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、運輸機控制系統(tǒng)、巷道防治水系統(tǒng)等組成的斜井掘進系統(tǒng)，其中，掘進機控制系統(tǒng)包括掘進環(huán)境智能感知、智能掘進控制系統(tǒng)、掘進機智能導向系統(tǒng)等；四是由長距離多級排渣智能控制系統(tǒng)、輔助運輸失速智能攔截系統(tǒng)、智能通風控制系統(tǒng)、智慧工地三維一體智能管理系統(tǒng)組成的輔機智能控制系統(tǒng)；五是由超前探測–識別–預處理、特殊不良地質段掘進安全保障、柔性風筒長距離搭接、有害氣體環(huán)境智能監(jiān)測、輔助運輸防跑車柔性阻攔、多級自動化排水設備等組成的安全保障技術。

4) 在專業(yè)化方面

項目整體以人才、職能、安全管理等為專業(yè)化建設要素，確定了項目立項、技術創(chuàng)新、裝備研發(fā)、建設實施、管理運行等工程全周期的專業(yè)化組織分工，創(chuàng)建了以專業(yè)化人才隊伍為支撐，以專業(yè)化技術、專業(yè)化裝備研發(fā)、專業(yè)化施工為核心，以基于三維一體管控平臺的專業(yè)化精準管控為保障的智能化建井工程專業(yè)化系統(tǒng)。專業(yè)化因素不僅貫穿了工程全過程，而且實現(xiàn)了與其他“四化”的協(xié)同互促與融合發(fā)展。具體表現(xiàn)為：一是人才隊伍專業(yè)化，主要采用人才引進與科研院所合作的方法，培養(yǎng)信息化管理人才、智能化工程技術人才、技能型施工人才，滿足項目全周期建設與運營的人才需求；二是職能業(yè)務專業(yè)，以專業(yè)化人才隊伍為基礎，開展項目規(guī)劃、智能化建井技術、智能控制系統(tǒng)與平臺、全斷面掘進機聯(lián)合研制、安全保障、綜合管理等工程專業(yè)化建設；三是安全保障專業(yè)，以各設備、系統(tǒng)、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據采集、傳輸、分析的信息化為基礎，構建了包括水害超前探測、頂板監(jiān)測、不良地質段掘進工藝技術、柔性風筒長距離搭接、有害氣體環(huán)境智能監(jiān)測、輔助運輸防跑車柔性阻攔、多級自動化排水設備等災害防治保障專業(yè)化系統(tǒng)；四是管理經營專業(yè)化，建立了5G 網絡支撐系統(tǒng)，研發(fā)了智能化建井三維一體管控體系，構建了視頻、環(huán)境、作業(yè)、運輸機、人員、膠輪車、風機、排水等監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)；五是施工建設專業(yè)化，基于礦井處于基建期，招聘、培養(yǎng)自己的專業(yè)施工人員周期長、工程質量無法保障等，采用引進中鐵十五局、中煤第三建設(集團)、中安監(jiān)理等專業(yè)化施工建設與管理隊伍，確保了工程的高質量建設。

5) 在精細化管理方面

基于智能化建井工程管理需求，針對人員、設備、環(huán)境、安全、成本等精細化管理要素，構架了包括基礎層、感知層、數(shù)據層、平臺層、應用層和用戶層的三維一體化管理系統(tǒng)總體架構，創(chuàng)建了基于物聯(lián)網、BIM、GIS、大數(shù)據、云計算、協(xié)同管理、多端運行、多系統(tǒng)集成的“智能化建井智慧工地三維一體化管理系統(tǒng)”，實現(xiàn)管理要素的智能監(jiān)控感知識別、人員智能管理、設備運行狀態(tài)監(jiān)控與智能分析。具體為：一是基于智能監(jiān)控感知識別系統(tǒng)的違章抓拍、畫面調取和歷史監(jiān)控查看等功能，通過人員軌跡路徑、分布狀態(tài)、考勤統(tǒng)計、環(huán)境監(jiān)測等監(jiān)測監(jiān)控，實現(xiàn)工程建設過程可查可控，確保了安全措施；二是通過數(shù)據采集、傳輸、分析、預警、決策，實時呈現(xiàn)掘進機、運輸機、膠輪車、龍門吊、風機、水泵等14 種設備的運行參數(shù)和施工實情，保障施工現(xiàn)場的安全、規(guī)范施工，實現(xiàn)了工程建設數(shù)字化、智能化、精細化的全生命周期協(xié)同管控。

工程整體構建了智能監(jiān)管和防范體系，變革了傳統(tǒng)“靠人管、靠人看”的工程管理模式，通過工程全過程集中化管控、智能化分析和可視化展現(xiàn)，有效提升了工程建設精準管控能力與施工質量，塑造了智能化建井精準管理新模式。實現(xiàn)了業(yè)務流與數(shù)據流的有機結合與深度融合，確保了工程的安全、高效、科學、規(guī)范建設。

智能化建井工程在決策、實施、管理的過程中，運營“五化”的協(xié)同互促與融合發(fā)展的管理方法，首創(chuàng)煤礦斜井智能化建井方法，發(fā)明了斜井全斷面敞開式掘進機“探?掘?支?錨?運”智能高效協(xié)同施工工藝，創(chuàng)造了40 m2斷面月進尺812.6 m 的斜井施工吉尼斯世界紀錄，平均月進尺達509.7 m；研發(fā)首套斜井全斷面敞開式掘進機，創(chuàng)新了超長斜井全斷面掘進機始發(fā)關鍵工藝與技術，研制了斜井智能掘進成套新裝備[22]，創(chuàng)造了45 d 完成地面組裝與步進的新紀錄，效率提高了一倍，成功實現(xiàn)了掘進機由弱富水軟弱巖層的直接進硐與始發(fā)掘進；研發(fā)斜井全斷面敞開式掘進機智能協(xié)同控制系統(tǒng)，構建智能化建井三維一體管控體系，創(chuàng)建了 “機器決策為主，人工干預為輔”的智能化建井新模式。單班作業(yè)人員至8 人，掘進工作人員分別較鉆爆法和綜掘法減少了13 人和8 人，實現(xiàn)工作面“少人則安”[23]?？傊?，在智能化建井工程實踐中，各“化”均發(fā)揮了優(yōu)化、提效、增質的作用，整體呈現(xiàn)了“1+1>2”的工程效果，提高了工效，降低了能耗，實現(xiàn)了“打井不下井，本質安全建井”，變革了傳統(tǒng)的建井工藝技術，為我國煤礦智能化建設進行了有益的探索與實踐。

4 結論

a.礦業(yè)工程是人類智慧與社會發(fā)展的綜合結晶，是一個集科學、技術、管理、經濟等為一體的物質構建、生產、制造與傳輸活動，是能源產業(yè)的重要支撐?；谌诤腺x能的思想，提出了包含綠色化、智能化、集成化、專業(yè)化、精細化的礦業(yè)工程“五化協(xié)同”工程建設與管理方法，闡述了“五化協(xié)同”工程管理模式的內涵與“五化”協(xié)同的作用機理，創(chuàng)建了“五化協(xié)同”工程管控模式，形成了新時代工程管理技術體系。

b.“五化協(xié)同”工程管理模式，應用于黃陵礦業(yè)智能化開采示范工程和可可蓋煤礦智能化建井示范工程，其成功實踐為礦業(yè)工程決策、建設與管理提供了一條科學的可借鑒、可復制的工程管理模式。

c.“五化協(xié)同”工程管理模式，踐行了工程與經濟、工程與技術、工程與管理及人與自然和諧統(tǒng)一的工程哲學思想，實現(xiàn)了工程以人為本的創(chuàng)造性、功效性和價值性。“五化協(xié)同”工程管理方法為全面地認識工程與哲學、管理、科學、技術相互協(xié)同發(fā)展關系奠定了基礎，對促進工程與自然資源的高效開發(fā)及與經濟、社會、生態(tài)的協(xié)同持續(xù)發(fā)展具有重要的實踐意義，也必將為保障國家能源安全的探索與研究作出了更重要貢獻。