有關煤礦智能化開采技術思考

＊王瑞鋼

（山西柳林金家莊煤業有限公司 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，實現產業的轉型升級是煤礦開采接下來的重要研究方向。20世紀90年代，部分學者提出采礦智能化的概念，為實現無人化綜合開采做出積極貢獻，相應的關鍵技術也被陸續研究出爐。智能化采煤技術通過結合人工智能，以智能采煤機器、智能液壓支架等煤礦挖掘設備為核心，結合遠程監控，利用自動控制系統，進行煤礦的開采。這種方式不僅可以減人增效、節能減排，也能保證采煤安全性，是信息化和工程化相結合而帶來的煤礦開采技術改革和創新，也是推動采礦產業持續發展的又一創舉。

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濟和生產效益轉變為安全高效、經濟環保的方向。國外采煤智能化技術采用的是地質勘探、鉆探、深度挖掘相融合，對于想要開采的煤層區域進行深入了解，包括煤層厚度、實際分布情況等，然后利用陀螺儀精準定位鎖定采煤機位置，實施自動化采煤，同時建立起智能化采煤服務中心。而對于采煤區域的整體了解和精準定位更有利于采煤智能化和自動化的實施，服務中心的建立可以及時調整采煤設備停機次數和時間，大大提升設備使用壽命，很好地實現降本增效。

2.我國煤礦智能化開采狀況

20世紀90年代國內學者對于煤礦開采提出了很多的概念和觀點，比如，方新秋提出的關于自動化和傳統工藝相結合的技術框架和系統模型；張良提出采用遙控型無人開采和智能型無人開采的技術路線；謝和平提出自動-智能-無人化的開采技術變革；李首濱總結并闡釋了智能化開采從1.0-4.0的四個階段；王存飛針對技術架構、關鍵技術、透明工作面進行探討等。2018年后，王國法帶領團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鍵技術；葛世榮團隊提出融合5G通信、仿生智能技術和物聯網技術的數字化開采技術，也為機器人煤礦技術研發體系打下基礎。

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。近些年，在國家對于技術設備政策和資金的支持下，我國煤礦智能化開采有了重大進展。2013年關于加快煤礦開采智能化、機器人研發、采煤工作面分類技術條件和評價體系等一系列的標準和政策的發布，極大推進我國示范煤礦和采煤智能化工作的進程，從2019年到2021年，一些省份陸續推出驗收煤礦智能化的方法，在《國家能源集團煤礦智能化建設指南》中對煤礦智能化進行初、中、高級的智能化煤礦分類，2021年3月頒布了《智能化煤礦建設指南》，提出指導思想、原則和目標、要求和內容。我國863計劃，將準能露天煤礦和錦界煤礦建設成為數字礦山重點研究和示范項目，在多項技術上實現突破并在2016年驗收成功。2017年國家研發的“煤礦智能開采榆樹與裝備研發”項目和2018年研發的《千萬噸級特厚煤層智能化綜放開采關鍵技術及示范》，通過對裝備系統和多項技術研究，大大提升生產安全性和行業智能化科技水平。但也看到，我國煤礦多為地下開采，地質結構較復雜，有時會發生重大的事故問題，因此由粗放向智能化、精細化的發展是煤礦開采的必經之路。

3.煤礦智能化開采技術中的問題

目前，我國煤礦開采智能化建設存在的問題主要受智能化的認知和發展水平、開采設備、管理水平、技術水平和應用場景、商業發展模式、人才和投入保障等多方面因素影響和制約。

(1)對于煤礦智能化認知不一致

我國的煤炭工業發展經歷了四個階段，包括：人工采煤和炮采、機械開采、綜合機械化開采、智能化開采。在不同的地區，對于建設智能化煤礦，信息化、機械化和智能化之間的關系、智能化和數字化之間的關系沒有達到統一的認知，根據經濟和技術水平發展狀況不同，一些地方的煤礦企業對于智能化和數字化的發展趨勢沒有深刻認知，只是做做表面功夫，片面地認為煤礦開采就是需要較大地投入，高的技術和要求，這些煤礦企業擔心經濟受到影響，不愿意承擔風險，表現得畏首畏尾，因此導致煤礦智能化開采工作進展滯后。所謂煤礦的智能化，是將現代煤炭的開發技術與工業物聯網技術、人工智能、大數據、云計算、智能裝備、機器人等進行充分融合，形成可以實時互聯、充分感知、分析并決策、動態預測、協同控制的一整套智能系統，它的形成打通了煤礦的開采、運輸、通風、洗選、安全保障、經營管理的各個環節，在全過程實現智能化運行。可以說，智能化的煤礦是搭載多個系統多個環節的綜合體系，實現信息的交流、內部與外部的運輸、交換。

(2)煤礦智能化發展不均衡

①建設基礎不均衡。不同地區礦井煤層賦存條件也不同。西部晉陜蒙礦區煤層的賦存條件和礦井經濟效益好，對于智能化的投入多，建設的基礎好，相對的，西南云貴川礦區就沒有那么好的賦存條件，導致礦井的產量低，經濟效益不佳，智能化的建設基礎單薄。②建設水平發展不平衡。智能化開發技術和裝備相對于成熟的地區，人才多，智能化煤礦建設見效又快又好；但像西南部、中東部條件差的礦區，在開采技術、裝配、人才配備上也較差，導致了煤礦智能化建設進度遲緩。③采用智能化系統不同導致發展不均衡。煤礦對于礦井巷道掘進的重視程度不足，不同系統的智能化水平層次不齊，且系統和系統之間沒有形成互通互聯，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、高性能計算機等硬件上，而忽略了大數據中心的建設、軟件開發、智能化平臺建設等軟件投入，硬件與軟件能力無法做到匹配而讓硬件產品未能充分發揮其優勢。⑤智能化投入產出不均衡。我們看到，部分礦區投入了大量資金、人力和物力之后，取得了較高的經濟效益，獲得了社會認可，但還有一部分礦區沒有達到，導致對于智能化建設意愿度不高。

(3)開采設備技術相對落后

大部分的大型采煤設備需要從國外進口，引進先進設備和技術，運營和維護成本較高，且不便利。而我國煤炭生產企業生產出的設備無法適應時代需求和市場發展要求，大部分生產設備被國外壟斷，讓我國煤炭集約、高效開采無法實現，煤炭產能落后于國外的發達國家。

(4)管理水平較低，人才儲備不足

在部分地區仍然采用傳統的管理模式和方式，缺少智能化職能部門，一些地區采用計算機進行數據和畫圖處理，但在計算機應用關于煤礦的管理方面還有待提升。從業人員對于智能化技術和設備的熟悉程度差、整體技術水平偏低、人才培養體系不健全、缺少運維團隊等問題，導致現有人員能力難以匹配智能化建設的工作，儲備人才也不充分的情況。

(5)技術水平較低，缺乏5G應用場景

在實際中，技術水平往往會限制煤礦智能化開采的推廣，表現在：①受到科技水平、地質條件、煤層不可預測性，煤礦在開采過程中的自動化水平不高；②設備穩定性不足，可靠性差，需要從傳統單機模式轉向系統集成的智能化設備；③缺乏5G應用場景和生態。5G信息技術擁有帶寬、連接廣、及時性強等優勢和特點，可以帶來行業變革。我國對煤礦5G通信系統也做了信息安全技術要求，但在應用場景上仍有一些不足，基于5G技術的無人駕駛試驗和傳感器研究未取得模塊化應用，在終端生態方面受限。

(6)“透明地質”技術保障支撐力不足

①地質探測精度和范圍無法滿足煤礦智能化建設需求；②地質數據的錄入多為人工采集與錄入的紙質數據，未形成數字化數據；③地質體模型精度不高，預測能力弱，建模技術需要提升；④受建模精度和地質探測影響，難以建立高精度的“透明地質”模型，無法實現精準定位的智能開采；⑤地質數據錄入、分析、建模的自動化程度低，現有的探測技術和裝備也需要人工大量參與，機載式智能探測技術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；⑥三維地質模型沒有將工程和地質信息全面融合，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融合度差，無法完全發揮三維地質模型應有的用途。

(7)智能化系統兼容協同難

數據格式的不統一。網絡通信協議兼容性、系統與系統之間協同兼容性、業務系統兼容性差。煤礦智能化建設投入保障不足，企業與企業之間差距也較大，一些數據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

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

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

（2）復雜環境下的智能化綜合技術應用。在一些地質條件較為復雜、容易產生災害的礦區，在引入和應用智能采煤技術時，需要考慮到當地情況，建立健全安全保障機制，并將收集到的數據和信息進行效益分析，比如：采用適用性強、靈活性高的遙感技術。在煤礦開采期間，要為所有的地面、巷道和高危作業區部署完善網絡通訊設備。在智能化開采控制裝置的基礎之上，可以建立一套系統性的通用性可視化控制裝置，將采煤機、轉載機、液壓支架、刮板輸送機、供電系統、送煤機等形成統一整體，便于統一掌握和控制，確保設備穩定安全運行，也有助于形成網絡化的信息綜合評價。

（3）關于智能化綜合開采技術。作為源于綜合開采發展而起的新工藝，智能化綜合開采技術可以提升礦山開采效率，實現資源回收，加強開采工程安全。高精度導航、全面探測和智能管理等已被納入到煤礦智能化開采當中，能夠有效提升煤礦質量和生產力。

（4）關于5G技術在煤礦智能化的應用。5G技術以能夠全新的無線高度融合進技術的特殊優勢而得到社會的關注。它可以讓網絡技術架構和5G技術高度融合，在無線技術領域，全頻譜接入、多址技術和大規模天線陳列技術是5G的關鍵技術內容。5G技術的使用可以大大提升網絡通信系統性能，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。具體到應用于煤礦智能化中，可以分為如下幾個方面：①高精細度的實時定位與應用服務。通過網絡切片技術，將煤礦智能化應用物理空間網格進行切割和劃形分成多個虛擬空間，根據對于不同虛擬空間的不同需求，來增強其不同功能，靈活應對煤礦智能化開采應用過程中的網絡應用場景。基于5G技術優勢，實現高精度的實時定位和服務應用，改變了傳統的定位系統和傳統傳輸技術，更能夠確保數據傳輸的及時性。②虛擬交互應用。主要體現在虛擬現實技術和增強現實技術的應用中，顛覆了傳統的人機互動方式，讓煤礦智能化開采經過三個階段的技術變革過程：三維建模和虛擬展示、互動模式和可視化設計、混合現實與云端實時渲染。比如，在混合現實和云端實時渲染階段，能夠對井下的煤礦資源采取虛擬開采和協同運營的操作。③遠程實時監控和控制。傳統的方式需要用傳感器、路由器、多類型互聯網協議，將數據通過傳感器匯集到集中控制中心再到遠程控制中心，數據傳輸的及時性不高，對于井下空間有安全風險的情況不能采用遠程控制系統。而5G技術打破了這個難題，可以在井下全程遠程控制，實現數據實時傳送，大大提升了煤礦開采的安全性。④井下遠程協同運維。5G技術在井下空間的應用，能夠很好解決過去傳統人工維修因空間狹小無法做到高度智能化設備運營維護的需要，通過傳遞井下空間現成音頻視頻數據，結合虛擬模型和操作系統可以直接連接到井下空間智能化設備中，通過專家和礦工同時觀察和操作，對設備進行維護和管理。⑤井下巡檢和安防。通過數據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。實時分析井下空間裝備運行情況、人員身體情況等信息，并進行數據和信息的實時共享，可以以更快、更經濟、效率更高的方式開采煤礦。

5.結語

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