唐恩賢，李 川

(1.西安科技大學能源學院，陜西省西安市，710051；2. 陜西延長石油礦業(yè)有限責任公司, 陜西省西安市，710075；3.中國礦業(yè)大學礦業(yè)學院，江蘇省徐州市，221008)

煤炭是我國的主體能源，2020年我國煤炭產量仍達39億t 。黨的十九大報告指出：“我國經濟已由高速增長階段轉向高質量發(fā)展階段”；國家八部委在《關于關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》(發(fā)改能源[2020]283號)中指出，“煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的核心技術支撐”[1]。加快煤礦智能化發(fā)展、建設智慧煤礦是煤炭工業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向[2]。我國智能化煤礦建設是基于礦山自動化技術和物聯(lián)網技術相結合而提出的[3]，井工煤礦的最終目標就是實現(xiàn)井下無人操作。2014年陜西煤業(yè)化工集團黃陵礦業(yè)公司一號煤礦較薄煤層智能化采煤工作面的成功建成，開創(chuàng)了我國煤礦智能化開采的先河[4]。經過5年多來的發(fā)展，到2020年底，全國已建成400多個智能化采掘工作面。智能化開采已經上升到國家層面，并成為行業(yè)共識，全國已掀起一股智能化開采的浪潮，推動我國煤炭工業(yè)的第四次技術革命。

1 我國煤礦智能化礦井建設現(xiàn)狀

1.1 煤礦智能化建設發(fā)展脈絡

我國煤礦開采的作業(yè)方式，經過了傳統(tǒng)的人力作業(yè)—(半)機械化-綜合自動化-智能化開采(工業(yè)互聯(lián)網)4個階段的發(fā)展過程，最終目標是實現(xiàn)“智慧化礦山”。

自20世紀80年代到20世紀末，我國煤炭開采經歷了機械化、自動化的發(fā)展過程。同時，液壓牽引與電牽引采煤機、電液控液壓支架、井下人員定位、通風、瓦斯等監(jiān)控技術與裝備開始在全國各類煤礦推廣應用，為煤炭企業(yè)安全高效生產發(fā)揮了重要作用。智能礦山建設的提出是信息時代與知識經濟發(fā)展的必然結果[5]。煤礦實現(xiàn)機械化開采后，進一步開展自動化開采，進而再實現(xiàn)智能化開采成為世界采礦界不懈追求的目標。信息技術的發(fā)展促進了煤炭智能化建設，比如：基于計算機技術的自動化采礦技術，基于信息技術的數字化采礦技術，基于互聯(lián)網技術的礦山物聯(lián)網技術等，這些技術的發(fā)展為智能化開采奠定了堅實基礎。

2000年之后，隨著我國通信、工業(yè)以太網技術的發(fā)展，逐步形成了深度融合云計算、大數據、人工智能等科學技術的5G技術生態(tài)，為煤炭行業(yè)的智能化發(fā)展提供了基礎保障[6]。同時，在智能化煤礦總體構架建設、應用場景分析、關鍵裝備與產品研發(fā)、行業(yè)標準制定等方面也取得很大進步。王國法院士團隊[7-8]闡述了煤礦智能化建設的原則和總體要求，給出了煤礦智能化標準體系構架及建設思路，并在設備研發(fā)方面做了大量工作；范京道、李川、閆振國等[9]提出了包含智能煤礦內涵和定義、智能煤礦基礎搭建、智能煤礦頂層設計等內容的智能煤礦總體架構建設方案；何滿潮院士[10]提出了5G +N00 礦井的遠程無人化智慧采礦模式。

1.2 智能化采煤技術

煤礦智能化建設經過5年多的發(fā)展，技術也在不斷升級完善，采礦技術從1.0時代也發(fā)展到了3.0時代，從技術發(fā)展的角度正逐步向4.0時代邁進。目前，智能化開采的核心是以電液控技術、網絡技術為基礎，以“采煤機記憶截割+增強感知高清視頻場景在現(xiàn)+人工遠程輔助干預”的地面采煤模式[11]。

1.0時代是以綜采工作面中部“三機”協(xié)同，巷道遠程控制的采煤技術；2.0時代是以全工作面增強感知+“三機”協(xié)同+全工藝自動化作業(yè)技術系統(tǒng)，井下巷道或地面控制中心均可遠程控制的“一鍵啟?！保瑑啥祟^實現(xiàn)超前支架自移的配套作業(yè)技術；3.0時代是以地質勘探勘測數據為基礎，建立工作面靜態(tài)三維模型，形成以地質模型+數據規(guī)劃+自主決策的全工作面自動化作業(yè)技術系統(tǒng)，同時可應用大數據、分析決策、精準控制等技術實現(xiàn)采煤機自主截割，工作面無人開采。2014年智能開采3.0時代的技術體系在黃陵礦業(yè)公司一號礦進行工業(yè)試驗獲得成功，工作面中部煤機截割速度達到7 m/min，割三角煤速度達到5 m/min，模型精度達到150 mm左右，取得突破性進展。

1.3 智能化掘進技術

目前，煤炭行業(yè)的智能化掘進，從現(xiàn)場的裝備配置及應用來看，是在傳統(tǒng)綜掘的基礎上，進一步升級的快速掘進系統(tǒng)，是以掘錨一體機和TBM盾構機為代表的裝備系統(tǒng)。掘錨一體機，主要用于煤巷掘進，月進尺達到2 000～3 000 m/月，取得較好應用效果。TBM盾構機主要用于巖巷掘進，從應用情況來看，月進尺達到400 m以上，應用效果非常好，這2項技術裝備的應用，大大緩解了礦井生產接續(xù)緊張的局面，為加快推廣智能化掘進技術發(fā)揮了巨大作用。該系統(tǒng)具備如下功能：①實現(xiàn)掘、支、運一體化。掘進落煤、臨時支護、運煤、永久支護一體化，可實現(xiàn)部分工藝同時作業(yè)。②實現(xiàn)掘進遠程控制。在掘錨一體機后方約20～30 m設置操控平臺，操作人員利用視頻監(jiān)控操作掘進機，按設定的截割模型實現(xiàn)自動截割。③實現(xiàn)導航定位，中心偏移自調整。利用紅外控制器，控制截割頭按設定的路線割煤，防止超挖，提升自動化水平。④設置電子圍欄。在掘進作業(yè)期間，若有人員靠近電子圍欄設定區(qū)域，立即發(fā)出報警信號并自動切斷電源，保障安全掘進。同時，工作面現(xiàn)場視頻畫面實時上傳地面調度室，提升安全管理水平。

1.4 安全生產與生產經營管理系統(tǒng)

目前大型現(xiàn)代化煤礦基本都建設了綜合自動化管理平臺，對井下人員定位、礦壓、通風、瓦斯、防滅火、水文、煤塵等指標可進行實時監(jiān)測，地面瓦斯抽采、主通風機運行、水電供應系統(tǒng)、主帶式輸送機等均實行運行狀態(tài)監(jiān)測及遠程控制。生產輔助系統(tǒng)使用機器人巡檢，固定崗位無人，取得明顯減人效果。同時，這些煤礦大都建設了“三網一張圖”系統(tǒng)，可進行產供銷全流程的信息化管理，基本能實現(xiàn)生產經營領域的信息共享。

2 智能化礦井建設需要把握的幾個問題

2.1 災害治理永遠是礦井智能化工作的前提

智能化環(huán)境感知代替不了災害治理，災害治理達標是礦井安全生產的前提，否則智能化礦井的安全運行就不會實現(xiàn)。2021年初以來，全國多處煤礦出現(xiàn)的煤與瓦斯突出、礦井突水等事故，再次給我們敲響了警鐘。安全大于天，加強災害治理的基礎理論研究，強化日常管理，夯實煤礦安全生產與監(jiān)督管理的長效機制，仍是企業(yè)安全生產的根本。以技術為支撐，以精細管理為抓手，以裝備為保障，三者并重，實施“人-機-環(huán)-管-物”的閉環(huán)管理，才能徹底消除安全隱患，智能化礦井才能根基牢固。因此對災害治理的達標評價，應作為智能化礦井建設的前置條件，實行安全一票否決。

2.2 現(xiàn)階段礦井智能化仍處于初級水平

智能化煤礦是現(xiàn)代采煤技術與信息化技術融合的產物。從目前現(xiàn)場應用條件看，在煤層賦存相對穩(wěn)定、變化較小的煤礦應用較好，對煤層賦存條件較復雜的傾斜煤層等的應用還有待進一步研究[12]。從智能化開采系統(tǒng)本身來看，現(xiàn)在的煤礦智能化是以采煤機記憶截割+生產運輸系統(tǒng)的遠程集中控制來實現(xiàn)的，是利用采煤機的自主學習功能，在礦井綜合自動化基礎上實現(xiàn)的智能化。因此，也就決定了現(xiàn)階段智能化礦井建設的初級階段特征。當前煤礦全時空多元信息融合感知還遠遠達不到要求；數據存儲運用的作用還不足；分析決策、數字孿生協(xié)同控制、系統(tǒng)故障自診斷及分析預警、工作面礦壓與支護耦合自適應機理等方面還需要進一步研究。

2.3 礦井智能化離不開采煤、掘進兩個核心的智能化

智能化礦井是采煤、掘進為主體的智能化。具體是要把采掘工藝用數字化描述并轉為機器語言，把過去由人工操作，全部轉換成由高級智能機器來操作。實現(xiàn)采煤、掘進作業(yè)數字化的目標，才接近真正的智能化。智能化開采是多專業(yè)、多學科融合的系統(tǒng)工程，是以采礦理論為統(tǒng)領，融入計算機、電子信息、網絡、大數據等技術融合的巨系統(tǒng)。因此，實現(xiàn)智能化開采是衡量智能化礦井的必要條件。尤其現(xiàn)階段的智能化掘進，要把掘進工藝優(yōu)化與裝備自動化、智能化相融合，需要以鉆錨自動化，支護參數設計，錨桿結構優(yōu)化及材料改進，掘錨平行作業(yè)的研究為突破口，開發(fā)實用可靠的支護工藝、材料與裝備。

2.4 準確把握行業(yè)智能化礦井建設，絕大多數煤礦應以礦井升級改造為主

根據國家能源局等八部委下發(fā)《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》要求的3個階段性目標，以及公布的71處智能化示范礦井建設礦井名單，其中改造型礦井63處，新建礦井8處。改造型礦井的采掘裝備智能化的功能版本較低，改造難度大，涉及機械、電子、控制等方面的技術，開采條件復雜的工作面設備位姿，傳感器網絡的改造難度更大。因此，前期方案的制定、工程總體設計要科學合理，否則欲速則不達，不但滿足不了智能化升級改造的總體效果要求，還造成更大的浪費。對于礦井網絡系統(tǒng)的改造升級，要立足當前，謀劃長遠。加快對“5G+工業(yè)物聯(lián)網”技術研究，把5G技術的低延時、低能耗、泛在網的優(yōu)勢和物聯(lián)網的感知識別普適化、異構設備互聯(lián)化、網絡終端規(guī)?；忍攸c相融合。尤其是應用場景的研究，用識別定位技術，M2M技術的優(yōu)越功能，實現(xiàn)機器對機器，點對點的通信，遠距離收集信息、設置參數與發(fā)布指令。利用信息物理系統(tǒng)(CPS)針對井下系統(tǒng)戰(zhàn)線長、設備監(jiān)控點多、安全監(jiān)測廣等特點，通過3C(通信、計算、控制)技術有機融合與深度協(xié)作，建設系統(tǒng)構架，定制智能化礦井的發(fā)展規(guī)劃。

2.5 具有嵌入式技術的智能化裝備是實現(xiàn)煤礦智能化的必然要求

煤炭行業(yè)傳統(tǒng)的采掘裝備，單機自動化程度比較低，無法滿足自動化、智能化運行的基本要求。具有嵌入式技術的裝備是集計算機的軟硬件、傳感器技術、集成電路技術、電子應用技術于一體的新型裝備。該新型裝備具有自感知，是集信息接收、傳遞、處理、發(fā)布指令等功能于一身的自組網智能裝備，是未來智能化礦井發(fā)展的必然要求，也是裝備制造企業(yè)理念創(chuàng)新、產品轉型升級的必然要求。

2.6 綜合自動化系統(tǒng)要提升集成網絡價值

當前，礦井綜合自動化系統(tǒng)基本是礦井原來各種系統(tǒng)的簡單集成，集成網絡價值未得到提升，具體表現(xiàn)在如下幾個方面：①感知手段傳統(tǒng)單一，集中式的傳感裝置在某個子系統(tǒng)內難以按實際要求構建靈活實用的邏輯系統(tǒng)，缺乏傳感器層面的信息融合；②缺乏泛在感知網絡，基本沒有統(tǒng)一的井下無線覆蓋感知層網絡，存在很大的感知盲區(qū)，不能保證安全感知全覆蓋；③缺乏應用層面的信息融合，煤礦綜合自動化平臺實現(xiàn)了已有子系統(tǒng)的網絡化集成，但各個應用子系統(tǒng)之間的聯(lián)動與信息融合智能決策沒有應用，虛擬世界與物理世界的深度融合還遠未實現(xiàn)。

2.7 采掘工作面輔助作業(yè)移動機器人研究滯后

目前礦井智能化減人主要是減綜采和綜掘工作面的作業(yè)人員、礦井主運輸系統(tǒng)及井下固定硐室的崗位人員。除此之外，井下物料的搬運、管道拆除、風筒掛設拆除等輔助作業(yè)崗位上仍然需要大量人員，仍是傳統(tǒng)的作業(yè)方式。移動機器人替代這些崗位的人工勢在必行。尤其是災變情況下，機器人替代人力作業(yè)研究更是迫在眉睫。

2.8 汽車無人駕駛技術在井工礦井應用尚早

汽車無人駕駛技術，國外從20世紀80年代開始研究，我國2011年才開始起步。目前采用L2技術的部分自動操作汽車已經上路，稱為“自動駕駛”，但離不開司機；近期更高級別的采用L4技術的車輛正在上路測試，該級別汽車屬于高級別“自動駕駛”，但也離不開司機，只是減少了司機操作的工作量，遇到特殊情況必須人工操作。自動駕駛、無人駕駛，需要車、路、環(huán)境(網絡)三要素配合，缺一不可。煤礦井下車輛的使用環(huán)境與地面差別較大，而假設不能實現(xiàn)真正的無人駕駛，又與智能化礦山建設的初衷不符。因此，認為只有具備L5級以上技術的無人駕駛技術，才能在煤礦井下應用。

3 結論

智能化開采、智能化礦井建設是煤炭企業(yè)實現(xiàn)高質量發(fā)展的必然選擇。智能化生產把煤礦工人從危險的作業(yè)環(huán)境中解放出來，從繁重的體力勞動中解放出來，可實現(xiàn)“無人則安，少人則安”，是以人為本的煤炭企業(yè)擔當的社會責任和企業(yè)核心價值觀的體現(xiàn)。然而在當前煤礦智能化發(fā)展過程中，對現(xiàn)實問題要有清醒認識，發(fā)展中要圍繞核心、突出重點，解決難點痛點問題，以期使煤炭企業(yè)的智能化礦井建設之路更加平穩(wěn)健康發(fā)展，企業(yè)職工能獲得更多的幸福感、自豪感，國家能源安全的“壓艙石”也能更加穩(wěn)固。