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王國(guó)法院士全面總結(jié)煤礦智能化最新技術(shù)進(jìn)展
2022-01-27 09:40:16   來(lái)源: 煤炭科學(xué)技術(shù)
煤炭是我國(guó)一次能源中最經(jīng)濟(jì)、可靠的資源,,煤礦智能化是實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐,。國(guó)家發(fā)展改革委,、國(guó)家能源局等八部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》后,,煤炭行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革和高質(zhì)量發(fā)展腳步逐步加快,,人工智能,、大數(shù)據(jù),、云計(jì)算,、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)采礦專(zhuān)業(yè)深度融合,推動(dòng)了整個(gè)煤炭行業(yè)科技發(fā)展與工程應(yīng)用至新的階段,。近日,,王國(guó)法院士全面闡述了我國(guó)自2019年以來(lái)智能化煤礦建設(shè)最新進(jìn)展、煤礦智能化技術(shù)最新研發(fā)成果,、煤礦智能化技術(shù)“瓶頸”問(wèn)題,,并提出了井下車(chē)輛和機(jī)器人電動(dòng)化,、井下無(wú)線發(fā)射功率、5G煤礦應(yīng)用場(chǎng)景與生態(tài),、透明地質(zhì)模型,、智能巨系統(tǒng)兼容協(xié)同等10個(gè)煤礦智能化技術(shù)發(fā)展方向及建設(shè)路徑。相關(guān)研究成果以《煤礦智能化最新技術(shù)進(jìn)展與問(wèn)題探討》為題發(fā)表于《煤炭科學(xué)技術(shù)》2022年第1期,。
一,、我國(guó)智能化煤礦建設(shè)最新進(jìn)展情況
(一)建立了煤礦智能化基礎(chǔ)理論體系

在2019年國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“數(shù)字煤礦及智能化開(kāi)采基礎(chǔ)理論研究”的支持下,相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了煤礦智能化基礎(chǔ)理論的研究,。通過(guò)構(gòu)建煤礦數(shù)字邏輯模型,、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理理論方法、復(fù)雜系統(tǒng)智能控制基礎(chǔ)理論,、智能化煤礦系統(tǒng)性維護(hù)及智能化開(kāi)采基礎(chǔ)理論體系,為煤礦智能決策,、精確控制,、可靠性保障奠定了理論基礎(chǔ)。

(二)初步建立煤礦智能化標(biāo)準(zhǔn)體系

2020年初,,煤礦智能化創(chuàng)新聯(lián)盟發(fā)布了《煤礦智能化頂層架構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)體系框架白皮書(shū)》,,建立了體系性、繼承性和前瞻性的煤礦智能化標(biāo)準(zhǔn)體系,。煤礦智能化標(biāo)準(zhǔn)體系總體框架由通用基礎(chǔ),、支撐技術(shù)與平臺(tái)、煤礦信息互聯(lián)網(wǎng),、智能控制系統(tǒng)及裝備,、安全監(jiān)控及防控裝備、生產(chǎn)保障6類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)組成,。

(三)提出和實(shí)施分類(lèi)分級(jí)智能化煤礦建設(shè)路徑

煤礦智能化建設(shè)應(yīng)結(jié)合煤礦具體建設(shè)基礎(chǔ),、開(kāi)采條件等制定切實(shí)可行的智能化建設(shè)方案,通過(guò)分類(lèi)建設(shè)和科學(xué)頂層規(guī)劃建設(shè)開(kāi)發(fā)可迭代發(fā)展的系統(tǒng)架構(gòu),,不斷完善系統(tǒng)智能化,,推進(jìn)智能系統(tǒng)化,分階段實(shí)現(xiàn)智能化煤礦初,、中,、高級(jí)建設(shè)目標(biāo)。

(四)形成較為成熟的智能化高效開(kāi)采模式

實(shí)現(xiàn)了薄煤層和中厚煤層工作面內(nèi)無(wú)人操作遠(yuǎn)程控制采煤,,厚煤層大采高和超大采高智能化開(kāi)采,,特厚煤層智能化綜放開(kāi)采。國(guó)家能源神東榆家梁煤礦在1.4 m以上煤層實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量智能化開(kāi)采,。神東上灣煤礦自2018年起研發(fā)應(yīng)用8.8 m超大采高液壓支架及成套裝備取得成功,。陜煤榆北礦業(yè)與天地科技等合作研發(fā)出10 m超大采高液壓支架樣機(jī),,目前正在推進(jìn)10 m超大采高綜采成套裝備和技術(shù)應(yīng)用。

(五)智能化煤礦建設(shè)示范取得成效

目前,,全國(guó)生產(chǎn)煤礦共計(jì)3000多座,,其中120萬(wàn)t以上煤礦1 200余處,千萬(wàn)噸級(jí)煤礦44處,。71處國(guó)家首批智能化示范建設(shè)煤礦中,,井工礦66處,露天礦5處,,智能化升級(jí)改造煤礦63處,,新(改擴(kuò))建智能化煤礦8處。已建成500多個(gè)智能化工作面,。形成了黃陵智能化煤礦建設(shè)模式,,老礦區(qū)復(fù)雜條件智能煤礦建設(shè)模式,蒙,、陜,、晉千萬(wàn)噸級(jí)高強(qiáng)開(kāi)采智能化煤礦建設(shè)模式等。
二,、煤礦智能化技術(shù)最新研發(fā)成果

在“煤礦智能化技術(shù)最新研發(fā)成果”部分,,王國(guó)法院士分別從智能化煤礦數(shù)字邏輯模型與數(shù)據(jù)推送策略、煤礦巨系統(tǒng)智能化架構(gòu)與協(xié)同機(jī)制,、5G+智能化煤礦系統(tǒng)及應(yīng)用場(chǎng)景,、礦井4D-GIS地理信息系統(tǒng)系統(tǒng)、1.1m薄煤層硬煤大功率高效智能化開(kāi)采成套技術(shù)與裝備,、“掘錨一體機(jī)+錨運(yùn)破+大跨距轉(zhuǎn)載” 遠(yuǎn)程控制智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)成套技術(shù)與裝備,、智能通風(fēng)系統(tǒng)、井下鋰電池驅(qū)動(dòng)人車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)及智能調(diào)度系統(tǒng),、固定崗位無(wú)人值守系統(tǒng)9個(gè)方面做了詳細(xì)介紹,。

三、煤礦智能化技術(shù)“瓶頸”問(wèn)題及解決途徑

(一)井下車(chē)輛和機(jī)器人電動(dòng)化問(wèn)題

由于現(xiàn)階段已經(jīng)商品化的大容量鋰電池還無(wú)法從根本實(shí)現(xiàn)不燃燒,、不爆炸且大容量鋰電池在爆炸性環(huán)境中應(yīng)用的基礎(chǔ)性研究還不充分,,導(dǎo)致安全、便捷,、高效的大功率供電問(wèn)題已成為制約新能源運(yùn)輸車(chē)輛,、井下機(jī)器人等裝備研發(fā)應(yīng)用的“卡脖子”技術(shù)。
解決途徑和展望:近年來(lái)國(guó)家在推進(jìn)煤礦裝備智能化,、減排低碳方面出臺(tái)一系列鼓勵(lì)政策,,電動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)智能清潔礦山的必由之路。由于防爆標(biāo)準(zhǔn)、電池技術(shù)水平,、批量化應(yīng)用等多方面的原因,,目前大容量鋰電池是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化的唯一途徑。為保障使用安全,,建議國(guó)家在政策保障,、科研投入等方面給予支持,在防爆設(shè)計(jì),、井下充換電,、隔爆新型材料、大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警等方面開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)研究,,組織編制安全標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范,,為礦用裝備的綠色新能源化創(chuàng)造條件。

(二)井下無(wú)線發(fā)射功率問(wèn)題

電磁能防爆問(wèn)題涉及防爆領(lǐng)域,、射頻通信領(lǐng)域,、電磁波領(lǐng)域等多個(gè)學(xué)科交叉,技術(shù)難度較大,,基礎(chǔ)性研究較少,,缺乏針對(duì)煤礦井下電磁環(huán)境的可信基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù),電磁能防爆問(wèn)題亟待解決,。

解決途徑和展望建議聯(lián)合防爆、無(wú)線通信,、電磁波等相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)資源,,集中開(kāi)展針對(duì)電磁波防爆標(biāo)準(zhǔn)限值的基礎(chǔ)性研究,從防爆機(jī)理入手,,對(duì)適用于爆炸性環(huán)境的電磁波防爆技術(shù)進(jìn)行相關(guān)理論研究及基礎(chǔ)試驗(yàn)研究,,提出滿(mǎn)足煤礦井下防爆安全要求的無(wú)線射頻設(shè)備安全技術(shù)要求及評(píng)估與檢測(cè)方法,進(jìn)行針對(duì)性的全方位研究,。

(三)5G煤礦應(yīng)用場(chǎng)景與生態(tài)問(wèn)題

截至目前,,各大煤礦已結(jié)合自身特點(diǎn)分別在基于5G技術(shù)的高清視頻傳輸、固定硐室巡檢,、掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制,、多傳感器接入與互聯(lián)等方面做了大量有益的探索。但5G技術(shù)在煤礦的應(yīng)用仍處于網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)層面,;其次,,針對(duì)5G煤礦應(yīng)用的場(chǎng)景關(guān)鍵技術(shù)和業(yè)務(wù)模式尚未突破;再者,,相關(guān)軟硬件生態(tài)尚未形成,,難以形成技術(shù)和應(yīng)用爆發(fā)點(diǎn)。

(四)“透明地質(zhì)模型”問(wèn)題

目前透明地質(zhì)模型構(gòu)建存在高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)探查技術(shù)與裝備,、多源地質(zhì)數(shù)據(jù)融合與建模算法,、透明地質(zhì)集成與共享軟件平臺(tái)等方面的制約,;探查技術(shù)與裝備智能化、精準(zhǔn)化,、實(shí)效性,、共享性還無(wú)法滿(mǎn)足智能化采掘需求;透明地質(zhì)建模對(duì)于多源地質(zhì)數(shù)據(jù)的挖掘不充分,,嚴(yán)重依賴(lài)于點(diǎn)數(shù)據(jù)的內(nèi)插,,建模算法的區(qū)域適配性不足;透明地質(zhì)模型在與煤礦采掘系統(tǒng)集成應(yīng)用和數(shù)據(jù)共享方面仍缺乏有效的融合聯(lián)動(dòng)和實(shí)時(shí)互饋,,地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)缺乏動(dòng)態(tài)地質(zhì)信息支撐,。

解決途徑與展望:①研發(fā)高精度隨鉆、隨掘和隨采動(dòng)態(tài)探查技術(shù)與裝備,,實(shí)現(xiàn)采掘工作面模型實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),;②研究礦井多源地質(zhì)數(shù)據(jù)融合技術(shù),結(jié)合區(qū)域地質(zhì)沉積規(guī)律優(yōu)化插值算法,,充分利用地質(zhì)數(shù)據(jù)和適配算法構(gòu)建高精度多屬性地質(zhì)模型,;③研發(fā)一體化透明地質(zhì)軟件平臺(tái),實(shí)現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ),、管理和融合,;④采用優(yōu)化插值算法構(gòu)建高精度多屬性模型,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)探查數(shù)據(jù)與地質(zhì)模型的互饋,,并與采掘系統(tǒng)深度融合聯(lián)動(dòng)和數(shù)據(jù)共享,,實(shí)時(shí)提供并更新采掘截割軌跡及隱蔽致災(zāi)因素預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

(五)智能巨系統(tǒng)兼容協(xié)同問(wèn)題

煤礦智能化巨系統(tǒng)兼容協(xié)同制約因素主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尚未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一,、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議兼容性差,、業(yè)務(wù)系統(tǒng)兼容性較差、系統(tǒng)間協(xié)同控制兼容性差,。

解決途徑與展望①?gòu)娜V井設(shè)計(jì)出發(fā),,規(guī)范智能化煤礦數(shù)據(jù)中心、主干網(wǎng)絡(luò)等,;②實(shí)行全面的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,;③網(wǎng)絡(luò)傳輸要具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性,滿(mǎn)足智能系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)可靠運(yùn)行的需求,;④系統(tǒng)開(kāi)放性,,對(duì)于新建礦井,所選系統(tǒng)能夠支持多種開(kāi)采裝備應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)與部署,。

(六)連續(xù)自動(dòng)掘進(jìn)與掘支平行問(wèn)題

存在的主要問(wèn)題為采掘失衡,、掘支失衡、裝備適應(yīng)性差。

解決途徑與展望全面提高探,、掘,、支、運(yùn),、輔等各環(huán)節(jié)的自動(dòng)化水平,,是智能化掘進(jìn)發(fā)展的重點(diǎn)。針對(duì)不同礦井和工作面條件,,研究開(kāi)發(fā)不同的設(shè)備配套模式,,在設(shè)備選型前進(jìn)行專(zhuān)業(yè)化論證,提高技術(shù)適應(yīng)性,;同時(shí),,需要不斷提升基礎(chǔ)工業(yè)水平,增強(qiáng)設(shè)備可靠性,。

(七)采煤工作自動(dòng)調(diào)高與調(diào)直問(wèn)題

針對(duì)工作面自動(dòng)調(diào)高的問(wèn)題,,難點(diǎn)不在于如何調(diào)高,而在于如何確定調(diào)高的依據(jù)和調(diào)高的策略,。

解決途徑與展望基于兩巷煤巖識(shí)別的截割曲線規(guī)劃或者調(diào)高控制策略研究是比較符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的解決方案之一,。目前待發(fā)展的技術(shù)主要有回采煤層地質(zhì)體三維物探原理與技術(shù)、三維地質(zhì)精細(xì)建模技術(shù),、基于三維地質(zhì)精細(xì)模型的工作面自動(dòng)調(diào)高策略等,。同時(shí)急需研發(fā)精度可控、常態(tài)可靠的推移執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋測(cè)量傳感裝置,。

�,。ò耍o(wú)人操作系統(tǒng)常態(tài)化運(yùn)行可靠性問(wèn)題

目前研究的痛點(diǎn)問(wèn)題主要包括傳統(tǒng)傳感器使用受限、設(shè)備可靠性相關(guān)傳感手段單一,、缺乏故障特征樣本等。

解決途徑與展望煤礦智能化系統(tǒng)可靠性技術(shù)架構(gòu)包含了物理設(shè)備層,、信息采集層,、數(shù)據(jù)處理層和模型應(yīng)用層。物理設(shè)備層包括采煤機(jī),、液壓支架,、刮板輸送機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備,,信息采集層包括數(shù)據(jù)采集與傳輸,;數(shù)據(jù)處理層包括數(shù)據(jù)清洗、特征提取及結(jié)果存儲(chǔ)等,;模型應(yīng)用層包括健康狀態(tài)評(píng)估,、剩余壽命預(yù)測(cè)、維護(hù)決策等。

(九)ABCD+煤礦技術(shù)體系問(wèn)題

“ABCD”技術(shù)體系,,即人工智能(Artificial Intelligence, AI),、區(qū)塊鏈(Blockchain)、云計(jì)算(Cloud computing),、大數(shù)據(jù)(big Data)等新信息技術(shù)的緊密結(jié)合,,形成現(xiàn)代能源礦業(yè)數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用技術(shù)體系,從而助力煤礦企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型,,推動(dòng)數(shù)據(jù)智能,。目前煤礦ABCD+煤礦技術(shù)體系應(yīng)用過(guò)程中,以下問(wèn)題亟待解決:未構(gòu)建開(kāi)放的大數(shù)據(jù)平臺(tái),、數(shù)據(jù)治理重視不足,、煤礦數(shù)據(jù)訓(xùn)練樣本缺失、煤礦系統(tǒng)智能化需數(shù)據(jù)迭代等,。
解決途徑與展望建設(shè)具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),、統(tǒng)一數(shù)據(jù)治理流程、多場(chǎng)景化數(shù)據(jù)應(yīng)用的集存儲(chǔ),、計(jì)算于一體的綜合性煤礦行業(yè)云平臺(tái),,解決煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)信息孤島問(wèn)題,促進(jìn)煤礦企業(yè)之間的互聯(lián)互通,,將數(shù)字與算法真正資產(chǎn)化,,構(gòu)建場(chǎng)景化大數(shù)據(jù)模型,挖掘數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系與決策處理策略,,構(gòu)建煤礦開(kāi)采與安全行為的決策知識(shí)圖譜,。

(十)柔性煤炭生產(chǎn)供給體系問(wèn)題

主要問(wèn)題為調(diào)節(jié)空間受限、影響煤炭企業(yè)正常生產(chǎn)工序,、影響煤炭企業(yè)總收入,、煤礦安全隱患增加等。

這項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目,、中國(guó)煤炭科工集團(tuán)科技專(zhuān)項(xiàng)重點(diǎn)資助項(xiàng)目的資金支持,。


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