實(shí)現(xiàn)中國(guó)煤礦全面智能化,，必須在實(shí)踐基礎(chǔ)上,，圍繞著面向未來的精準(zhǔn)開采理念,，即依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)為基礎(chǔ)的智能煤礦體系,，從傳感、通信,、平臺(tái)、云,、應(yīng)用等層面去思考,。
中國(guó)工程院院士、安徽理工大學(xué)校長(zhǎng) 袁亮
眼下,，新一代信息技術(shù)正不斷取得突破,，新一輪科技和產(chǎn)業(yè)變革不斷縱深。數(shù)字技術(shù)成為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的核心力量,，推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)從勞動(dòng)力等要素投入轉(zhuǎn)向創(chuàng)新驅(qū)動(dòng),，為煤炭工業(yè)由傳統(tǒng)的定性經(jīng)驗(yàn)向智能精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)變帶來了創(chuàng)新發(fā)展的機(jī)遇，為實(shí)現(xiàn)智能少人（無人）的煤炭科學(xué)開采提供了可能,。
我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的基本特征是“貧油,、少氣、相對(duì)富煤”,，作為能源供應(yīng)的壓艙石,，我國(guó)煤炭資源稟賦復(fù)雜、煤礦安全問題突出,。要從根本上破解煤礦安全高效的生產(chǎn)難題,，須借助物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù),、云,、AI等信息科技，將煤炭工業(yè)由勞動(dòng)密集型升級(jí)為技術(shù)密集型,，實(shí)現(xiàn)面向未來的互聯(lián)網(wǎng)+煤炭資源的智能精準(zhǔn)開采,。
在信息科技的全面介入下，智能化煤礦要達(dá)到全生產(chǎn)要素,、全生產(chǎn)全過程的互聯(lián)互通,，完成“感知、通信,、分析,、預(yù)測(cè)、決策,、執(zhí)行”的閉環(huán)管理,，實(shí)現(xiàn)“智能感知、智能決策,、自動(dòng)執(zhí)行”的建設(shè)目標(biāo),，必須在前期的實(shí)踐基礎(chǔ)上,，圍繞著面向未來的精準(zhǔn)開采理念，即依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)為基礎(chǔ)的智能煤礦體系,，從傳感,、通信、平臺(tái),、云,、應(yīng)用等不同層面著眼思考。
我國(guó)煤炭開采面臨的挑戰(zhàn)
綠色資源量是指能夠滿足煤礦安全,、技術(shù),、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等綜合約束條件,，能夠支撐煤炭科學(xué)產(chǎn)能和科學(xué)開發(fā)的煤炭資源量,。中國(guó)工程院重點(diǎn)咨詢項(xiàng)目研究結(jié)果表明，我國(guó)綠色煤炭資源量只有5743億噸,，按國(guó)家能源需求,，綠色煤炭資源量?jī)H可開采40～50年。在煤炭作為我國(guó)主要能源的地位和作用沒有發(fā)生根本改變前,，大面積進(jìn)入非綠色煤炭資源賦存區(qū)開采將造成安全,、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等面臨巨大難題,。
我國(guó)煤礦開采正在以平均10～25m/年的速度快速向深部延伸,，深部煤巖體處于高地應(yīng)力、高瓦斯,、高溫與高滲透壓的惡劣環(huán)境中,，煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害更嚴(yán)重,，并且有多重災(zāi)害耦合出現(xiàn)的趨勢(shì),。提高煤礦安全精準(zhǔn)開采地質(zhì)保障水平、研究應(yīng)力場(chǎng)-裂隙場(chǎng)-滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)等耦合作用下的煤炭開采和致災(zāi)機(jī)理勢(shì)在必行,。
要解決當(dāng)前煤炭開采所面臨的上述難題,，煤炭工業(yè)必須由勞動(dòng)密集型升級(jí)為技術(shù)密集型。煤炭精準(zhǔn)開采將運(yùn)用現(xiàn)代化信息技術(shù)改造傳統(tǒng)采礦,，對(duì)于推動(dòng)煤炭產(chǎn)業(yè)變革,，實(shí)現(xiàn)煤炭開采顛覆性技術(shù)創(chuàng)新意義重大，是未來采礦必由之路,。
煤炭精準(zhǔn)開采的科學(xué)內(nèi)涵
煤炭精準(zhǔn)開采是針對(duì)當(dāng)前煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)難題,，以及未來深部開采將面臨的技術(shù)瓶頸提出的科學(xué)構(gòu)想，以最終實(shí)現(xiàn)“安全、少人無人,、綠色高效”的煤炭開采為目標(biāo),。
煤炭精準(zhǔn)開采的科學(xué)內(nèi)涵是基于透明空間地球物理和多物理場(chǎng)耦合，以智能感知,、智能控制,、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù),、云,、人工智能等作支撐，具有風(fēng)險(xiǎn)判識(shí),、監(jiān)控預(yù)警等處置功能，能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)空上準(zhǔn)確安全可靠的智能少人（無人）安全精準(zhǔn)開采的新模式新方法,，其科學(xué)內(nèi)涵如圖1所示,。精準(zhǔn)開采支撐科學(xué)開采，是科學(xué)開采的重中之重,。
圖1 煤炭精準(zhǔn)開采的科學(xué)內(nèi)涵
煤炭精準(zhǔn)開采從資源評(píng)估與決策,、礦山規(guī)劃和設(shè)計(jì)到煤礦生產(chǎn)與安全管理等全過程都始終貫徹和融入了現(xiàn)代科技成果，真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化煤炭開采,，其框架如圖2所示,。煤炭精準(zhǔn)開采最終將實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程控制的智能化、自動(dòng)化,、信息化和可視化,，實(shí)現(xiàn)煤炭開采的少人（無人）、精確,、智能感知和災(zāi)害智能監(jiān)控預(yù)警與防治,。
圖2 煤炭精準(zhǔn)開采框架
煤炭精準(zhǔn)開采的主要研究方向包括以下八個(gè)方面：創(chuàng)新具有透視功能的地球物理科學(xué)；智能新型感知與多網(wǎng)融合傳輸方法與技術(shù)裝備,；動(dòng)態(tài)復(fù)雜多場(chǎng)多參量信息挖掘分析與融合處理技術(shù),；基于大數(shù)據(jù)云技術(shù)的精準(zhǔn)開采理論模型；多場(chǎng)耦合復(fù)合災(zāi)害預(yù)警,；遠(yuǎn)程可控的少人（無人）精準(zhǔn)開采技術(shù)與裝備,；救災(zāi)通信、人員定位及災(zāi)情偵測(cè)技術(shù)與裝備,；基于云技術(shù)的智能礦山建設(shè),。
煤炭精準(zhǔn)開采的層級(jí)架構(gòu)
煤炭精準(zhǔn)開采要最大化地利用信息科技的成果，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭開發(fā)全過程數(shù)字化或智能化,，即通過對(duì)資源勘查與評(píng)估,、礦區(qū)總體規(guī)劃、礦井設(shè)計(jì)建設(shè)、生產(chǎn)與管理等與現(xiàn)代信息技術(shù)的深度跨界融合,，實(shí)現(xiàn)煤炭開采由傳統(tǒng)的高危勞動(dòng)密集型向高精尖技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變,。它主要依托于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，并由感知層,、傳輸層,、云（數(shù)字平臺(tái)）和應(yīng)用層組成，如圖3所示,。
圖3 面向煤炭精準(zhǔn)開采的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架
最基礎(chǔ)的感知層,，利用新型靈敏度高、可靠性好的傳感器等對(duì)“人機(jī)環(huán)”參數(shù)信息全面采集,。傳統(tǒng)采礦多依賴經(jīng)驗(yàn),、憑借定性分析開采，精準(zhǔn)開采是傳統(tǒng)采礦與定量化智能化的高度結(jié)合,，泛在實(shí)時(shí)的傳感技術(shù)和設(shè)備是煤礦智能化的基礎(chǔ),。通過基于統(tǒng)一操作系統(tǒng)的上位機(jī)，為數(shù)據(jù)的交互,、上傳,、入湖，提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的接口和數(shù)據(jù)格式,，避免協(xié)議的不統(tǒng)一,，形成信息孤島。
在傳輸層,，精準(zhǔn)開采的理念是充分利用最先進(jìn)的通信技術(shù),，實(shí)現(xiàn)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的礦山融合網(wǎng)、多源信息的實(shí)時(shí)可靠流動(dòng),。因?yàn)槊禾烤麻_采涉及應(yīng)力場(chǎng),、裂隙場(chǎng)、滲流場(chǎng)等諸多問題,，采場(chǎng)及開采擾動(dòng)區(qū)地應(yīng)力,、瓦斯壓力、瓦斯涌出量,、裂隙發(fā)育區(qū)等信息準(zhǔn)確獲取至關(guān)重要,。精準(zhǔn)開采涉及采場(chǎng)及開采擾動(dòng)區(qū)多源信息采集傳感、礦井復(fù)雜環(huán)境下多源信息,、多網(wǎng)融合傳輸以及人機(jī)環(huán)參數(shù)全面采集,、共網(wǎng)傳輸?shù)汝P(guān)鍵問題的研究。
在云端和數(shù)據(jù)平臺(tái)層面,，精準(zhǔn)開采意味著將多維度,、質(zhì)量參差不齊,、存在大量不確定因素的海量信息入湖，利用大數(shù)據(jù)和人工智能,，對(duì)多源海量的動(dòng)態(tài)感知數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行深度挖掘分析與融合處理,，在這基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)可視化、交互式,、定量化,、快速化、智能化的各種應(yīng)用系統(tǒng)的搭建,，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能采煤,、災(zāi)害超前動(dòng)態(tài)預(yù)警、救災(zāi)通信,、井下人員精準(zhǔn)定位等功能,。
精準(zhǔn)開采初見成效但任重而道遠(yuǎn)
結(jié)合我國(guó)煤礦智能化的實(shí)施目標(biāo)，煤礦精準(zhǔn)開采的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用應(yīng)分兩步走：第一步,，現(xiàn)在至2025年,，依據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，通過各種信息技術(shù),，打通各子系統(tǒng)信息壁壘，實(shí)現(xiàn)“采-掘-運(yùn)-通-排”等子系統(tǒng)的互通互聯(lián),，讓生產(chǎn)物流系統(tǒng)智能化決策和協(xié)同運(yùn)行,。第二步，即2026年至2035年,，通信技術(shù)與煤礦技術(shù)深度融合,，達(dá)到煤礦生產(chǎn)的智能感知、智能決策,、自動(dòng)執(zhí)行,，全面實(shí)現(xiàn)煤炭資源的智能安全精準(zhǔn)開采。
自2020年底,，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》通知以來,，我們?cè)诿禾恐悄馨踩珳?zhǔn)開采方面已積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
2021年9月,，國(guó)家能源集團(tuán)與華為共同發(fā)布了礦鴻操作系統(tǒng),。礦鴻物聯(lián)協(xié)同感知技術(shù)將從數(shù)據(jù)源頭確保數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)一致，并實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)之間的協(xié)同,，為各種礦山裝備和海量傳感器提供統(tǒng)一的接入標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,。
在陜煤紅柳林礦業(yè)公司，華為搭建了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的數(shù)字平臺(tái),。建成了覆蓋智能綜采,、智能掘進(jìn)、智能輔運(yùn)、智能主煤流,、智能選洗等多個(gè)場(chǎng)景的應(yīng)用,，形成了貫穿煤礦物流全鏈條、全業(yè)務(wù),、全過程的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系,。
在內(nèi)蒙古麻地梁煤礦，安徽理工大學(xué)聯(lián)合華為等企業(yè)構(gòu)建了“5G+多網(wǎng)融合,、產(chǎn)銷協(xié)同,、智能管控、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),、綠色低碳”的煤礦安全精準(zhǔn)開采和智能管控系統(tǒng),。煤礦生產(chǎn)能力由5Mt/a核準(zhǔn)提升至8Mt/a；井下5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋,，實(shí)測(cè)時(shí)延小于20ms,，實(shí)現(xiàn)了采煤、掘進(jìn),、運(yùn)輸?shù)戎饕a(chǎn)物流系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集控,、有人巡視、無人值守,，實(shí)現(xiàn)了“管設(shè)備就是管生產(chǎn),、管數(shù)據(jù)就是管設(shè)備”管理理念的變革，取消了檢修班和夜班,，大幅提高了員工的安全感和幸福感,。麻地梁煤礦率先實(shí)現(xiàn)了國(guó)家2025年智能煤礦建設(shè)目標(biāo)，被國(guó)家能源局,、國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局列入首批新（改擴(kuò)）建智能煤礦,，內(nèi)蒙古自治區(qū)第一批試點(diǎn)示范智慧園區(qū)。
在陜煤彬長(zhǎng)礦業(yè)公司,，安徽理工大學(xué)聯(lián)合華為等企業(yè)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)五層架構(gòu),，通過5G技術(shù)對(duì)微震動(dòng)、時(shí)空強(qiáng)與地音等多維信息收集,，對(duì)綜合指標(biāo)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析,，實(shí)現(xiàn)了在沖擊災(zāi)害事件發(fā)生前1~3天發(fā)布危險(xiǎn)預(yù)警，大幅提升了井下生產(chǎn)的安全性,。
事實(shí)證明,，充分發(fā)揮海量數(shù)據(jù)和豐富應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)信息技術(shù)與煤礦生產(chǎn)的深度融合,，能有效推動(dòng)煤炭產(chǎn)業(yè)的持續(xù)轉(zhuǎn)型升級(jí),。
智能精準(zhǔn)開采是我國(guó)煤炭工業(yè)的必由之路
我國(guó)煤礦智能化發(fā)展進(jìn)程正在不斷加速,，但礦井依然缺乏整體設(shè)計(jì)方案、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息孤島突出,、設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)流動(dòng)性低,、節(jié)能降耗高效轉(zhuǎn)型困難�,；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)的煤炭精準(zhǔn)開采是實(shí)現(xiàn)煤礦“安全,、少人無人、綠色高效”的必由之路,，符合國(guó)家面向2035年的煤炭戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo),。
從技術(shù)層面，應(yīng)該繼續(xù)加大力度研發(fā)礦井智能感知技術(shù),，利用海量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)井下多機(jī)智能聯(lián)動(dòng)與災(zāi)害預(yù)警等,，開發(fā)適用于各種場(chǎng)景的“人-機(jī)-環(huán)-管”多維度的系統(tǒng)應(yīng)用，逐步實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦井,、礦區(qū)的少人化乃至無人化,，提升整體的安全生產(chǎn)能力。
從行業(yè)層面,，需對(duì)煤礦的整體架構(gòu)設(shè)計(jì),、開拓布局、工業(yè)環(huán)網(wǎng),、數(shù)據(jù)利用,、綠色低碳等技術(shù)難題，展開更廣泛的院校,、信息科技企業(yè)、煤炭生產(chǎn)企業(yè)以及行業(yè)各界協(xié)同創(chuàng)新,，共同構(gòu)建基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智能礦山,，以煤炭開采全面實(shí)現(xiàn)高科技產(chǎn)業(yè)改造升級(jí)，點(diǎn)亮中國(guó)能源科技強(qiáng)國(guó)夢(mèng),。
