智能化煤礦建設(shè)若干問題研究與思考

唐恩賢，李 川

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710051；2. 陜西延長(zhǎng)石油礦業(yè)有限責(zé)任公司, 陜西省西安市，710075；3.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)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(chǎn)量仍達(dá)39億t 。黨的十九大報(bào)告指出：“我國經(jīng)濟(jì)已由高速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段”；國家八部委在《關(guān)于關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》(發(fā)改能源[2020]283號(hào))中指出，“煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐”[1]。加快煤礦智能化發(fā)展、建設(shè)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(shè)是基于礦山自動(dòng)化技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合而提出的[3]，井工煤礦的最終目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)井下無人操作。2014年陜西煤業(yè)化工集團(tuán)黃陵礦業(yè)公司一號(hào)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(jīng)過5年多來的發(fā)展，到2020年底，全國已建成400多個(gè)智能化采掘工作面。智能化開采已經(jīng)上升到國家層面，并成為行業(yè)共識(shí)，全國已掀起一股智能化開采的浪潮，推動(dòng)我國煤炭工業(yè)的第四次技術(shù)革命。

1 我國煤礦智能化礦井建設(shè)現(xiàn)狀

1.1 煤礦智能化建設(shè)發(fā)展脈絡(luò)

我國煤礦開采的作業(yè)方式，經(jīng)過了傳統(tǒng)的人力作業(yè)—(半)機(jī)械化-綜合自動(dòng)化-智能化開采(工業(yè)互聯(lián)網(wǎng))4個(gè)階段的發(fā)展過程，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“智慧化礦山”。

自20世紀(jì)80年代到20世紀(jì)末，我國煤炭開采經(jīng)歷了機(jī)械化、自動(dòng)化的發(fā)展過程。同時(shí)，液壓牽引與電牽引采煤機(jī)、電液控液壓支架、井下人員定位、通風(fēng)、瓦斯等監(jiān)控技術(shù)與裝備開始在全國各類煤礦推廣應(yīng)用，為煤炭企業(yè)安全高效生產(chǎn)發(fā)揮了重要作用。智能礦山建設(shè)的提出是信息時(shí)代與知識(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然結(jié)果[5]。煤礦實(shí)現(xiàn)機(jī)械化開采后，進(jìn)一步開展自動(dòng)化開采，進(jìn)而再實(shí)現(xiàn)智能化開采成為世界采礦界不懈追求的目標(biāo)。信息技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了煤炭智能化建設(shè)，比如：基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的自動(dòng)化采礦技術(shù)，基于信息技術(shù)的數(shù)字化采礦技術(shù)，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，這些技術(shù)的發(fā)展為智能化開采奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2000年之后，隨著我國通信、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，逐步形成了深度融合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等科學(xué)技術(shù)的5G技術(shù)生態(tài)，為煤炭行業(yè)的智能化發(fā)展提供了基礎(chǔ)保障[6]。同時(shí)，在智能化煤礦總體構(gòu)架建設(shè)、應(yīng)用場(chǎng)景分析、關(guān)鍵裝備與產(chǎn)品研發(fā)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定等方面也取得很大進(jìn)步。王國法院士團(tuán)隊(duì)[7-8]闡述了煤礦智能化建設(shè)的原則和總體要求，給出了煤礦智能化標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)架及建設(shè)思路，并在設(shè)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(nèi)涵和定義、智能煤礦基礎(chǔ)搭建、智能煤礦頂層設(shè)計(jì)等內(nèi)容的智能煤礦總體架構(gòu)建設(shè)方案；何滿潮院士[10]提出了5G +N00 礦井的遠(yuǎn)程無人化智慧采礦模式。

1.2 智能化采煤技術(shù)

煤礦智能化建設(shè)經(jīng)過5年多的發(fā)展，技術(shù)也在不斷升級(jí)完善，采礦技術(shù)從1.0時(shí)代也發(fā)展到了3.0時(shí)代，從技術(shù)發(fā)展的角度正逐步向4.0時(shí)代邁進(jìn)。目前，智能化開采的核心是以電液控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，以“采煤機(jī)記憶截割+增強(qiáng)感知高清視頻場(chǎng)景在現(xiàn)+人工遠(yuǎn)程輔助干預(yù)”的地面采煤模式[11]。

1.0時(shí)代是以綜采工作面中部“三機(jī)”協(xié)同，巷道遠(yuǎn)程控制的采煤技術(shù)；2.0時(shí)代是以全工作面增強(qiáng)感知+“三機(jī)”協(xié)同+全工藝自動(dòng)化作業(yè)技術(shù)系統(tǒng)，井下巷道或地面控制中心均可遠(yuǎn)程控制的“一鍵啟?！?，兩端頭實(shí)現(xiàn)超前支架自移的配套作業(yè)技術(shù)；3.0時(shí)代是以地質(zhì)勘探勘測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立工作面靜態(tài)三維模型，形成以地質(zhì)模型+數(shù)據(jù)規(guī)劃+自主決策的全工作面自動(dòng)化作業(yè)技術(shù)系統(tǒng)，同時(shí)可應(yīng)用大數(shù)據(jù)、分析決策、精準(zhǔn)控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自主截割，工作面無人開采。2014年智能開采3.0時(shí)代的技術(shù)體系在黃陵礦業(yè)公司一號(hào)礦進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)獲得成功，工作面中部煤機(jī)截割速度達(dá)到7 m/min，割三角煤速度達(dá)到5 m/min，模型精度達(dá)到150 mm左右，取得突破性進(jìn)展。

1.3 智能化掘進(jìn)技術(shù)

目前，煤炭行業(yè)的智能化掘進(jìn)，從現(xiàn)場(chǎng)的裝備配置及應(yīng)用來看，是在傳統(tǒng)綜掘的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步升級(jí)的快速掘進(jìn)系統(tǒng)，是以掘錨一體機(jī)和TBM盾構(gòu)機(jī)為代表的裝備系統(tǒng)。掘錨一體機(jī)，主要用于煤巷掘進(jìn)，月進(jìn)尺達(dá)到2 000～3 000 m/月，取得較好應(yīng)用效果。TBM盾構(gòu)機(jī)主要用于巖巷掘進(jìn)，從應(yīng)用情況來看，月進(jìn)尺達(dá)到400 m以上，應(yīng)用效果非常好，這2項(xiàng)技術(shù)裝備的應(yīng)用，大大緩解了礦井生產(chǎn)接續(xù)緊張的局面，為加快推廣智能化掘進(jìn)技術(shù)發(fā)揮了巨大作用。該系統(tǒng)具備如下功能：①實(shí)現(xiàn)掘、支、運(yùn)一體化。掘進(jìn)落煤、臨時(shí)支護(hù)、運(yùn)煤、永久支護(hù)一體化，可實(shí)現(xiàn)部分工藝同時(shí)作業(yè)。②實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)遠(yuǎn)程控制。在掘錨一體機(jī)后方約20～30 m設(shè)置操控平臺(tái)，操作人員利用視頻監(jiān)控操作掘進(jìn)機(jī)，按設(shè)定的截割模型實(shí)現(xiàn)自動(dòng)截割。③實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位，中心偏移自調(diào)整。利用紅外控制器，控制截割頭按設(shè)定的路線割煤，防止超挖，提升自動(dòng)化水平。④設(shè)置電子圍欄。在掘進(jìn)作業(yè)期間，若有人員靠近電子圍欄設(shè)定區(qū)域，立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)并自動(dòng)切斷電源，保障安全掘進(jìn)。同時(shí)，工作面現(xiàn)場(chǎng)視頻畫面實(shí)時(shí)上傳地面調(diào)度室，提升安全管理水平。

1.4 安全生產(chǎn)與生產(chǎn)經(jīng)營管理系統(tǒng)

目前大型現(xiàn)代化煤礦基本都建設(shè)了綜合自動(dòng)化管理平臺(tái)，對(duì)井下人員定位、礦壓、通風(fēng)、瓦斯、防滅火、水文、煤塵等指標(biāo)可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，地面瓦斯抽采、主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行、水電供應(yīng)系統(tǒng)、主帶式輸送機(jī)等均實(shí)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制。生產(chǎn)輔助系統(tǒng)使用機(jī)器人巡檢，固定崗位無人，取得明顯減人效果。同時(shí)，這些煤礦大都建設(shè)了“三網(wǎng)一張圖”系統(tǒng)，可進(jìn)行產(chǎn)供銷全流程的信息化管理，基本能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)經(jīng)營領(lǐng)域的信息共享。

2 智能化礦井建設(shè)需要把握的幾個(gè)問題

2.1 災(zāi)害治理永遠(yuǎn)是礦井智能化工作的前提

智能化環(huán)境感知代替不了災(zāi)害治理，災(zāi)害治理達(dá)標(biāo)是礦井安全生產(chǎn)的前提，否則智能化礦井的安全運(yùn)行就不會(huì)實(shí)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(qiáng)災(zāi)害治理的基礎(chǔ)理論研究，強(qiáng)化日常管理，夯實(shí)煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)督管理的長(zhǎng)效機(jī)制，仍是企業(yè)安全生產(chǎn)的根本。以技術(shù)為支撐，以精細(xì)管理為抓手，以裝備為保障，三者并重，實(shí)施“人-機(jī)-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(duì)災(zāi)害治理的達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)，應(yīng)作為智能化礦井建設(shè)的前置條件，實(shí)行安全一票否決。

2.2 現(xiàn)階段礦井智能化仍處于初級(jí)水平

智能化煤礦是現(xiàn)代采煤技術(shù)與信息化技術(shù)融合的產(chǎn)物。從目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件看，在煤層賦存相對(duì)穩(wěn)定、變化較小的煤礦應(yīng)用較好，對(duì)煤層賦存條件較復(fù)雜的傾斜煤層等的應(yīng)用還有待進(jìn)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(jī)記憶截割+生產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集中控制來實(shí)現(xiàn)的，是利用采煤機(jī)的自主學(xué)習(xí)功能，在礦井綜合自動(dòng)化基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的智能化。因此，也就決定了現(xiàn)階段智能化礦井建設(shè)的初級(jí)階段特征。當(dāng)前煤礦全時(shí)空多元信息融合感知還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)運(yùn)用的作用還不足；分析決策、數(shù)字孿生協(xié)同控制、系統(tǒng)故障自診斷及分析預(yù)警、工作面礦壓與支護(hù)耦合自適應(yīng)機(jī)理等方面還需要進(jìn)一步研究。

2.3 礦井智能化離不開采煤、掘進(jìn)兩個(gè)核心的智能化

智能化礦井是采煤、掘進(jìn)為主體的智能化。具體是要把采掘工藝用數(shù)字化描述并轉(zhuǎn)為機(jī)器語言，把過去由人工操作，全部轉(zhuǎn)換成由高級(jí)智能機(jī)器來操作。實(shí)現(xiàn)采煤、掘進(jìn)作業(yè)數(shù)字化的目標(biāo)，才接近真正的智能化。智能化開采是多專業(yè)、多學(xué)科融合的系統(tǒng)工程，是以采礦理論為統(tǒng)領(lǐng)，融入計(jì)算機(jī)、電子信息、網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)融合的巨系統(tǒng)。因此，實(shí)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(jìn)，要把掘進(jìn)工藝優(yōu)化與裝備自動(dòng)化、智能化相融合，需要以鉆錨自動(dòng)化，支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，錨桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化及材料改進(jìn)，掘錨平行作業(yè)的研究為突破口，開發(fā)實(shí)用可靠的支護(hù)工藝、材料與裝備。

2.4 準(zhǔn)確把握行業(yè)智能化礦井建設(shè)，絕大多數(shù)煤礦應(yīng)以礦井升級(jí)改造為主

根據(jù)國家能源局等八部委下發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》要求的3個(gè)階段性目標(biāo)，以及公布的71處智能化示范礦井建設(shè)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(jī)械、電子、控制等方面的技術(shù)，開采條件復(fù)雜的工作面設(shè)備位姿，傳感器網(wǎng)絡(luò)的改造難度更大。因此，前期方案的制定、工程總體設(shè)計(jì)要科學(xué)合理，否則欲速則不達(dá)，不但滿足不了智能化升級(jí)改造的總體效果要求，還造成更大的浪費(fèi)。對(duì)于礦井網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的改造升級(jí)，要立足當(dāng)前，謀劃長(zhǎng)遠(yuǎn)。加快對(duì)“5G+工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)研究，把5G技術(shù)的低延時(shí)、低能耗、泛在網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)和物聯(lián)網(wǎng)的感知識(shí)別普適化、異構(gòu)設(shè)備互聯(lián)化、網(wǎng)絡(luò)終端規(guī)?；忍攸c(diǎn)相融合。尤其是應(yīng)用場(chǎng)景的研究，用識(shí)別定位技術(shù)，M2M技術(shù)的優(yōu)越功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)器對(duì)機(jī)器，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，遠(yuǎn)距離收集信息、設(shè)置參數(shù)與發(fā)布指令。利用信息物理系統(tǒng)(CPS)針對(duì)井下系統(tǒng)戰(zhàn)線長(zhǎng)、設(shè)備監(jiān)控點(diǎn)多、安全監(jiān)測(cè)廣等特點(diǎn)，通過3C(通信、計(jì)算、控制)技術(shù)有機(jī)融合與深度協(xié)作，建設(shè)系統(tǒng)構(gòu)架，定制智能化礦井的發(fā)展規(guī)劃。

2.5 具有嵌入式技術(shù)的智能化裝備是實(shí)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(jī)自動(dòng)化程度比較低，無法滿足自動(dòng)化、智能化運(yùn)行的基本要求。具有嵌入式技術(shù)的裝備是集計(jì)算機(jī)的軟硬件、傳感器技術(shù)、集成電路技術(shù)、電子應(yīng)用技術(shù)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(wǎng)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(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然要求。

2.6 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)要提升集成網(wǎng)絡(luò)價(jià)值

當(dāng)前，礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)基本是礦井原來各種系統(tǒng)的簡(jiǎn)單集成，集成網(wǎng)絡(luò)價(jià)值未得到提升，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：①感知手段傳統(tǒng)單一，集中式的傳感裝置在某個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)難以按實(shí)際要求構(gòu)建靈活實(shí)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(wǎng)絡(luò)，基本沒有統(tǒng)一的井下無線覆蓋感知層網(wǎng)絡(luò)，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(yīng)用層面的信息融合，煤礦綜合自動(dòng)化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了已有子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化集成，但各個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)與信息融合智能決策沒有應(yīng)用，虛擬世界與物理世界的深度融合還遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)。

2.7 采掘工作面輔助作業(yè)移動(dòng)機(jī)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(yùn)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(yùn)、管道拆除、風(fēng)筒掛設(shè)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(dòng)機(jī)器人替代這些崗位的人工勢(shì)在必行。尤其是災(zāi)變情況下，機(jī)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(shù)在井工礦井應(yīng)用尚早

汽車無人駕駛技術(shù)，國外從20世紀(jì)80年代開始研究，我國2011年才開始起步。目前采用L2技術(shù)的部分自動(dòng)操作汽車已經(jīng)上路，稱為“自動(dòng)駕駛”，但離不開司機(jī)；近期更高級(jí)別的采用L4技術(shù)的車輛正在上路測(cè)試，該級(jí)別汽車屬于高級(jí)別“自動(dòng)駕駛”，但也離不開司機(jī)，只是減少了司機(jī)操作的工作量，遇到特殊情況必須人工操作。自動(dòng)駕駛、無人駕駛，需要車、路、環(huán)境(網(wǎng)絡(luò))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(shè)不能實(shí)現(xiàn)真正的無人駕駛，又與智能化礦山建設(shè)的初衷不符。因此，認(rèn)為只有具備L5級(jí)以上技術(shù)的無人駕駛技術(shù)，才能在煤礦井下應(yīng)用。

3 結(jié)論

智能化開采、智能化礦井建設(shè)是煤炭企業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇。智能化生產(chǎn)把煤礦工人從危險(xiǎn)的作業(yè)環(huán)境中解放出來，從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來，可實(shí)現(xiàn)“無人則安，少人則安”，是以人為本的煤炭企業(yè)擔(dān)當(dāng)?shù)纳鐣?huì)責(zé)任和企業(yè)核心價(jià)值觀的體現(xiàn)。然而在當(dāng)前煤礦智能化發(fā)展過程中，對(duì)現(xiàn)實(shí)問題要有清醒認(rèn)識(shí)，發(fā)展中要圍繞核心、突出重點(diǎn)，解決難點(diǎn)痛點(diǎn)問題，以期使煤炭企業(yè)的智能化礦井建設(shè)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。