煤炭是我國的基礎(chǔ)能源和重要原料，煤炭資源的安全穩(wěn)定開發(fā)關(guān)系國計民生和國家能源安全。在推進碳達峰碳中和目標(biāo)、建設(shè)多能融合的新型能源體系過程中，煤炭擔(dān)負著能源穩(wěn)定供應(yīng)“壓艙石”和結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級“穩(wěn)定器”的作用，肩負著保障國家經(jīng)濟社會平穩(wěn)運行、確保國家能源安全的重要歷史使命。在未來相當(dāng)長時間內(nèi)，我國能源需求仍將繼續(xù)增長，煤炭仍將是可清潔高效利用的主體能源。但是，能源特別是煤炭需求的不確定性增加，現(xiàn)有煤炭生產(chǎn)供給方式難以適應(yīng)國家能源發(fā)展要求，必須建立以煤礦智能化支撐的柔性生產(chǎn)供給體系，發(fā)揮煤炭為“雙碳”兜底、為能源安全兜底、為國家安全兜底的作用。煤礦智能化是煤炭工業(yè)發(fā)展的必由之路，是實現(xiàn)新時期、新煤炭、新格局高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)的核心技術(shù)支撐。2020年2月，國家發(fā)改委等八部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出了我國煤礦智能化發(fā)展的原則、目標(biāo)與技術(shù)路徑，明確提出了3個階段發(fā)展目標(biāo)。其中，第一個階段發(fā)展目標(biāo)：2021年底，建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦。為了落實國家八部委指導(dǎo)意見精神，2020年12月，國家能源局、原國家煤礦安全監(jiān)察局印發(fā)了《關(guān)于開展首批智能化示范煤礦建設(shè)的通知》，確定71處煤礦作為國家首批智能化示范建設(shè)煤礦，其中，井工煤礦66座，露天煤礦5座。為了進一步指導(dǎo)智能化示范煤礦建設(shè)，2021年6月，由國家能源局、國家礦山安全監(jiān)察局聯(lián)合印發(fā)了《煤礦智能化指南（2021年版）》（以下簡稱《指南》）。2021年版《指南》是基于我國現(xiàn)階段煤礦智能化建設(shè)現(xiàn)狀、智能化技術(shù)與裝備研發(fā)應(yīng)用實際確定的技術(shù)指導(dǎo)性文件，提出了煤礦智能化建設(shè)的原則、目標(biāo)、技術(shù)架構(gòu)和建設(shè)內(nèi)容，為智能化煤礦建設(shè)提供技術(shù)路徑與方向指引。
01煤礦智能化建設(shè)原則、目標(biāo)與技術(shù)架構(gòu)
《指南》首先從4個維度闡述了智能化煤礦建設(shè)原則：1）從宏觀區(qū)域維度提出了井工煤礦分類建設(shè)、分級達標(biāo)的原則。由于我國不同區(qū)域煤礦的煤層賦存條件、建設(shè)基礎(chǔ)、智能化技術(shù)成熟度等存在較大差異，因此，提出了分類建設(shè)和分級達標(biāo)相結(jié)合的原則。其中，露天煤礦和選煤廠則不進行分類，直接根據(jù)工藝技術(shù)條件進行分級建設(shè)。2）從單個礦井維度提出了因礦施策、培育典型的原則。雖然進行了分類建設(shè)，但同一類別的不同礦井仍然存在較大差異，因此，智能化煤礦建設(shè)應(yīng)一礦一策，培育建設(shè)一批智能化示范煤礦，發(fā)揮智能化示范煤礦的模范帶動作用。3）從礦井各系統(tǒng)維度提出系統(tǒng)規(guī)劃、全面推進的原則。單個系統(tǒng)的智能化建設(shè)并不能代表整個礦井的智能化程度，智能化煤礦建設(shè)應(yīng)進行各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)的融合建設(shè)，體現(xiàn)礦井的整體智能化程度。4）最后從安全、效率與效益維度提出以人為本、安全高效的原則。智能化煤礦建設(shè)不應(yīng)是花架子，應(yīng)將減人、增安、提效作為煤礦智能化建設(shè)的終極目標(biāo)，實現(xiàn)礦井安全、效率、效益的穩(wěn)步提升?！吨改稀访鞔_了生產(chǎn)礦井、新建（改建）礦井的建設(shè)目標(biāo)，其中新建礦井應(yīng)全面開展智能化煤礦建設(shè)，生產(chǎn)礦井又根據(jù)不同礦井的分類結(jié)果，分別細化了總體建設(shè)目標(biāo)。從信息化建設(shè)的角度進行分析，井工煤礦、露天煤礦、選煤廠均應(yīng)具備感知、分析、決策、控制等智能化特征，受不同煤礦開采工藝、災(zāi)害類型等影響，不同煤礦的系統(tǒng)模塊可能存在一定的差異，但總體技術(shù)架構(gòu)差異不大。因此，建設(shè)智能井工煤礦與露天煤礦采用了相同的技術(shù)架構(gòu)，如圖1所示，《指南》中的技術(shù)架構(gòu)主要是對智能化煤礦建設(shè)進行總體架構(gòu)設(shè)計引導(dǎo)，是一種參考性的架構(gòu)思想。
圖1 智能化煤礦參考技術(shù)架構(gòu)
02井工煤礦智能化建設(shè)內(nèi)容與技術(shù)路徑
井工煤礦智能化建設(shè)內(nèi)容主要包含了12個子模塊，由于智能化綜合管控平臺對于煤礦智能化建設(shè)非常重要，因此，在信息基礎(chǔ)設(shè)施中提出了綜合管控平臺的總體建設(shè)內(nèi)容，后續(xù)又將其單獨作為一個獨立模塊進行相關(guān)技術(shù)內(nèi)容的論述，智能化煤礦綜合管控平臺設(shè)計思路如圖2所示。
圖2 智能化煤礦綜合管控平臺設(shè)計思路
信息基礎(chǔ)設(shè)施部分主要對網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心進行了相關(guān)技術(shù)指引，重點提出了網(wǎng)絡(luò)的高速、高可靠性。針對5G技術(shù)不夠成熟以及相關(guān)應(yīng)用場景缺乏的現(xiàn)狀，《指南》中提出鼓勵逐步開展5G+礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，提升煤礦各系統(tǒng)的綜合感知能力、融合交互能力。針對礦井各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、格式等不統(tǒng)一導(dǎo)致煤礦數(shù)據(jù)煙囪、信息孤島現(xiàn)象較為突出的現(xiàn)狀，《指南》中明確提出應(yīng)統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和訪問接口標(biāo)準(zhǔn)；針對煤礦低維度小樣本的數(shù)據(jù)特征，傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)技術(shù)難以直接應(yīng)用于煤礦各業(yè)務(wù)系統(tǒng)，《指南》中提出在平臺沉淀礦山知識模型，相關(guān)數(shù)據(jù)模型的建設(shè)上難以一蹴而就，這是一個長期積累、逐步突破的過程；另外，《指南》還根據(jù)數(shù)據(jù)處理時效性等差異，提出了云邊端的架構(gòu)設(shè)計思路，智能化煤礦數(shù)據(jù)中心建設(shè)思路如圖3所示。
圖3 智能化煤礦數(shù)據(jù)中心建設(shè)
智能地質(zhì)保障系統(tǒng)則重點從地質(zhì)探測與數(shù)據(jù)處理2個方面進行了論述。地質(zhì)保障系統(tǒng)首先應(yīng)實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)的數(shù)字化、地質(zhì)探測裝備的自動化等，然后對地質(zhì)數(shù)據(jù)建模進行了要求，如圖4所示。高精度地質(zhì)模型是智能化煤礦建設(shè)的基礎(chǔ)，還是智能化煤礦各子系統(tǒng)實現(xiàn)業(yè)務(wù)智能聯(lián)動控制的資源底圖，但地質(zhì)模型精度目前尚難以滿足智能化煤礦要求。在透明地質(zhì)專欄中對地質(zhì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、高精度地質(zhì)模型、地質(zhì)大數(shù)據(jù)云平臺進行了詳細說明。
圖4 智能地質(zhì)保障系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)
智能掘進系統(tǒng)的技術(shù)成熟度相對較低，目前我國煤礦煤巷掘進平均月進尺尚不足200 m，因此，智能掘進應(yīng)首先突破智能化快速掘進相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)掘支平行作業(yè)，在快速掘進的基礎(chǔ)上實現(xiàn)智能化掘進。智能化快速掘進目前尚存在智能探測、掘進設(shè)備定姿定位與導(dǎo)航、智能截割等相關(guān)技術(shù)難題。在《指南》中鼓勵對相關(guān)技術(shù)進行研發(fā)應(yīng)用，并在智能掘進系統(tǒng)專欄中對智能超前探測系統(tǒng)、掘進設(shè)備導(dǎo)航和定位截割系統(tǒng)、錨桿錨索自動化鉆裝系統(tǒng)、多機協(xié)同控制系統(tǒng)、裝備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)等進行了特別說明，明確了相關(guān)技術(shù)存在的難點及研發(fā)方向。智能化采煤系統(tǒng)相對技術(shù)成熟度比較高，《指南》中建議對不同煤層條件的采煤工作面采用資源條件適應(yīng)性智能化開采技術(shù)，提出了4種智能化采煤模式。由于薄、中厚煤層更容易實現(xiàn)智能化開采，因此，指南中提出條件適宜的薄、中厚煤層應(yīng)實現(xiàn)智能化少人開采，逐步實現(xiàn)常態(tài)化無人開采。LASC技術(shù)雖然在澳大利亞進行了全面推廣應(yīng)用，但在國內(nèi)多個礦區(qū)應(yīng)用中尚存在諸多問題，其應(yīng)用效果并未達到預(yù)期效果，因此，在《指南》中并未對LASC技術(shù)應(yīng)用做相關(guān)要求。另外，基于地質(zhì)模型的智能化開采技術(shù)部分在礦井進行了試驗性應(yīng)用，取得了一定的效果，如圖5所示，但相關(guān)技術(shù)仍然存在諸多技術(shù)瓶頸，因此，《指南》鼓勵條件適宜的工作面應(yīng)用基于地質(zhì)模型的智能化開采。在智能采煤系統(tǒng)專欄中對采煤機智能截割系統(tǒng)、液壓支架自適應(yīng)支護系統(tǒng)、刮板輸送機智能運輸系統(tǒng)、帶式輸送機智能運輸系統(tǒng)等進行了技術(shù)說明。
圖5 基于透明地質(zhì)的工作面智能化開采
智能主煤流運輸系統(tǒng)的技術(shù)成熟度相對也比較高，《指南》中明確提出了帶式輸送機應(yīng)具備單機自動控制、多機協(xié)同聯(lián)動、遠程集中控制、煤量自動平衡、粉塵濃度檢測等相關(guān)功能，而對于基于AI的煤量識別、人員違規(guī)作業(yè)監(jiān)測等技術(shù)，雖然相關(guān)技術(shù)較成熟，但考慮在不同類型礦井其應(yīng)用效果及應(yīng)用成本等問題，《指南》中鼓勵采用相關(guān)AI技術(shù)。對于立井箕斗提升則重點關(guān)注對提升設(shè)備相關(guān)技術(shù)參數(shù)的監(jiān)測與聯(lián)動控制，要求條件適宜的礦井應(yīng)實現(xiàn)立井箕斗提升的無人值守作業(yè)。
智能輔助運輸?shù)募夹g(shù)成熟度相對較低，對于智能輔助運輸?shù)募夹g(shù)發(fā)展路徑，提出應(yīng)首先實現(xiàn)輔助運輸?shù)倪B續(xù)運輸、自動運輸，然后再實現(xiàn)輔助運輸?shù)闹悄芑?/span>由于目前井下精準(zhǔn)定位相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未發(fā)布，在《指南》中并未就車輛精準(zhǔn)定位進行定量要求。《指南》中明確了智能輔助運輸系統(tǒng)應(yīng)建設(shè)智能調(diào)度系統(tǒng)，但目前智能調(diào)度系統(tǒng)的技術(shù)成熟度相對也比較低，所以并未進行詳細說明。對于無軌膠輪車，則鼓勵開展無軌膠輪車的無人駕駛研發(fā)及實踐，研發(fā)應(yīng)用地面遠程遙控駕駛和智能化自動駕駛技術(shù)，實現(xiàn)車輛自動啟停、自主避讓、自動跟車等功能。該部分內(nèi)容還對井下機器人相關(guān)技術(shù)進行說明，目前，國家鼓勵機器人研發(fā)及應(yīng)用，但主要以巡檢機器人為主，執(zhí)行操作類機器人的技術(shù)成熟度尚較低，因此，《指南》鼓勵開展井下輔助作業(yè)的機器人研發(fā)。智能通風(fēng)系統(tǒng)主要對通風(fēng)參數(shù)感知、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)智能解算進行了限定，目前，部分礦井研發(fā)應(yīng)用了智能通風(fēng)系統(tǒng)，但受制于《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)條款約束，煤礦尚不允許通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果進行智能調(diào)風(fēng)。在智能通風(fēng)系統(tǒng)專欄中，對通風(fēng)系統(tǒng)感知技術(shù)、通風(fēng)設(shè)備、智能通風(fēng)軟件系統(tǒng)進行了相關(guān)技術(shù)路徑說明。智能供電與供排水系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)成熟度較高，在《指南》中明確井下變電所、水泵房等固定場所應(yīng)實現(xiàn)無人值守作業(yè)，提出應(yīng)建設(shè)大數(shù)據(jù)分析的智能供電決策系統(tǒng)，實現(xiàn)故障的預(yù)判和預(yù)處理、快速故障隔離；智能排水系統(tǒng)應(yīng)按照水量實現(xiàn)排水用電自動削峰填谷，智能優(yōu)化排水方式，實現(xiàn)能耗自評估和故障自診斷?？紤]水資源保護問題，《指南》中對污水智能處理系統(tǒng)進行了相關(guān)技術(shù)要求，提出了污水處理系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的主要技術(shù)路徑。智能安全監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦非常重要的一個子系統(tǒng)，但由于不同礦井的災(zāi)害類型存在較大差異，因此，應(yīng)根據(jù)礦井自身的災(zāi)害類型建設(shè)相關(guān)的災(zāi)害防控模塊。《指南》中提出應(yīng)建設(shè)基于綜合監(jiān)測的災(zāi)害防治平臺，具備災(zāi)害風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警、智能分析模擬、應(yīng)急救援輔助指揮、事故原因分析、礦井災(zāi)變狀態(tài)下避災(zāi)路線智能規(guī)劃等功能，該平臺是對井下各災(zāi)害防控模塊的集成，實現(xiàn)了不同災(zāi)害的數(shù)據(jù)融合與聯(lián)動控制。在智能安全監(jiān)控系統(tǒng)專欄中，對不同災(zāi)害模塊實現(xiàn)智能化監(jiān)測、預(yù)測、預(yù)警、防控進行了技術(shù)路徑梳理。智能綜合管控平臺是體現(xiàn)煤礦智能化程度的集成平臺，通過進行多部門、多專業(yè)、多管理層面的數(shù)據(jù)集中應(yīng)用、交互共享和決策支持，實現(xiàn)煤礦地質(zhì)勘探、巷道掘進、煤炭開采、主輔運輸、通風(fēng)排水、供液供電、安全防控等業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合、分析決策與智能聯(lián)動控制，井上下各系統(tǒng)實現(xiàn)“監(jiān)測、控制、管理”的一體化及智能聯(lián)動控制。智能化園區(qū)主要是煤礦地面設(shè)施和運營的智能化建設(shè)，由于智能化園區(qū)建設(shè)需要較大的資金投入，且與生產(chǎn)安全和效率效益的相關(guān)性不強，因此，《指南》中只要求地質(zhì)條件Ⅰ類礦井進行示范性的建設(shè)，體現(xiàn)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用及先進性，其他礦井可以根據(jù)自身需要進行相關(guān)模塊的建設(shè)，并不作為全面建設(shè)要求。經(jīng)營管理系統(tǒng)相對技術(shù)成熟度要高一些，主要是構(gòu)建“人財物一體、產(chǎn)運銷一體、業(yè)務(wù)全面互聯(lián)互通”的智能化經(jīng)營管理平臺，覆蓋煤礦的管理決策、財務(wù)、生產(chǎn)、人力、物資、機電、計劃預(yù)算、安環(huán)、調(diào)度、項目管理等領(lǐng)域。根據(jù)不同建設(shè)條件的礦井類型，《指南》還提出了相關(guān)重點建設(shè)內(nèi)容，以及部分定量建設(shè)指標(biāo)。
03露天煤礦智能化建設(shè)內(nèi)容與技術(shù)路徑
露天煤礦與井工煤礦采用相同的技術(shù)架構(gòu)，但不進行分類，而是直接根據(jù)礦井地質(zhì)條件進行分級建設(shè)。露天煤礦相關(guān)建設(shè)內(nèi)容主要分為2部分，信息基礎(chǔ)設(shè)施與生產(chǎn)運行系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容，如圖6所示。
圖6 露天煤礦智能化建設(shè)內(nèi)容
信息基礎(chǔ)設(shè)施主要對智能感知與網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進行了技術(shù)說明，露天礦應(yīng)采用應(yīng)用自動控制、智能感知等技術(shù)對鉆機、挖掘機、自卸卡車、破碎機、帶式輸送機、排土機、推土機等設(shè)備及其他基礎(chǔ)設(shè)施進行數(shù)字化改造，完善工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及信息安全建設(shè)，通過生產(chǎn)設(shè)備的自動化、集成化、智能化改造逐步替代人工操作，實現(xiàn)節(jié)能減排、減員增效、提高勞動生產(chǎn)率和資源綜合利用率的目的。生產(chǎn)運行系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容又細分為智能地質(zhì)、測量、開采保障系統(tǒng)、智能穿爆系統(tǒng)、單斗—卡車間斷工藝智能化系統(tǒng)、半連續(xù)工藝智能化系統(tǒng)、輪斗連續(xù)工藝智能化系統(tǒng)、智能輔助生產(chǎn)系統(tǒng)、智能安全監(jiān)控系統(tǒng)、智能化園區(qū)、生產(chǎn)經(jīng)營管理系統(tǒng)、信息智能綜合管控平臺，我國露天煤礦多采用間斷工藝或半連續(xù)工藝，導(dǎo)致相關(guān)智能化技術(shù)與國外露天礦尚有一定差距。由于不同地質(zhì)條件露天煤礦采用不同的開采工藝，因此，《指南》對穿爆系統(tǒng)、單斗—卡車間斷工藝智能化系統(tǒng)、半連續(xù)工藝智能化系統(tǒng)、輪斗連續(xù)工藝智能化系統(tǒng)分別進行了說明，而不同礦井的智能地質(zhì)、測量、開采保障系統(tǒng)、智能輔助生產(chǎn)系統(tǒng)、智能安全監(jiān)控系統(tǒng)、智能化園區(qū)、生產(chǎn)經(jīng)營管理系統(tǒng)、信息智能綜合管控平臺建設(shè)則相差不大。
04結(jié)語
煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路，這已成為行業(yè)共識，《指南》明確了建設(shè)什么樣的智能化煤礦，如何建設(shè)智能化煤礦的基本路徑。一些地方和企業(yè)已發(fā)布的煤礦智能化地方標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和建設(shè)要求由于技術(shù)支撐不成熟，存在很多不合理、不科學(xué)的內(nèi)容，應(yīng)以八部委《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》和《煤礦智能化建設(shè)指南（2021年版）》為指導(dǎo)，以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，統(tǒng)一架構(gòu)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一術(shù)語，糾正概念濫用，棄虛向?qū)崳钥穗y，推動煤礦智能化健康發(fā)展。煤炭智能化發(fā)展愿景是實現(xiàn)煤礦全時空多源信息實時感知，風(fēng)險閉環(huán)管控本質(zhì)安全；全流程人-機-環(huán)-管數(shù)字互聯(lián)高效協(xié)同運行，生產(chǎn)現(xiàn)場全自動化作業(yè)；煤礦職工更體面地工作，煤炭企業(yè)實現(xiàn)更多價值創(chuàng)造。煤炭智能化是信息技術(shù)、智能技術(shù)與采礦技術(shù)的深度融合發(fā)展，智能化煤礦建設(shè)是高新技術(shù)融入礦山應(yīng)用場景，實現(xiàn)迭代發(fā)展、不斷進步的變化過程，不是一次性結(jié)果，不是“基建交鑰匙工程”。煤礦智能化建設(shè)開啟了煤炭行業(yè)全面創(chuàng)新和技術(shù)變革的新時代，支撐我國煤炭開采邁向減人、增安、提效、職工幸福、體面工作的美好未來。
來源:智能礦山雜志
