煤炭是我國的主體能源，也是最經(jīng)濟(jì)和可清潔高效利用的能源。基于當(dāng)前世界能源格局和我國資源稟賦以及現(xiàn)實經(jīng)濟(jì)社會需求，未來相當(dāng)長時間內(nèi)，煤炭仍將在世界能源結(jié)構(gòu)中占較大比例，仍將是我國主體能源。在當(dāng)前第 3 次工業(yè)革命與第 4 次工業(yè)革命的歷史交匯期，應(yīng)用信息技術(shù)、智能制造技術(shù)和人工智能技術(shù)發(fā)展的成果，實現(xiàn)煤炭安全高效綠色開采和清潔高效利用，發(fā)展智慧煤礦成為煤炭工業(yè)發(fā)展的必由之路[1-2]。我國煤炭以井工開采為主，經(jīng)過多年發(fā)展，我國煤炭綜采技術(shù)裝備已從依賴進(jìn)口到全部國產(chǎn)化。近 10 年來，通過智能化開采技術(shù)與裝備的創(chuàng)新研發(fā)，突破多項關(guān)鍵技術(shù)，在薄和較薄煤層智能化綜采，大采高和超大采高智能化綜采以及特厚煤層綜放開采智能化技術(shù)與裝備方面實現(xiàn)領(lǐng)跑。建成了如黃陵智能化開采示范礦井、兗礦金雞灘煤礦世界首套 8.2 m 超大采高綜采成套技術(shù)與裝備等標(biāo)志性成果[3-4]。已建成一批現(xiàn)代化特大型安全高效煤礦，為全面推進(jìn)智慧煤礦建設(shè)和智能化開采發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。圍繞智慧煤礦及智能化無人開采的重大技術(shù)需求，突破行業(yè)共性核心問題，加快智能、安全、高效現(xiàn)代煤炭生產(chǎn)體系建設(shè)成為主要目標(biāo)。

　　1 智慧煤礦技術(shù)架構(gòu)

　　做好智慧煤礦頂層設(shè)計是保證智慧煤礦建設(shè)沿著正確方向的首要條件。智慧煤礦應(yīng)基于一套標(biāo)準(zhǔn)體系、構(gòu)建一張全面感知網(wǎng)絡(luò)、建設(shè)一條高速數(shù)據(jù)傳輸通道、形成一個大數(shù)據(jù)應(yīng)用中心、開發(fā)一個業(yè)務(wù)云服務(wù)平臺，面向不同業(yè)務(wù)部門實現(xiàn)按需服務(wù)。其總體架構(gòu)包括 8 大智慧系統(tǒng): ①地下精準(zhǔn)定位導(dǎo)航系統(tǒng); ②隨掘隨采精準(zhǔn)探測地質(zhì)信息系統(tǒng); ③智能快速掘進(jìn)和采準(zhǔn)系統(tǒng)，礦井通風(fēng)、供排水、主副運(yùn)智能系統(tǒng); ④工作面智能開采系統(tǒng); ⑤危險源智能預(yù)警與災(zāi)害防控系統(tǒng); ⑥礦井全工位設(shè)備設(shè)施健康智能管理系統(tǒng); ⑦煤礦地面分選運(yùn)銷與生態(tài)建設(shè)智能系統(tǒng); ⑧煤礦物聯(lián)網(wǎng)綜合智能管理系統(tǒng)[10]。智慧煤礦總體架構(gòu)如圖 1 所示。

　　2 智慧煤礦關(guān)鍵核心技術(shù)研究方向

　　煤礦智能化開采和煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)目前已取得了重要進(jìn)展，已建成一批以工作面智能化開采和數(shù)字化信息化管理系統(tǒng)為標(biāo)志的先進(jìn)煤礦。但是，由于煤礦開采條件的復(fù)雜性和多樣性，大多數(shù)智能化工作面還遠(yuǎn)沒有達(dá)到理想效果，智慧煤礦建設(shè)還處于初級起步階段。目前，需要重點進(jìn)行以下 5 個方向的攻關(guān)研發(fā): ①精準(zhǔn)地質(zhì)信息系統(tǒng)及隨掘隨采探測技術(shù)與裝備。②智慧 煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與裝備。 ③巷道智能化快速掘進(jìn)技術(shù)與裝備。④智能化無人開采關(guān)鍵技術(shù)與裝備。⑤煤礦機(jī)器人技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)。

　　除上述這 5 大核心技術(shù)攻關(guān)外，還需要不斷發(fā)展完善上述 8 大智慧系統(tǒng)。

　　2.1 精準(zhǔn)地質(zhì)信息系統(tǒng)及隨掘隨采探測技術(shù)裝備煤礦地質(zhì)信息是一種隨著采掘活動在時間與空間不斷發(fā)生變化的四維動態(tài)信息。精準(zhǔn)地質(zhì)信息作為掘進(jìn)與開采的基礎(chǔ)，是智能化決策的前提條件。因此開發(fā)工作面隨掘隨采探測關(guān)鍵技術(shù)及裝備，實現(xiàn)地球物理數(shù)據(jù)和隨掘隨采數(shù)據(jù)的自動采集、處理和解釋，建立精準(zhǔn)四維動態(tài)地質(zhì)-巷道模型，搭建多源、全方位信息透明的礦井 4DGIS 云平臺，實現(xiàn)地質(zhì)、測量及生產(chǎn)動態(tài)信息的一張三維電子圖管理[14]，是實現(xiàn)智慧煤礦的先決條件。

　　2.2 智慧煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與裝備環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)的感知是實現(xiàn)智能決策、控制的先決條件。現(xiàn)有煤礦各類監(jiān)控系統(tǒng)已實現(xiàn)飛躍式發(fā)展，實現(xiàn)了對于煤礦生產(chǎn)關(guān)鍵信息的基本感知。然而不同廠家的產(chǎn)品基于本企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，其數(shù)據(jù)接口與平臺各異，數(shù)據(jù)獨立進(jìn)行處理，相互之間缺乏通信與融合，數(shù)據(jù)孤島與數(shù)據(jù)碎片化現(xiàn)象嚴(yán)重，因而難以形成有效的數(shù)據(jù)分析模型與算法，分析結(jié)構(gòu)也就缺乏準(zhǔn)確性，難以指導(dǎo)生產(chǎn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)旨在打破數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)設(shè)備之間、設(shè)備與環(huán)境之間、設(shè)備與人員之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)，最終實現(xiàn)萬物互聯(lián)[15-16]。因而，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與裝備是實現(xiàn)智慧煤礦的關(guān)鍵核心技術(shù)。

　　2.3 巷道智能化快速掘進(jìn)技術(shù)與裝備作為煤礦生產(chǎn)的重要前端環(huán)節(jié)，巷道掘進(jìn)的主要難題是采掘失調(diào)。目前綜掘支護(hù)以單體錨桿鉆機(jī)為主，鉆孔效率低; 工序復(fù)雜，錨護(hù)時間長; 機(jī)載鉆機(jī)高精度定位困難。錨桿支護(hù)時間占巷道掘進(jìn)時間的 60%，支護(hù)人員也占 60%以上。掘進(jìn)工序及裝備分散，輔助裝備落后、工藝復(fù)雜，掘、錨工序在掘進(jìn)工作面有限空間交替作業(yè)成巷效率低，制約了掘進(jìn)作業(yè)的快速化、機(jī)械化、智能化。目前巷道快速掘進(jìn)亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題包括: 快速支護(hù)及掘支平行作業(yè)技術(shù); 自主導(dǎo)航與自主連續(xù)截割技術(shù); 遠(yuǎn)程智能管控平臺技術(shù); 適應(yīng)各類條件的高效無人掘進(jìn)成套裝備。

　　2.4 智能化無人開采關(guān)鍵技術(shù)與裝備隨著智能化無人開采的深入發(fā)展，更多的機(jī)械化、信息化的短板被補(bǔ)充完善，煤礦井下精準(zhǔn)定位導(dǎo)航、圖像智能識別、智能化控制等關(guān)鍵核心技術(shù)的應(yīng)用將會越來越成熟。在地質(zhì)條件日益復(fù)雜、生產(chǎn)環(huán)境要求日益提高、安全要求日益嚴(yán)格的大趨勢下，智能化無人開采的需求將會越來越迫切。

　　2.5 煤礦機(jī)器人煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)龐大復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境惡劣，靠人工操作機(jī)械的方式，無法有效減少井下一線作業(yè)人員，實現(xiàn)無人則安。用機(jī)器人替代井下作業(yè)、安控和應(yīng)急救援人工作業(yè)是建設(shè)智慧煤礦的新要求。煤礦作業(yè)類機(jī)器人屬于重載防爆機(jī)器人，其他領(lǐng)域尚無可借鑒的技術(shù)和產(chǎn)品。煤礦安控和應(yīng)急救援類機(jī)器人屬于極端復(fù)雜環(huán)境機(jī)器人，不單要有必備的感知檢控功能，還要求有可靠的防爆、運(yùn)移、導(dǎo)航、避障、路徑規(guī)劃和抗顛覆及自救等功能。因此針對煤礦機(jī)器人，以下共性的關(guān)鍵技術(shù)成為重點研究方向: ①井下機(jī)器人自適應(yīng)變阻抗; 力跟蹤控制方法; ②井下機(jī)器人自我狀態(tài)識別、避障和自主平衡; ③井下長時可靠供電及自主尋徑無線快速充電技術(shù); ④井下多機(jī)器人聯(lián)合通信及協(xié)同控制平臺。

　　3 智慧煤礦巨系統(tǒng)綜合管理系統(tǒng)平臺

　　煤礦生產(chǎn)職能部門眾多，礦用設(shè)備又千差萬別，存在各設(shè)備系統(tǒng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一致、融合困難、無法聯(lián)動、網(wǎng)絡(luò)傳輸可管可控性差以及缺乏大數(shù)據(jù)分析手段等問題，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的充分利用和智能化管控。因此在上述核心技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，其核心模塊必須統(tǒng)一于智慧煤礦綜合管理系統(tǒng)軟件及操作平臺。

　　4 智慧煤礦與智能化開采發(fā)展目標(biāo)

　　作為煤炭產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和技術(shù)革命的戰(zhàn)略目標(biāo)，智慧煤礦和智能化開采核心技術(shù)的研發(fā)已成為采礦行業(yè)升級發(fā)展的強(qiáng)大推動力。然而，建設(shè)智慧煤礦不是簡單技術(shù)改造就能建成的，其中包含的系列關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)行不斷的探索和攻關(guān)，并借助新一代信息技術(shù)帶來的發(fā)展機(jī)遇，借助第 4 次工業(yè)革命和新技術(shù)發(fā)展的成果，與煤炭開發(fā)技術(shù)深度融合，開創(chuàng)綠色、安全、高效的煤礦發(fā)展新模式。

　　5 結(jié) 論

　　1) 智慧煤礦與智能化開采是煤炭工業(yè)現(xiàn)代化的必然趨勢，做好頂層設(shè)計是智慧煤礦與智能化開采健康發(fā)展的重要保證基礎(chǔ)，堅持正確的原則，科學(xué)規(guī)劃智慧煤礦的總體架構(gòu)，建立完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，是智慧煤礦與智能化開采技術(shù)發(fā)展的重要保證。 2) 精準(zhǔn)地質(zhì)信息探測，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與裝備，智能化快速掘進(jìn)技術(shù)與裝備，無人開采關(guān)鍵技術(shù)與裝備以及煤礦機(jī)器人，是當(dāng)前智慧煤礦建設(shè)中的重點研發(fā)方向。 3) 智慧煤礦與智能化開采是一個復(fù)雜巨系統(tǒng)，應(yīng)遵循系統(tǒng)工程理論，開發(fā)智慧煤礦巨系統(tǒng)開放的綜合管理操作平臺，實現(xiàn)感知、分析、決策、管理、開采、運(yùn)輸全生產(chǎn)周期的智慧化一體化管理，從而建成煤礦智能生態(tài)體系。 4) 智慧煤礦與智能化開采是一個不斷發(fā)展的過程，需要不斷探索和攻關(guān)，逐步解決關(guān)鍵核心技術(shù)難題，實現(xiàn)智慧煤礦與智能化開采分階段發(fā)展目標(biāo)。

　　參考文獻(xiàn)( References) :

　　[1] 王國法，龐義輝，任懷偉，等.煤炭安全高效綜采理論、技術(shù)與裝備的創(chuàng)新和實踐[J].煤炭學(xué)報，2018，43( 4) : 903-913. WANG Guofa，PANG Yihui，REN Huaiwei，et al.Coal safe and efficient mining theory，technology and equipment innovation practice[J]. Journal of China Coal Society，2018，43 ( 4) : 903 - 913.

　　[2] 袁 亮. 煤炭精準(zhǔn)開采科學(xué)構(gòu) 想[J]. 煤 炭 學(xué) 報，2017，42 ( 1) : 1-7. YUAN Liang. Scientific conception of precision coal mining[J]. Journal of China Coal Society，2017，42( 1) : 1-7.

　　《智慧煤礦與智能化開采技術(shù)的發(fā)展方向》來源：《煤炭科學(xué)技術(shù)》，作者：王國法1，2，3 ，杜毅博1，3