智慧煤矿的建设路径探讨

李伟建

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

随着信息化和工业化的进一步深入融合，特别是人工智能、物联网、云计算、大数据等技术的飞速发展，各行各业都在向着智能化的新方向发展[1-2]。我国煤矿信息化和自动化水平还有进一步提高的空间，煤矿生产的各子系统之间还是相互独立的，虽然各子系统基本实现了自动化，但各子系统的数据和信息尚未进行有效关联，还缺乏对子系统进行统一协调的“智慧大脑”。

在大数据的时代，智慧矿山的建设以各种各样的数据作为基础，这就需要解决信息的精准有效采集、数据的快速传输、数据的可视化展示，最后实现各设备的自动化运行和煤矿的智能化服务[3-5]。我国高端综采技术与装备研发取得了较快速的发展，取得大批重要成果，极大提升了我国煤炭行业机械化和自动化程度，降低了百万吨死亡率。随着社会的进步和科技的发展，煤炭行业的生产方式也由粗放的生产向着集约化、精细化和智能化的方向转变，智慧矿山建设成为煤炭行业发展必然趋势。2016年，国家发展改革委和国家能源局印发了《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》，文件要求到2030年实现煤炭智能化开采，重点煤矿区基本实现工作面无人化，全国煤矿采煤机械化程度达到95%以上。国家安全生产监督管理总局提出的“机械化换人、自动化减人”科技强安专项行动中，也将煤炭智能化开采技术列为重点研究方向[6-8]。因此，加强智慧矿山建设是煤炭行业实现安全、高效、智能、绿色生产的必然要求。

1 智慧煤矿建设的目标

智慧煤矿就是要在煤矿数字化的基础上，通过信息的精准实时采集、网络化高速传输、规范化集成，实现信息的可视化展现、设备的自动化操作和生产的智能化服务，实现煤矿的绿色、高效开采。随着矿井综合信息化和自动化的不断推进，智慧煤矿的建设将使我国煤炭行业发生根本性变革，很多危险的工作将由机器人代替人工去完成，依托信息化、物联网、数字化、人工智能、大数据等新技术提升和改造传统采矿业，不断开创安全、高效、绿色和可持续的智慧煤矿发展新模式。

智慧煤矿建设第一阶段的目标是初步实现采、掘、运主要环节的自动化运行和智能化决策。第二阶段将多个子系统互联起来，构建多系统融合的智慧矿山架构，实现综采、运输等系统的区域化自动运行和智能决策。第三阶段将建成全矿区、多系统集成、多产业链的智慧矿山体系，全面实现各环节、各系统的数字化精准实时采集、高速实时传输、数据虚拟化展现，采、掘、运、通、选等生产环节的自动运行和智能决策[9]。

2 智慧煤矿建设的措施

目前，我国已建成一批以智能化开采和数字化信息化管理系统为标志的先进煤矿，煤矿智能化开采和煤矿物联网技术已取得了重要进展。但是，由于煤矿开采条件的复杂性和多样性，智能化工作面还远没有达到理想效果，智慧煤矿建设还处于初级起步阶段，需要从以下6个方面进行深入探讨，如图1所示。

图1 智慧矿山建设主要措施

2.1 制定相关技术规范和标准

智慧矿山是两化深度融合的必然产物，智慧矿山的建设涉及到诸多行业、部门和企业，是一个不同步发展的渐进性过程，跨领域、跨部门的协作成为必然。为探寻智慧矿山的最佳解决方案，要打破行业壁垒，集合高校、行业协会、研究院所、厂商、煤矿等为主体，开展产学研用协同创新，制定必要的标准和技术规范。优先制定顶层设计、关键技术相关的标准和规范，主要包括智慧煤矿指标体系及评价标准、智慧煤矿架构及数据交互规范、智慧煤矿智能决策平台及架构设计规范等[10-11]。

2.2 透明工作面建设

在常规地质勘探结果基础上，以槽波探测、井下钻探、地质雷达、图像摄像地质测绘、电磁波CT等精细工程物探结果和巷道激光扫描数据等为基础，构建初始三维地质模型，以煤岩识别等数据对模型进行实时修正。另外，融合综采设备位置、姿态和环境状态等实时数据形成动态透明工作面，以虚拟现实的方式进行显示，实现远程实时操控。透明工作面建设流程如图2所示。

图2 透明工作面建设流程

2.3 一张图建设

运用现代信息技术和数字化手段，建立一套基于网络GIS服务平台模式的在线协同生产技术管理信息系统。实现各矿井生产技术相关数据的网络化、安全化、流程化管理，搭建起生产技术的信息交流平台，实现煤矿地质、通风、测量、生产、机电的图形、文件、报表等专业资料的科学集成与充分共享，支持与现有文件格式的数据进行交换，大大提高煤矿生产技术相关数据管理的能力。建立精准地质信息系统，构建矿井三维精细地质模型。

2.4 智能化煤矿装备研发

智能化煤矿装备的研发是实现智慧煤矿的基础，是实现“机械化换人、自动化减人”科技行动目标的保障。要实现煤炭的智慧化开采，需要对智能化综采装备进行深入的研究，除了对供电、运输、排水、通风、压风、瓦斯抽放、洗选等辅助系统的改造升级，实现辅助系统的智能化、自动化集中控制，实现机械化换人、自动化减人，还要实现顺槽支护自动化，工作面采煤智能化。重点开展工作面智能化超前支护装备及辅助作业平台、无人工作面巡检机器人、基于多信息融合的煤岩界面实时识别技术与装备、智能化快速掘进系统、设备状态监测与故障预判、无煤柱沿空留巷技术、瓦斯精准抽采、惯性导航控制技术、巷道支护等专项研究[12-14]。通过对各装备机身增加环境、位置、姿态等传感器件，并加装执行元件，与其他各子系统进行数据互联，构建虚拟现实模型，实现智能定位、防碰撞检测、运行速度调节、故障预警、联动闭锁控制。

2.5 大数据平台建设

大数据平台建设的现状及目标：我国煤炭行业的大数据目前尚处在探索阶段，要实现成熟应用还有很长的路要走。但是，随着物联网技术的迅猛发展，大量传感器将被应用，必将产生海量的数据，数据的规模效应给存储、管理及分析带来了挑战。根据一张图协同管理系统，结合矿区实际，完成可视化大数据平台方案的顶层设计，开展数据集成平台的研发工作，实现各矿井信息化、自动化和智能化系统的数据集成。包括建设可视化大数据平台，建成公司级大数据指挥调度中心，直观展示各矿井的安全生产运行情况，实现公司对各矿井的统一调度管理，深入挖掘各类数据间隐藏的内外部关系，总结各系统数据的规律，为公司安全管理、经营决策等提供数据支持和建议[15-18]。

信息化、自动化和智能化系统的数据集成：对各矿井已建成的系统采用实时数据库、分布式存储、数据定向同步、数据库集群管理等技术，在确保不影响系统稳定运行的基础上，实现各系统数据的集成和同步。对于新建、升级和改造的系统必须严格按照公司信息化系统建设体系标准建设，规范数据格式，为可视化大数据平台建设奠定数据基础。

可视化大数据平台：采用可视化、物联网、云计算、Web Service等技术，建设可视化大数据平台，实现对信息化、自动化和智能化系统的充分集成。通过平台数据仓库对各系统数据按照制定算法进行计算和分析，对未来安全生产和安全的发展以及可能遇到的问题进行预测(实现产量预测、成本预测、井下环境预警等)，为安全管理、决策、预警等提供数据支撑。

2.6 智慧决策应用开发

充分利用数据挖掘技术发现数据背后的规律和知识，为煤矿生产和管理提供有效信息。通过综合分析各子系统的数据，开展煤矿机械设备状态检测、剩余寿命评价以及预测维修。建立完善的灾害监控和预测预警系统，对瓦斯、水害、火灾、冲击地压等事故进行防控。

3 结语

智慧煤矿建设是一项极其复杂的系统工程，需要经过漫长的发展过程，需要各级部门和各单位达成共识，通力协作。智慧煤矿的建设，必须在制定相关技术规范和标准的基础上，用好各种新技术，研发智能化装备，构建大数据平台，探索智慧决策应用模型。智慧煤矿的发展必将改变现有的开采方式，不断开创绿色、高效和可持续的煤炭发展新局面。