智慧矿山建设及煤矿的智能化开采分析

宋海潮

（冀中能源股份有限公司 机电部，河北 邢台 054000）

众所周知，我国是一个地大物博的国家，其中煤矿资源分布较为广泛，煤矿生产一直以来都是国民经济增长的核心产业之一。然而，随着信息技术的不断深化，当前许多行业都已经开始在工作中渗透智能化、多元化思维，旨在利用各种智能终端设备来推动行业长远发展。智慧矿山的建设工作，其中的“智慧”具体指的是哪一部分，包含了哪些工作目标，过程中需要应用的关键技术又包含哪些层面？诸如此类问题，正是本文重点需要探讨的问题。首先就煤矿智能化开采相关内容展开综合论述，分析当前我国煤矿智能化开采中存在不足之处及具体的建设目标，探究智慧矿山建设及智能化开采的关键技术，并在此基础上从多个维度入手，分别对未来智慧矿山的智能化开采策略展开深入探究。

1 智慧化矿山综述

1.1 智能化开采含义

智慧矿山是在矿山地表和地下开采矿产资源的工程活动中所涉及的各种静、动态信息的全部数字化，并由计算机网络进行管理，同时可运用空间技术与实时自动定位、导航技术对矿山生产工序实行远程遥控操作和自动化采矿的综合体系[1]。以透彻感知、深度互联、高度共享、智能服务和可视化展现为特征，其主要目标是实现更透彻的感知、更深度的互联、更高度的共享、更智能的服务及更直观的展现。从煤矿企业层面来看，将人工智能、物联网、云计算及人工智能等高新技术体系渗透到具体的自动化、机械化和信息化煤矿企业，其实就是智能化开采的基础定义。煤矿智能化开采之中可以有效完成采掘、煤炭洗选、自动化开采、地测防治水和安全生产监测管理等各个方面的工作，确保各个细节工作都能够落实到细处，完成智能化决策与分析、智能化控制及执行，以此来推动煤矿信息化水平的发展。煤矿智能化开采之核心，在于导入人工智能模式来替代不必要的劳动力，给现场工作人员减轻工作负担，保障安全生产，同时稳定煤炭资源的持续性供应。

就目前我国智慧矿山的实际发展进程来看，其实在很多层面都需要进一步完善，大部分地区的采矿作业并不算“智能化”，大部分时候还是靠机械化开采，并没有做到完全意义上的替代人力。当然，智慧矿山建设是一个漫长的过程，需要行业内所有技术人员共同努力，将各种先进的信息技术进行同步更新处理。因此，可以说当前的煤矿智能化开采是煤矿综合机械化发展的起步阶段，是煤炭生产方式的新方向，与传统煤矿开采工作模式相比，当前的智能化开采明显更加人性化，能够不再受制于的恶劣的开场环境、工作空间等，井下工作人员需求数量也在持续降低，工作精准度、操作便捷性和可靠性都更为可观[2]。

1.2 智能化建设目标

当前全球范围都在经受疫情的冲击，中国尽管在疫情防控工作方面做得十分到位，但是煤矿生产行业依旧在一定程度上受到了冲击。由于煤矿企业需要在人员配备、机械设备和生产材料等方面做好科学统筹，但是在疫情形势下，各个层面的工作都受到了干扰，促使煤矿开采事业需要拓展多元化格局，如何实现智能化转型、未来向什么方向来进行技术转型成为时下愈发热烈的话题。其二，在2035年，国内所有煤矿基本实现自动化开采，逐步构建成熟全国型煤矿智能化管理体系及智能化继承系统。根据目前我国的实际发展情况，我国已经完成建设的智能化采煤工作面达到500多个，已经在煤矿智能化建设层面取得了较为显著的成绩，特别是国家能源集团及中国煤科天玛公司等单位，已经在我国建成了首个无人巡视、自助式割煤的智能化无人工作面，这是我国煤矿综合开采智能化建设取得的一次重大进展。不过就实际情况来看，我国的煤矿智能化开采与国外某些先进国家相比，还是存在一定差距，还需要在未来工作中加大工作建设力度。

1.3 矿山建设的阶段性

矿山建设历经了几代人的辛勤耕耘，最原始的是人工开采阶段，在此阶段中，行业内相关开采工作者主要利用手工或者简单工具镐刨、锨挖开展矿山采掘活动，此阶段主要生产力量是人力为主，因此不仅工作效率极低，而且也难以维系工作人员的生命安全。第二个阶段即机械化阶段，在机械化阶段的矿山开采，在采掘、运输、提升，以及生产辅助等各个层面都已经有了很大提升，大量采用了机械设备、爆破施工，因此工作效率得到大幅度提高，矿井用人数量也在逐步降低。第三个阶段，也就是我国将要完成的工作目标，即数字信息化阶段。此阶段是处于计算机技术飞速发展时期，给传统矿产行业带来了极大的冲击，同时也给行业注入了新的技术力量，如何利用信息技术来改造传统矿产建设格局，同时在过程中融合国家发展战略，打造“三网合一”“两化融合”等工作体系[3]。最后一个阶段才是矿山智能化建设的终极目标，即实现各个矿山建设环节的智能化布局，其中包括了无人开采、选矿和运输等各个方面，在此阶段的矿山建设才算真正意义上的“智能化”，其最终目标是运用智能化技术手段来替代人力，实现工作效率、工作品质的全面升华。

2 当前我国矿山智慧建设工作存在的不足

2.1 相关建设标准不规范

相关建设标准不规范，其主要表现在矿山信息化推进过程中某些细节无法落实到位，总体建设缺乏顶层设计与科学规划，对应的标准化建设还需要持续完善，导致目前市面上许多系统制造商无序竞争。另外一个层面，由于建设标准不规范，导致各个矿区之间的互联互通性比较差，往往智慧开采系统与生产实际不匹配，无法满足现实开采需求，甚至在某些矿区还处于起步阶段。

2.2 多学科交叉融合不足

智慧矿山的搭建，其中包含的专业内容十分广泛，不仅需要在技术层面做好衔接，同时还需要强化人员配置方面的内容，这就需要做好多学科方面的交叉融合。然而就实际情况来看，当前我国的智慧矿山建设工作中，还是有很多内容未能落实到位，大部分的解决方案都过于粗犷，对应的矿山公共开发平台缺乏统一管理，没有做好学科知识与实际应用方面的疏通。目前我国许多地区的矿井的信息流、数据流都不够精细，没有构建清晰的系统图谱，智能化水平不足，各个业务系统之间的综合协同管控力度也还需要进一步完善[4]。

2.3 过分强调硬件建设，存在“信息孤岛”现象

客观而言，当前我国大部分的矿山建设都过分重视硬件的投入，忽略了软件、系统平台方面的研发投入，比较少针对矿井条件与业务系统导入针对性的软件开发及其应用，许多矿区的软件开发界面都不够友好，一线职工对软件的实际认可度不高，使用效果也不理想。与此同时，矿井各个系统之间的集成度普遍偏低，存在兼容性差、接口不统一的现象，各类智能终端、信息系统等之间缺乏深度融合，而且在通信系统方面也需要持续强化，传统数据算法很难应用到矿山业务中。如此一来，则最终会造成“信息孤岛”问题，考虑到当前我国大部分矿区的子系统基本已经构建完成，倘若系统在获取海量信息数据的时候没有做好集成分析，那么势必会影响后续工作的正常开展。

3 智慧煤矿与智能化开采的关键技术

3.1 精准定位系统

在进行煤矿开采的过程中为了保证煤矿开采能够按照计划逐步推进，必须进行精准的定位。但是众所周知，在矿井中并没有复杂的电磁信号也不能按收到卫星信号，因此实现定位导航的难度会有所加大。在现阶段我国应用的定位系统中基于GⅠS的定位信息系统是运用最广泛的技术之一，其包含了5个方面的核心技术。分别为高精度适用于复杂磁场环境的导航技术、局部定位导航芯片技术、井下高速无线通信技术、井下高精度定位技术及井下导航避让技术。这5个技术的应用能够让井下的定位系统更加精确，进一步保障煤矿的顺利开采。

3.2 井下环境检测技术

对于煤矿井下来讲，由于其潮湿、复杂的电磁环境会严重制约着探测技术的应用，因此井下环境检测技术就成为了现阶段我国煤矿行业对井下现状分析的重要技术。环境检测、振动探测等识别技术已经成为了我国煤矿井下环境感知的核心技术，这些技术主要包含了4个方面。分别为高精度穿透技术、煤炭探测传感器、甚于网络的采掘装备传感器及特定物理环境探测仪。这4种技术相互联系、相互工作，进而能够更加精确的将井下复杂、极端环境信息传输到地面，实现煤矿开采过程中的直接探测。

3.3 数据分析系统

数据分析是智慧煤矿与智能化开采的关键系统。因为智慧煤矿集成了8个子平台的运行，因此无论从技术层面还是实际操作层面数据分析都是至关重要的。数字煤矿的逻辑模块需要从众多传感器中获取煤矿井下的实际数据，通过对这些数据的有效分析挖掘出煤矿开采的相关规律，并将其顺利应用在智能开采的控制过程中。精确的数据分析系统能够帮助人们更加清晰地了解煤矿开采中遇到的问题和瓶颈并加以解决[5]。

3.4 视频监控技术

尽管有了相关技术设备的支持，但是为了便于管理员了解井下作业的实时情况，视频监控技术就显得尤为重要。对于煤矿井下视频监控技术来讲，实际上是通过指挥中心的视频监测系统实时观察到煤层倾角变化及井下开采时设备的运转情况。操作人员可以通过显示器实时了解井下工作的具体情况，避免在生产的过程中出现问题。视频监控技术能够帮助工作人员进一步对煤矿开采的进程及各种传感器的运转情况实时了解。视频监控技术的应用还可以在智慧煤矿系统出现问题时通过人工干预的方式进行解决，进一步保证煤矿开采的顺利进行。

3.5 井下机器人技术

客观而言，我国大部分地区的矿井地理环境都比较复杂。复杂的地理环境也在一定程度上给矿井工人带来了安全隐患。基于这些问题现阶段我国已经研发出了井下机器人来处理煤矿井下的技术难题。井下机器人能够代替人工去完成相应的操作，进一步方便了井下作业人员。但是现阶段井下机器人仍然存在着耗电高、无法自我修复等问题需要解决[6]。

4 煤矿智能化体系的构建策略

4.1 合理协调智能化模块

实际上，煤矿智能化开采体系的构建，需要从安全监测、生产经营和数据分析等各个层面做好智能化运行，合理协调好各个智能化模块，在日常工作中推动煤矿智能开采常态化建设，同时还需要针对煤矿智能化体系中的开采、掘进及物联网传输等各个方面做好统筹规划，强化各个模块的智能发建设，确保数据服务成与应用成高度统一，智能化体系能够与实际生产需求互相匹配。由于大多从事煤矿开采行业的一线工作人员自身综合素养不足，因此还需要开展针对性的智能化操作培训，不断加强智能化安全宣讲，确保各项细则能够深入到各个基层单元，进而推动煤矿智能化开采的工作效率与工作质量。

4.2 创设露天矿山智能化知识图谱

实际上，我国露天矿山智能化应用案例不胜枚举，考虑到智能化图谱之中涉及到的内容极为广泛，因此需要在工作中学会统筹规划，做好定量科学依据，清晰描述各项技术要素、实施途径。其中包括：其一，对于工作流知识图谱，首先需要对露天矿山大系统中的实际业务进行逻辑层面的重新解构，将各项生产过程中涉及到的生产流程、操作步骤进行精准定位，同时做好业务规则的清晰描述；其二，梳理好信息流知识图谱，将各个业务层面依据信息流动逻辑进行重新解构，将露天矿山业务范畴、跨设备及跨系统等信息流动规则做好精细描述；最后一个层面，则是对于技术途径流只是谱图方面流动工作落实。需要依照“感知—分析—执行”这几个关键步骤核心要素进行解构，并对智能化手段做好科学梳理，并对实现手法做好清晰描述。

4.3 创新矿山智慧程度评价体系

创新矿山智慧程度评价体系，其核心依旧在于推动安全生产，提高煤矿企业的盈利能力，为各个部门做好科学规划，同时将各项资源做到智慧化整合，达到“物尽其用”之成效。由于各项规划内容之中存在许多复杂的关联关系，所以要在矿山智能化图谱基础上，将各个业务单元预估好投入产出，具体的工作内容包含：其一，智能化升级的“投入产出”估算科学评定，将各个业务做好升级处理，并对各个细则业务内容规划好总投入与产出之间的关系；其二，对于矿山投入规模需要融合各个部门之间的建议，对矿山实际盈利能力做好合理的估算模型，避免后续出现不必要的麻烦；最后，结合矿山实际生产特点，根据合理投资规模布局，做好矿山日常工作的规划，同时不断细化评价算法。

5 结束语

综上所述，本文主要结合了多年来相关的矿山建设工作管理经验，首先就煤矿智能化开采相关内容展开了综合论述，分析了当前我国煤矿智能化开采中存在不足之处及具体的建设目标，探究智慧矿山建设及智能化开采的关键技术，并在此基础上从多个维度入手，分别对未来智慧矿山的智能化开采策略展开了深入探究。随着信息技术在矿产行业的持续渗透，未来我国的智慧矿山建设事业势必将向着越来越多元化、智能化的方向发展，为了尽可能适应时代步伐，相关从业技术管理人员必须立足自身，在平时善于发现不足，充分挖掘自身主观能动性，懂得在工作中保持前瞻性思维。必要时，甚至可以从国内外各种成功智慧开采案例中汲取有效养分，以此来创设别具中国特色的智慧矿山建设体系，进而促进国民经济发展，让老百姓的生活质量更上一层楼。