有关煤矿智能化开采技术思考

＊王瑞钢

（山西柳林金家庄煤业有限公司 山西 033000）

引言

因煤矿开采成本的增加和国家对于节能减排的政策要求，在煤矿开采上，如何更好地提升效率，实现产业的转型升级是煤矿开采接下来的重要研究方向。20世纪90年代，部分学者提出采矿智能化的概念，为实现无人化综合开采做出积极贡献，相应的关键技术也被陆续研究出炉。智能化采煤技术通过结合人工智能，以智能采煤机器、智能液压支架等煤矿挖掘设备为核心，结合远程监控，利用自动控制系统，进行煤矿的开采。这种方式不仅可以减人增效、节能减排，也能保证采煤安全性，是信息化和工程化相结合而带来的煤矿开采技术改革和创新，也是推动采矿产业持续发展的又一创举。

1.国外煤矿智能化开采状况

国外的煤炭开采开始从原先注重经济和生产效益转变为安全高效、经济环保的方向。国外采煤智能化技术采用的是地质勘探、钻探、深度挖掘相融合，对于想要开采的煤层区域进行深入了解，包括煤层厚度、实际分布情况等，然后利用陀螺仪精准定位锁定采煤机位置，实施自动化采煤，同时建立起智能化采煤服务中心。而对于采煤区域的整体了解和精准定位更有利于采煤智能化和自动化的实施，服务中心的建立可以及时调整采煤设备停机次数和时间，大大提升设备使用寿命，很好地实现降本增效。

2.我国煤矿智能化开采状况

20世纪90年代国内学者对于煤矿开采提出了很多的概念和观点，比如，方新秋提出的关于自动化和传统工艺相结合的技术框架和系统模型；张良提出采用遥控型无人开采和智能型无人开采的技术路线；谢和平提出自动-智能-无人化的开采技术变革；李首滨总结并阐释了智能化开采从1.0-4.0的四个阶段；王存飞针对技术架构、关键技术、透明工作面进行探讨等。2018年后，王国法带领团队在煤矿的智能开采、智能化方向提出四种开采模式和五项关键技术；葛世荣团队提出融合5G通信、仿生智能技术和物联网技术的数字化开采技术，也为机器人煤矿技术研发体系打下基础。

目前，我国的煤矿开采步入初级智能化阶段，开采工作的开展与国家政策和国家对于科研力量的投入程度息息相关。近些年，在国家对于技术设备政策和资金的支持下，我国煤矿智能化开采有了重大进展。2013年关于加快煤矿开采智能化、机器人研发、采煤工作面分类技术条件和评价体系等一系列的标准和政策的发布，极大推进我国示范煤矿和采煤智能化工作的进程，从2019年到2021年，一些省份陆续推出验收煤矿智能化的方法，在《国家能源集团煤矿智能化建设指南》中对煤矿智能化进行初、中、高级的智能化煤矿分类，2021年3月颁布了《智能化煤矿建设指南》，提出指导思想、原则和目标、要求和内容。我国863计划，将准能露天煤矿和锦界煤矿建设成为数字矿山重点研究和示范项目，在多项技术上实现突破并在2016年验收成功。2017年国家研发的“煤矿智能开采榆树与装备研发”项目和2018年研发的《千万吨级特厚煤层智能化综放开采关键技术及示范》，通过对装备系统和多项技术研究，大大提升生产安全性和行业智能化科技水平。但也看到，我国煤矿多为地下开采，地质结构较复杂，有时会发生重大的事故问题，因此由粗放向智能化、精细化的发展是煤矿开采的必经之路。

3.煤矿智能化开采技术中的问题

目前，我国煤矿开采智能化建设存在的问题主要受智能化的认知和发展水平、开采设备、管理水平、技术水平和应用场景、商业发展模式、人才和投入保障等多方面因素影响和制约。

(1)对于煤矿智能化认知不一致

我国的煤炭工业发展经历了四个阶段，包括：人工采煤和炮采、机械开采、综合机械化开采、智能化开采。在不同的地区，对于建设智能化煤矿，信息化、机械化和智能化之间的关系、智能化和数字化之间的关系没有达到统一的认知，根据经济和技术水平发展状况不同，一些地方的煤矿企业对于智能化和数字化的发展趋势没有深刻认知，只是做做表面功夫，片面地认为煤矿开采就是需要较大地投入，高的技术和要求，这些煤矿企业担心经济受到影响，不愿意承担风险，表现得畏首畏尾，因此导致煤矿智能化开采工作进展滞后。所谓煤矿的智能化，是将现代煤炭的开发技术与工业物联网技术、人工智能、大数据、云计算、智能装备、机器人等进行充分融合，形成可以实时互联、充分感知、分析并决策、动态预测、协同控制的一整套智能系统，它的形成打通了煤矿的开采、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理的各个环节，在全过程实现智能化运行。可以说，智能化的煤矿是搭载多个系统多个环节的综合体系，实现信息的交流、内部与外部的运输、交换。

(2)煤矿智能化发展不均衡

①建设基础不均衡。不同地区矿井煤层赋存条件也不同。西部晋陕蒙矿区煤层的赋存条件和矿井经济效益好，对于智能化的投入多，建设的基础好，相对的，西南云贵川矿区就没有那么好的赋存条件，导致矿井的产量低，经济效益不佳，智能化的建设基础单薄。②建设水平发展不平衡。智能化开发技术和装备相对于成熟的地区，人才多，智能化煤矿建设见效又快又好；但像西南部、中东部条件差的矿区，在开采技术、装配、人才配备上也较差，导致了煤矿智能化建设进度迟缓。③采用智能化系统不同导致发展不均衡。煤矿对于矿井巷道掘进的重视程度不足，不同系统的智能化水平层次不齐，且系统和系统之间没有形成互通互联，这让矿井整体的智能化水平不高。④软件和硬件投入不均衡。决策者往往更愿意投入在购买采掘装备、高性能计算机等硬件上，而忽略了大数据中心的建设、软件开发、智能化平台建设等软件投入，硬件与软件能力无法做到匹配而让硬件产品未能充分发挥其优势。⑤智能化投入产出不均衡。我们看到，部分矿区投入了大量资金、人力和物力之后，取得了较高的经济效益，获得了社会认可，但还有一部分矿区没有达到，导致对于智能化建设意愿度不高。

(3)开采设备技术相对落后

大部分的大型采煤设备需要从国外进口，引进先进设备和技术，运营和维护成本较高，且不便利。而我国煤炭生产企业生产出的设备无法适应时代需求和市场发展要求，大部分生产设备被国外垄断，让我国煤炭集约、高效开采无法实现，煤炭产能落后于国外的发达国家。

(4)管理水平较低，人才储备不足

在部分地区仍然采用传统的管理模式和方式，缺少智能化职能部门，一些地区采用计算机进行数据和画图处理，但在计算机应用关于煤矿的管理方面还有待提升。从业人员对于智能化技术和设备的熟悉程度差、整体技术水平偏低、人才培养体系不健全、缺少运维团队等问题，导致现有人员能力难以匹配智能化建设的工作，储备人才也不充分的情况。

(5)技术水平较低，缺乏5G应用场景

在实际中，技术水平往往会限制煤矿智能化开采的推广，表现在：①受到科技水平、地质条件、煤层不可预测性，煤矿在开采过程中的自动化水平不高；②设备稳定性不足，可靠性差，需要从传统单机模式转向系统集成的智能化设备；③缺乏5G应用场景和生态。5G信息技术拥有带宽、连接广、及时性强等优势和特点，可以带来行业变革。我国对煤矿5G通信系统也做了信息安全技术要求，但在应用场景上仍有一些不足，基于5G技术的无人驾驶试验和传感器研究未取得模块化应用，在终端生态方面受限。

(6)“透明地质”技术保障支撑力不足

①地质探测精度和范围无法满足煤矿智能化建设需求；②地质数据的录入多为人工采集与录入的纸质数据，未形成数字化数据；③地质体模型精度不高，预测能力弱，建模技术需要提升；④受建模精度和地质探测影响，难以建立高精度的“透明地质”模型，无法实现精准定位的智能开采；⑤地质数据录入、分析、建模的自动化程度低，现有的探测技术和装备也需要人工大量参与，机载式智能探测技术和装备能够解决这一点，提升探测精度和智能化程度，降低工人参与度；⑥三维地质模型没有将工程和地质信息全面融合，在探测精度和分辨率上难以提升，有些模型只是为了展示，与井下工程的施工和其他系统融合度差，无法完全发挥三维地质模型应有的用途。

(7)智能化系统兼容协同难

数据格式的不统一。网络通信协议兼容性、系统与系统之间协同兼容性、业务系统兼容性差。煤矿智能化建设投入保障不足，企业与企业之间差距也较大，一些数据资源没有得到很好的挖掘和利用，并且缺少真实客观地对煤矿智能化投入和产生效益做出全面评价的方法。

4.如何提升煤矿智能化开采技术

在我国煤炭转型升级期，通过引入先进的信息技术，对于煤炭开采智能化的推进、提升效率具有现实性意义。

（1）在粗煤综采的智能化应用上。采用无线通信技术和手段，可以有效控制煤矿井下开采的电缆数量；将无线通讯技术应用在煤矿的采掘工作，可以迅速提升井下数据采集、传输数据的速度和图像质量，大大降低人员和物资成本；智能信息设备的配备，可以让巡逻人员与监控中心取得实时联络，有助于提升巡逻人员的防护能力和保障安全性；用高精度传感器来实时监控井下高危物质，建立起灾难预防体系。当采集值达到上限则自动停止采集，确保矿井的安全性，通过收集到的数据进行三维建模得到合理的开采方案。

（2）复杂环境下的智能化综合技术应用。在一些地质条件较为复杂、容易产生灾害的矿区，在引入和应用智能采煤技术时，需要考虑到当地情况，建立健全安全保障机制，并将收集到的数据和信息进行效益分析，比如：采用适用性强、灵活性高的遥感技术。在煤矿开采期间，要为所有的地面、巷道和高危作业区部署完善网络通讯设备。在智能化开采控制装置的基础之上，可以建立一套系统性的通用性可视化控制装置，将采煤机、转载机、液压支架、刮板输送机、供电系统、送煤机等形成统一整体，便于统一掌握和控制，确保设备稳定安全运行，也有助于形成网络化的信息综合评价。

（3）关于智能化综合开采技术。作为源于综合开采发展而起的新工艺，智能化综合开采技术可以提升矿山开采效率，实现资源回收，加强开采工程安全。高精度导航、全面探测和智能管理等已被纳入到煤矿智能化开采当中，能够有效提升煤矿质量和生产力。

（4）关于5G技术在煤矿智能化的应用。5G技术以能够全新的无线高度融合进技术的特殊优势而得到社会的关注。它可以让网络技术架构和5G技术高度融合，在无线技术领域，全频谱接入、多址技术和大规模天线陈列技术是5G的关键技术内容。5G技术的使用可以大大提升网络通信系统性能，具有频谱更宽、更可靠、安全性更高、传输更快、传输量更大、延时性更低等特点。具体到应用于煤矿智能化中，可以分为如下几个方面：①高精细度的实时定位与应用服务。通过网络切片技术，将煤矿智能化应用物理空间网格进行切割和划形分成多个虚拟空间，根据对于不同虚拟空间的不同需求，来增强其不同功能，灵活应对煤矿智能化开采应用过程中的网络应用场景。基于5G技术优势，实现高精度的实时定位和服务应用，改变了传统的定位系统和传统传输技术，更能够确保数据传输的及时性。②虚拟交互应用。主要体现在虚拟现实技术和增强现实技术的应用中，颠覆了传统的人机互动方式，让煤矿智能化开采经过三个阶段的技术变革过程：三维建模和虚拟展示、互动模式和可视化设计、混合现实与云端实时渲染。比如，在混合现实和云端实时渲染阶段，能够对井下的煤矿资源采取虚拟开采和协同运营的操作。③远程实时监控和控制。传统的方式需要用传感器、路由器、多类型互联网协议，将数据通过传感器汇集到集中控制中心再到远程控制中心，数据传输的及时性不高，对于井下空间有安全风险的情况不能采用远程控制系统。而5G技术打破了这个难题，可以在井下全程远程控制，实现数据实时传送，大大提升了煤矿开采的安全性。④井下远程协同运维。5G技术在井下空间的应用，能够很好解决过去传统人工维修因空间狭小无法做到高度智能化设备运营维护的需要，通过传递井下空间现成音频视频数据，结合虚拟模型和操作系统可以直接连接到井下空间智能化设备中，通过专家和矿工同时观察和操作，对设备进行维护和管理。⑤井下巡检和安防。通过数据传输和智能定位功能，可以很好开展井下空间高效巡查和安全防护。实时分析井下空间装备运行情况、人员身体情况等信息，并进行数据和信息的实时共享，可以以更快、更经济、效率更高的方式开采煤矿。

5.结语

新技术的应用和引入为煤矿智能化发展添上重要一笔。基于5G技术的煤矿智能化系统，能够很好解决过往传统中定位不精准、数据传输不及时、无法实时动态查看矿井和矿工动态等问题，通过与大数据信息技术、人工智能技术、云平台计算技术、虚拟交互技术的充分且深度融合，为煤矿开采过程中的大量数据信息处理、分析和决策提供依据，实现远程可视化操作，极大程度提升煤矿开采的精准程度、效率和安全性，对于加快我国煤矿开采、行业转型升级有重要意义。