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煤炭是我国的基础能源和重要原料，煤炭资源的安全稳定开发关系国计民生和国家能源安全。在推进碳达峰碳中和目标、建设多能融合的新型能源体系过程中，煤炭担负着能源稳定供应“压舱石”和结构优化升级“稳定器”的作用，肩负着保障国家经济社会平稳运行、确保国家能源安全的重要历史使命。在未来相当长时间内，我国能源需求仍将继续增长，煤炭仍将是可清洁高效利用的主体能源。但是，能源特别是煤炭需求的不确定性增加，现有煤炭生产供给方式难以适应国家能源发展要求，必须建立以煤矿智能化支撑的柔性生产供给体系，发挥煤炭为“双碳”兜底、为能源安全兜底、为国家安全兜底的作用。煤矿智能化是煤炭工业发展的必由之路，是实现新时期、新煤炭、新格局高质量发展目标的核心技术支撑。 2020年2月，国家发改委等八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，提出了我国煤矿智能化发展的原则、目标与技术路径，明确提出了3个阶段发展目标。其中，第一个阶段发展目标：2021年底，建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿。为了落实国家八部委指导意见精神，2020年12月，国家能源局、原国家煤矿安全监察局印发了《关于开展首批智能化示范煤矿建设的通知》，确定71处煤矿作为国家首批智能化示范建设煤矿，其中，井工煤矿66座，露天煤矿5座。为了进一步指导智能化示范煤矿建设，2021年6月，由国家能源局、国家矿山安全监察局联合印发了《煤矿智能化指南（2021年版）》（以下简称《指南》）。2021年版《指南》是基于我国现阶段煤矿智能化建设现状、智能化技术与装备研发应用实际确定的技术指导性文件，提出了煤矿智能化建设的原则、目标、技术架构和建设内容，为智能化煤矿建设提供技术路径与方向指引。
01煤矿智能化建设原则、目标与技术架构
《指南》首先从4个维度阐述了智能化煤矿建设原则：1）从宏观区域维度提出了井工煤矿分类建设、分级达标的原则。由于我国不同区域煤矿的煤层赋存条件、建设基础、智能化技术成熟度等存在较大差异，因此，提出了分类建设和分级达标相结合的原则。其中，露天煤矿和选煤厂则不进行分类，直接根据工艺技术条件进行分级建设。2）从单个矿井维度提出了因矿施策、培育典型的原则。虽然进行了分类建设，但同一类别的不同矿井仍然存在较大差异，因此，智能化煤矿建设应一矿一策，培育建设一批智能化示范煤矿，发挥智能化示范煤矿的模范带动作用。3）从矿井各系统维度提出系统规划、全面推进的原则。单个系统的智能化建设并不能代表整个矿井的智能化程度，智能化煤矿建设应进行各个业务系统的融合建设，体现矿井的整体智能化程度。4）最后从安全、效率与效益维度提出以人为本、安全高效的原则。智能化煤矿建设不应是花架子，应将减人、增安、提效作为煤矿智能化建设的终极目标，实现矿井安全、效率、效益的稳步提升。 《指南》明确了生产矿井、新建（改建）矿井的建设目标，其中新建矿井应全面开展智能化煤矿建设，生产矿井又根据不同矿井的分类结果，分别细化了总体建设目标。 从信息化建设的角度进行分析，井工煤矿、露天煤矿、选煤厂均应具备感知、分析、决策、控制等智能化特征，受不同煤矿开采工艺、灾害类型等影响，不同煤矿的系统模块可能存在一定的差异，但总体技术架构差异不大。因此，建设智能井工煤矿与露天煤矿采用了相同的技术架构，如图1所示，《指南》中的技术架构主要是对智能化煤矿建设进行总体架构设计引导，是一种参考性的架构思想。
图1 智能化煤矿参考技术架构
02井工煤矿智能化建设内容与技术路径
井工煤矿智能化建设内容主要包含了12个子模块，由于智能化综合管控平台对于煤矿智能化建设非常重要，因此，在信息基础设施中提出了综合管控平台的总体建设内容，后续又将其单独作为一个独立模块进行相关技术内容的论述，智能化煤矿综合管控平台设计思路如图2所示。
2智能化煤矿综合管控平台设计思路信息基础设施部分主要对网络、数据中心进行了相关技术指引，重点提出了网络的高速、高可靠性。针对5G技术不够成熟以及相关应用场景缺乏的现状，《指南》中提出鼓励逐步开展5G+矿山物联网系统建设，提升煤矿各系统的综合感知能力、融合交互能力。针对矿井各业务系统数据标准、格式等不统一导致煤矿数据烟囱、信息孤岛现象较为突出的现状，《指南》中明确提出应统一数据采集、传输、存储和访问接口标准；针对煤矿低维度小样本的数据特征，传统大数据技术难以直接应用于煤矿各业务系统，《指南》中提出在平台沉淀矿山知识模型，相关数据模型的建设上难以一蹴而就，这是一个长期积累、逐步突破的过程；另外，《指南》还根据数据处理时效性等差异，提出了云边端的架构设计思路，智能化煤矿数据中心建设思路如图3所示
图3 智能化煤矿数据中心建设智能地质保障系统则重点从地质探测与数据处理2个方面进行了论述。地质保障系统首先应实现地质数据的数字化、地质探测装备的自动化等，然后对地质数据建模进行了要求，如图4所示。高精度地质模型是智能化煤矿建设的基础，还是智能化煤矿各子系统实现业务智能联动控制的资源底图，但地质模型精度目前尚难以满足智能化煤矿要求。在透明地质专栏中对地质数据管理系统、高精度地质模型、地质大数据云平台进行了详细说明。
图4 智能地质保障系统建设架构智能掘进系统的技术成熟度相对较低，目前我国煤矿煤巷掘进平均月进尺尚不足200 m，因此，智能掘进应首先突破智能化快速掘进相关技术，实现掘支平行作业，在快速掘进的基础上实现智能化掘进。智能化快速掘进目前尚存在智能探测、掘进设备定姿定位与导航、智能截割等相关技术难题。在《指南》中鼓励对相关技术进行研发应用，并在智能掘进系统专栏中对智能超前探测系统、掘进设备导航和定位截割系统、锚杆锚索自动化钻装系统、多机协同控制系统、装备状态监测及故障诊断系统等进行了特别说明，明确了相关技术存在的难点及研发方向。智能化采煤系统相对技术成熟度比较高，《指南》中建议对不同煤层条件的采煤工作面采用资源条件适应性智能化开采技术，提出了4种智能化采煤模式。由于薄、中厚煤层更容易实现智能化开采，因此，指南中提出条件适宜的薄、中厚煤层应实现智能化少人开采，逐步实现常态化无人开采。LASC技术虽然在澳大利亚进行了全面推广应用，但在国内多个矿区应用中尚存在诸多问题，其应用效果并未达到预期效果，因此，在《指南》中并未对LASC技术应用做相关要求。另外，基于地质模型的智能化开采技术部分在矿井进行了试验性应用，取得了一定的效果，如图5所示，但相关技术仍然存在诸多技术瓶颈，因此，《指南》鼓励条件适宜的工作面应用基于地质模型的智能化开采。在智能采煤系统专栏中对采煤机智能截割系统、液压支架自适应支护系统、刮板输送机智能运输系统、带式输送机智能运输系统等进行了技术说明。
图5 基于透明地质的工作面智能化开采
智能主煤流运输系统的技术成熟度相对也比较高，《指南》中明确提出了带式输送机应具备单机自动控制、多机协同联动、远程集中控制、煤量自动平衡、粉尘浓度检测等相关功能，而对于基于AI的煤量识别、人员违规作业监测等技术，虽然相关技术较成熟，但考虑在不同类型矿井其应用效果及应用成本等问题，《指南》中鼓励采用相关AI技术。对于立井箕斗提升则重点关注对提升设备相关技术参数的监测与联动控制，要求条件适宜的矿井应实现立井箕斗提升的无人值守作业。
智能辅助运输的技术成熟度相对较低，对于智能辅助运输的技术发展路径，提出应首先实现辅助运输的连续运输、自动运输，然后再实现辅助运输的智能化。由于目前井下精准定位相关标准尚未发布，在《指南》中并未就车辆精准定位进行定量要求。《指南》中明确了智能辅助运输系统应建设智能调度系统，但目前智能调度系统的技术成熟度相对也比较低，所以并未进行详细说明。对于无轨胶轮车，则鼓励开展无轨胶轮车的无人驾驶研发及实践，研发应用地面远程遥控驾驶和智能化自动驾驶技术，实现车辆自动启停、自主避让、自动跟车等功能。该部分内容还对井下机器人相关技术进行说明，目前，国家鼓励机器人研发及应用，但主要以巡检机器人为主，执行操作类机器人的技术成熟度尚较低，因此，《指南》鼓励开展井下辅助作业的机器人研发。 智能通风系统主要对通风参数感知、通风网络智能解算进行了限定，目前，部分矿井研发应用了智能通风系统，但受制于《煤矿安全规程》相关条款约束，煤矿尚不允许通风系统根据通风网络解算结果进行智能调风。在智能通风系统专栏中，对通风系统感知技术、通风设备、智能通风软件系统进行了相关技术路径说明。 智能供电与供排水系统的相关技术成熟度较高，在《指南》中明确井下变电所、水泵房等固定场所应实现无人值守作业，提出应建设大数据分析的智能供电决策系统，实现故障的预判和预处理、快速故障隔离；智能排水系统应按照水量实现排水用电自动削峰填谷，智能优化排水方式，实现能耗自评估和故障自诊断。考虑水资源保护问题，《指南》中对污水智能处理系统进行了相关技术要求，提出了污水处理系统实现智能化的主要技术路径。 智能安全监控系统是煤矿非常重要的一个子系统，但由于不同矿井的灾害类型存在较大差异，因此，应根据矿井自身的灾害类型建设相关的灾害防控模块。《指南》中提出应建设基于综合监测的灾害防治平台，具备灾害风险监测预警、智能分析模拟、应急救援辅助指挥、事故原因分析、矿井灾变状态下避灾路线智能规划等功能，该平台是对井下各灾害防控模块的集成，实现了不同灾害的数据融合与联动控制。在智能安全监控系统专栏中，对不同灾害模块实现智能化监测、预测、预警、防控进行了技术路径梳理。 智能综合管控平台是体现煤矿智能化程度的集成平台，通过进行多部门、多专业、多管理层面的数据集中应用、交互共享和决策支持，实现煤矿地质勘探、巷道掘进、煤炭开采、主辅运输、通风排水、供液供电、安全防控等业务系统的数据融合、分析决策与智能联动控制，井上下各系统实现“监测、控制、管理”的一体化及智能联动控制。 智能化园区主要是煤矿地面设施和运营的智能化建设，由于智能化园区建设需要较大的资金投入，且与生产安全和效率效益的相关性不强，因此，《指南》中只要求地质条件Ⅰ类矿井进行示范性的建设，体现相关技术的应用及先进性，其他矿井可以根据自身需要进行相关模块的建设，并不作为全面建设要求。 经营管理系统相对技术成熟度要高一些，主要是构建“人财物一体、产运销一体、业务全面互联互通”的智能化经营管理平台，覆盖煤矿的管理决策、财务、生产、人力、物资、机电、计划预算、安环、调度、项目管理等领域。 根据不同建设条件的矿井类型，《指南》还提出了相关重点建设内容，以及部分定量建设指标。
03露天煤矿智能化建设内容与技术路径
露天煤矿与井工煤矿采用相同的技术架构，但不进行分类，而是直接根据矿井地质条件进行分级建设。露天煤矿相关建设内容主要分为2部分，信息基础设施与生产运行系统建设内容，如图6所示。
图6 露天煤矿智能化建设内容信息基础设施主要对智能感知与网络建设进行了技术说明，露天矿应采用应用自动控制、智能感知等技术对钻机、挖掘机、自卸卡车、破碎机、带式输送机、排土机、推土机等设备及其他基础设施进行数字化改造，完善工业网络及信息安全建设，通过生产设备的自动化、集成化、智能化改造逐步替代人工操作，实现节能减排、减员增效、提高劳动生产率和资源综合利用率的目的。 生产运行系统建设内容又细分为智能地质、测量、开采保障系统、智能穿爆系统、单斗—卡车间断工艺智能化系统、半连续工艺智能化系统、轮斗连续工艺智能化系统、智能辅助生产系统、智能安全监控系统、智能化园区、生产经营管理系统、信息智能综合管控平台，我国露天煤矿多采用间断工艺或半连续工艺，导致相关智能化技术与国外露天矿尚有一定差距。 由于不同地质条件露天煤矿采用不同的开采工艺，因此，《指南》对穿爆系统、单斗—卡车间断工艺智能化系统、半连续工艺智能化系统、轮斗连续工艺智能化系统分别进行了说明，而不同矿井的智能地质、测量、开采保障系统、智能辅助生产系统、智能安全监控系统、智能化园区、生产经营管理系统、信息智能综合管控平台建设则相差不大。
04结语
煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的必由之路，这已成为行业共识，《指南》明确了建设什么样的智能化煤矿，如何建设智能化煤矿的基本路径。一些地方和企业已发布的煤矿智能化地方标准、规范和建设要求由于技术支撑不成熟，存在很多不合理、不科学的内容，应以八部委《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》和《煤矿智能化建设指南（2021年版）》为指导，以相关标准为依据，统一架构、统一标准，统一术语，纠正概念滥用，弃虚向实，攻坚克难，推动煤矿智能化健康发展。煤炭智能化发展愿景是实现煤矿全时空多源信息实时感知，风险闭环管控本质安全；全流程人-机-环-管数字互联高效协同运行，生产现场全自动化作业；煤矿职工更体面地工作，煤炭企业实现更多价值创造。煤炭智能化是信息技术、智能技术与采矿技术的深度融合发展，智能化煤矿建设是高新技术融入矿山应用场景，实现迭代发展、不断进步的变化过程，不是一次性结果，不是“基建交钥匙工程”。煤矿智能化建设开启了煤炭行业全面创新和技术变革的新时代，支撑我国煤炭开采迈向减人、增安、提效、职工幸福、体面工作的美好未来。
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