王國法院士全面總結(jié)煤礦智能化最新技術(shù)進(jìn)展

煤炭是我國一次能源中最經(jīng)濟(jì)、可靠的資源，煤礦智能化是實現(xiàn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐。國家發(fā)展改革委、國家能源局等八部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》后，煤炭行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革和高質(zhì)量發(fā)展腳步逐步加快，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)采礦專業(yè)深度融合，推動了整個煤炭行業(yè)科技發(fā)展與工程應(yīng)用至新的階段。

近日，王國法院士全面闡述了我國自2019年以來智能化煤礦建設(shè)最新進(jìn)展、煤礦智能化技術(shù)最新研發(fā)成果、煤礦智能化技術(shù)“瓶頸”問題，并提出了井下車輛和機(jī)器人電動化、井下無線發(fā)射功率、5G煤礦應(yīng)用場景與生態(tài)、透明地質(zhì)模型、智能巨系統(tǒng)兼容協(xié)同等10個煤礦智能化技術(shù)發(fā)展方向及建設(shè)路徑。相關(guān)研究成果以《煤礦智能化最新技術(shù)進(jìn)展與問題探討》為題發(fā)表于《煤炭科學(xué)技術(shù)》2022年第1期。

一、我國智能化煤礦建設(shè)最新進(jìn)展情況
（一）建立了煤礦智能化基礎(chǔ)理論體系

在2019年國家自然科學(xué)基金重點項目“數(shù)字煤礦及智能化開采基礎(chǔ)理論研究”的支持下，相關(guān)學(xué)者開展了煤礦智能化基礎(chǔ)理論的研究。通過構(gòu)建煤礦數(shù)字邏輯模型、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理理論方法、復(fù)雜系統(tǒng)智能控制基礎(chǔ)理論、智能化煤礦系統(tǒng)性維護(hù)及智能化開采基礎(chǔ)理論體系，為煤礦智能決策、精確控制、可靠性保障奠定了理論基礎(chǔ)。

（二）初步建立煤礦智能化標(biāo)準(zhǔn)體系

2020年初，煤礦智能化創(chuàng)新聯(lián)盟發(fā)布了《煤礦智能化頂層架構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)體系框架白皮書》，建立了體系性、繼承性和前瞻性的煤礦智能化標(biāo)準(zhǔn)體系。煤礦智能化標(biāo)準(zhǔn)體系總體框架由通用基礎(chǔ)、支撐技術(shù)與平臺、煤礦信息互聯(lián)網(wǎng)、智能控制系統(tǒng)及裝備、安全監(jiān)控及防控裝備、生產(chǎn)保障6類標(biāo)準(zhǔn)組成。

（三）提出和實施分類分級智能化煤礦建設(shè)路徑

煤礦智能化建設(shè)應(yīng)結(jié)合煤礦具體建設(shè)基礎(chǔ)、開采條件等制定切實可行的智能化建設(shè)方案，通過分類建設(shè)和科學(xué)頂層規(guī)劃建設(shè)開發(fā)可迭代發(fā)展的系統(tǒng)架構(gòu)，不斷完善系統(tǒng)智能化，推進(jìn)智能系統(tǒng)化，分階段實現(xiàn)智能化煤礦初、中、高級建設(shè)目標(biāo)。

（四）形成較為成熟的智能化高效開采模式

實現(xiàn)了薄煤層和中厚煤層工作面內(nèi)無人操作遠(yuǎn)程控制采煤，厚煤層大采高和超大采高智能化開采，特厚煤層智能化綜放開采。國家能源神東榆家梁煤礦在1.4 m以上煤層實現(xiàn)高質(zhì)量智能化開采。神東上灣煤礦自2018年起研發(fā)應(yīng)用8.8 m超大采高液壓支架及成套裝備取得成功。陜煤榆北礦業(yè)與天地科技等合作研發(fā)出10 m超大采高液壓支架樣機(jī)，目前正在推進(jìn)10 m超大采高綜采成套裝備和技術(shù)應(yīng)用。

（五）智能化煤礦建設(shè)示范取得成效

目前，全國生產(chǎn)煤礦共計3000多座，其中120萬t以上煤礦1 200余處，千萬噸級煤礦44處。71處國家首批智能化示范建設(shè)煤礦中，井工礦66處，露天礦5處，智能化升級改造煤礦63處，新（改擴(kuò)）建智能化煤礦8處。已建成500多個智能化工作面。形成了黃陵智能化煤礦建設(shè)模式，老礦區(qū)復(fù)雜條件智能煤礦建設(shè)模式，蒙、陜、晉千萬噸級高強開采智能化煤礦建設(shè)模式等。

二、煤礦智能化技術(shù)最新研發(fā)成果

在“煤礦智能化技術(shù)最新研發(fā)成果”部分，王國法院士分別從智能化煤礦數(shù)字邏輯模型與數(shù)據(jù)推送策略、煤礦巨系統(tǒng)智能化架構(gòu)與協(xié)同機(jī)制、5G＋智能化煤礦系統(tǒng)及應(yīng)用場景、礦井4D-GIS地理信息系統(tǒng)系統(tǒng)、1.1m薄煤層硬煤大功率高效智能化開采成套技術(shù)與裝備、“掘錨一體機(jī)＋錨運破＋大跨距轉(zhuǎn)載” 遠(yuǎn)程控制智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)成套技術(shù)與裝備、智能通風(fēng)系統(tǒng)、井下鋰電池驅(qū)動人車無人駕駛系統(tǒng)及智能調(diào)度系統(tǒng)、固定崗位無人值守系統(tǒng)9個方面做了詳細(xì)介紹。

三、煤礦智能化技術(shù)“瓶頸”問題及解決途徑

（一）井下車輛和機(jī)器人電動化問題

由于現(xiàn)階段已經(jīng)商品化的大容量鋰電池還無法從根本實現(xiàn)不燃燒、不爆炸且大容量鋰電池在爆炸性環(huán)境中應(yīng)用的基礎(chǔ)性研究還不充分，導(dǎo)致安全、便捷、高效的大功率供電問題已成為制約新能源運輸車輛、井下機(jī)器人等裝備研發(fā)應(yīng)用的“卡脖子”技術(shù)。
解決途徑和展望：近年來國家在推進(jìn)煤礦裝備智能化、減排低碳方面出臺一系列鼓勵政策，電動化是實現(xiàn)智能清潔礦山的必由之路。由于防爆標(biāo)準(zhǔn)、電池技術(shù)水平、批量化應(yīng)用等多方面的原因，目前大容量鋰電池是實現(xiàn)電動化的唯一途徑。為保障使用安全，建議國家在政策保障、科研投入等方面給予支持，在防爆設(shè)計、井下充換電、隔爆新型材料、大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障預(yù)警等方面開展專項研究，組織編制安全標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范，為礦用裝備的綠色新能源化創(chuàng)造條件。

（二）井下無線發(fā)射功率問題

電磁能防爆問題涉及防爆領(lǐng)域、射頻通信領(lǐng)域、電磁波領(lǐng)域等多個學(xué)科交叉，技術(shù)難度較大，基礎(chǔ)性研究較少，缺乏針對煤礦井下電磁環(huán)境的可信基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)，電磁能防爆問題亟待解決。

解決途徑和展望：建議聯(lián)合防爆、無線通信、電磁波等相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)資源，集中開展針對電磁波防爆標(biāo)準(zhǔn)限值的基礎(chǔ)性研究，從防爆機(jī)理入手，對適用于爆炸性環(huán)境的電磁波防爆技術(shù)進(jìn)行相關(guān)理論研究及基礎(chǔ)試驗研究，提出滿足煤礦井下防爆安全要求的無線射頻設(shè)備安全技術(shù)要求及評估與檢測方法，進(jìn)行針對性的全方位研究。

（三）5G煤礦應(yīng)用場景與生態(tài)問題

截至目前，各大煤礦已結(jié)合自身特點分別在基于5G技術(shù)的高清視頻傳輸、固定硐室巡檢、掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制、多傳感器接入與互聯(lián)等方面做了大量有益的探索。但5G技術(shù)在煤礦的應(yīng)用仍處于網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)層面；其次，針對5G煤礦應(yīng)用的場景關(guān)鍵技術(shù)和業(yè)務(wù)模式尚未突破；再者，相關(guān)軟硬件生態(tài)尚未形成，難以形成技術(shù)和應(yīng)用爆發(fā)點。

（四）“透明地質(zhì)模型”問題

目前透明地質(zhì)模型構(gòu)建存在高精度實時動態(tài)探查技術(shù)與裝備、多源地質(zhì)數(shù)據(jù)融合與建模算法、透明地質(zhì)集成與共享軟件平臺等方面的制約；探查技術(shù)與裝備智能化、精準(zhǔn)化、實效性、共享性還無法滿足智能化采掘需求；透明地質(zhì)建模對于多源地質(zhì)數(shù)據(jù)的挖掘不充分，嚴(yán)重依賴于點數(shù)據(jù)的內(nèi)插，建模算法的區(qū)域適配性不足；透明地質(zhì)模型在與煤礦采掘系統(tǒng)集成應(yīng)用和數(shù)據(jù)共享方面仍缺乏有效的融合聯(lián)動和實時互饋，地質(zhì)預(yù)測預(yù)報缺乏動態(tài)地質(zhì)信息支撐。

解決途徑與展望：①研發(fā)高精度隨鉆、隨掘和隨采動態(tài)探查技術(shù)與裝備，實現(xiàn)采掘工作面模型實時動態(tài)更新和預(yù)測預(yù)報；②研究礦井多源地質(zhì)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)沉積規(guī)律優(yōu)化插值算法，充分利用地質(zhì)數(shù)據(jù)和適配算法構(gòu)建高精度多屬性地質(zhì)模型；③研發(fā)一體化透明地質(zhì)軟件平臺，實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、管理和融合；④采用優(yōu)化插值算法構(gòu)建高精度多屬性模型，實現(xiàn)實時動態(tài)探查數(shù)據(jù)與地質(zhì)模型的互饋，并與采掘系統(tǒng)深度融合聯(lián)動和數(shù)據(jù)共享，實時提供并更新采掘截割軌跡及隱蔽致災(zāi)因素預(yù)測預(yù)報。

（五）智能巨系統(tǒng)兼容協(xié)同問題

煤礦智能化巨系統(tǒng)兼容協(xié)同制約因素主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尚未實現(xiàn)統(tǒng)一、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議兼容性差、業(yè)務(wù)系統(tǒng)兼容性較差、系統(tǒng)間協(xié)同控制兼容性差。

解決途徑與展望：①從全礦井設(shè)計出發(fā)，規(guī)范智能化煤礦數(shù)據(jù)中心、主干網(wǎng)絡(luò)等；②實行全面的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化；③網(wǎng)絡(luò)傳輸要具有強實時性，滿足智能系統(tǒng)長時可靠運行的需求；④系統(tǒng)開放性，對于新建礦井，所選系統(tǒng)能夠支持多種開采裝備應(yīng)用程序的開發(fā)與部署。

（六）連續(xù)自動掘進(jìn)與掘支平行問題

存在的主要問題為采掘失衡、掘支失衡、裝備適應(yīng)性差。

解決途徑與展望：全面提高探、掘、支、運、輔等各環(huán)節(jié)的自動化水平，是智能化掘進(jìn)發(fā)展的重點。針對不同礦井和工作面條件，研究開發(fā)不同的設(shè)備配套模式，在設(shè)備選型前進(jìn)行專業(yè)化論證，提高技術(shù)適應(yīng)性；同時，需要不斷提升基礎(chǔ)工業(yè)水平，增強設(shè)備可靠性。

（七）采煤工作自動調(diào)高與調(diào)直問題

針對工作面自動調(diào)高的問題，難點不在于如何調(diào)高，而在于如何確定調(diào)高的依據(jù)和調(diào)高的策略。

解決途徑與展望：基于兩巷煤巖識別的截割曲線規(guī)劃或者調(diào)高控制策略研究是比較符合現(xiàn)場實際的解決方案之一。目前待發(fā)展的技術(shù)主要有回采煤層地質(zhì)體三維物探原理與技術(shù)、三維地質(zhì)精細(xì)建模技術(shù)、基于三維地質(zhì)精細(xì)模型的工作面自動調(diào)高策略等。同時急需研發(fā)精度可控、常態(tài)可靠的推移執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋測量傳感裝置。

（八）無人操作系統(tǒng)常態(tài)化運行可靠性問題

目前研究的痛點問題主要包括傳統(tǒng)傳感器使用受限、設(shè)備可靠性相關(guān)傳感手段單一、缺乏故障特征樣本等。

解決途徑與展望：煤礦智能化系統(tǒng)可靠性技術(shù)架構(gòu)包含了物理設(shè)備層、信息采集層、數(shù)據(jù)處理層和模型應(yīng)用層。物理設(shè)備層包括采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備，信息采集層包括數(shù)據(jù)采集與傳輸；數(shù)據(jù)處理層包括數(shù)據(jù)清洗、特征提取及結(jié)果存儲等；模型應(yīng)用層包括健康狀態(tài)評估、剩余壽命預(yù)測、維護(hù)決策等。

（九）ABCD＋煤礦技術(shù)體系問題

“ABCD”技術(shù)體系，即人工智能（Artificial Intelligence, AI）、區(qū)塊鏈（Blockchain）、云計算（Cloud computing）、大數(shù)據(jù)（big Data）等新信息技術(shù)的緊密結(jié)合，形成現(xiàn)代能源礦業(yè)數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用技術(shù)體系，從而助力煤礦企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，推動數(shù)據(jù)智能。目前煤礦ABCD＋煤礦技術(shù)體系應(yīng)用過程中，以下問題亟待解決：未構(gòu)建開放的大數(shù)據(jù)平臺、數(shù)據(jù)治理重視不足、煤礦數(shù)據(jù)訓(xùn)練樣本缺失、煤礦系統(tǒng)智能化需數(shù)據(jù)迭代等。
解決途徑與展望：建設(shè)具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)治理流程、多場景化數(shù)據(jù)應(yīng)用的集存儲、計算于一體的綜合性煤礦行業(yè)云平臺，解決煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)信息孤島問題，促進(jìn)煤礦企業(yè)之間的互聯(lián)互通，將數(shù)字與算法真正資產(chǎn)化，構(gòu)建場景化大數(shù)據(jù)模型，挖掘數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系與決策處理策略，構(gòu)建煤礦開采與安全行為的決策知識圖譜。

（十）柔性煤炭生產(chǎn)供給體系問題

主要問題為調(diào)節(jié)空間受限、影響煤炭企業(yè)正常生產(chǎn)工序、影響煤炭企業(yè)總收入、煤礦安全隱患增加等。

這項研究得到了國家自然科學(xué)基金重點資助項目、中國煤炭科工集團(tuán)科技專項重點資助項目的資金支持。

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