煤炭是我國一次能源中最經(jīng)濟、可靠的資源，煤礦智能化是實現(xiàn)煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的核心技術支撐。國家發(fā)展改革委、國家能源局等八部委聯(lián)合發(fā)布《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》后，煤炭行業(yè)供給側結構改革和高質量發(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最新進展、煤礦智能化技術最新研發(fā)成果、煤礦智能化技術“瓶頸”問題，并提出了井下車輛和機器人電動化、井下無線發(fā)射功率、5G煤礦應用場景與生態(tài)、透明地質模型、智能巨系統(tǒng)兼容協(xié)同等10個煤礦智能化技術發(fā)展方向及建設路徑。相關研究成果以《煤礦智能化最新技術進展與問題探討》為題發(fā)表于《煤炭科學技術》2022年第1期。

　　一、我國智能化煤礦建設最新進展情況

　�。ㄒ唬┙�立了煤礦智能化基礎理論體系

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

　�。ǘ�）初步建立煤礦智能化標準體系

　　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與標準體系框架白皮書》，建立了體系性、繼承性和前瞻性的煤礦智能化標準體系。煤礦智能化標準體系總體框架由通用基礎、支撐技術與平臺、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類標準組成。

　　（三）提出和實施分類分級智能化煤礦建設路徑

　　煤礦智能化建設應結合煤礦具體建設基礎、開采條件等制定切實可行的智能化建設方案，通過分類建設和科學頂層規(guī)劃建設開發(fā)可迭代發(fā)展的系統(tǒng)架構，不斷完善系統(tǒng)智能化，推進智能系統(tǒng)化，分階段實現(xiàn)智能化煤礦初、中、高級建設目標。

　�。ㄋ模┬纬奢^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)高質量智能化開采。神東上灣煤礦自2018年起研發(fā)應用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，目前正在推進10 m超大采高綜采成套裝備和技術應用。

　�。ㄎ澹┲悄芑�煤礦建設示范取得成效

　　目前，全國生產(chǎn)煤礦共計3000多座，其中120萬t以上煤礦1200余處，千萬噸級煤礦44處。71處國家首批智能化示范建設煤礦中，井工礦66處，露天礦5處，智能化升級改造煤礦63處，新（改擴）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模式，老礦區(qū)復雜條件智能煤礦建設模式，蒙、陜、晉千萬噸級高強開采智能化煤礦建設模式等。

　　二、煤礦智能化技術最新研發(fā)成果

　　在“煤礦智能化技術最新研發(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)智能化架構與協(xié)同機制、5G＋智能化煤礦系統(tǒng)及應用場景、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與裝備、“掘錨一體機＋錨運破＋大跨距轉載” 遠程控制智能快速掘進系統(tǒng)成套技術與裝備、智能通風系統(tǒng)、井下鋰電池驅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個方面做了詳細介紹。

　　三、煤礦智能化技術“瓶頸”問題及解決途徑

　　（一）井下車輛和機器人電動化問題

　　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)境中應用的基礎性研究還不充分，導致安全、便捷、高效的大功率供電問題已成為制約新能源運輸車輛、井下機器人等裝備研發(fā)應用的“卡脖子”技術。

解決途徑和展望：近年來國家在推進煤礦裝備智能化、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。由于防爆標準、電池技術水平、批量化應用等多方面的原因，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，在防爆設計、井下充換電、隔爆新型材料、大數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測與故障預警等方面開展專項研究，組織編制安全標準與技術規(guī)范，為礦用裝備的綠色新能源化創(chuàng)造條件。

　�。ǘ�）井下無線發(fā)射功率問題

　　電磁能防爆問題涉及防爆領域、射頻通信領域、電磁波領域等多個學科交叉，技術難度較大，基礎性研究較少，缺乏針對煤礦井下電磁環(huán)境的可信基礎試驗數(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、電磁波等相關領域的優(yōu)質資源，集中開展針對電磁波防爆標準限值的基礎性研究，從防爆機理入手，對適用于爆炸性環(huán)境的電磁波防爆技術進行相關理論研究及基礎試驗研究，提出滿足煤礦井下防爆安全要求的無線射頻設備安全技術要求及評估與檢測方法，進行針對性的全方位研究。

　�。ㄈ�）5G煤礦應用場景與生態(tài)問題

　　截至目前，各大煤礦已結合自身特點分別在基于5G技術的高清視頻傳輸、固定硐室巡檢、掘進機遠程控制、多傳感器接入與互聯(lián)等方面做了大量有益的探索。但5G技術在煤礦的應用仍處于網(wǎng)絡改進層面；其次，針對5G煤礦應用的場景關鍵技術和業(yè)務模式尚未突破；再者，相關軟硬件生態(tài)尚未形成，難以形成技術和應用爆發(fā)點。

　�。ㄋ模�“透明地質模型”問題

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

　　解決途徑與展望：①研發(fā)高精度隨鉆、隨掘和隨采動態(tài)探查技術與裝備，實現(xiàn)采掘工作面模型實時動態(tài)更新和預測預報；②研究礦井多源地質數(shù)據(jù)融合技術，結合區(qū)域地質沉積規(guī)律優(yōu)化插值算法，充分利用地質數(shù)據(jù)和適配算法構建高精度多屬性地質模型；③研發(fā)一體化透明地質軟件平臺，實現(xiàn)地質數(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因素預測預報。

　�。ㄎ澹┲悄芫尴到y(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)標準尚未實現(xiàn)統(tǒng)一、網(wǎng)絡通信協(xié)議兼容性差、業(yè)務系統(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從全礦井設計出發(fā)，規(guī)范智能化煤礦數(shù)據(jù)中心、主干網(wǎng)絡等；②實行全面的數(shù)據(jù)標準化；③網(wǎng)絡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用程序的開發(fā)與部署。

　�。�六）連續(xù)自動掘進與掘支平行問題

　　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)不同的設備配套模式，在設備選型前進行專業(yè)化論證，提高技術適應性；同時，需要不斷提升基礎工業(yè)水平，增強設備可靠性。

　�。ㄆ撸┎擅汗ぷ髯詣诱{(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)展的技術主要有回采煤層地質體三維物探原理與技術、三維地質精細建模技術、基于三維地質精細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)行機構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、設備可靠性相關傳感手段單一、缺乏故障特征樣本等。

　　解決途徑與展望：煤礦智能化系統(tǒng)可靠性技術架構包含了物理設備層、信息采集層、數(shù)據(jù)處理層和模型應用層。物理設備層包括采煤機、液壓支架、刮板輸送機、掘進機等設備，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、特征提取及結果存儲等；模型應用層包括健康狀態(tài)評估、剩余壽命預測、維護決策等。

　�。ň牛〢BCD＋煤礦技術體系問題

　　“ABCD”技術體系，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）等新信息技術的緊密結合，形成現(xiàn)代能源礦業(yè)數(shù)據(jù)管理與應用技術體系，從而助力煤礦企業(yè)數(shù)字化轉型，推動數(shù)據(jù)智能。目前煤礦ABCD＋煤礦技術體系應用過程中，以下問題亟待解決：未構建開放的大數(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：建設具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲標準、統(tǒng)一數(shù)據(jù)治理流程、多場景化數(shù)據(jù)應用的集存儲、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，構建場景化大數(shù)據(jù)模型，挖掘數(shù)據(jù)關聯(lián)關系與決策處理策略，構建煤礦開采與安全行為的決策知識圖譜。

　�。ㄊ�）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基金重點資助項目、中國煤炭科工集團科技專項重點資助項目的資金支持。