智慧煤礦的建設路徑探討

李偉建

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著信息化和工業化的進一步深入融合，特別是人工智能、物聯網、云計算、大數據等技術的飛速發展，各行各業都在向著智能化的新方向發展[1-2]。我國煤礦信息化和自動化水平還有進一步提高的空間，煤礦生產的各子系統之間還是相互獨立的，雖然各子系統基本實現了自動化，但各子系統的數據和信息尚未進行有效關聯，還缺乏對子系統進行統一協調的“智慧大腦”。

在大數據的時代，智慧礦山的建設以各種各樣的數據作為基礎，這就需要解決信息的精準有效采集、數據的快速傳輸、數據的可視化展示，最后實現各設備的自動化運行和煤礦的智能化服務[3-5]。我國高端綜采技術與裝備研發取得了較快速的發展，取得大批重要成果，極大提升了我國煤炭行業機械化和自動化程度，降低了百萬噸死亡率。隨著社會的進步和科技的發展，煤炭行業的生產方式也由粗放的生產向著集約化、精細化和智能化的方向轉變，智慧礦山建設成為煤炭行業發展必然趨勢。2016年，國家發展改革委和國家能源局印發了《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030年)》，文件要求到2030年實現煤炭智能化開采，重點煤礦區基本實現工作面無人化，全國煤礦采煤機械化程度達到95%以上。國家安全生產監督管理總局提出的“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動中，也將煤炭智能化開采技術列為重點研究方向[6-8]。因此，加強智慧礦山建設是煤炭行業實現安全、高效、智能、綠色生產的必然要求。

1 智慧煤礦建設的目標

智慧煤礦就是要在煤礦數字化的基礎上，通過信息的精準實時采集、網絡化高速傳輸、規范化集成，實現信息的可視化展現、設備的自動化操作和生產的智能化服務，實現煤礦的綠色、高效開采。隨著礦井綜合信息化和自動化的不斷推進，智慧煤礦的建設將使我國煤炭行業發生根本性變革，很多危險的工作將由機器人代替人工去完成，依托信息化、物聯網、數字化、人工智能、大數據等新技術提升和改造傳統采礦業，不斷開創安全、高效、綠色和可持續的智慧煤礦發展新模式。

智慧煤礦建設第一階段的目標是初步實現采、掘、運主要環節的自動化運行和智能化決策。第二階段將多個子系統互聯起來，構建多系統融合的智慧礦山架構，實現綜采、運輸等系統的區域化自動運行和智能決策。第三階段將建成全礦區、多系統集成、多產業鏈的智慧礦山體系，全面實現各環節、各系統的數字化精準實時采集、高速實時傳輸、數據虛擬化展現，采、掘、運、通、選等生產環節的自動運行和智能決策[9]。

2 智慧煤礦建設的措施

目前，我國已建成一批以智能化開采和數字化信息化管理系統為標志的先進煤礦，煤礦智能化開采和煤礦物聯網技術已取得了重要進展。但是，由于煤礦開采條件的復雜性和多樣性，智能化工作面還遠沒有達到理想效果，智慧煤礦建設還處于初級起步階段，需要從以下6個方面進行深入探討，如圖1所示。

圖1 智慧礦山建設主要措施

2.1 制定相關技術規范和標準

智慧礦山是兩化深度融合的必然產物，智慧礦山的建設涉及到諸多行業、部門和企業，是一個不同步發展的漸進性過程，跨領域、跨部門的協作成為必然。為探尋智慧礦山的最佳解決方案，要打破行業壁壘，集合高校、行業協會、研究院所、廠商、煤礦等為主體，開展產學研用協同創新，制定必要的標準和技術規范。優先制定頂層設計、關鍵技術相關的標準和規范，主要包括智慧煤礦指標體系及評價標準、智慧煤礦架構及數據交互規范、智慧煤礦智能決策平臺及架構設計規范等[10-11]。

2.2 透明工作面建設

在常規地質勘探結果基礎上，以槽波探測、井下鉆探、地質雷達、圖像攝像地質測繪、電磁波CT等精細工程物探結果和巷道激光掃描數據等為基礎，構建初始三維地質模型，以煤巖識別等數據對模型進行實時修正。另外，融合綜采設備位置、姿態和環境狀態等實時數據形成動態透明工作面，以虛擬現實的方式進行顯示，實現遠程實時操控。透明工作面建設流程如圖2所示。

圖2 透明工作面建設流程

2.3 一張圖建設

運用現代信息技術和數字化手段，建立一套基于網絡GIS服務平臺模式的在線協同生產技術管理信息系統。實現各礦井生產技術相關數據的網絡化、安全化、流程化管理，搭建起生產技術的信息交流平臺，實現煤礦地質、通風、測量、生產、機電的圖形、文件、報表等專業資料的科學集成與充分共享，支持與現有文件格式的數據進行交換，大大提高煤礦生產技術相關數據管理的能力。建立精準地質信息系統，構建礦井三維精細地質模型。

2.4 智能化煤礦裝備研發

智能化煤礦裝備的研發是實現智慧煤礦的基礎，是實現“機械化換人、自動化減人”科技行動目標的保障。要實現煤炭的智慧化開采，需要對智能化綜采裝備進行深入的研究，除了對供電、運輸、排水、通風、壓風、瓦斯抽放、洗選等輔助系統的改造升級，實現輔助系統的智能化、自動化集中控制，實現機械化換人、自動化減人，還要實現順槽支護自動化，工作面采煤智能化。重點開展工作面智能化超前支護裝備及輔助作業平臺、無人工作面巡檢機器人、基于多信息融合的煤巖界面實時識別技術與裝備、智能化快速掘進系統、設備狀態監測與故障預判、無煤柱沿空留巷技術、瓦斯精準抽采、慣性導航控制技術、巷道支護等專項研究[12-14]。通過對各裝備機身增加環境、位置、姿態等傳感器件，并加裝執行元件，與其他各子系統進行數據互聯，構建虛擬現實模型，實現智能定位、防碰撞檢測、運行速度調節、故障預警、聯動閉鎖控制。

2.5 大數據平臺建設

大數據平臺建設的現狀及目標：我國煤炭行業的大數據目前尚處在探索階段，要實現成熟應用還有很長的路要走。但是，隨著物聯網技術的迅猛發展，大量傳感器將被應用，必將產生海量的數據，數據的規模效應給存儲、管理及分析帶來了挑戰。根據一張圖協同管理系統，結合礦區實際，完成可視化大數據平臺方案的頂層設計，開展數據集成平臺的研發工作，實現各礦井信息化、自動化和智能化系統的數據集成。包括建設可視化大數據平臺，建成公司級大數據指揮調度中心，直觀展示各礦井的安全生產運行情況，實現公司對各礦井的統一調度管理，深入挖掘各類數據間隱藏的內外部關系，總結各系統數據的規律，為公司安全管理、經營決策等提供數據支持和建議[15-18]。

信息化、自動化和智能化系統的數據集成：對各礦井已建成的系統采用實時數據庫、分布式存儲、數據定向同步、數據庫集群管理等技術，在確保不影響系統穩定運行的基礎上，實現各系統數據的集成和同步。對于新建、升級和改造的系統必須嚴格按照公司信息化系統建設體系標準建設，規范數據格式，為可視化大數據平臺建設奠定數據基礎。

可視化大數據平臺：采用可視化、物聯網、云計算、Web Service等技術，建設可視化大數據平臺，實現對信息化、自動化和智能化系統的充分集成。通過平臺數據倉庫對各系統數據按照制定算法進行計算和分析，對未來安全生產和安全的發展以及可能遇到的問題進行預測(實現產量預測、成本預測、井下環境預警等)，為安全管理、決策、預警等提供數據支撐。

2.6 智慧決策應用開發

充分利用數據挖掘技術發現數據背后的規律和知識，為煤礦生產和管理提供有效信息。通過綜合分析各子系統的數據，開展煤礦機械設備狀態檢測、剩余壽命評價以及預測維修。建立完善的災害監控和預測預警系統，對瓦斯、水害、火災、沖擊地壓等事故進行防控。

3 結語

智慧煤礦建設是一項極其復雜的系統工程，需要經過漫長的發展過程，需要各級部門和各單位達成共識，通力協作。智慧煤礦的建設，必須在制定相關技術規范和標準的基礎上，用好各種新技術，研發智能化裝備，構建大數據平臺，探索智慧決策應用模型。智慧煤礦的發展必將改變現有的開采方式，不斷開創綠色、高效和可持續的煤炭發展新局面。