智能化礦井建設的探索與實踐

胡明

重慶巨能建設（集團）有限公司 重慶 401120

引言

煤炭工業的發展不應被一些雜音所煩擾?；谑澜缒茉锤窬?、我國資源儲備和現實經濟社會需求，在未來很長一段時間，煤炭都會在世界能源結構中占據較大比例，其仍為我國主體能源，無法被完全代替。依靠科技進步來減少煤炭生產、利用時對環境產生的負面效應，實現智能化綠色開采與高效清潔利用，是煤炭行業的重要發展方向。智能化礦井建設是煤炭工業高質量可持續發展的核心技術支持。

1 智能化礦井概念和發展趨勢

1.1 智能化礦井概念

智能化礦井指的是深度融合物聯網、云計算、人工智能、大數據、自動控制、智能裝備以及煤炭開發技術裝備，以形成全面自主感知、高效實時互聯、自主學習、智能決策分析、動態預警預測、針對性協同控制的煤礦智能系統。其能完成保障礦井地質、煤炭開采、巷道發掘、主輔運輸、通風、排水、供電、生產經營管理等環節的統一高效智能運作[1]。

1.2 智能化礦井發展趨勢

經過改革開放40年的發展，我國煤礦從普通機械化、綜合機械化、自動化一步步走向智能化。智能化礦井建設為一個不斷發展的過程，智能化程度也是一個不斷進步的過程，濫用智能化概念或以僵化觀點來否定礦井智能化技術，都是狹窄、不可取的。

礦井智能發展中，應當樹立起協調、綠色、開放、創新、共享的發展理念，立足安全、高效、只能開采煤炭資源為主線，堅持建設智慧煤礦，圍繞煤炭工業與大數據、人工智能、物聯網結合的關鍵環節，大力推進智能裝備技術更新、智能系統應用，來提升我國礦井智能化水平。近幾年，我國涌現了一批智能化礦井，其采用的是當下先進的裝備與技術，主要作業設備皆為無人化、智能化操控。礦井設備系統實現了“人員少、故障低、效率高”的管理目標。由此不難預見，未來礦井裝備系統發展的必然趨勢為“信息化、自動化、智能化”。所以，智能化礦井建設也為當下和未來煤礦裝備的主要研究和發展方向。

2 智能化礦井建設面對的問題

2.1 數據傳輸能力較弱

當下礦井下互通、井下和地面通信網絡帶寬、速率、實時性等能力建設相對滯后，難以有效實現高清視頻等大數據量的傳輸，致使無法實現視頻驅動的職能開采。設備之間的關聯依靠中間節點，無法完成即時大規?；ヂ?，會影響礦井下開采環境安全生產信息的全息感知。大數據分析結果無法及時用于設備控制，限制了先進技術的應用[2]。

2.2 管理決策智能輔助不足

受到通訊寬帶、計算能力以及智能決策模型的影響制約，大多分析只能憑借經驗判斷與簡單的統計分析，沒有對海量數據、多因素實時只能進行深入有效的分析，也無法對礦井下生產現場進行安全態勢評析和管控，因而也無法為企業運營管理提供可行高效的決策支持[3]。

2.3 設備可靠性與傳感精度低

當下我國智能化礦井建設尚處于起步探索階段，因而設備可靠性與傳感精度較低。大型采礦設備機械智能化水平不高，為安全作業設置的大量傳感器在采集數據時較為單一、精度低、抗干擾能力弱、用途局限。

2.4 缺乏智能化專業技術人才

在礦井智能化建設上，面對的最大問題還是專業技術人才的不足，在大數據技術開發應用方面，缺乏專業人才，“一些精通大數據、熟悉計算機的人才，不了解煤炭；而煤炭行業的人，又大多缺乏大數據方面的經驗和知識”，這幾乎是煤礦行業普遍性存在的人才需求矛盾。

3 智能化礦井建設的實踐策略

3.1 健全完善智能化標準體系

智能化礦井總體架構包含了智能化管理平臺、網絡服務平臺、大數據中心等十大主要智能化應用系統，覆蓋全礦區的通信與感知網絡，建立礦井大數據庫，來滿足智能化開采的多樣需求，讓煤礦生產實現“看得見、管得了，控得住”。智能化礦井建設為多學科融合交叉的綜合問題，涉及多層次、專業、系統，要達成深度互聯互通，其基礎就是建立起健全完善的標準體系，并保證其前瞻性、繼承性。

為“一張藍圖繪到底”，需做好科學規劃頂層設計，明確各標準邊界范圍與適應性，循著分級分類建設原則，規避充分規范與過度標準化，來保證智能化有關技術充分應用于礦井。同時，加強智能化礦井建設規劃部署，研究制定和智能化礦井建設相關產業政策，并借鑒其他行業現有成熟只能技術，來轉化應用于煤礦生產領域。各行業參與到智能化礦井建設中，應當立足礦井少人、安全、提效目標，完善利益聯結機制，提升智能化水平，著力推進礦井全流程生產智能化建設[4]。

此外，智能化礦井標準體系完善需充分考量礦井所在區域、煤層地質條件、建設規模、生產技術等不平衡性；考慮礦井開拓、采掘、運通、安全保障、生態保護等全過程關聯性；及考慮各指標要素對礦井智能化系統影響程度差異性，以此為智能化礦井建設奠定基礎。

3.2 5G技術支撐智能化礦井建設

不管是傳感層、傳輸層、控制層抑或是后端應用開發層，建設智能化礦井都需要重塑傳統煤礦業務場景，而煤礦智能化應用與系統融合也對承載網絡提出了新標準、新要求。過去的傳統網絡已無法滿足礦井智能化要求，因而需立足系統工程，借助5G技術來重構網絡架構，創新新業務模式及應用場景。

上面提到數據傳輸能力較弱，管理決策智能輔助不足，以及設備可靠性與傳感精度低問題都能通過5G技術來解決。①數據層面，智能化開采感知數據有三特征，數據類型多樣化、數據生成速度快、數據體量增長快。就數據類型而言，排除傳統語音、視頻、文本等，還有高清視頻，能滿足多用個性化需要。②智能化開采傳輸需求層面，伴隨智能化開采的向前推動，數據類型變得多樣豐富，5G切片管理技能能夠有效提升網絡資源利用率，隔離劃分多個場景，以實現智能化開采網絡高效利用與數據安全傳輸保證。③智能化開采決策控制需求方面，不單數據需求變得全面、廣泛，協同控制互相連通愈發頻繁，且遠程實時操控要求也逐漸提升，如果延時太長就可能埋下隱患，借助重構當下網絡，依靠5G技術的低延時特質能解決該問題。④場景應用需求上，新技術多應用云、邊、端互訪，端到端的訪問愈發增加，新場景資源調配靈活性更強。理清煤礦智能工作面、高精細傳感器等約三十種智能化開采應用場景，比較帶寬要求等，會發掘4G應用場景越變越少，5G技術才能解決現下常見問題。

3.3 多環節推進智能化礦井建設

煤礦企業需積極開展標準完善、頂層設計、科技創新等大量工作，秉承保持技術的先進性、可靠性、可擴展性等建設理念，突破核心關鍵技術，探索服務新型模式，多環節一同推進智能化礦井建設。

其一，推進升級智能化開采。就透明地質開采、工作面自動找直等技術難題進行解決攻關，研究基于工作面三維地質透明化模型構建技術，完成設備精確控制、故障自動診斷和生產工藝的職能決策，由傳統記憶截割跨越向三維空間感知與自動化截割技術。

其二，探究實現智能掘進。企業可先解決支護相關問題，達成快速掘進，提升單進水平；再依托智能化開采經驗，進行成套裝備的智能電控系統、中央系統、自主導航系統等的研究和運用，完成遠程地面集控掘進工作面，來實現智能掘進。

其三，研發運用煤礦機器人。企業可先在皮帶輸送機、水泵房、變電所等地方應用技術成熟的巡警機器人，實現“無人巡視、無人值守”。同時，積極配合科研院所，開發環境氣體監測、外骨骼助力等機器人的研發，力爭取得煤礦機器人技術新成果，并運用到實際智能礦井建設中。

其四，架構“三網一平臺”。建立起礦井安全、生產、技術、管理等和信息平臺結合，依靠空間信息、計算機網絡、大數據、分布式協同“一張圖”，來架構煤炭產—供—銷三張網絡，保證礦井管理的透明簡單、規范高效和可靠安全。

4 結束語

總的來說，智能化礦井建設探索和實踐是煤炭行業的大勢所趨。相關企業需要積極建設綠色、高效、安全、智能、可持續發展的智慧礦區，通過健全完善智能化標準體系，5G技術支撐智能化礦井建設，以及多環節推進智能化礦井建設等方法，來最終實現整個礦井的無人化、智能化，促使煤炭行業轉型升級更好發展。