智慧礦山建設及煤礦的智能化開采分析

宋海潮

（冀中能源股份有限公司 機電部，河北 邢臺 054000）

眾所周知，我國是一個地大物博的國家，其中煤礦資源分布較為廣泛，煤礦生產一直以來都是國民經濟增長的核心產業之一。然而，隨著信息技術的不斷深化，當前許多行業都已經開始在工作中滲透智能化、多元化思維，旨在利用各種智能終端設備來推動行業長遠發展。智慧礦山的建設工作，其中的“智慧”具體指的是哪一部分，包含了哪些工作目標，過程中需要應用的關鍵技術又包含哪些層面？諸如此類問題，正是本文重點需要探討的問題。首先就煤礦智能化開采相關內容展開綜合論述，分析當前我國煤礦智能化開采中存在不足之處及具體的建設目標，探究智慧礦山建設及智能化開采的關鍵技術，并在此基礎上從多個維度入手，分別對未來智慧礦山的智能化開采策略展開深入探究。

1 智慧化礦山綜述

1.1 智能化開采含義

智慧礦山是在礦山地表和地下開采礦產資源的工程活動中所涉及的各種靜、動態信息的全部數字化，并由計算機網絡進行管理，同時可運用空間技術與實時自動定位、導航技術對礦山生產工序實行遠程遙控操作和自動化采礦的綜合體系[1]。以透徹感知、深度互聯、高度共享、智能服務和可視化展現為特征，其主要目標是實現更透徹的感知、更深度的互聯、更高度的共享、更智能的服務及更直觀的展現。從煤礦企業層面來看，將人工智能、物聯網、云計算及人工智能等高新技術體系滲透到具體的自動化、機械化和信息化煤礦企業，其實就是智能化開采的基礎定義。煤礦智能化開采之中可以有效完成采掘、煤炭洗選、自動化開采、地測防治水和安全生產監測管理等各個方面的工作，確保各個細節工作都能夠落實到細處，完成智能化決策與分析、智能化控制及執行，以此來推動煤礦信息化水平的發展。煤礦智能化開采之核心，在于導入人工智能模式來替代不必要的勞動力，給現場工作人員減輕工作負擔，保障安全生產，同時穩定煤炭資源的持續性供應。

就目前我國智慧礦山的實際發展進程來看，其實在很多層面都需要進一步完善，大部分地區的采礦作業并不算“智能化”，大部分時候還是靠機械化開采，并沒有做到完全意義上的替代人力。當然，智慧礦山建設是一個漫長的過程，需要行業內所有技術人員共同努力，將各種先進的信息技術進行同步更新處理。因此，可以說當前的煤礦智能化開采是煤礦綜合機械化發展的起步階段，是煤炭生產方式的新方向，與傳統煤礦開采工作模式相比，當前的智能化開采明顯更加人性化，能夠不再受制于的惡劣的開場環境、工作空間等，井下工作人員需求數量也在持續降低，工作精準度、操作便捷性和可靠性都更為可觀[2]。

1.2 智能化建設目標

當前全球范圍都在經受疫情的沖擊，中國盡管在疫情防控工作方面做得十分到位，但是煤礦生產行業依舊在一定程度上受到了沖擊。由于煤礦企業需要在人員配備、機械設備和生產材料等方面做好科學統籌，但是在疫情形勢下，各個層面的工作都受到了干擾，促使煤礦開采事業需要拓展多元化格局，如何實現智能化轉型、未來向什么方向來進行技術轉型成為時下愈發熱烈的話題。其二，在2035年，國內所有煤礦基本實現自動化開采，逐步構建成熟全國型煤礦智能化管理體系及智能化繼承系統。根據目前我國的實際發展情況，我國已經完成建設的智能化采煤工作面達到500多個，已經在煤礦智能化建設層面取得了較為顯著的成績，特別是國家能源集團及中國煤科天瑪公司等單位，已經在我國建成了首個無人巡視、自助式割煤的智能化無人工作面，這是我國煤礦綜合開采智能化建設取得的一次重大進展。不過就實際情況來看，我國的煤礦智能化開采與國外某些先進國家相比，還是存在一定差距，還需要在未來工作中加大工作建設力度。

1.3 礦山建設的階段性

礦山建設歷經了幾代人的辛勤耕耘，最原始的是人工開采階段，在此階段中，行業內相關開采工作者主要利用手工或者簡單工具鎬刨、锨挖開展礦山采掘活動，此階段主要生產力量是人力為主，因此不僅工作效率極低，而且也難以維系工作人員的生命安全。第二個階段即機械化階段，在機械化階段的礦山開采，在采掘、運輸、提升，以及生產輔助等各個層面都已經有了很大提升，大量采用了機械設備、爆破施工，因此工作效率得到大幅度提高，礦井用人數量也在逐步降低。第三個階段，也就是我國將要完成的工作目標，即數字信息化階段。此階段是處于計算機技術飛速發展時期，給傳統礦產行業帶來了極大的沖擊，同時也給行業注入了新的技術力量，如何利用信息技術來改造傳統礦產建設格局，同時在過程中融合國家發展戰略，打造“三網合一”“兩化融合”等工作體系[3]。最后一個階段才是礦山智能化建設的終極目標，即實現各個礦山建設環節的智能化布局，其中包括了無人開采、選礦和運輸等各個方面，在此階段的礦山建設才算真正意義上的“智能化”，其最終目標是運用智能化技術手段來替代人力，實現工作效率、工作品質的全面升華。

2 當前我國礦山智慧建設工作存在的不足

2.1 相關建設標準不規范

相關建設標準不規范，其主要表現在礦山信息化推進過程中某些細節無法落實到位，總體建設缺乏頂層設計與科學規劃，對應的標準化建設還需要持續完善，導致目前市面上許多系統制造商無序競爭。另外一個層面，由于建設標準不規范，導致各個礦區之間的互聯互通性比較差，往往智慧開采系統與生產實際不匹配，無法滿足現實開采需求，甚至在某些礦區還處于起步階段。

2.2 多學科交叉融合不足

智慧礦山的搭建，其中包含的專業內容十分廣泛，不僅需要在技術層面做好銜接，同時還需要強化人員配置方面的內容，這就需要做好多學科方面的交叉融合。然而就實際情況來看，當前我國的智慧礦山建設工作中，還是有很多內容未能落實到位，大部分的解決方案都過于粗獷，對應的礦山公共開發平臺缺乏統一管理，沒有做好學科知識與實際應用方面的疏通。目前我國許多地區的礦井的信息流、數據流都不夠精細，沒有構建清晰的系統圖譜，智能化水平不足，各個業務系統之間的綜合協同管控力度也還需要進一步完善[4]。

2.3 過分強調硬件建設，存在“信息孤島”現象

客觀而言，當前我國大部分的礦山建設都過分重視硬件的投入，忽略了軟件、系統平臺方面的研發投入，比較少針對礦井條件與業務系統導入針對性的軟件開發及其應用，許多礦區的軟件開發界面都不夠友好，一線職工對軟件的實際認可度不高，使用效果也不理想。與此同時，礦井各個系統之間的集成度普遍偏低，存在兼容性差、接口不統一的現象，各類智能終端、信息系統等之間缺乏深度融合，而且在通信系統方面也需要持續強化，傳統數據算法很難應用到礦山業務中。如此一來，則最終會造成“信息孤島”問題，考慮到當前我國大部分礦區的子系統基本已經構建完成，倘若系統在獲取海量信息數據的時候沒有做好集成分析，那么勢必會影響后續工作的正常開展。

3 智慧煤礦與智能化開采的關鍵技術

3.1 精準定位系統

在進行煤礦開采的過程中為了保證煤礦開采能夠按照計劃逐步推進，必須進行精準的定位。但是眾所周知，在礦井中并沒有復雜的電磁信號也不能按收到衛星信號，因此實現定位導航的難度會有所加大。在現階段我國應用的定位系統中基于GⅠS的定位信息系統是運用最廣泛的技術之一，其包含了5個方面的核心技術。分別為高精度適用于復雜磁場環境的導航技術、局部定位導航芯片技術、井下高速無線通信技術、井下高精度定位技術及井下導航避讓技術。這5個技術的應用能夠讓井下的定位系統更加精確，進一步保障煤礦的順利開采。

3.2 井下環境檢測技術

對于煤礦井下來講，由于其潮濕、復雜的電磁環境會嚴重制約著探測技術的應用，因此井下環境檢測技術就成為了現階段我國煤礦行業對井下現狀分析的重要技術。環境檢測、振動探測等識別技術已經成為了我國煤礦井下環境感知的核心技術，這些技術主要包含了4個方面。分別為高精度穿透技術、煤炭探測傳感器、甚于網絡的采掘裝備傳感器及特定物理環境探測儀。這4種技術相互聯系、相互工作，進而能夠更加精確的將井下復雜、極端環境信息傳輸到地面，實現煤礦開采過程中的直接探測。

3.3 數據分析系統

數據分析是智慧煤礦與智能化開采的關鍵系統。因為智慧煤礦集成了8個子平臺的運行，因此無論從技術層面還是實際操作層面數據分析都是至關重要的。數字煤礦的邏輯模塊需要從眾多傳感器中獲取煤礦井下的實際數據，通過對這些數據的有效分析挖掘出煤礦開采的相關規律，并將其順利應用在智能開采的控制過程中。精確的數據分析系統能夠幫助人們更加清晰地了解煤礦開采中遇到的問題和瓶頸并加以解決[5]。

3.4 視頻監控技術

盡管有了相關技術設備的支持，但是為了便于管理員了解井下作業的實時情況，視頻監控技術就顯得尤為重要。對于煤礦井下視頻監控技術來講，實際上是通過指揮中心的視頻監測系統實時觀察到煤層傾角變化及井下開采時設備的運轉情況。操作人員可以通過顯示器實時了解井下工作的具體情況，避免在生產的過程中出現問題。視頻監控技術能夠幫助工作人員進一步對煤礦開采的進程及各種傳感器的運轉情況實時了解。視頻監控技術的應用還可以在智慧煤礦系統出現問題時通過人工干預的方式進行解決，進一步保證煤礦開采的順利進行。

3.5 井下機器人技術

客觀而言，我國大部分地區的礦井地理環境都比較復雜。復雜的地理環境也在一定程度上給礦井工人帶來了安全隱患。基于這些問題現階段我國已經研發出了井下機器人來處理煤礦井下的技術難題。井下機器人能夠代替人工去完成相應的操作，進一步方便了井下作業人員。但是現階段井下機器人仍然存在著耗電高、無法自我修復等問題需要解決[6]。

4 煤礦智能化體系的構建策略

4.1 合理協調智能化模塊

實際上，煤礦智能化開采體系的構建，需要從安全監測、生產經營和數據分析等各個層面做好智能化運行，合理協調好各個智能化模塊，在日常工作中推動煤礦智能開采常態化建設，同時還需要針對煤礦智能化體系中的開采、掘進及物聯網傳輸等各個方面做好統籌規劃，強化各個模塊的智能發建設，確保數據服務成與應用成高度統一，智能化體系能夠與實際生產需求互相匹配。由于大多從事煤礦開采行業的一線工作人員自身綜合素養不足，因此還需要開展針對性的智能化操作培訓，不斷加強智能化安全宣講，確保各項細則能夠深入到各個基層單元，進而推動煤礦智能化開采的工作效率與工作質量。

4.2 創設露天礦山智能化知識圖譜

實際上，我國露天礦山智能化應用案例不勝枚舉，考慮到智能化圖譜之中涉及到的內容極為廣泛，因此需要在工作中學會統籌規劃，做好定量科學依據，清晰描述各項技術要素、實施途徑。其中包括：其一，對于工作流知識圖譜，首先需要對露天礦山大系統中的實際業務進行邏輯層面的重新解構，將各項生產過程中涉及到的生產流程、操作步驟進行精準定位，同時做好業務規則的清晰描述；其二，梳理好信息流知識圖譜，將各個業務層面依據信息流動邏輯進行重新解構，將露天礦山業務范疇、跨設備及跨系統等信息流動規則做好精細描述；最后一個層面，則是對于技術途徑流只是譜圖方面流動工作落實。需要依照“感知—分析—執行”這幾個關鍵步驟核心要素進行解構，并對智能化手段做好科學梳理，并對實現手法做好清晰描述。

4.3 創新礦山智慧程度評價體系

創新礦山智慧程度評價體系，其核心依舊在于推動安全生產，提高煤礦企業的盈利能力，為各個部門做好科學規劃，同時將各項資源做到智慧化整合，達到“物盡其用”之成效。由于各項規劃內容之中存在許多復雜的關聯關系，所以要在礦山智能化圖譜基礎上，將各個業務單元預估好投入產出，具體的工作內容包含：其一，智能化升級的“投入產出”估算科學評定，將各個業務做好升級處理，并對各個細則業務內容規劃好總投入與產出之間的關系；其二，對于礦山投入規模需要融合各個部門之間的建議，對礦山實際盈利能力做好合理的估算模型，避免后續出現不必要的麻煩；最后，結合礦山實際生產特點，根據合理投資規模布局，做好礦山日常工作的規劃，同時不斷細化評價算法。

5 結束語

綜上所述，本文主要結合了多年來相關的礦山建設工作管理經驗，首先就煤礦智能化開采相關內容展開了綜合論述，分析了當前我國煤礦智能化開采中存在不足之處及具體的建設目標，探究智慧礦山建設及智能化開采的關鍵技術，并在此基礎上從多個維度入手，分別對未來智慧礦山的智能化開采策略展開了深入探究。隨著信息技術在礦產行業的持續滲透，未來我國的智慧礦山建設事業勢必將向著越來越多元化、智能化的方向發展，為了盡可能適應時代步伐，相關從業技術管理人員必須立足自身，在平時善于發現不足，充分挖掘自身主觀能動性，懂得在工作中保持前瞻性思維。必要時，甚至可以從國內外各種成功智慧開采案例中汲取有效養分，以此來創設別具中國特色的智慧礦山建設體系，進而促進國民經濟發展，讓老百姓的生活質量更上一層樓。