煤礦智能化創新團隊建設與關鍵技術研發進展

王國法，富佳興，孟令宇

（1.中國煤炭科工集團有限公司，北京 100013；2.北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399；3.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；4.煤炭科學研究總院有限公司，北京 100013）

0 引言

自2020年2月八部委聯合發布《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》以來，各產煤省區、煤炭生產企業、煤機裝備企業、研究機構與高校、信息技術企業等社會主體紛紛行動，從不同角度開展了研究探索與工程實踐，為加快推進煤礦智能化高質量發展積累了寶貴經驗[1]。首批智能化示范礦井建設取得重要進展，已有近30個示范建設煤礦通過中級智能化煤礦驗收。下一步，煤礦智能化建設將進入推廣期和高級智能化難題攻堅期。當前煤礦智能化各系統仍有諸多關鍵核心技術短板和發展瓶頸，制約著煤礦智能化向更高水平發展，需要智能化頂層規劃、標準體系、基礎理論和軟硬件技術的新突破，更需要過硬技術創新團隊和硬科技成果為煤礦智能化建設提供強有力支撐。

1 煤礦智能化建設的突出技術短板和創新方向

目前全國有近400個煤礦正在開展智能化建設，已建成智能化采掘工作面813個，其中采煤工作面477個，掘進工作面336個[2]。經過產學研用的全面探索，取得了一些可復制、可推廣的建設經驗，同時也暴露了許多制約煤礦智能化建設的突出技術短板和瓶頸。

（1）煤炭工程傳統設計模式和工具不能滿足智能化建設需求。煤礦智能化建設應規劃引領、設計先行。當前煤炭設計仍以二維設計為主[3]，基于建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的三維正向設計理念尚未廣泛應用，較其他行業存在較大差距，不能滿足智能化建設需求。單項/單位工程設計需要采礦、選煤等工藝專業牽頭，機械、電氣、土建、水暖、總圖等多專業同時參與，存在大量的專業資料傳遞，不同專業交替作業，協同設計、平行設計比例低；三維標準技術裝備族庫和基于參數化族庫的智能化設計軟件尚未形成，設計成效受設計師的經驗和喜好影響較大，制約智能化最優方案的建設；尚未形成模塊化智能設計工藝包，設計周期長，很難適應煤礦智能化建設需求。

（2）信息基礎設施規范性差，制約智能化系統信息有效融合。煤礦信息基礎設施是煤礦智能化建設的底層支撐[4-5]，目前尚未形成統一標準，現存的各個信息系統互聯互通難度大，各種設備通信接口不統一，處于“七國八制”狀態，嚴重制約了數據的流通和協同，智能化煤礦的信息安全性不高、系統靈活性和可擴展性較弱。

（3）智能地質保障軟硬件技術跟不上智能開采發展要求。煤炭地質信息貫穿于煤礦勘探、設計、開拓、生產、關閉等全生命周期，是實現煤炭智能開采的基礎和前提。目前地質條件探測精度不高，動態地質信息監測困難，智能開采缺乏精準的地質基礎[6]，現有地質保障技術難以精準高效預測水害、瓦斯災害、沖擊地壓等地質災害，地質保障軟件平臺技術面臨數據多源異構、集成開發語言不統一、定制化軟件在不同煤礦適應性差等問題[7]，尚未較好地實現以工作面動態更新的高精度三維透明地質模型支撐回采工作面截割路徑規劃。

（4）采掘運等智能化核心系統技術裝備保障能力不足。到2025年，大型煤礦和災害嚴重煤礦要基本實現智能化，形成煤礦智能化建設技術規范與標準體系，實現開拓設計、地質保障、采掘（剝）、運輸、通風、洗選、物流等系統的智能化決策和自動化協同運行。越是條件復雜、災害嚴重的煤礦，越需要以智能化開采為保障。但現有的智能化技術裝備難以適應條件復雜的工作面[8-10]，主要體現如下：綜采放頂煤工作面智能化放煤技術未有效突破，煤礦機械裝備可靠性及自適應控制技術有待突破，智能化開采技術對復雜煤層條件適應性差，綜采設備群智能協同控制效果有待提升，工作面端頭及超前支架智能化水平較低，工作面設備智能決策能力有待提升[11]。這些因素制約著煤礦智能化建設向更高質量和更高水平發展。

（5）煤礦安全預測預警與智能安控技術不成熟，制約煤礦智能化快速發展。井工煤礦開采面臨瓦斯災害、水害、火災、頂板事故、煤塵爆炸五大災害及多災種并存的威脅，一直是制約我國煤礦智能高效生產的重要因素。隨著災害預測預警研究力量的持續投入，煤炭行業災害預測預警水平大幅提升，但預警準確率和智能化水平還不高。在煤與瓦斯突出方面，災后報警技術取得一定進展；瓦斯、煤塵爆炸防治技術較弱[12]，主要集中在防治事故擴大方面開展了相關研究，水害、火災、沖擊地壓防治和預警技術較弱。因此，亟需開展基于時空信息感知的閉環智能安控體系研發和建設。

（6）智能供電系統“最后一公里”技術可靠性低，智能水務未與水文及生產生活水系統形成智能融合聯動。智能供電作為煤礦智能化建設的基礎之一，目前對供電系統的防越級跳閘、數據采集和變電所無人值守的研究較多，但對井下供電“最后一公里”智能化技術裝備安全性、可靠性研究較少，真正實現防越級跳閘的智能化煤礦比例較低。低壓饋電開關漏電試驗以人工為主，智能化程度低；供電微機保護裝置操作系統國產化比例低，依賴進口；智能供電的實現路徑不統一，制約礦井整體智能化發展[13]。礦井主排水及抗災排水系統尚未與水文監測系統形成較好的智能安全聯動，未與礦井水、生活污水、化工廢水等水處理系統融合，實現水資源智能循環利用，導致智能化技術在水文條件復雜、水資源缺乏的礦區適用性差，不利于煤炭行業整體智能化水平提升。

（7）智能洗選技術裝備難以支撐“黑燈工廠”建設。原煤準備環節篩面堵孔、破碎能耗高、噪聲大等問題未有效解決，煤矸智能分選實現比例較低，遠程故障檢測難等問題一直存在[14]。分選環節主要采用塊煤重介淺槽分選、末煤重介旋流器或跳汰分選、粗煤泥干擾床分選機分選、細煤泥浮選等工藝，濃縮及壓濾等工藝和裝備仍高度依賴人工經驗，現有工藝過程控制理論和控制模型與實際產品指標無法形成閉環；主要分選過程關鍵參數在線檢測性能不佳，產品質量控制及浮選、跳汰系統過程控制效果較差；智能洗選專家系統尚未有效建立；生產管控過程信息化、數字化水平滯后。現有洗選工藝和裝備智能化水平跟不上智能化選煤廠中高級建設需求。

（8）煤礦智慧園區建設缺乏全面協調規劃。煤礦智慧園區建設方案多聚焦于辦公、停車、巡檢、消防、環保等通用方向，缺乏與社會生態全面協調規劃，煤礦智慧園區與所在區域的智慧社區、智慧城市協調建設規劃不足，具有較大局限性[15]。尚未考慮智慧園區對智能柔性煤炭生產供給體系的支撐能力建設。

（9）露天煤礦智能化建設核心技術裝備支撐能力不足。露天煤礦智能化國產化核心技術裝備水平尚不能較好地滿足開采工藝需要[16]。以輪斗挖掘機為代表的連續開采裝備對物料性質和氣候因素敏感度高，設備切割力較小，應用范圍具有較強的局限性；端幫大傾角帶式輸送機等運輸裝備對隨采變化的端幫位置的自適應性較差；排土機等裝備智能化程度較低，核心零部件故障檢測、堆料識別等關鍵技術未有效突破。露天煤礦自移式大傾角軌道礦卡運輸系統正在研發中。

（10）建井技術裝備智能化有待加快發展。當前煤礦井巷工程特別是巖石井巷仍以鉆爆方式為主，雖然形成了“鉆?爆?支?排”機械化作業線，但鉆爆鑿井工序繁、效率低，工程量占井巷工程總量不足10%，但建設工期占井巷工程總工期的比例卻高達40%～50%，與煤礦智能化發展總體進程不協調[17]。我國豎井鉆機、豎井掘進機、反井鉆機和斜井隧道掘進機（Tunnel Boring Machine，TBM）近年來取得了長足發展，但有待加快推廣。深部井巷工程需穿越復雜多變的地層，鉆掘及配套裝備的自學習、自分析和自決策系統研發及相關技術瓶頸尚未突破。

（11）煤礦智能裝備和煤礦機器人可靠性和適應性亟待進一步提高。越是條件復雜、災害嚴重的煤礦，越需要以智能化開采為保障。但現有的智能化技術裝備多為地質條件好的礦井所應用，單機智能化程度不足以較好地適用于條件復雜的礦井[18]。特別是井下機器人技術，機器人應用場景和種類繁多，目前多用于巡檢和運輸，能夠在掘進、噴漿、支護、安裝等亟需替人減人場所執行重載作業的機器人較少。單一類別機器人難以滿足復雜環境使用要求，特別是在井下防爆要求、復雜環境及非結構化受限空間條件下，煤礦機器人存在關鍵技術單元研發受限、動力系統等關鍵技術支撐不足的問題。

（12）智能化應急救援及監管監察治理能力有待提升。隨著煤礦智能化建設的深入，我國煤礦現有安全監管監察信息化、自動化技術及系統有了進一步提升，但智能雙重預防體系建設還不完善，監管監察的實效性和針對性還有較大不足，多數煤礦企業的各類安全生產風險監測系統處于相對孤立狀態，數據綜合利用價值不高，瓦斯、人員、設備、供電、排水等系統多基于單一指標超限實現預警，缺乏全面性和科學性[19]。國家礦山安全生產智能化平臺建設未有效推進。

針對煤礦智能化建設中存在的12個方面的技術短板，以問題為導向，確定煤礦智能化關鍵技術創新方向。把智能化系統設計、信息基礎設施研究、智能地質保障技術研究、智能采掘運技術裝備研究、智能安全及預測預警技術研究、智能供電及智能水務技術研究、智能洗選技術與裝備研究、煤礦智慧園區技術研究、智能化露天煤礦技術裝備研究、智能建井綜合技術裝備研發、智能裝備及機器人技術研究、應急救援及監管監察技術裝備研究等12個研究方向作為重點創新研發方向，開展協同攻關，力爭突破關鍵核心技術短板，切實為煤礦智能化發展提供有力技術支撐。

2 煤礦智能化創新團隊與創新能力建設

2.1 主導專業創新團隊建設

中國煤炭科工集團有限公司（簡稱中國煤科）是煤炭行業科技發展的“國家隊”、煤炭科技策源地、煤炭科技產業鏈鏈長單位，也是煤礦智能化引領者。中國煤科以打破煤礦智能化建設面臨的突出瓶頸為目標，圍繞12個研究方向，開展關鍵核心技術與卡脖子技術攻關，系統布局了由高素質、多專業、跨學科人才組成的46個煤礦智能化主導專業優勢創新團隊，以院士為引領，形成煤礦智能化全陣容最強創新團隊群。重點布局煤礦智能化巨系統耦合、智能化設計、信息技術基礎設施等攻關內容。

（1）智能化系統設計方向。創建了由中煤科工開采研究院有限公司（簡稱開采研究院）、煤炭科學研究總院有限公司（中央研究院）、中煤科工集團北京華宇工程有限公司（簡稱北京華宇）、中煤科工集團南京設計研究院有限公司（簡稱南京設計院）、中煤科工集團武漢設計研究院有限公司、中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司（簡稱沈陽設計院）分別主導的煤礦智能化系統耦合、智能化煤礦設計等2個創新團隊。

（2）信息基礎設施研究方向。創建了由中央研究院、中煤科工集團常州研究院有限公司（簡稱常州研究院）主導的“煤智云”與大數據基礎平臺、信息技術基礎與控制系統等2個創新團隊。

（3）智能地質保障研究方向。創建了由中煤科工西安研究院（集團）有限公司（簡稱西安研究院）主導的透明礦井和地質保障等2個創新團隊。

（4）智能采掘運研究方向。創建了由北京天瑪智控科技股份有限公司（簡稱天瑪智控）、開采研究院、中煤科工集團上海有限公司（簡稱上海研究院）、中國煤炭科工集團太原研究院有限公司（簡稱太原研究院）、寧夏天地奔牛實業集團有限公司、常州研究院分別主導的無人化智能開采、智能開采工藝、智能采煤機、智能短臂開采、智能全斷面掘進、智能運輸、工作面智能裝備、智能掘進、主煤流智能化、智能輔助運輸等10個創新團隊。

（5）智能安全及預測預警方向。創建了由中煤科工集團重慶研究院有限公司（簡稱重慶研究院）、煤炭科學技術研究院有限公司（簡稱煤科院）、常州研究院、中煤科工集團沈陽研究院有限公司（簡稱沈陽研究院）、西安研究院、開采研究院、中央研究院分別主導的智能通風、智能安控、智能災害防治等3個創新團隊。

（6）智能供電及智能水務方向。創建了由常州研究院、上海研究院、中煤科工集團杭州研究院有限公司（簡稱杭州研究院）分別主導的智能供電、供排水、智能水務等3個創新團隊。

（7）智能洗選技術與裝備方向。創建了由北京華宇、南京設計院、中煤科工集團信息技術有限公司（簡稱信息公司）、中煤科工集團唐山研究院有限公司（簡稱唐山研究院）、中煤科工智能儲裝技術有限公司分別主導的智能化選煤廠、智能洗選裝備、智能儲裝運、智能產運銷等5個創新團隊。

（8）煤礦智慧園區研究方向。創建了由南京設計院、重慶研究院、中央研究院分別主導的智慧礦區（園區）和數字化轉型等2個創新團隊。

（9）智能化露天煤礦研究方向。創建了由沈陽設計院、沈陽研究院、太原研究院、上海研究院等分別主導的露天煤礦工藝系統、露天煤礦智能化監測預警和智能露天裝備等2個創新團隊。

（10）智能建井綜合技術方向。創建了由北京中煤礦山工程有限公司（簡稱北京中煤）主導的智能建井創新團隊。

（11）智能設備及機器人方向。創建了由天瑪智控、西安研究院、常州研究院、重慶研究院、煤科院、安標國家礦用產品安全標志中心有限公司、沈陽研究院、上海研究院、中煤科工機器人科技有限公司、太原研究院、開采研究院、中央研究院、澳大利亞華瑞礦業科技有限公司、天地寧夏支護裝備有限公司、北京中煤等分別主導的智能制造、故障診斷與設備管理平臺、智能傳感器、電磁兼容、礦用永磁驅動、煤礦機器人、輔助作業智能裝備、巷道圍巖控制、采煤工作面智能支護與支護裝備、新型動力系統和智能鉆進等12個創新團隊。

（12）應急救援及監管監察方向。創建了由沈陽研究院、西安研究院、中央研究院應急科學研究院、重慶研究院、北京中煤、煤科院、常州研究院等分別主導的應急救援和智能監管監察等2個創新團隊。

為促進各創新團隊協同運轉，通過資源共享、人才互聯、信息互通的方式實現研發目標協同、知識協同、組織協同和業務協同，確保形成標準體系、核心裝備、科學模式等一系列成果，最終實現以硬成果支撐煤礦智能化建設。智能化創新團隊工作模式如圖1所示。

圖1 智能化創新團隊工作模式Fig.1 Working mode of intelligent innovation team

2.2 煤礦智能化創新能力建設

創新能力以創新型人才為根本，各創新團隊以深刻掌握傳統煤礦系統并具有多專業技術融合創新能力的高水平學術帶頭人為主導，以具有多學科背景的科研骨干為核心，打破常規的組織部門界限、企業界限、行業界限，通過分工合作避免低水平重復研發、重復投入，在科研領域圍繞特定方向、任務，從理論基礎與應用基礎研究、關鍵技術攻關和新領域新方向技術研究等多層級開展科研工作，從而充分發揮團隊成員專業特色突出、領域知識互補的創新優勢，跨越知識邊界，突破現有技術，協作研發，共享成果，發揮團隊的最大效率和創新合力。

協同創新模式是以團隊間的內部協同循環為主體，按研發目標和資源需要，吸納行業先進技術，實現團隊內外協同，帶動全行業聯合研發，突破煤礦智能化建設存在的技術、模式瓶頸，支撐煤炭工業高質量發展。智能化創新團隊內部協同與內外協同如圖2所示。

圖2 智能化創新團隊內部協同與內外協同Fig.2 Internal and external collaboration of intelligent innovation team

實驗研發平臺是科技研發活動的重要基礎和載體，是實現技術突破、取得重大科研成果的關鍵。中國煤科以承擔建設的煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室、煤礦綜采輸送設備智能制造技術國家地方聯合工程實驗室等136個省部級以上實驗平臺為載體，為創新團隊、創新成果和工程應用三要素提供全面支撐，形成要素間良性循環。實驗平臺與團隊、成果、應用之間的相互促進關系如圖3所示。

圖3 實驗平臺與團隊、成果、應用之間的相互促進關系Fig.3 Mutual promotion relationship between experimental platform and team,achievementsand applications

3 煤礦智能化關鍵技術創新研發進展

中國煤科煤礦智能化主導專業優勢創新團隊群自創建以來，通過與大型煤礦和各大集團建立協同創新中心、創新聯合體，將深入煤礦現場與實驗室實驗研究相結合，開展了一系列創新實踐，率先解決了一批煤礦智能化建設中的關鍵技術難題，系統性形成了一批科技創新成果，持續為煤礦智能化建設和高質量發展提供技術裝備保障與智力支持。

3.1 智能化系統耦合與設計創新成果

3.1.1 煤礦智能化系統耦合創新成果

提出了智能化煤礦基本構成理論模型。在智能礦山頂層架構設計理論、智能化煤礦標準體系、多源異構數據處理及融合分析理論、多系統交互耦合關系、智能協同控制、智能開采等方面開展深入研究，形成了“總體規劃，突出重點；規范標準，安全可靠；融合互通，智能協同”的智能化煤礦及智能開采基礎理論體系與一體化解決方案。

提出并實踐了煤礦智能化巨系統耦合理論。針對整個礦井智能化巨系統缺乏統一數據模型、傳感器數據不完備、跨系統數據融合等難題，提出了統一的多源異構數據融合處理方法?基于“分級抽取?關聯分析?虛實映射”的數字煤礦智邏輯模型，構建了完整的井下跨系統全時空信息感知體系，感知數據結構如圖4所示。形成集井下現場生產狀態、采掘空間信息、煤機裝備狀態、風險信息等多參量、多尺度、全時空特性的數據感知方案；基于煤礦多源異構數據的信息“實體”和虛實映射機理，提出基于知識需求模型的信息實體主動匹配、推送策略與自動更新機制，解決數據實時連接及迭代更新難題。提出了基于ABCD（人工智能（Artificial intelligence）、區塊鏈（Block chain）、云計算（Cloud computing）、大數據（big Data））的智能化煤礦系統耦合技術（圖5）。首次建立了1.0版智能化煤礦數據標準體系[20]。

圖4 井下跨系統全時空信息感知數據結構Fig.4 Data structure of underground crosssystem full space-time information perception

圖5 基于“ABCD”的智能化煤礦系統耦合技術Fig.5 Coupling technology of intelligent coal mine system based on "ABCD"

煤礦智能化巨系統耦合相關技術已在陜煤集團神木張家峁礦業有限公司成功應用，創建了礦井整體智能化系統。

3.1.2 煤礦智能化設計創新成果

開展了“四維+多參數”礦山數字化模型（海綿模型）和煤礦數字化設計軟件平臺研發。開發了集成三維建模、數據庫操作、信息關聯、行業邏輯、規范標準的數字化設計軟件，初步形成了數字化礦山建模技術理論、煤田地質設計分析建模、煤礦井巷數字化設計、井工煤礦電氣數字化設計和煤礦采礦設計等軟件包。其中煤田地質設計分析建模軟件在鉆孔建模、標準地層及斷層建模、四維（包含時間維度）參數演示等基礎功能穩定應用基礎上，實現了多區域純煤儲量計算、三維剖切、灰分硫分等值線繪制等地質分析功能，延伸性實現了智能出圖功能。基于精準地質模型，采用正向設計思維和BIM技術，初步實現了數字化協同設計，實現了工程優化布置、開采模擬及采掘接續等采礦工程全生命周期自優化，相關技術進入試用階段。

3.2 信息基礎與控制系統創新成果

實現了“煤科云”（MineCloud）智能一體化管控平臺技術迭代升級。基于“統一數據、統一模型、統一平臺、統一架構”理念，“煤科云”智能一體化管控平臺實現由1.0版本向2.0版本的升級迭代[21]。管控平臺實現了礦井各業務系統的設備標準接入、數據融合共享、智能協同管控等功能，融合了智能安全監測監控、智能運輸、智慧園區、智能水務等各智能化子系統（子平臺），滿足了智能煤礦綜合管理平臺建設需求。管控平臺提供了開放式二次開發功能，可滿足特殊業務定制化需求，實現數據集成、協同控制、業務管理等“云邊協同、管控一體”的系統智能化應用模式。管控平臺已在山西天地王坡煤業有限公司開展了近2 a的應用，由先進適用發展到成熟可靠，應用界面如圖6所示。

圖6 “煤科云”智能一體化管控平臺應用界面Fig.6 Application interfaceof MineCloud intelligent integrated management and control platform

研究形成智能礦山網絡通信定位整體方案。由常州研究院牽頭搭建了基于切片分組網（Slicing Packet Network，SPN）和硬切片隔離技術、可代替工業環網的上行通信網。開發了超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）和加速度傳感器多源融合定位技術，實現了井下目標高精度跟蹤定位，靜態誤差小于0.1 m。于2022年初，開發了滿足最新政策法規和行業標準的KJ1580J煤礦井下人員精確定位系統，取得全國首張同類產品礦用產品安全標志證書[22]。開發了TD_MF7礦用可編程通信控制模塊和運動控制模塊等高性能控制器，程序基于硬實時操作系統運行，首次實現了煤礦數字化通信控制設備國產化。“通信網+定位網”技術框架和應用效果如圖7所示。

圖7 “通信網+定位網”技術框架和應用效果Fig.7 Technical framework and application effect of"communication network+positioning network"

3.3 智能化采煤技術裝備創新成果

3.3.1 無人智能化開采創新成果

（1）煤礦綜采成套裝備智能化系統。率先提出了遠程干預型智能化無人采煤方法，開發了綜采成套裝備智能化系統，大幅減少了工作面作業人員數量，降低了工人勞動強度，整體減少作業人員80%，工作面生產效率提高5%～30%。基于數據挖掘技術，開發了綜采工作面自動化專家決策系統，實現了“預測、預判、預控”。

（2）薄煤層井下無人化開采控制系統。在SAM型綜采自動化控制系統、SAC型液壓支架電液控制系統、SAP型智能集成供液系統基礎上，開發出一套適用于較復雜地質條件煤層的采場無人化控制系統[23]，形成了無人化智能開采技術、裝備、服務一體化解決方案（圖8），并在較復雜地質條件較薄煤層進行了示范應用。研制了綜采工作面準閉式液壓系統，實現了綜采工作面泄漏液回收利用。

圖8 無人化智能開采一體化解決方案Fig.8 Integrated solution of unmanned intelligent mining

3.3.2 采煤工作面智能支護創新成果

開發了2～3 m煤層千萬噸級智能化綜采工作面關鍵技術及成套裝備。針對中厚煤層短工作面掘進率高、效率低和產量小等現狀，聚焦超長工作面圍巖控制、裝備可靠性和智能化關鍵技術，開發了2～3 m煤層智能化超長綜采工作面成套技術與裝備，支撐建設了全球首個高度智能化超長綜采工作面。在配套模式、工作面高可靠智能支護技術與裝備等方面取得了重大突破。相關技術成果已在陜煤集團小保當公司二號煤礦132202工作面成功應用，如圖9所示。

圖9 2～3 m煤層千萬噸級智能綜采成套裝備Fig.9 10 million ton intelligent completeset of fully mechanized mining equipment for 2～3 m coal seam

開發了西部特厚硬煤層超大采高智能化綜放開采成套技術與裝備。結合西部特厚硬煤高效、高采出率開采“卡脖子”難題，首次實現了6～7 m超大采高智能綜放開采，研制了6～7 m超大采高放頂煤液壓支架，形成了智能化放煤關鍵技術、控制系統和圍巖控制等成套技術體系[24]。

3.3.3 智能采煤機技術創新成果

開發了采煤機智能化成套技術及解決方案。實現了由截割控制模塊、自動截割軟件包、傳感檢測模塊、配套傳感器等組成的智能截割技術裝備。開發了基于毫米波雷達探測技術的采煤機搖臂滾筒干涉預警裝置和遠程運維服務系統，頻移鍵控（Frequency-Shift Keying，FSK）載波、寬帶載波、光纖等有線通信與WiFi，5G等無線通信冗余熱備用，可遠程訪問工作面采煤機并根據運行狀態進行數據統計、診斷預警、程序更新等遠程支持服務，通過與客戶協作維護促進采煤機安全高效運行。

3.4 智能化掘進技術裝備創新成果

由太原研究院牽頭的智能化掘進創新團隊對懸臂式掘進機、連續采煤機、掘錨一體機等行業龍頭技術裝備進行升級，在導航、智能截割、遠程智能協同控制等方面取得了新突破。

研制了智能礦用高精度光纖陀螺導航系統。首次采用基于多信息融合的自主導航控制技術，解決了單一傳感器無法實現掘進全工況應用的工程難題。研發了掘進裝備自適應截割控制系統。率先實現了掘錨一體機截割油缸運動速度根據粉塵濃度、煤巖硬度和膠帶運量自適應調節，有效提高了截割效率，降低了掘錨機截割故障率。該系統已集成到掘錨一體機內部并廣泛應用于陜西、內蒙古各大礦區，實現了掘進機斷面自動成型，一次成型高質量截割。研發了掘進成套裝備遠程協同控制系統。通過集成各設備狀態信息并統一編隊，實現快速掘進成套裝備智能聯動。通過掘、支、運作業流程的統一規劃控制，實現掘進成套裝備一鍵啟停。開發了基于數字孿生的掘進裝備智能控制系統，實現了掘進工作面設備虛實同步、實時映射、協同控制及煤礦井下環境實時、高質量三維場景真實呈現，具備掘進工作面大數據預處理、數據關聯分析和數據挖掘等功能。智能化控制技術與裝備體系如圖10所示。

圖10 智能化控制技術與裝備體系Fig.10 Intelligent control technology and equipment system

3.5 智能化運輸技術裝備創新成果

3.5.1 智能主運輸創新成果

傳統的通信控制裝置已不能滿足主運系統智能運行的需求。為實現煤礦帶式輸送機運輸系統大運量、長運距、安全高效運行目標，常州研究院研制了新一代KTC199煤礦井下智能通信控制裝置（圖11）。該裝置采用模塊化、標準化、本安化、平臺化設計思路，基于全數字化的現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）和分布式控制架構，將數字傳輸技術、開放式可編程控制技術、基于機器視覺的增強型保護檢測技術充分融合，對全煤流帶面載荷分布進行精準感知，應用協同控制策略，實現了采、掘、運經濟協同運行[25]。目前，該裝置已推廣應用60多套，得到了用戶的廣泛認可。

圖11 KTC199礦用通信控制裝置組成Fig.11 Composition of KTC199 mine communication control device

3.5.2 智能輔助運輸創新成果

研制了80 t級純電動鏟板式搬運車。攻克了分布式電驅動牽引控制關鍵技術，突破了重型承載式非道路車橋的“卡脖子”技術，解決了傳統集中傳動方式效率低、故障率高的難題，實現了大采高綜采工作面清潔、高效搬家作業[26]。

開發了可視化遠程遙控駕駛技術。開發了首套適用于井下低照度、多粉塵、潮濕環境的輔助運輸車輛可視化遙控駕駛系統（圖12）。開發了高精度防爆電液控制技術和低照度高清視頻監控系統，并已成功應用于10 t薄煤層鏟車[27]。

圖12 輔助運輸車輛可視化遙控駕駛系統Fig.12 Visual remote control driving system for auxiliary transport vehicles

3.6 智能通防安全與保障創新成果

3.6.1 智能地質保障創新成果

形成了具有完全自主知識產權的透明礦井技術體系。通過核心技術攻關與底層軟件開發，攻克了礦井級三維地質動態高精度建模及隨采隨掘動態更新、多屬性模型構建、地質信息與開采工程聯動、智能地質預測預報、與采煤機實時交互等規劃截割關鍵技術[28]。透明工作面規劃截割系統如圖13所示。開發了成套化、系列化軟件系統，建成透明地質數據中心和智能地質保障中心，可為智能化煤礦提供區域級透明礦井基礎應用平臺和個性化定制服務，整體技術水平進一步提升，煤礦透明地質保障技術逐步完善。

圖13 透明工作面規劃截割系統Fig.13 Planning cutting system of transparent working face

3.6.2 智能通風技術創新成果

開發了高精度高可靠性的智能通風管理系統（圖14）。在主要通風機智能控制方面，通過通風機故障診斷和健康管理技術實現通風機最佳工況智能決策，創造性開發了全自動高效測風系統，實現了遠程“一鍵啟動、一鍵反風、一鍵不停風倒機”和主要通風機無人值守。研發了掘進工作面需風量?工作面供風量?氣體濃度?通風機轉速多因素聯動的低噪聲（＜80 dB）按需供風系統[29]。開發了具備環境參數精準監測、實時通風網絡解算、智能決策控風、避災路線智能規劃等功能的智能通風綜合管控軟件平臺。開發了高精度傳感器及控風裝備。研發了高精度單點風速傳感器和對射式線風速傳感器，量程為?25～25 m/s，精度為±0.1 m/s，具備自清洗功能，解決了粉塵影響風速監測精度問題[30]。

圖14 煤礦智能通風管理系統Fig.14 Coal mineintelligent ventilation management system

3.6.3 智能災害防治創新成果

由重慶研究院牽頭的煤礦智能安全瓦斯災害防治創新團隊圍繞煤礦瓦斯災害智能、高效、精準防控技術需求，將煤層瓦斯參數超前檢測、瓦斯地質三維建模、煤層自動控制增滲、抽采管網自主調控、瓦斯災害預警與聯動控制等作為主攻方向，研發形成了瓦斯災害多源信息深度融合技術、智能預警及聯動防控技術等一批支撐煤礦智能化建設的安全技術，實現了瓦斯地質、通風抽采、礦壓監測、瓦斯涌出等多個維度的指標自動分析、工作面最大采掘強度自動計算、停風期瓦斯超限時間自動推演、采掘區域瓦斯超限風險自動預判及不同區域嚴重程度自動排序等重要功能。瓦斯風險分析及預測技術已在全國多個煤礦成功應用，應用案例如圖15所示。

圖15 瓦斯風險分析及預測平臺Fig.15 Gas risk analysis and prediction platform

3.7 智能化水務創新成果

由杭州研究院牽頭的創新團隊率先提出了基于煤礦原水系統、污廢水系統、供水、排水等的覆蓋煤礦整個水資源的煤礦智能水務概念，從“源?凈?供?排”4個方面開展科研攻關，取得了全面的技術進展[31]。通過對不同煤炭企業、不同水資源條件、不同功能需求的水務系統進行研究，形成了具有運行監控、設備管理、水質管理、能耗管理、智能報表、輔助決策、移動端應用等多業務應用場景的通用型智能水務平臺，實現了煤礦水務一體化平臺管理和智能業務應用，礦井水加藥、排泥、刮泥、過濾、壓濾、超濾、反滲透、蒸發結晶等全工藝生產過程的智能控制和輔助決策，以及曝氣、回流、加藥等全環節的生活污水智能精準控制。煤礦智能水務一體化管控平臺如圖16所示。

圖16 煤礦智能水務一體化管控平臺Fig.16 Integrated management and control platform for coal mine intelligent water affairs

3.8 智能化選煤廠關鍵技術成果

由北京華宇、南京設計院、信息公司和唐山研究院等牽頭組建的智能化選煤廠創新團隊將先進的傳感監測、大數據、人工智能、物聯網、云計算、5G等技術深度融合到復雜選煤工藝生產過程中，打造全域感知、全局協同、全線智能的“智能選煤廠體系”，研發了智能化選煤廠一體化解決方案。開發了智能重介密度控制系統，該系統可根據目標密度變化情況自動調節工藝參數，將精煤產品實際灰分范圍控制在9.50%～10.50%。開發了智能加藥系統，實現了集中、分點自動跟蹤礦漿濃度、流量變化，可將加藥控制精度范圍控制在1%～2%。在智能遠程停送電系統、智能化選煤廠制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）管控平臺研究上取得了新突破，以智能洗選技術為基礎，開發了選煤廠智能管控平臺，并在多個選煤廠進行了應用，如圖17所示。

圖17 選煤廠智能化管控平臺Fig.17 Intelligent management and control platform of coal preparation plant

3.9 煤礦機器人及集群控制創新成果

煤礦機器人團隊由行業學術帶頭人和技術骨干等150余人組成，開發了60余款機器人產品，打造了國內首個煤礦多場景機器人群技術創新與實踐體系，研制的煤礦機器人及集群指揮調度系統在30余個礦區開展了應用。

（1）煤礦智能巡檢機器人。形成了巡檢類煤礦機器人20余款，包括軌道式和輪式巡檢機器人，具有圖像識別、異常溫升識別、環境異常報警、自主導航、避障定位、AI智能分析決策等功能，覆蓋井下帶式輸送機、變電所、水泵房、選煤廠、回風巷道等場景。

（2）智能輔助作業機器人。形成了輔助作業類煤礦機器人8款，包括水倉清淤、噴漿、管路安裝、巷修、選矸、搬運等類型，已在陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司、陜煤集團神木紅柳林礦業有限公司等成功應用，作業效率提高了40%以上，大幅減少了井下從業人員數量，為解決危重場合機器人替人難題提供了有效支撐。井下巷修及管路安裝機器人如圖18所示。

圖18 井下巷修及管路安裝機器人Fig.18 Robotsfor underground roadway repair and pipeline installation

（3）井下重載作業機器人。攻克了煤礦機器人環境自適應結構及控制理論、井下長距離混合導航方法、井下受限空間煤礦機器人重負荷機械臂、煤礦機器人群協同調度指揮機理等20余項關鍵技術，導航定位精度在±5 cm以內，目標識別率≥85%，為煤礦機器人井下實際應用奠定了基礎。

目前正在全面推動井下機器人理論、技術及裝備體系進步與發展。

3.1 0智能化露天煤礦技術裝備創新成果

露天煤礦工藝系統創新團隊圍繞三維設計及數字化交付、露天開采核心裝備、智能礦山建設3個領域持續深耕，構建了“設計?裝備?系統?平臺”的總體布局，形成了露天煤礦智能一體化解決方案等一系列科技創新成果，形成了間斷、半連續和全連續智能開采工藝技術體系。開發了露天煤礦資源儲量管理系統和露天煤礦智能化綜合管控平臺，應用多源異構數據融合、系統集成、大數據分析、BIM、地理信息系統（Geographic Information Systems，GIS）、數字孿生等技術，實現露天煤礦全場景、全業務系統集成，如圖19所示。攻克了大切力緊湊型輪斗挖掘機、適用于15～45°端幫大傾角帶式輸送機及智能巡檢機器人等多項關鍵核心技術[32]。

圖19 露天煤礦智能化綜合管控平臺Fig.19 Intelligent integrated management and control platform for open-pit coal mine

4 技術裝備保障能力提升重點突破方向

煤礦智能化建設示范先行，國家首批70處智能化煤礦計劃投資約160億元，目前平均投資完成率超70%，從已經完成驗收的30余處建設效果看，切實發揮了示范引領作用。在首批示范煤礦的帶動下，全國煤礦智能化建設全面提速，為行業積累了寶貴的經驗。建議在不斷總結建設經驗模式和問題短板的同時，開展第二批智能化示范煤礦建設，并持續提高技術裝備保障能力，重點從以下9個方向進行突破。

（1）持續構建煤礦智能化支撐技術體系。研究構建未來煤礦智能化建設范式和支撐技術體系是對我國煤礦智能化建設中長期目標的系統呈現和宏偉藍圖的綜合描繪，對行業發展具有系統引領性。應結合我國煤炭工業基本現狀和供需關系，研究構建基于6S（安全（Safety）、可靠（Security）、可持 續（Sustainability）、柔性（Sensitivity）、服務（Service）和智慧（Smartness））特征的未來智能化煤礦建設范式、未來智能化煤礦運行與評價指標體系、未來煤礦采掘運智能柔性生產系統技術體系、未來煤礦安全智能閉環管控技術體系、未來煤礦智慧管理體系、未來煤礦綠色低碳生態、未來煤礦智能洗選與清潔多元化利用、未來煤礦資源循環園區與智慧小鎮建設模式。

（2）加快構建煤礦智能化技術標準體系及建設效益評價體系。搭建涵蓋煤礦智能化通用基礎、支撐與技術平臺、煤礦信息互聯網、生產保障系統、安全監控系統、智能控制系統及關鍵裝備的技術標準體系，從標準體系框架搭建、體系所含標準立項、修訂與起草等全過程統一規劃、協同推進，消滅“標準孤島”，為煤礦智能化技術研究與建設運行提供系統性支撐[33-34]。構建煤礦智能化建設效益評價體系，確保一把尺子量到底，標準和建設成效間相互促進、迭代升級和良性循環。

（3）加快推進煤礦智能化“煤智云”研究應用。智能化建設作為我國煤炭工業的第四次技術革命，是提升技術裝備水平、增強安全生產能力、保障職工生命健康等各項事業的大融合，是煤炭工業轉型升級的“大工程”，需要全行業人共同推進和行業間“大協同”，要加強煤炭行業“煤智云”工業互聯網平臺建設[35]，加快構建煤炭行業數據產業結構，建立行業數據標準，打通信息交互鏈條，與安監云、安標云、運銷云及煤炭企業聯合共建煤炭行業“煤智云”混合云平臺，實現政府、協會、高校、企業、從業者間高效協同，形成“產、學、研、用、管”五位一體的煤礦智能化科學建設新生態。

（4）開發大采高放頂煤智能開采工藝成套裝備。由于煤矸識別技術尚未成熟，綜放工作面智能化放煤技術一直未有效突破，是智能化綜放工作面建設的短板[36]。要加強大采高放頂煤智能開采工藝及成套技術裝備研發，特別是超大采高綜放采?運?支?放成套裝備及協同控制系統開發，強化智能化放煤理論與控制策略研究，加大煤矸識別技術攻關力度。

（5）加強智能快速掘進技術及裝備研發。我國煤礦巷道掘進裝備主要有懸臂式掘進機、連續采煤機、掘錨機等較多類型和型號，90%以上巷道采用懸臂式掘進機。煤礦高效快速掘進技術為我國煤礦采掘的重要技術難題，提高掘進效率與智能化控制水平是掘進技術發展的主攻方向[37]，應加強復雜巷道條件下快速掘進技術、工藝及成套裝備研發，重點在定位截割、記憶截割、自動截割斷面成型等精準智能控制關鍵技術上取得新突破，促進掘進工作面減人提效。

（6）開發高可靠性、高穩定性的礦用智能傳感器。智能化煤礦實現安全可靠穩定的常態化運行，需要以準確可靠的數據為支撐，數據的準確可靠依托傳感器的精準可靠、安全穩定。因此，智能化建設要不斷研究探索礦用智能傳感器高帶寬、低延時、大容量、透明數據傳輸等關鍵技術，實現傳感器數據與智能化系統數據的高速交互。加快開發具備邊緣計算、數據智能分析、數據自甄別與自過濾、精度自動校準、故障自診斷、無線自組網等功能的低功耗礦用智能傳感器，為煤礦智能化的實現和常態化運行提供基礎裝備保障。

（7）加快煤礦機器人集群關鍵技術研發。通過煤礦機器人替代井下繁重危險崗位人員作業是煤礦智能化建設的重要組成部分。煤礦機器人產品“巡檢為主、作業為輔”是當前現狀，面對煤礦井下復雜條件，加快機器人續航能力管理、防爆材料、防爆設計理論、評價體系等關鍵共性技術研究[38-39]，研發高適應性機器人行走機構、重載執行機構、防爆動力和輕量化技術，加快研發井下探水、防突、防沖等鉆孔機器人，研發巷道清理、煤倉清理、水倉清理、巷道修復、設備安裝等作業類機器人，開發煤礦機器人集群管控和協同作業技術。

（8）加快構建智能洗選成套裝備及工藝包開發。①在洗選裝備開發上，加快研發原煤浮沉試驗數據智能分析系統；研發重介、浮選等系統的閉環控制技術；研發高精度高準確性倉位、液位、灰分等智能監測儀器設備，不斷提高傳感器的可靠性；加快推進具備智能管理分析、智能決策功能的選煤廠智能一體化管控平臺技術迭代升級[40-42]。②在智能洗選工藝上，研發適用于不同類型選煤廠的工藝包：構建適用于煉焦煤選煤廠、動力煤選煤廠等的針對不同原煤性質和用途的智能洗選工藝包，適用于礦井型選煤廠、群礦型選煤廠、礦區型選煤廠等不同區位選煤廠的智能洗選工藝包，以及適用于小型、中型、大型、特大型等不同規模選煤廠的智能洗選工藝包。③在產品結構和生產能力上，根據冶金焦炭用煤、化工用煤、高爐噴吹用煤、電廠用煤及碳素制品用煤等不同用途，研究構建不同產品定向和定位的智能柔性洗選技術體系，實現洗選工藝可根據客戶變化和產品結構、產品檔次的動態變化“一鍵智能調整”，滿足當前煤炭產品需求的多樣性和市場的多變性。

（9）強化露天煤礦智能化工藝先進成熟與核心裝備穩定高可靠。持續優化露天煤礦經營管理模式和開采工藝，形成適用于露天煤礦智能化升級建設的經營模式和管理機制體制[43]。突破連續和半連續開采工藝“卡脖子”難題，重點加快大切割力緊湊型輪斗挖掘機、復雜路況卡車自動駕駛與智能調度技術、自移大運量大傾角帶式輸送機研發，提高大斗容液壓鏟、大噸位礦卡等露天煤礦智能化建設核心裝備國產化設計制造能力，提高裝備性能，加快實現通信協議統一。

5 結論

（1）當前我國煤礦智能化建設正處于加快發展的關鍵階段，經過示范建設和經驗總結，梳理出了12個方面的問題：煤炭工程傳統設計模式工具跟不上智能化建設需求；信息基礎設施規范性差，制約智能化系統信息有效融合；智能地質保障軟硬件技術跟不上智能開采發展要求；采掘運等智能化核心系統技術裝備對智能化建設保障能力不足；煤礦安全預測預警及智能安控技術不成熟，制約煤礦智能化快速發展；智能供電系統“最后一公里”技術可靠性低，智能水務未與水文及生產生活水系統形成智能融合聯動；智能洗選技術裝備難以支撐“黑燈工廠”建設；煤礦智慧園區建設缺乏全面協調規劃；露天煤礦智能化核心裝備支撐能力不足；智能化建井技術裝備有待加快發展；煤礦智能裝備與煤礦機器人可靠性和適應性需要進一步提高；智能化應急救援及監管監察治理能力有待提升。以問題和短板為導向，提出了12個煤礦智能化創新研發方向。

（2）中國煤科以引領煤礦智能化發展為使命，以面向行業重大需求為導向，創建了12個方向的46個優勢專業創新團隊，依托136個省部級以上實驗平臺，率先攻克了一批亟需解決的關鍵技術問題。作為全球唯一一家為煤炭行業提供全產業鏈服務的科技創新型企業，中國煤科將持續強化創新團隊建設，發揮團隊的創新主體作用，不斷拓展協同創新力量，打造原創技術策源地，為煤礦智能化高質量發展提供全面智力支持和技術裝備保障。