煤炭開發工程“五化協同”模式研究

范京道，黃克軍，李 川2,，劉 渭，宋 岳，閆振國

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司，陜西 西安 710065；2.應急管理部煤礦智能化開采技術創新中心，陜西 黃陵 727307；3.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；4.陜西延長石油礦業有限責任公司，陜西 西安 710065)

礦產資源是人類社會發展的重要物質基礎，在當前人類社會消耗的自然資源中，占比80%以上[1]，煤炭資源更是我國的主體能源，預計到2030 年，消耗量為35～40 億t。工程是最直接、最現實的社會生產力，是人類社會存在和可持續發展的基礎[2]。礦業工程是由科學、技術、社會、人文、管理、經濟等組成的復雜系統工程，是人類基于對自然物理世界的認識和現階段掌握的知識、技術、裝備等生產資料。在“物質、能量、信息”“三位一體”的自然物理世界中，把自然礦產資源轉化為社會用途的產品及生產力，對社會經濟持續發展和國家能源安全起著重要的支撐作用。

“十四五”時期是我國構建安全高效智能、清潔低碳現代能源體系及高質量發展的關鍵階段[3-5]。然而，傳統的煤炭開發工程管理模式難以滿足煤炭資源高效開發與智能化建設的需求，嚴重制約著煤炭工業的高質量發展。一方面，發展不充分、不平衡的工程技術水平與人們日益增長的能源與生態需求不適應，特別是智能化時代的到來，傳統煤炭行業與信息技術深度融合發展，是決定煤炭行業實現轉型升級發展和擺脫 “傻大黑粗，臟累苦險”面貌的關鍵。2021 年我國原煤產量再創新高，已達41.3 億t，能源結構中煤炭占比依然高達56.8%。雖然礦產資源在智能綠色開發及與循環經濟取得一定成果[6-7]，但是，傳統礦業工程開發建設勞動強度大、安全風險高、施工效率低、自動化與智能化水平低與自然環境矛盾突出等問題依然沒有根本解決。另一方面，在人類科學、技術、工程進入由“物理空間–人類社會–信息空間”所組成的CPH 三元空間后，傳統工程管理理論與模式難以適應工業4.0 對多元融合的發展需求，也制約著工程項目建設安全、高效、經濟等目標的實現。礦業工程開發與建設過程中復雜性與危險性，警示人類在進行工程建設和開發中要注重多智能體協同管控[8]，重視多目標平衡。特別是當今煤炭作為能源和資源的“兜底作用”得到進一步強化，大型煤礦、特大型煤礦急劇增多和CPH三元空間融合新時代背景下，必須按照工程哲學理念，在總結分析自然–科學–技術–工程–產業–經濟–社會知識、技術等要素的基礎上，運用系統、整體、協同、智能、綠色等思維方式，對礦業工程技術和工程管理的規律進行提煉和歸納，促進各工程目標、要素之間相互融合、相互協同，實現科學與工程、技術與工程、技術與管理、工程與經濟、工程與社會融合發展，推動人與人、人與工程、工程與自然的可持續發展[9]。因此，建立符合新時代礦業工程建設與管理理論和模式是礦業工程實現安全高效智能綠色發展的必然要求。

作者運用系統論、協同論等理論，提出了以價值最優化為目標的綠色化、智能化、集成化、專業化和精細化等“五化協同”工程管理模式，該模式應用于礦業工程的多個重大實踐中，以期高效解決工程管理多目標、多層次協同不足的難題，整體突破復雜系統工程安全高效綠色智能建設與管控，促進工程技術與管理的多元融合發展，為社會經濟持續發展和國家能源安全提供重要支撐。

1 “五化協同”工程管理模式

1.1 “五化協同”工程管理模式內涵

針對礦業工程建設資源賦存條件復雜，涉及專業多，作業環境差，危險程度高，影響范圍大，建設周期長，集成程度高，制約因素多及管理的復雜性與非線性等特征。依托重大工程創新與實踐，融合基礎理論、技術創新、裝備研發、工程規劃與設計、智能控制與決策、組織與管理、建設與示范、運行與評價、資源開發與利用、工程建設與生態保護等要素。基于CPH 熵等理論，創建了以“融合賦能”為理念，以數字化為支撐，以綠色化、智能化、精細化、專業化和集成化等協同融合為核心的工程管理技術與方法，構建以價值最優化為目標的“五化協同”工程管理新模式。通過目標與要素協同互促，賦能工程建設與管理實踐融合發展，實現工程全局動態綜合最優(圖1)。

圖1 五化協同工程管理模式Fig.1 Project management mode of Five Modernizations and Cooperation

1.2 “五化”主要內容

1.2.1 綠色化?引領方向

工程綠色化是人類利用自然規律和自然資源，改造自然環境的有效手段[9]。從2009 年，國家發改委、國土資源部聯合發布《全國礦產資源規劃(2008?2015)》，到2015 年《中共中央國務院關于加快推進生態文明建設的意見》，再到2020 年，自然資源部印發 《綠色礦山評價標準》等相關文件出臺，給礦業工程綠色化建設提出了明確要求、戰略目標與標準規范，使我國礦山綠色化有法可依[10]。

礦業工程綠色化是將生態與經濟協同發展理念貫穿工程建設與管理全過程，圍繞安全、高效、智能、綠色的目標，借助新一代信息化技術，開展工程綠色化的技術創新、裝備研制、管理與運營及資源綜合利用與節能減排等方面研究與應用，并將綠色化工程建設與管理理念融入其他“四化”的建設過程中，提高工程建設與生產效率、資源綜合利用效率，實現工程經濟、社會與生態的和諧發展，如圖2 所示。

圖2 五化協同?綠色化系統Fig.2 Five Modernizations and Cooperation-greenization system

1.2.2 智能化?技術創新

煤炭開采的危險性、環境的復雜性，對機器替代人有天然的需求?！白寵C器替代人能做的事，更應該讓機器去做人類做不到的事”，是發展人工智能技術的目的。礦業工程智能化是多學科、多領域、多系統的協同耦合，是指通過采礦技術與人工智能、工業物聯網、云計算、大數據、機器人、智能裝備等新技術深度融合。將智能基因植入到規劃設計、技術創新、裝備研發、管理運營等工程全生命周期中，進行工程全過程的信息采集、數據共享、分析決策、智能控制、智能監測，形成全面感知、實時互聯、分析決策、自主學習、動態預測、協同控制的工程綜合智能系統，實現礦業工程的地質保障、礦井建設、煤炭開采、巷道掘進、運輸、通風、排水、供電、安全保障、分選、經營管理等全流程安全高效建設與運行[11-13]。煤炭開采利用作為傳統行業必須與人工智能等信息技術深度融合，促使煤炭產業由勞動密集型向技術密集型轉變，助推煤炭行業升級轉型、安全發展。智能化技術已成為傳統煤炭行業發展方式的“轉換器”和產業升級的“助推器”，如圖3 所示。

圖3 五化協同?智能化系統Fig.3 Five Modernizations and Cooperation-intelligent system

1.2.3 集成化?多元融合

礦業工程集成化是針對多源、多對象、多系統、多目標和多階段的工程特征，將與礦業工程相關的知識、方法、手段、設備等集成。同時，結合資本、資源、勞動力等要素，形成有功能、有價值且滿足工程目的與需求的過程。以信息網絡集成為支撐，創建包含規劃、設計、研制、生產、運營、管理等階段的工程元素、管理過程、知識技術3 個維度的整體化集成。進行物質流、信息流、控制流、知識流和價值流統一，發揮系統的整體優勢和綜合優勢[9,14]。實現礦業工程價值構建和整體主動尋優，減少投資成本，提高生產建設效益，保障工程安全運行，如圖4 所示。

圖4 五化協同?集成化系統Fig.4 Five Modernizations and Cooperation-integration system

1.2.4 專業化?高效協同

礦業工程專業化是針對工程系統的復雜性、多目標性、多階段性及煤炭開發的復雜性與危險性，對工程全周期的設計、技術、裝備、施工、安全、管理及人才隊伍等要素進行專業組織分工實施，并通過自我評估、優勢挖掘、協同融合、創新發展，以加強結構差異性、強化風險應對能力、提高生產效率和管理效率，實現工程建設的價值最優化目標，如圖5 所示。

圖5 五化協同?專業化系統Fig.5 Five Modernizations and Cooperation-professionalization system

1.2.5 精細化?精準管控

精細化管理的核心是復雜的事情簡單化、簡單的事情流程化、流程化事情定量化、定量的事情信息化。礦業工程精細化是以規范化為前提，以系統化為保證，以數據化為標準，以信息化為手段。通過工程全過程的實施精確定位，合理分工，細化責任，量化考核，將工程規劃、技術創新、裝備研發、工程建設等分階段的精細化與人、財、物、市場、經營等工程管理的精細化融合統一。使組織管理各單元精確、高效、協同和持續運行。創新形成“五精崗位”“五精現場”和崗位自主管理體系，構建礦業工程建設與管理為一體的綜合管控平臺，推動企業由粗放型管理向集約化管理轉變，由經驗管理向科學管理轉變，賦能企業安全高效有效運行，實現管理效益最大化目標[15]。

1.3 “五化”協同建設的主要特性

“五化協同”工程管理模式是一個動態復雜的系統，具有多目標、開放、協同、伺服、交互升級及動態最優等特性。“五化”之間既單獨運行，又相互協同、相互融合、相互促進，是一個有機的整體。在“五化”內部、外部及整體不斷地能量、物質、信息的交換中，通過各“化”自身控熵優化及“五化”整體協同控熵，實現“五化協同”工程管理模式的技術與管理，局部與整體、內部與外部的有序協同統一與低熵化運行。

1.3.1 系統的多目標性

工程預期目標一般分為進度目標、質量目標、成本目標、安全目標、技術目標、生態目標、社會目標等。礦業工程建設目標具有極強的能源行業特點，其工程的復雜性、多層次性，對于多目標的設定有著天然的需求，綠色是工程建設與發展的基本要求，高效是工程建設與發展的本質需求，智能是工程建設與發展的核心技術手段，安全是工程建設與發展的根本保障。建立了以安全、高效、智能、綠色為子目標，以價值最優化為最終目標的礦業工程目標體系。實現多目標協同融合是實現礦業工程高質量發展的必然選擇。

1.3.2 系統的協同性

基于“五化協同”發展的整體性、多層次性、多子系統性，系統形成之初是由各“化”子系統協同度不足，然而為了工程目標的實現，各“化”子系統不僅要單獨運行，有著自身的運動軌跡，又要與其他子系統相互關聯、相互影響、相互制約，實現整體系統有序化、協同化的“協同效應”。礦業工程協同融合是傳統煤炭工業順應時代發展的必然趨勢。

1.3.3 系統的開放性

礦業工程是一個包含經濟、社會、生態等的多維度體，其動態運行過程中，各子系統或要素與外部系統或因素均存在著諸多相互交流與相互影響，與科學、技術、社會的發展及國家政策等息息相關，緊密相連，充分體現了礦業工程的開放性特征。

1.3.4 系統的伺服性

根據協同學的伺服原理，系統的內外部元素均存在信息交流與相互影響，在達到一定的臨界點后系統某個或幾個少數因素或子系統會起到主導作用。比如在智能化建井工程的井筒建設過程中，將形成以工程精細化管控和專業化施工為基礎，以智能化全斷面敞開式掘進機高效掘進為主導的工程施工形態。

1.3.5 系統的自組織性

任何系統動態運行過程中均存在著系統內外部不同要素與子系統間的合作與競爭的雙重關系[16]?；诘V業工程的動態性、時空性、交互升級性，系統內部與外部在人類社會?物理空間?信息空間的“三元世界”存在著共生與合作，又存在著博弈或競爭。通過兩種關系的動態演變及把握工程不同階段的主控因素，礦業工程系統不斷交互升級與自我優化中實現有效性控制與不同階段最優及整體價值最優。

2 “五化協同”工程管理體系構建

2.1 “五化”協同的內在機理

礦業工程“五化”協同的核心是“五化”互動，融合發展；本質是追求工程管理技術創新與工程高質量建設、環境保護、節能減排的和諧統一；目標是創建一種結構最優化、功效最大化的工程發展模式。其中，綠色化是要求，智能化是動力，集成化是基礎，專業化是手段，精細化是保障。

“五化協同”工程管理模式的各子目標、系統之間是互聯互促的整體，彼此之間通過物質、能量或者信息不斷交換與迭代升級。系統在時間、空間和功能上逐步有序化、結構化，使系統由無序狀態轉變為有序狀態，由熵增狀態到減緩熵增狀態，由同一專業、同一層級物理反應的聯合，到不同專業、不同層級化學反應的整合，最終發展為產生新元素的耦合。工程管理模式的運用耦合度反應系統動態演變過程中各子系統及要素相互融合、相互配合與和諧一致的強度與屬性。但耦合度不能反映協同建設與發展水平，為此又引入協調度的概念，用耦合度與協調度來度量“五化”間的融合關聯能力和協同發展水平[17]。

系統的復雜性又決定“五化”協同不是一蹴而就，“五化”各系統間相互影響、相互適應、相互促進，每個子系統都影響其他子系統。同時，任何子系統的不平衡建設與發展均會影響到整個工程“五化”的協同水平?！拔寤奔案鳌盎苯ㄔO是一個熵增過程，如何通過“五化”協同融合實現控熵，是“五化協同”工程管理模式建設的核心。因此，在及時掌握各子系統之間的協同耦合規律基礎上，“五化”各子系統唯有充分應用當前先進的科學技術，同步建設，協同發展，互為動力、互為支撐、融合共生、優化互促，推進系統整體形成最大合力，同頻共振，賦能系統的整體效應大于各系統疊加的工程價值最優化，即“五化”系統優化互促，迭代升級過程就為控熵過程，通過控熵實現價值最優化的目標，實現資源、工程、經濟、社會、環境和人的協同融合發展。其協同機理如圖6 所示。

圖6 “五化”協同機理Fig.6 “Five Modernizations and Cooperation” mechanism

2.2 “五化協同”的管控模式

礦業工程建設可分為規劃、實施、運行等階段。礦業工程“五化協同”管理是一種多層次、多目標的復雜系統模型，由目標層、準則層、要素層等組成。目標層是以價值最優化為整體目標；準則層是由綠色化、智能化、集成化、專業化、精細化等組成；要素層由每 “化”的具體要素組成。

煤礦智能化的實質是新一代信息技術與傳統煤炭技術的深度融合，融合賦能是煤炭工業高質量發展的核心方法與手段。本文運用“五化”協同融合技術，構建以數字化為支撐的工程全生命周期的“五化”協同工程構架體系，實現工程設計、實施、管理等全過程的信息、業務流程的綜合管控。工程建設從科研到設計，從裝備研發或選型到實施建設，再到生產運營，隨著工程不斷推進及各種信息的反饋，五化各子系統不斷自適應、自調整、自優化、自決策等。在此過程中各“化”不僅自成體系，優化升級，而且通過五“化”持續的反饋迭代，使“五化”協同管理體系在相互協同、相互融合、相互促進及動態整合中深化升級并向目標邁進。五化協同管理實現了礦業工程全過程因素的集成，創新形成了基于融合賦能的“五化協同”礦業工程管理新模式，有效提升工程建設與生產管理的數字化、智能化水平和管理效能，如圖7 所示。

圖7 “五化”協同工程管理架構體系Fig.7 Project management framework system of “Five Modernizations and Coordination”

3 工程實踐

3.1 案例一：黃陵礦業智能化開采示范工程

黃陵礦區是西部煤炭基地的典型代表，煤炭地質儲量20 億t，煤油氣共生，水、火、瓦斯、頂板、煤塵五害俱全，工程建設技術條件復雜，急需通過工程技術與管理創新實現煤炭安全高效開發[18]。

在黃陵礦業智能化開采國家示范工程建設過程中，從改變人與煤空間關系的哲學思辨出發，運用基于融合賦能的“五化協同”工程建設與管理方法，以信息化融合工業化賦能煤礦地下開采場景。

1) 在綠色化方面

智能化開采工程綠色化不僅是指工程建設采用智能化技術、自動化裝備、瓦斯高效抽采、環境監控生態保護及治理技術，而且包括建設與運營的節能減排與資源綜合利用，實現工程建設智能化程度高、“三廢”排放少、資源利用率高、環境污染低與破壞小、安全風險低等目標。形成了以智能化開采為主體，以電力和煤化工等多元化互補為重點的智能化工程產業，建成了我國首個智能化開采工作面、2 000 MW 燃煤電廠、全國最大的焦爐煤氣制甲醇項目、全國首臺套汽輪機帶動壓縮機生態液氮系統(10 萬t)等多行業、多層次、多目標的產業循環經濟鏈，為我國煤炭資源高效開發與綜合利用提供了工程示范。具體體現在：一是基于綠色、智能發展的專業性、前瞻性決策，即提出智能化開采思路與方法；二是基于機械化、自動化與智能化的開采設備，即研發綠色化開采成套技術裝備體系；三是基于專業化的節能、智能的綠色化高效開采，即提出智能化開采與資源循環利用工藝；四是基于精細化的高效、精準管控，即構建安全控制、質量控制、工期控制、投資控制與企業增效的綠色化管理模式。在綠色化子系統構建的同時，實現了綠色化與其他 “四化”的協同融合。

2) 在智能化方面

智能化無人綜采技術是指采用具有感知能力、記憶能力、學習能力和決策能力的液壓支架、采煤機、刮板輸送機等綜采裝備，以自動化控制系統為核心，以可視化遠程監控為手段，實現綜采工作面采煤全過程 “無人跟機作業，有人安全巡視”的安全高效開采技術。

在黃陵礦區首創地面遠程智能采煤方法，提出了智能化開采的科學內涵與技術路徑，開創復雜條件工作面圍巖智能協同控制方法、采煤機端頭割三角煤新工藝；研發了我國首套實現作業流程自動化、地面遠程可視化協同控制的智能開采系統，攻克復雜系統總體設計、采煤工藝變革、技術裝備配套、多元管理協同等智能化開采的工程技術難題，主持建成我國首個智能化開采工作面，創建了“有人安全巡視，人跟機作業”的智能化開采模式，實現了智能化開采從0 到1的突破[19]。勞動生產效率提高了68%，生產班組人員由24 人減少為7 人，“無人則安，少人則安”，“礦工穿著西裝，打著領帶在地面采煤”的夢想成真。把礦工從艱苦危險的環境中解放出來，從超強度體力勞動中解放出來，改變了千百年來礦工必須下井采煤的歷史。

針對黃隴煤田煤與油型氣共生、多種災害、厚煤層開采并存的難題，揭示出油型氣儲集層賦存和涌出 “啞鈴型”分布規律，研發了油型氣不規律涌出超前預測的煤機多級聯控技術，提出液壓支架工作阻力、工作面直線度、采煤機截割高度與速度等參數自適應調控工藝模型，構建高可靠遠程智能控制系統，綜采工作面實現自動連續協同作業，自動化作業時間占比超過95%。建立了采場“精細探查?超前預測?立體抽采?多級聯動”全時空一體化精準防治與智能開采工程協同技術體系，實現了較薄、中厚、厚煤層智能化開采技術的整體突破，解放受威脅煤炭1.2 億t，創造直接經濟效益達106 億元，增加產量4 000 萬t，為我國不同地質賦存與開采條件的煤礦實現智能開采提供核心技術支撐與工程示范。

3) 在集約化方面

智能化開采工程創建了以工業云技術的綜采工作面移動終端管控平臺為基礎，包括項目決策、開采技術、生產工藝、成套裝備、控制系統、保障體系、工程管理等整套智能化無人綜采工程體系。工程在集成過程中，不僅進行了智能化開采工程目標、系統、元素等勞動資料集成，而且實現了與其他“四化”的深度融合，為綠色化提供了高效節約的綠色開采工程建設方法；為智能化、專業化、精細化提供了基礎與平臺。工程活動不僅要實現工程知識、工程技術、工程裝備、工程管理等元素“廣大”處協同集成，而且要在工程全過程中實現精細化管控、專業化高效協同等“細微”處精準配合。具體表現為：一是開采、自動化控制、智能化技術、裝備制造、傳感、監測、監控、物聯網、安全保障、精細化管理等方面技術創新集成；二是割煤、移架、運輸等智能化開采工藝集成；三是液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機、乳化液泵、噴霧泵、可伸縮膠帶運輸機、超前支架、控制設備、控制系統平臺等智能化成套裝備體系集成；四是采煤機控制、支架電液控制、工作面運輸控制、三機通信控制、泵站控制、監測監控、地面指揮控制中心等控制系統集成；五是通風安全、瓦斯防治、綜合防塵、火災防治、頂板災害防治、水害防治、安全跟蹤分析系統等安全保障技術集成。

4) 在專業化方面

創建了以人才隊伍專業化為基礎，以職能專業化為核心，以安全質量專業化為保障，以經營管理專業化為手段的專業化職能元素體系，開展項目決策、實施、運營等智能化開采工程全周期的專業化組織分工，且通過自身系統的優化調整與決策，不僅實現自身熵減優化，而且實現了與其他各“化”協同融合，實現工程多階段、多專業、多層次的協同融合、優勢互補與創新升級發展。

具體表現為：一是人才隊伍專業化，采用人才引進、自身培養、與科研院所結合等方法，打造滿足項目全周期建設與運營的高層次人才隊伍；二是職能業務專業，基于專業化人才隊伍，開展項目規劃、智能化技術、智能控制系統、智能裝備制造、安全保障、運營管理、標準制定等工程專業化建設與運營；三是安全保障專業，以各設備、系統、環節等信息進行采集、傳輸處理的信息化為基礎，建立了網絡支撐平臺和數據中心，形成了礦井一體化管控平臺和關鍵單項信息化系統等智能化開采綜合保障系統。同時構建了包括水、火、瓦斯、煤塵、頂板等災害防治保障專業化系統；四是管理經營專業化，在統一網絡平臺、統一數據平臺的基礎上，集成了人力資源系統、財務管理系統、全面預算系統、公司門戶網站、OA 辦公自動化系統、生產調度日周月報系統、礦井安全生產一體化管控平臺，實現了各業務系統間的協同共享，為企業發展提供決策支撐。

5) 在精細化管理方面

管理是企業發展的核心競爭力，精細化管理是時代發展的必然趨勢，黃陵礦業將管理創新作為企業發展的戰略，提出了打造產量大、裝備優、效益佳、管理精細、環境優美”的礦井工程建設目標。創建了由ABC 三卡考核、推行“三工”轉換的基礎階段，到人本精細化管理六要素的修煉階段，再到“五精”崗位、“五精”現場打造階段的精細化管理模式，借助礦井一體化管控系統，為智能化開采工程建設及其他“四化”的順利建設提供了工程管理平臺，實現了“五化”協同融合與互促發展及“崗位增值、工程增效、員工增收”的工程建設目標。得到政府與行業的認可并向全國推廣應用，為我國礦業工程建設與生產提供了一條科學、智能、可借鑒、可復制的工程管理模式。

基于“五化協同”工程管理模式，創建了以工作面智能化開采技術為核心，以災害防治為前提，以工程裝備與技術標準體系為保障，以精細化管理為支撐的有人安全巡視，無人跟機作業，具有“五新六高七到位”特點的智能化開采“黃陵模式”[20-21]。建成了首個國家煤礦智能化示范基地，組建了應急管理部煤礦智能化開采技術創新中心，推動應用智能化開采“黃陵模式”，引領了智能化采煤技術的發展方向。全國智能化開采工作面從2014 年建成第1 個，一直到2021 年建成687 個；煤礦百萬噸死亡率由2014 年的0.257 下降到2021 年的0.044，下降比例達到82.4%，死亡人數由2014 年的946 人，下降到2021 年的178 人。

3.2 案例二：可可蓋煤礦智能化建井示范工程

延長石油在陜北地區擁有煤炭資源地質儲量超210 億t，可采儲量超120 億t，是國家煤炭開發戰略西移的“主力軍”。在建的可可蓋煤礦位于陜北煤炭基地榆橫礦區，是國家和陜西省“十四五”重點建設項目，礦井設計生產能力15 Mt/a。傳統的建井技術難以滿足安全高效建井需求，亟待進行建井技術裝備突破。同時，智能化建井技術是適應技術革命的發展趨勢，是實現煤炭資源安全高效開發的必然選擇。

智能化建井工程建設過程中，從工程規劃、技術創新、裝備研發、工程管理等項目全周期過程中運用 “五化協同”工程管理技術與方法，確定了“綠色化整體規劃–智能化技術創新–集成化工藝與裝備融合–專業化人才隊伍與施工–精細化工程全周期管控”的工程建設與運營模式。

1) 在綠色化方面

創建了包含綠色化設計，綠色化建井技術，綠色化全斷面掘進機裝備制造，綠色化智能管理及水資源、矸石、清潔能源綜合利用等工程全過程綠色化子系統。具體體現為：一是綠色化技術，針對傳統鉆爆法和綜掘法建井技術存在施工工期長、機械化與自動化程度低、勞動強度大、安全風險高、工序不連續、圍巖擾動強度高、施工質量難以控制等諸多難點，創建了基于全斷面掘進機智能掘進、自動化錨網噴支護的智能化綠色化建井工法技術體系；二是綠色化裝備，“綠色制造工程”是“中國制造2025”重點實施的五大工程之一，要求研發能源清潔低碳和安全高效發展的關鍵技術裝備并開展示范應用。針對傳統建井裝備自動化智能化程度低、工序不連續等，研發了集探–掘–支–錨–運為一體的綠色化成套裝備體系；三是綠色化工程建設，采用專業化施工隊伍，提高了工效，降低了能耗，40 m2超大斷面最高成井速度突破800 m/月，相比傳統鉆爆法、綜掘法掘進效率提高3～5 倍，節約炸藥量1 100 t、雷管140 萬發，減排二氧化碳220 t。對于我國綠色高效建井、生態經濟協同發展具有重要意義。

2) 在智能化方面

自動化、數字化、智能化是現代工程最典型的特征。基于智能化建井需求，提出了“智能化建井，建智能礦井”的定義與科學內涵，創建了包含智能化建井方法、智能化控制系統、智能化建井成套裝備、綜合保障系統、三維一體管控平臺的智能化建井系統，將 “智能”基因融合植入智能化建井工程全過程，有效助推了智能化建井工程“五化”協同融合，并賦能我國建井技術實現綠色、安全、高效、智能的新突破，創新形成了智能化建井新模式。

“智能”作為智能化建井的核心元素，首創煤礦斜井智能化建井方法，發明了斜井敞開式全斷面掘進機 “探–掘–支–錨–運”智能高效協同施工工藝；研發首套斜井敞開式全斷面掘進機，創新了超長斜井全斷面掘進機始發關鍵工藝與技術，研制了斜井智能掘進成套新裝備；研發斜井敞開式全斷面掘進機智能協同控制系統，構建智能化建井三維一體管控體系；創新了復雜地層斜井敞開式全斷面智能掘進安全保障技術，開創了我國煤礦智能化發展新領域。

3) 在集約化方面

整體上項目以斜井全斷面掘進機智能協同控制系統與三維一體管控平臺為基礎，開展了包括建井工藝、成套裝備、控制系統與平臺、安全保障體系、工程實踐等整套智能化建井工程體系，形成包含規劃、設計、裝備、生產、運營、管理等階段項目整體化集成。集成作為工程的主要特征，為工程的實現提供了集成平臺和重要手段，也為工程“五化”協同建設奠定了基礎。具體體現在：一是超前探放水、智能掘進、錨網噴支護、智能運輸、控制系統、監控平臺、智能裝備研制、安全保障、精細化管理等方面工藝技術集成；二是全斷面掘進機、自動化鋼拱架安裝、錨網噴支護、自動化混噴、長距離膠帶運輸等智能化成套裝備集成；三是由掘進機控制系統、支護控制系統、通風系統、運輸機控制系統、巷道防治水系統等組成的斜井掘進系統，其中，掘進機控制系統包括掘進環境智能感知、智能掘進控制系統、掘進機智能導向系統等；四是由長距離多級排渣智能控制系統、輔助運輸失速智能攔截系統、智能通風控制系統、智慧工地三維一體智能管理系統組成的輔機智能控制系統；五是由超前探測–識別–預處理、特殊不良地質段掘進安全保障、柔性風筒長距離搭接、有害氣體環境智能監測、輔助運輸防跑車柔性阻攔、多級自動化排水設備等組成的安全保障技術。

4) 在專業化方面

項目整體以人才、職能、安全管理等為專業化建設要素，確定了項目立項、技術創新、裝備研發、建設實施、管理運行等工程全周期的專業化組織分工，創建了以專業化人才隊伍為支撐，以專業化技術、專業化裝備研發、專業化施工為核心，以基于三維一體管控平臺的專業化精準管控為保障的智能化建井工程專業化系統。專業化因素不僅貫穿了工程全過程，而且實現了與其他“四化”的協同互促與融合發展。具體表現為：一是人才隊伍專業化，主要采用人才引進與科研院所合作的方法，培養信息化管理人才、智能化工程技術人才、技能型施工人才，滿足項目全周期建設與運營的人才需求；二是職能業務專業，以專業化人才隊伍為基礎，開展項目規劃、智能化建井技術、智能控制系統與平臺、全斷面掘進機聯合研制、安全保障、綜合管理等工程專業化建設；三是安全保障專業，以各設備、系統、環境參數等數據采集、傳輸、分析的信息化為基礎，構建了包括水害超前探測、頂板監測、不良地質段掘進工藝技術、柔性風筒長距離搭接、有害氣體環境智能監測、輔助運輸防跑車柔性阻攔、多級自動化排水設備等災害防治保障專業化系統；四是管理經營專業化，建立了5G 網絡支撐系統，研發了智能化建井三維一體管控體系，構建了視頻、環境、作業、運輸機、人員、膠輪車、風機、排水等監測監控系統；五是施工建設專業化，基于礦井處于基建期，招聘、培養自己的專業施工人員周期長、工程質量無法保障等，采用引進中鐵十五局、中煤第三建設(集團)、中安監理等專業化施工建設與管理隊伍，確保了工程的高質量建設。

5) 在精細化管理方面

基于智能化建井工程管理需求，針對人員、設備、環境、安全、成本等精細化管理要素，構架了包括基礎層、感知層、數據層、平臺層、應用層和用戶層的三維一體化管理系統總體架構，創建了基于物聯網、BIM、GIS、大數據、云計算、協同管理、多端運行、多系統集成的“智能化建井智慧工地三維一體化管理系統”，實現管理要素的智能監控感知識別、人員智能管理、設備運行狀態監控與智能分析。具體為：一是基于智能監控感知識別系統的違章抓拍、畫面調取和歷史監控查看等功能，通過人員軌跡路徑、分布狀態、考勤統計、環境監測等監測監控，實現工程建設過程可查可控，確保了安全措施；二是通過數據采集、傳輸、分析、預警、決策，實時呈現掘進機、運輸機、膠輪車、龍門吊、風機、水泵等14 種設備的運行參數和施工實情，保障施工現場的安全、規范施工，實現了工程建設數字化、智能化、精細化的全生命周期協同管控。

工程整體構建了智能監管和防范體系，變革了傳統“靠人管、靠人看”的工程管理模式，通過工程全過程集中化管控、智能化分析和可視化展現，有效提升了工程建設精準管控能力與施工質量，塑造了智能化建井精準管理新模式。實現了業務流與數據流的有機結合與深度融合，確保了工程的安全、高效、科學、規范建設。

智能化建井工程在決策、實施、管理的過程中，運營“五化”的協同互促與融合發展的管理方法，首創煤礦斜井智能化建井方法，發明了斜井全斷面敞開式掘進機“探?掘?支?錨?運”智能高效協同施工工藝，創造了40 m2斷面月進尺812.6 m 的斜井施工吉尼斯世界紀錄，平均月進尺達509.7 m；研發首套斜井全斷面敞開式掘進機，創新了超長斜井全斷面掘進機始發關鍵工藝與技術，研制了斜井智能掘進成套新裝備[22]，創造了45 d 完成地面組裝與步進的新紀錄，效率提高了一倍，成功實現了掘進機由弱富水軟弱巖層的直接進硐與始發掘進；研發斜井全斷面敞開式掘進機智能協同控制系統，構建智能化建井三維一體管控體系，創建了 “機器決策為主，人工干預為輔”的智能化建井新模式。單班作業人員至8 人，掘進工作人員分別較鉆爆法和綜掘法減少了13 人和8 人，實現工作面“少人則安”[23]?？傊?，在智能化建井工程實踐中，各“化”均發揮了優化、提效、增質的作用，整體呈現了“1+1>2”的工程效果，提高了工效，降低了能耗，實現了“打井不下井，本質安全建井”，變革了傳統的建井工藝技術，為我國煤礦智能化建設進行了有益的探索與實踐。

4 結論

a.礦業工程是人類智慧與社會發展的綜合結晶，是一個集科學、技術、管理、經濟等為一體的物質構建、生產、制造與傳輸活動，是能源產業的重要支撐。基于融合賦能的思想，提出了包含綠色化、智能化、集成化、專業化、精細化的礦業工程“五化協同”工程建設與管理方法，闡述了“五化協同”工程管理模式的內涵與“五化”協同的作用機理，創建了“五化協同”工程管控模式，形成了新時代工程管理技術體系。

b.“五化協同”工程管理模式，應用于黃陵礦業智能化開采示范工程和可可蓋煤礦智能化建井示范工程，其成功實踐為礦業工程決策、建設與管理提供了一條科學的可借鑒、可復制的工程管理模式。

c.“五化協同”工程管理模式，踐行了工程與經濟、工程與技術、工程與管理及人與自然和諧統一的工程哲學思想，實現了工程以人為本的創造性、功效性和價值性。“五化協同”工程管理方法為全面地認識工程與哲學、管理、科學、技術相互協同發展關系奠定了基礎，對促進工程與自然資源的高效開發及與經濟、社會、生態的協同持續發展具有重要的實踐意義，也必將為保障國家能源安全的探索與研究作出了更重要貢獻。