礦井智能化建設(shè)研究

陳黎明

（山東能源集團(tuán)云鼎科技股份有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

礦井智能化建設(shè)是高質(zhì)量發(fā)展煤炭工業(yè)的重要環(huán)節(jié)和必然選擇。智能化的生產(chǎn)系統(tǒng)可以使煤礦工人擺脫危險(xiǎn)的作業(yè)環(huán)境，從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來，不斷促使“少人則安、無人則安”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，這集中體現(xiàn)了煤礦企業(yè)以人為本的價(jià)值觀和社會(huì)責(zé)任感。礦井智能化建設(shè)的探索和實(shí)踐是一條曲折復(fù)雜的道路，我們要時(shí)刻保持清醒的頭腦，針對(duì)實(shí)際情況，圍繞中心、理清思路、突破重點(diǎn)，確保礦井智能化建設(shè)的健康發(fā)展和穩(wěn)步推進(jìn)。

1 礦井智能化建設(shè)概述

1.1 礦井智能化建設(shè)的涵義

礦井智能化建設(shè)是指煤礦的采掘、地測(cè)、機(jī)電、運(yùn)輸、通風(fēng)排水、煤炭洗選、安全監(jiān)測(cè)、調(diào)度管理等主要系統(tǒng)，借助當(dāng)前蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析、工業(yè)自動(dòng)控制、云計(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自感知、自學(xué)習(xí)、自決策與自執(zhí)行等基本能力，從而實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)治理、動(dòng)態(tài)預(yù)警、信息交互、工業(yè)自動(dòng)控制的目標(biāo)。

1.2 礦井智能化建設(shè)的條件

（1）加快硬件設(shè)備的智能化。要想建設(shè)智能化礦井，應(yīng)先確保硬件設(shè)備的智能化，在礦井生產(chǎn)中，大量智能化設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行是保證采礦作業(yè)遠(yuǎn)程控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的必要條件，也是促使無人化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)所在。因此，煤礦企業(yè)要密切關(guān)注煤炭行業(yè)的發(fā)展及采礦設(shè)備的革新，結(jié)合具體需要引入智能化的礦井硬件設(shè)備，積極主動(dòng)地創(chuàng)建智能化、無人化的礦井生產(chǎn)環(huán)境。

（2）礦井具備穩(wěn)定的信息化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在采礦生產(chǎn)中要求前端硬件跟后端控制系統(tǒng)保持密切統(tǒng)一，當(dāng)后端發(fā)出操作指令后，前端設(shè)備立即做出正確的反饋，這是采礦無人化生產(chǎn)的前提條件。為了實(shí)現(xiàn)無人化目標(biāo)，可靠的信息化系統(tǒng)非常關(guān)鍵，在確保礦井生產(chǎn)的各個(gè)場(chǎng)所都建立網(wǎng)絡(luò)覆蓋的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)礦井各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)子系統(tǒng)之間的協(xié)同控制，保障信息化系統(tǒng)的穩(wěn)定和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，不斷實(shí)現(xiàn)真正的無人化生產(chǎn)。

（3）培養(yǎng)礦井智能化工程技術(shù)人員，保障人才支持。科技的發(fā)展推動(dòng)了煤炭行業(yè)的變革，傳統(tǒng)的采礦專業(yè)已經(jīng)不能滿足智能化礦井的發(fā)展要求，智能化礦井的建設(shè)需要越來越多的既熟悉煤礦業(yè)務(wù)又掌握工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等前沿知識(shí)的復(fù)合型人才。因此，煤礦企業(yè)要加大力度培養(yǎng)智能化工程技術(shù)人員，同時(shí)注重人才引進(jìn)，健全人才培養(yǎng)方式，建設(shè)一支標(biāo)準(zhǔn)高、專業(yè)強(qiáng)的人才團(tuán)隊(duì)，將人才覆蓋到礦井生產(chǎn)的方方面面，推進(jìn)采掘作業(yè)、機(jī)電運(yùn)輸、通風(fēng)排水、調(diào)度監(jiān)測(cè)等各個(gè)環(huán)節(jié)的智能化，最終實(shí)現(xiàn)智能化礦井的建設(shè)。

2 礦井智能化建設(shè)存在的問題

2.1 礦井智能化建設(shè)的思想滯后

當(dāng)今科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，煤炭行業(yè)涌現(xiàn)出大量先進(jìn)的工藝技術(shù)和裝備材料，煤礦企業(yè)需要結(jié)合自身?xiàng)l件，快速精準(zhǔn)定位，在不斷引進(jìn)先進(jìn)的智能設(shè)備基礎(chǔ)上，還應(yīng)借助信息化的技術(shù)（云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等）和礦井智能化改造相融合。隨著國家對(duì)智能化礦井建設(shè)的進(jìn)一步要求，大型能源企業(yè)建設(shè)了一批智能化的示范礦井，在煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化的建設(shè)道路上向前跨出了一大步。

然而，礦井智能化建設(shè)工程非常復(fù)雜，特別是受到各種地質(zhì)條件和礦井災(zāi)害的限制，同時(shí)其具有跨領(lǐng)域性特點(diǎn)，缺乏既熟悉煤礦業(yè)務(wù)又掌握智能化技術(shù)的復(fù)合型人才，因此當(dāng)前國內(nèi)在礦井智能化建設(shè)上依舊處在發(fā)展階段。雖然大型能源企業(yè)在智能化礦井的建設(shè)上取得了一些成績(jī)，但仍有很大一部分的傳統(tǒng)煤礦企業(yè)對(duì)智能化的發(fā)展設(shè)計(jì)缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，對(duì)信息化的手段和先進(jìn)技術(shù)缺乏了解，不注重創(chuàng)新和優(yōu)化自身的生產(chǎn)模式，也沒有從長遠(yuǎn)發(fā)展的視角思考礦井智能化建設(shè)給煤礦企業(yè)帶來的巨大效益。即使在當(dāng)今智能化礦井蓬勃發(fā)展的浪潮中，仍有很多企業(yè)認(rèn)為智能化改造技術(shù)難度高、投入成本大、投資回報(bào)低，制約了礦井的經(jīng)營效益。

2.2 礦井?dāng)?shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性較差

礦井的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)就像人體的血管，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)有著極其重要的作用。當(dāng)前智能化礦井建設(shè)還面臨地下跟地面缺乏良好交互性的問題，信息反饋的直觀性受到了影響。煤礦企業(yè)通常借助井上井下環(huán)網(wǎng)進(jìn)行信息交互，然而，由于受到井下復(fù)雜多變的生產(chǎn)條件影響，通信信號(hào)的質(zhì)量和傳輸速度一般不高，穩(wěn)定性較差，井下和地面的數(shù)據(jù)傳輸帶寬較低，實(shí)時(shí)互動(dòng)存在延遲，即數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)，這不利于通過視頻方式驅(qū)動(dòng)礦井進(jìn)行無人化的生產(chǎn)。

同時(shí)，因?yàn)槭艿絺鬏斔俣群蛶挼挠绊懀a(chǎn)過程產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)的采集和分析治理結(jié)果無法立即在設(shè)備控制上進(jìn)行直接響應(yīng)，不利于充分發(fā)揮和調(diào)動(dòng)先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備的能力，影響礦井智能化建設(shè)水平的提升。另外，國內(nèi)井工煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜多變，礦井災(zāi)害問題凸顯，很多礦井在頂板、水害、沖擊地壓、瓦斯突出等災(zāi)害的治理上投入了大量的監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)量，對(duì)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸產(chǎn)生了極大的負(fù)荷。一些大型的采掘設(shè)備缺少較高的精準(zhǔn)度，缺乏先進(jìn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)響應(yīng)技術(shù)，電液控的應(yīng)用不夠成熟穩(wěn)定，也影響了大型采礦設(shè)備的自動(dòng)化和無人化水平。

2.3 缺乏良好的5G 技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

煤礦生產(chǎn)作業(yè)屬于一項(xiàng)系統(tǒng)性的復(fù)雜工程，受地質(zhì)條件和礦井災(zāi)害等因素的影響，井下生產(chǎn)條件復(fù)雜多變，這不利于煤礦智能化設(shè)備的高效運(yùn)行，主要表現(xiàn)為生產(chǎn)設(shè)備的應(yīng)用受到地質(zhì)條件、圍巖應(yīng)力、粉塵等因素的影響而缺少較高的精準(zhǔn)度或存在較大的局限性，因此需要不斷升級(jí)基礎(chǔ)性的輔助支撐設(shè)備，以使生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定性得到提升，從而保障智能化的設(shè)備與大規(guī)模生產(chǎn)作業(yè)相融合。作為當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的新一代技術(shù)應(yīng)用，5G 技術(shù)具有低延時(shí)、大帶寬、廣連接的顯著優(yōu)點(diǎn)，通過與關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)相聯(lián)合，能夠極大提升礦井的智能化交互水平。

目前，雖然5G 技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用已取得了比較明顯的成效，然而在實(shí)際工作中面臨相應(yīng)的缺陷或問題。（1）5G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)不一致。各個(gè)廠商的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)都不同，造成產(chǎn)品存在嚴(yán)重個(gè)性化特色，不但阻礙用戶的維護(hù)和使用，而且阻礙推廣和生態(tài)的建設(shè)，在重復(fù)研發(fā)與開發(fā)中消耗很多物力和人力，不注重處理共性問題，這也不利于安標(biāo)管理的開展。（2）亟需挖掘5G 應(yīng)用場(chǎng)景。測(cè)試優(yōu)化5G 應(yīng)用場(chǎng)景要求組織很多工作，涵蓋5G 技術(shù)移動(dòng)場(chǎng)景巡檢、5G 高清視頻傳輸、5G 技術(shù)的無人駕駛試驗(yàn)、5G 環(huán)境接入多智能傳感器、5G 技術(shù)遠(yuǎn)程低時(shí)延控制等，有關(guān)研究依舊未曾得到廣泛使用。

2.4 透明地質(zhì)技術(shù)不夠成熟完善

透明地質(zhì)技術(shù)的出現(xiàn)指明了礦井智能化建設(shè)的方向，地質(zhì)勘探技術(shù)的數(shù)字化和智能化有助于實(shí)現(xiàn)工程信息和地質(zhì)信息的統(tǒng)一。然而，當(dāng)今煤炭識(shí)別技術(shù)比較稚嫩，盡管當(dāng)今國內(nèi)外都積極探索煤巖識(shí)別技術(shù)，也獲得了相應(yīng)的研究成效，可是面臨礦井環(huán)境惡劣復(fù)雜缺少抗干擾性、分辨速度慢、缺少辨識(shí)度等缺陷，難以在具體生產(chǎn)過程中常態(tài)化使用煤巖識(shí)別技術(shù)；重要傳感器的穩(wěn)定性和精度較差，盡管國內(nèi)外傳感器技術(shù)業(yè)已提升了監(jiān)測(cè)的精度，可是應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)狀況改變較大，較易導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺少準(zhǔn)確度、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在較大誤差的情況，難以對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施糾偏和分析，不能實(shí)現(xiàn)人機(jī)精準(zhǔn)控制的需要。

3 礦井智能化建設(shè)的有效措施

3.1 不斷完善礦井智能化建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)體系

礦井智能化建設(shè)的整體架構(gòu)涵蓋較多方面，煤礦智能化標(biāo)準(zhǔn)體系與煤礦智能化技術(shù)體系一脈相承，為此，標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)應(yīng)先對(duì)技術(shù)體系進(jìn)行探究。煤礦智能化的中心環(huán)節(jié)在于智能化生產(chǎn)以及安全保障，而其基本支持是位置服務(wù)、高速信息網(wǎng)絡(luò)、云數(shù)據(jù)中心，旨在體現(xiàn)基本的自主學(xué)習(xí)、自主感知、自主決策、自主執(zhí)行功能。

縱觀架構(gòu)而言，系統(tǒng)整體實(shí)施分層化設(shè)計(jì)，技術(shù)架構(gòu)整體有智能化應(yīng)用層、基礎(chǔ)設(shè)施層、邊緣設(shè)備層、數(shù)據(jù)服務(wù)層等部分組成，該應(yīng)用遵循“平臺(tái)化、場(chǎng)景化、資源化”以及微服務(wù)架構(gòu)（SOA）理念，對(duì)龐大的數(shù)據(jù)信息予以整合，且對(duì)礦井資源進(jìn)行一致調(diào)度，確保控制閉環(huán)和業(yè)務(wù)閉環(huán)的實(shí)現(xiàn)。礦井智能化標(biāo)準(zhǔn)日系建設(shè)的組成是：（1）通用基礎(chǔ)，重點(diǎn)是對(duì)礦井智能化建設(shè)的通用指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范，確保礦井智能化理念的一致性；（2）平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)和支持技術(shù)，規(guī)范建設(shè)過程中的重要先進(jìn)技術(shù)、軟件和共性平臺(tái)；（3）煤礦信息互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于礦井特殊環(huán)境、高效信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)以及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行規(guī)范；（4）智能控制系統(tǒng)及裝備標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)煤礦生產(chǎn)控制涉及的智能化關(guān)鍵裝備及核心傳感器等進(jìn)行規(guī)范；（5）安全監(jiān)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)井下環(huán)境、人員、設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范，包括地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、通防安全監(jiān)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、電氣設(shè)備安全監(jiān)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、人員安全監(jiān)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)急管理與救援智能化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等；（6）生產(chǎn)保障標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范保障煤礦安全高效生產(chǎn)涉及的設(shè)備可靠性、生產(chǎn)決策管理規(guī)范等，包括設(shè)備可靠性標(biāo)準(zhǔn)、融合決策標(biāo)準(zhǔn)及管理類標(biāo)準(zhǔn)等。

不斷完善礦井智能化建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)體系，首先要明晰建設(shè)的目標(biāo)與方向，然后立足當(dāng)前，強(qiáng)化基礎(chǔ)，加快煤礦智能化建設(shè)術(shù)語、通信傳輸協(xié)議、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)融合管理，以及智能化煤礦評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等基礎(chǔ)共性領(lǐng)域技術(shù)規(guī)范的統(tǒng)一。最后要加強(qiáng)相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)之間、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與國家標(biāo)準(zhǔn)之間的協(xié)調(diào)，確保標(biāo)準(zhǔn)體系的科學(xué)性、有效性和前瞻性。

3.2 不斷優(yōu)化5G 技術(shù)在礦井的應(yīng)用

無論是在管控層、傳輸層、傳感層，還是在后端開發(fā)應(yīng)用層，礦井智能化建設(shè)都應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)礦井服務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行重塑，從而有效統(tǒng)一礦井信息系統(tǒng)和智能應(yīng)用，提供支撐網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的新需求和新標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合5G 技術(shù)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行重建，建立新的應(yīng)用場(chǎng)景和服務(wù)方式。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸性能較差、決策管理缺少智能輔助、設(shè)備傳感精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性低時(shí)都能夠應(yīng)用5G 技術(shù)進(jìn)行完善。根據(jù)煤礦環(huán)境特色和5G 通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析礦井5G 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，建設(shè)礦井巷道5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃。

5G 通信技術(shù)顯著提升了無線通信指標(biāo)（傳輸時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)帶寬等），從而提升了5G 承載網(wǎng)的需求，礦井固有的工業(yè)以太網(wǎng)較難適應(yīng)5G 承載網(wǎng)的應(yīng)用需求。為此，分析探討切片分組網(wǎng)技術(shù)，從而處理5G 承載網(wǎng)面臨的網(wǎng)絡(luò)切片、傳輸時(shí)延、吞吐量等問題。并且，持續(xù)探究礦井5G 無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)、5G 基站及終端礦用技術(shù)等的優(yōu)化，以及改進(jìn)和完善相關(guān)設(shè)備（5G 通信模組、天線、轉(zhuǎn)換器、終端、基站等），以確保礦井全覆蓋5G 信號(hào)，奠定智能化+5G 礦井的通信基礎(chǔ)。

3.3 不斷探究智能精準(zhǔn)開采關(guān)鍵技術(shù)

基于透明地質(zhì)大數(shù)據(jù)智能精準(zhǔn)開采技術(shù)是結(jié)合物探（槽波勘探、巷道測(cè)量、物探等）方式建設(shè)透明、精準(zhǔn)的工作面三維模型，事先對(duì)截割模板進(jìn)行規(guī)劃，然后再應(yīng)用雷達(dá)定位、慣性導(dǎo)航、大數(shù)據(jù)決策分析等技術(shù)持續(xù)調(diào)整截割模板，再結(jié)合礦井精準(zhǔn)控制平臺(tái)有效控制液壓支架和采煤機(jī)。結(jié)合槽波地震勘探、孔中雷達(dá)探測(cè)技術(shù)、巷道測(cè)量和寫實(shí)、地震信息再解釋、瓦斯抽放鉆孔測(cè)井技術(shù)等取得地質(zhì)（起伏和結(jié)構(gòu)）信息，通過多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)建構(gòu)透明和精度高的工作面模型。利用透明工作面數(shù)字孿生系統(tǒng)，結(jié)合當(dāng)前工作面的位置，在地質(zhì)模型當(dāng)中將煤層頂?shù)装迩€切割出來，獲得相應(yīng)間隔點(diǎn)的采高、傾角、俯仰角等信息，根據(jù)激光雷達(dá)技術(shù)測(cè)量推進(jìn)的巷道兩邊的距離，深入界定回采剖面部位；將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)安裝在采煤機(jī)上，及時(shí)記錄采煤機(jī)俯仰角、航向角、橫滾角等姿態(tài)信息；結(jié)合采煤機(jī)搖臂采高傳感器得到剖采高，依靠實(shí)現(xiàn)模型的動(dòng)態(tài)更新，實(shí)現(xiàn)工作面地質(zhì)模型自動(dòng)切割。在建立完地質(zhì)模型后，對(duì)其實(shí)施虛擬現(xiàn)實(shí)可視化，即向三維可視化模型轉(zhuǎn)變，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)建立工作場(chǎng)景以及地質(zhì)現(xiàn)狀的模型，實(shí)現(xiàn)身臨其境的遠(yuǎn)程監(jiān)管。

4 結(jié)語

綜上所述，礦井智能化建設(shè)不僅僅是國家和行業(yè)的要求，也是煤礦企業(yè)獲得高質(zhì)量發(fā)展的技術(shù)支撐。煤礦企業(yè)應(yīng)密切關(guān)注行業(yè)發(fā)展形勢(shì)，以科技創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)力，以礦井智能化建設(shè)為導(dǎo)向，積極建設(shè)安全高效的生產(chǎn)模式，不斷提升智能化開采水平，充分利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G 通信等時(shí)代前沿技術(shù)，提升裝備水平，優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)，朝著無人化礦井的方向不斷探索和努力。