煤礦智能安控技術(shù)體系與高質(zhì)量發(fā)展對(duì)策

王國(guó)法,鞏師鑫,申 凱

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司,北京 100013; 2.北京天瑪智控科技股份有限公司,北京 101320;3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037; 4.重慶大學(xué),重慶 400044)

煤炭是我國(guó)的主體能源,“富煤、貧油、少氣”是我國(guó)能源國(guó)情[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2022年我國(guó)能源消費(fèi)總量為54.1億t標(biāo)準(zhǔn)煤,煤炭占能源消費(fèi)總量的為56.2%,煤炭工業(yè)在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍然是能源供應(yīng)體系的“穩(wěn)定器”和“壓艙石”[2]。同時(shí),我國(guó)煤炭以井工開(kāi)采為主,其產(chǎn)量占煤炭總產(chǎn)量的82%以上。

安全不僅是煤炭生產(chǎn)的前提,也是提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量的保障。我國(guó)井工煤礦開(kāi)采長(zhǎng)期遭受瓦斯、頂板、水害、火災(zāi)、沖擊地壓、煤塵等災(zāi)害困擾。為此,我國(guó)煤礦企業(yè)始終堅(jiān)持將安全生產(chǎn)放在首位[3]。煤礦智能化建設(shè),廣泛開(kāi)發(fā)應(yīng)用機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人、智能化少(無(wú))人等相關(guān)技術(shù)與裝備,是煤炭安全高效開(kāi)采的重要技術(shù)支撐[4]。國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局等八部委于2020年聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》,明確了煤礦智能化建設(shè)原則、建設(shè)目標(biāo)、主要任務(wù)和保障措施,為煤礦由綜合機(jī)械化向智能化發(fā)展變革提供了指導(dǎo)。將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人等技術(shù)與現(xiàn)代煤炭開(kāi)發(fā)利用工藝深度融合,形成全面感知—實(shí)時(shí)互聯(lián)—分析決策—自主學(xué)習(xí)—?jiǎng)討B(tài)預(yù)測(cè)—協(xié)同控制的智能系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)煤礦開(kāi)拓、采掘(剝)、運(yùn)輸、通風(fēng)、洗選、安全保障、經(jīng)營(yíng)管理等全過(guò)程的智能化管控,能夠促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)與管理水平的提升。同時(shí),在現(xiàn)有煤炭開(kāi)采裝備自動(dòng)化的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提升形成煤礦智能安控技術(shù)體系,對(duì)煤礦實(shí)現(xiàn)減人、增安、提效,促進(jìn)能源集約高效轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重要意義。

1 煤礦智能安控體系發(fā)展與安全技術(shù)進(jìn)步

煤礦智能安控系統(tǒng)對(duì)于煤礦安全高效生產(chǎn)意義重大。近年來(lái),隨著煤礦智能化的加速發(fā)展,安全監(jiān)控系統(tǒng)持續(xù)升級(jí)改造,礦井水、火、瓦斯、煤塵、沖擊地壓等常見(jiàn)礦井災(zāi)害數(shù)量大幅降低。各煤礦企業(yè)相繼建成并升級(jí)了智能安全保障體系,對(duì)礦井安全態(tài)勢(shì)、風(fēng)險(xiǎn)管控、隱患排查、系統(tǒng)指標(biāo)、智能場(chǎng)景等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、預(yù)警、管控,實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的閉環(huán)管理。

1.1 煤礦安全技術(shù)發(fā)展概況

我國(guó)煤炭安全技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了起步期、提升期、快速發(fā)展期、技術(shù)轉(zhuǎn)型期和智能化發(fā)展期。改革開(kāi)放前,受技術(shù)工藝條件和落后觀念等限制,煤礦安全事故頻發(fā);改革開(kāi)放后至1990年代,我國(guó)煤礦進(jìn)入綜合機(jī)械化發(fā)展階段,引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)綜采成套設(shè)備,煤礦安全技術(shù)水平有了顯著提升; 至2000年,煤礦綜合機(jī)械化程度不斷提高,經(jīng)過(guò)“九五”“十五”科技攻關(guān),我國(guó)攻克了液壓支架核心技術(shù),同時(shí)帶動(dòng)工作面成套設(shè)備配套研發(fā),煤礦建設(shè)朝著高效集約、安全規(guī)范的方向發(fā)展[5];2000—2014年,電液控制技術(shù)逐漸走進(jìn)中國(guó)市場(chǎng),擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第一套電液控制系統(tǒng)于2008年面向市場(chǎng),極大地提高了煤礦安全生產(chǎn)水平;2014年至今,隨著新一代信息技術(shù)與煤炭開(kāi)采的融合發(fā)展,煤炭企業(yè)經(jīng)過(guò)不斷探索逐步構(gòu)建了生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳、智能高效的安全生產(chǎn)技術(shù)體系[6]。

智能安全生產(chǎn)技術(shù)體系在地質(zhì)條件復(fù)雜、多元災(zāi)害耦合疊加的礦區(qū)可有效遏制重特大事故發(fā)生。在礦井水害防治方面,建立了地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)和智能地質(zhì)保障系統(tǒng),利用長(zhǎng)距離定向鉆探超前探測(cè)掘進(jìn)構(gòu)造及水害,通過(guò)“微震+電法”隨采物探技術(shù),對(duì)采煤工作面隱伏構(gòu)造、突水危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);針對(duì)礦井火災(zāi)防治,配置了煙霧、火焰、溫度等智能傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火災(zāi)易發(fā)區(qū)域,利用火災(zāi)大數(shù)據(jù)模態(tài)分析和火災(zāi)事故樹(shù)模型,研判火災(zāi)事故發(fā)生概率;針對(duì)礦井瓦斯災(zāi)害防治,配置了激光甲烷濃度等高精度監(jiān)測(cè)傳感器,結(jié)合微震、電磁輻射、聲發(fā)射、聲波探測(cè)等探測(cè)技術(shù),構(gòu)建多源異構(gòu)信息融合動(dòng)態(tài)預(yù)警模型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)瓦斯災(zāi)害的高精感知和超前預(yù)警;在沖擊地壓防治方面,配置了微震、地音、應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),形成地面—井下立體微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng),安裝礦壓、頂板離層等檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)液壓支架工作阻力、頂板離層進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),有效提高了沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警精度。

1.2 煤炭安全生產(chǎn)面臨的挑戰(zhàn)

煤礦安全是一個(gè)綜合性的概念,包括地質(zhì)安全、生產(chǎn)安全、供給安全、生態(tài)安全、經(jīng)營(yíng)安全等,是一項(xiàng)系統(tǒng)性、復(fù)雜性、長(zhǎng)期性的工作,現(xiàn)階段面臨諸多挑戰(zhàn)。

1)我國(guó)井工煤礦中沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量達(dá)到140余對(duì),其中千米深井的數(shù)量超過(guò)60對(duì),年產(chǎn)量超過(guò)1.5億t。隨著開(kāi)采深度增加,地應(yīng)力升高、擾動(dòng)效應(yīng)增強(qiáng),圍巖所處應(yīng)力環(huán)境趨于復(fù)雜化和集中化,煤巖力學(xué)特性由線性向非線性轉(zhuǎn)化[7],瓦斯含量高、地溫高等問(wèn)題凸顯,給千米深井開(kāi)采安全帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。

2)我國(guó)沖擊地壓礦井主要集中在山西、陜西、山東等產(chǎn)煤大省,沖擊地壓礦井往往伴隨著瓦斯突出、突水等其他災(zāi)害,這些災(zāi)害會(huì)進(jìn)一步加大礦井的安全風(fēng)險(xiǎn);煤與瓦斯突出礦井超過(guò)740對(duì),主要集中在貴州、河南、山西等省份,且煤與瓦斯突出發(fā)生后常會(huì)引發(fā)瓦斯/煤塵爆炸等次生災(zāi)害,易發(fā)生群死群傷事故,傷害性及破壞性極大;自然發(fā)火嚴(yán)重礦井占比超過(guò)80%,其煤層易自燃,且火災(zāi)發(fā)展形勢(shì)難以預(yù)測(cè)和控制,需要采取有效措施保證通風(fēng),防止火災(zāi)擴(kuò)大,影響其他區(qū)域[8]。

3)隨著我國(guó)淺部煤炭資源日益枯竭,煤礦開(kāi)采轉(zhuǎn)向深部,瓦斯、沖擊地壓、頂板災(zāi)害、水害、熱害等災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)加劇,且沖擊地壓、瓦斯突出、突水等動(dòng)力災(zāi)害呈現(xiàn)出耦合致災(zāi)的變化特征,礦井災(zāi)害的超前預(yù)測(cè)預(yù)警與防治難度進(jìn)一步加大。

1.3 煤礦災(zāi)害防治面臨的挑戰(zhàn)

近年來(lái),我國(guó)雖然在煤礦災(zāi)害防治方面取得了顯著的成效,但防治技術(shù)與管理模式仍存在一些亟待攻克的難題[9]。

1)礦井災(zāi)害尤其是多災(zāi)種耦合致災(zāi)機(jī)理尚未被完全掌握。煤與瓦斯突出、頂?shù)装逋凰_擊地壓等災(zāi)害具有多場(chǎng)時(shí)—空耦合、發(fā)展快、能量大等特征。同時(shí),不同煤層賦存、采掘條件下的災(zāi)害孕災(zāi)與發(fā)展機(jī)制存在差異,實(shí)現(xiàn)災(zāi)害超前精準(zhǔn)預(yù)警的難度極大。

2)災(zāi)害信息尚未實(shí)現(xiàn)面域化全面感知。當(dāng)前的煤礦災(zāi)害信息監(jiān)測(cè)傳感器大多為離散式安裝、單點(diǎn)式測(cè)量,再根據(jù)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)推測(cè)區(qū)域的災(zāi)害信息,其監(jiān)測(cè)的覆蓋范圍、精細(xì)程度難以滿足災(zāi)害智能化預(yù)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)的需求。

3)專業(yè)壁壘現(xiàn)象阻礙數(shù)據(jù)的融合分析。煤礦的不同災(zāi)害防治一般歸屬多個(gè)技術(shù)部門,因?qū)I(yè)差異形成了“專業(yè)壁壘”,阻礙數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和充分挖掘,瓦斯、水、火、沖擊地壓等主要災(zāi)害防治系統(tǒng)各自為政,缺乏數(shù)據(jù)共享與融合分析,難以實(shí)現(xiàn)災(zāi)害的智能化綜合防治。

4)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、防治、生產(chǎn)未形成有效協(xié)同。煤礦災(zāi)害的監(jiān)測(cè)防治與安全管理,仍歸屬于不同部門或?qū)I(yè)的初步信息化監(jiān)測(cè)及紙質(zhì)臺(tái)賬管理,監(jiān)測(cè)、防治和生產(chǎn)3個(gè)環(huán)節(jié)相互割裂,過(guò)程數(shù)據(jù)與分析結(jié)果不足以相互關(guān)聯(lián)支撐,難以做到災(zāi)害防治與生產(chǎn)協(xié)同的智能化聯(lián)合決策和過(guò)程管控。

5)精準(zhǔn)地質(zhì)保障能力不足。煤礦災(zāi)害具有顯著的地質(zhì)依存性,煤炭采掘?qū)υ刭|(zhì)環(huán)境的擾動(dòng)影響是災(zāi)害發(fā)生的致因。當(dāng)前的煤礦透明地質(zhì)建模主要基于鉆探、物探信息,動(dòng)態(tài)性和保障水平不足,需要突破地質(zhì)超前動(dòng)態(tài)感知、多場(chǎng)信息融合等地質(zhì)保障技術(shù)。

1.4 煤礦災(zāi)害智能化防治發(fā)展需求

1)煤礦災(zāi)害智能化防治發(fā)展要求煤礦災(zāi)害防治和安全管理深度融合于開(kāi)采活動(dòng)的采煤、掘進(jìn)、瓦斯抽采、通風(fēng)、排水、防火、沖擊地壓防治等所有環(huán)節(jié),這是確保煤礦安全生產(chǎn)的必要條件。災(zāi)害防治和安全管理成為煤礦開(kāi)采活動(dòng)的核心部分。

2)煤礦災(zāi)害智能化防治需要有效融合地質(zhì)、生產(chǎn)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)和安全管理等多源信息,構(gòu)建涵蓋煤礦地質(zhì)、煤炭采掘和災(zāi)害防治等多種專業(yè)在內(nèi)的智能認(rèn)知體系。

3)煤礦災(zāi)害智能化防治發(fā)展需要構(gòu)建煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域知識(shí)圖譜,如圖1所示。將基于災(zāi)害發(fā)生機(jī)理和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的災(zāi)害防治與預(yù)警技術(shù)進(jìn)行深度融合,推動(dòng)煤礦安全決策由單一的數(shù)據(jù)規(guī)則層面推斷發(fā)展為綜合的知識(shí)判斷和機(jī)理分析。

圖1 煤礦智能化與災(zāi)害防治技術(shù)融合

2 煤礦智能安控關(guān)鍵技術(shù)

2021年,國(guó)家能源局印發(fā)《智能化示范煤礦驗(yàn)收管理辦法(試行)》,明確提出要根據(jù)礦井災(zāi)害類型建設(shè)完善的瓦斯災(zāi)害防治、水災(zāi)防治、火災(zāi)防治、頂板災(zāi)害防治、沖擊地壓防治等災(zāi)害防治系統(tǒng)[10]。

煤礦智能安控技術(shù)是圍繞著煤礦災(zāi)害防治與安全管理,綜合運(yùn)用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等前沿技術(shù),對(duì)井下瓦斯、水害、火災(zāi)、粉塵、頂板、地壓等災(zāi)害監(jiān)測(cè)和防治系統(tǒng)進(jìn)行智能化升級(jí),全面感知并預(yù)測(cè)災(zāi)害信息,實(shí)現(xiàn)礦井災(zāi)害超前預(yù)警與源頭高效管控[11]。

2.1 井下安全隱患AI視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)

井下安全隱患AI視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)是對(duì)井下實(shí)時(shí)視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,集成多源圖像動(dòng)態(tài)融合、特定目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤等機(jī)器視覺(jué)智能識(shí)別,以及三維測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù),突破煤礦井下復(fù)雜工況場(chǎng)景中視頻圖像清晰度低、局部細(xì)節(jié)難辨認(rèn)的技術(shù)瓶頸,做到“高清采集、自動(dòng)跟蹤、智能識(shí)別”,實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭“采、掘、運(yùn)、通、洗”等過(guò)程中人員違章操作、不規(guī)范作業(yè)和設(shè)備設(shè)施安全隱患的自動(dòng)識(shí)別、記錄、報(bào)警、聯(lián)動(dòng)控制,從而規(guī)范作業(yè)、消除安全隱患[12]。

2.2 智能高精度傳感技術(shù)

傳感器是現(xiàn)代自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的重要部分,其工作原理為將感知到的物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬或數(shù)字信號(hào),并通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)傳輸至控制器。傳感器對(duì)后續(xù)災(zāi)害防治的控制決策起到至關(guān)重要的作用[13]。

隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展,智能型傳感器應(yīng)運(yùn)而生,其通過(guò)內(nèi)置微處理器利用內(nèi)部算法和模型對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)化和集成。因此,智能傳感器應(yīng)具備自適應(yīng)、智能組態(tài)、自推演與自學(xué)習(xí)的典型功能[14]。

1)自適應(yīng)。根據(jù)外部環(huán)境變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)傳感器本身的運(yùn)行參數(shù),避免其基本功能、傳感性能受到環(huán)境變化的影響。

2)智能組態(tài)。基于傳感器內(nèi)置模塊化的硬件和軟件,用戶可自主選擇硬件和軟件模塊實(shí)現(xiàn)自定義檢測(cè)功能。

3)自推演。根據(jù)數(shù)據(jù)處理得到的結(jié)果或其他途徑得到的信息進(jìn)行融合分析、多級(jí)推理和預(yù)測(cè),并輸出結(jié)果。

4)自學(xué)習(xí)。依據(jù)環(huán)境變化、歷史數(shù)據(jù)和效果反饋,主動(dòng)進(jìn)行傳感器內(nèi)計(jì)算模型、算法、運(yùn)行參數(shù)的調(diào)優(yōu)。

2.3 瓦斯災(zāi)害智能防治技術(shù)

煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等瓦斯事故因具有釋放能量大、發(fā)展速度快、波及范圍廣等特征,破壞程度最大。因此,構(gòu)建瓦斯災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)體系,制訂瓦斯災(zāi)害智能防治對(duì)策尤為重要。

瓦斯災(zāi)害智能防治通過(guò)建立跨尺度、多層次、多參量預(yù)警指標(biāo)體系和具有自學(xué)習(xí)、自調(diào)優(yōu)、原因追溯能力的預(yù)警模型,聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)采集瓦斯含量、瓦斯?jié)舛取⑼L(fēng)參數(shù)等感知數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與多源信息融合,自動(dòng)辨識(shí)煤與瓦斯突出、瓦斯超限、瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)與預(yù)兆,融合地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力、聲—電、通風(fēng)隱患等多因素實(shí)時(shí)評(píng)估瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),生成災(zāi)害防治對(duì)策和災(zāi)變時(shí)期避災(zāi)路線,并與瓦斯抽采、礦井通風(fēng)、人員定位與廣播等多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)瓦斯災(zāi)害超前預(yù)警與聯(lián)動(dòng)控制。瓦斯災(zāi)害智能防治技術(shù)工作原理如圖2所示。

圖2 瓦斯災(zāi)害智能防治技術(shù)

2.4 工作面頂板災(zāi)害智能防治技術(shù)

工作面頂板災(zāi)害是指煤礦生產(chǎn)中,由于地表荷載、礦山壓力等因素導(dǎo)致的頂板破壞、塌陷等現(xiàn)象。頂板災(zāi)害不僅直接危及礦工的生命安全,還會(huì)造成設(shè)備損毀和生產(chǎn)中斷,給煤礦企業(yè)帶來(lái)重大損失。

工作面頂板災(zāi)害智能防治技術(shù)通過(guò)研究工作面圍巖與裝備耦合關(guān)系,基于液壓支架與圍巖的“三耦合”理論,解耦計(jì)算液壓支架的載荷與其位置、姿態(tài)的關(guān)聯(lián)關(guān)系(見(jiàn)圖3(a)),建立基于載荷與位置姿態(tài)數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng)的工作面頂板災(zāi)害預(yù)測(cè)、預(yù)警系統(tǒng)(見(jiàn)圖3(b)),實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面頂板災(zāi)害的智能預(yù)測(cè)與預(yù)警,從而一定程度上為工作面的安全生產(chǎn)提供超前信息以保證裝備及時(shí)響應(yīng)。

圖3 工作面頂板災(zāi)害智能防治技術(shù)

2.5 火災(zāi)智能防治技術(shù)

煤礦井下火災(zāi)按引火熱源的不同可分為外因火災(zāi)和內(nèi)因火災(zāi)兩類。其中,內(nèi)因火災(zāi)占比達(dá)80%以上,因其火源較隱蔽,常發(fā)生在人們難以進(jìn)入的采空區(qū)或煤柱內(nèi),滅火難度較大,并且有的煤層自燃持續(xù)數(shù)年之久,不僅嚴(yán)重威脅井下人員人身安全,還會(huì)損失大量煤炭資源。

火災(zāi)智能防治技術(shù)通過(guò)采用束管、光纖測(cè)溫、紅外傳感、多功能氣體監(jiān)測(cè)等技術(shù),對(duì)內(nèi)、外因火災(zāi)的相關(guān)致災(zāi)因素和發(fā)火前兆信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和集中顯示,融合發(fā)火機(jī)理與大數(shù)據(jù)分析算法對(duì)火災(zāi)形勢(shì)進(jìn)行智能診斷與實(shí)時(shí)報(bào)警,并與注氮、注漿等防滅火設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制,自動(dòng)生成防滅火決策指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)井下火災(zāi)的智能預(yù)測(cè)、預(yù)警與控制。

2.6 水災(zāi)智能防治技術(shù)

礦井突水、涌水等是常見(jiàn)的礦山災(zāi)害。煤炭采掘過(guò)程中穿透隔水?dāng)鄬?或者驟遇蓄水溶洞、暗河,會(huì)導(dǎo)致地下水大量涌入井巷,造成巷道與設(shè)備被淹沒(méi)、人員傷亡及其他嚴(yán)重后果。

水災(zāi)智能防治技術(shù)針對(duì)地表水、頂板水、底板水和老空水等水害,使用鉆探、高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、微震監(jiān)測(cè)等技術(shù)對(duì)礦井水的突水水源和通道進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)與識(shí)別,建立水文實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)及水害防治模型庫(kù),基于水害多物理場(chǎng)預(yù)警融合預(yù)警模型實(shí)現(xiàn)水災(zāi)的前兆判識(shí)和超前預(yù)警,并與礦井抽排水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能聯(lián)動(dòng)控制。水災(zāi)智能防治技術(shù)工作原理如圖4所示。

圖4 水災(zāi)智能防治技術(shù)

2.7 沖擊地壓智能防治技術(shù)

沖擊地壓是指在地下采掘空間周圍煤巖體受擾動(dòng)而發(fā)生的突發(fā)式破壞現(xiàn)象,嚴(yán)重威脅井下人員人身安全和設(shè)備安全。沖擊地壓智能防治技術(shù)通過(guò)基于電磁輻射法、電荷法、地震層析成像法、地音監(jiān)測(cè)法等,建立精準(zhǔn)的沖擊地壓全維感知體系;基于沖擊地壓礦井全維信息反演理論和技術(shù)、發(fā)生機(jī)理與孕育演化模型等,建立沖擊地壓主控因素、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)與前兆信息的智能判識(shí)方法與預(yù)警指標(biāo)體系;利用智能化沖擊地壓防治技術(shù)與裝備,實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊地壓的智能預(yù)測(cè)、預(yù)警與防治。

2.8 井下粉塵智能防治技術(shù)

煤礦井下粉塵不僅危害井下工作人員的身體健康,還會(huì)引發(fā)煤塵爆炸事故。高濃度粉塵不但使井下工作環(huán)境更為惡劣,增加工傷事故概率,還會(huì)導(dǎo)致攝像儀、雷達(dá)等感知設(shè)備的感知精度降低。井下粉塵智能防治技術(shù)通過(guò)研究粉塵產(chǎn)生、擴(kuò)散機(jī)理與降塵機(jī)制,建立機(jī)載式、固定式、移動(dòng)式等多種塵源智能感知系統(tǒng),并與自動(dòng)化高效除塵裝置實(shí)現(xiàn)智能聯(lián)動(dòng)控制。井下粉塵智能防治技術(shù)工作原理如圖5所示。

圖5 井下粉塵智能防治技術(shù)

3 現(xiàn)代煤炭產(chǎn)業(yè)治理與安全保障體系標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和能源產(chǎn)業(yè)升級(jí),傳統(tǒng)的能源與礦業(yè)治理體系及模式已經(jīng)落后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展,不能滿足實(shí)際需求。新一代信息技術(shù)將極大地提升對(duì)能源與礦業(yè)治理體系中各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)、分析、研判、監(jiān)管和治理能力。建立將5G、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)和人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等新一代信息技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用于煤炭產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)體系,探索技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與法律法規(guī)的有效銜接,在保障安全性的前提下提高創(chuàng)新效率,能夠確保對(duì)煤炭行業(yè)發(fā)展的正向、有效治理。

3.1 現(xiàn)代能源與礦業(yè)治理體系內(nèi)涵

現(xiàn)代能源與礦業(yè)治理體系核心內(nèi)涵是以“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”為理念,以“技術(shù)創(chuàng)新、智慧發(fā)展”為手段,以“協(xié)同融合、共同發(fā)展”為主要特征,從經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與國(guó)家重大戰(zhàn)略需求出發(fā),在尊重能源與礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)發(fā)展規(guī)律的基礎(chǔ)上,結(jié)合新一代信息技術(shù)帶來(lái)的革命性變化,加快能源與礦業(yè)領(lǐng)域“智能化、綠色化”開(kāi)發(fā),“低碳化、集約化”利用,以及“網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化”管理的全面科技創(chuàng)新,重塑“治理主體多元化、治理方式規(guī)范化、治理手段立體化”的現(xiàn)代能源與礦業(yè)治理體系,為滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的資源需求,提供具有資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的能源與礦業(yè)社會(huì)產(chǎn)品和服務(wù)。

構(gòu)建現(xiàn)代煤炭產(chǎn)業(yè)治理與安全保障體系是建立現(xiàn)代能源與礦業(yè)治理體系的重要任務(wù)[15]。面對(duì)龐大而復(fù)雜的能源與礦業(yè)治理體系系統(tǒng)工程,構(gòu)建治理體系標(biāo)準(zhǔn),對(duì)推進(jìn)煤礦智能化建設(shè),促進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)治理與安全保障能力現(xiàn)代化,具有重要意義。

3.2 建設(shè)思路與建設(shè)規(guī)劃

煤炭產(chǎn)業(yè)治理與安全保障體系標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于對(duì)煤礦智能化建設(shè)過(guò)程中涉及的安全生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)、生態(tài)環(huán)保及派生屬性等進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范,從而指明綠色低碳的智能化煤礦建設(shè)方向,促進(jìn)煤礦可持續(xù)綠色發(fā)展,提升智能化煤礦建設(shè)的效率和質(zhì)量。

3.2.1 總體思路

標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)和治理堅(jiān)持整體著眼、統(tǒng)籌考慮、頂層設(shè)計(jì)的總體思路,即統(tǒng)籌考慮煤炭行業(yè)的整體生產(chǎn)流程、技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),科學(xué)合理地構(gòu)建煤炭產(chǎn)業(yè)治理與安全保障標(biāo)準(zhǔn)體系。

3.2.2 基本原則

標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)和治理應(yīng)堅(jiān)持以下基本原則:

1)頂層設(shè)計(jì)、逐步推進(jìn)。站在全局設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系,落在局部制定具體標(biāo)準(zhǔn)。

2)厘清概念、統(tǒng)一術(shù)語(yǔ)。通過(guò)術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)將煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域紛繁復(fù)雜的術(shù)語(yǔ)統(tǒng)一起來(lái)。

3)具有前瞻性和可操作性。堅(jiān)持先進(jìn)性與可實(shí)施性的統(tǒng)一,制定可實(shí)施的技術(shù)架構(gòu)與技術(shù)規(guī)范。

4)避免重復(fù)、打破沖突。廣泛征求意見(jiàn),協(xié)調(diào)政產(chǎn)學(xué)研用利益,避免各個(gè)部門重復(fù)制定標(biāo)準(zhǔn),特別是要避免標(biāo)準(zhǔn)彼此沖突,讓用戶無(wú)所適從。

5)實(shí)施路徑

a.構(gòu)建所需的標(biāo)準(zhǔn)體系,確定標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)路線圖。

b.完成行業(yè)內(nèi)公共與核心標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

c.完成行業(yè)特定標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。鑒于煤炭行業(yè)自身特點(diǎn)和技術(shù)差異制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 建設(shè)內(nèi)容

煤炭產(chǎn)業(yè)治理與安全保障體系標(biāo)準(zhǔn)由4類標(biāo)準(zhǔn)組成。

3.3.1 終端類

1)智能礦用終端基本功能和技術(shù)需求規(guī)范。為了屏蔽各廠家生產(chǎn)設(shè)備通信協(xié)議方式的差異性,簡(jiǎn)化礦用智能終端設(shè)計(jì),對(duì)終端的基本功能、接入方式進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范,不同類型的終端均采用統(tǒng)一的方式實(shí)現(xiàn)接入及通信,這有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品互聯(lián)互通,可有效促進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步,降低開(kāi)發(fā)難度及成本。

2)智能礦用終端數(shù)字孿生構(gòu)建規(guī)范。規(guī)范煤礦運(yùn)輸設(shè)備、采掘裝備、通信裝備、移動(dòng)終端等設(shè)備的數(shù)字孿生構(gòu)建準(zhǔn)則、基本功能、交互方法、擴(kuò)展方式等。

3.3.2 平臺(tái)應(yīng)用類

1)智能煤礦大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)規(guī)范。規(guī)范煤礦大數(shù)據(jù)平臺(tái)的基本功能、主要接口、應(yīng)用擴(kuò)展、支持協(xié)議等。

2)智能煤礦應(yīng)用系統(tǒng)基本功能和技術(shù)需求規(guī)范。對(duì)各種智能煤礦應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)該具備的基本功能和技術(shù)需求進(jìn)行規(guī)范,并規(guī)定與平臺(tái)系統(tǒng)的交互和集成方法。

3)智能煤礦應(yīng)用系統(tǒng)互操作規(guī)范。各應(yīng)用系統(tǒng)之間的互操作是實(shí)現(xiàn)功能聯(lián)動(dòng)、協(xié)同工作的基礎(chǔ)。系統(tǒng)之間的接口交互為雙向交互,即通過(guò)一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)可直接獲取所需的其他應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及聯(lián)動(dòng)操作。

3.3.3 信息傳輸類

1)智能煤礦終端通信接口規(guī)范。旨在將使用不同通信標(biāo)準(zhǔn)的礦用有線、無(wú)線終端接入通信網(wǎng)絡(luò)。規(guī)范接入過(guò)程、交互過(guò)程和消息格式等內(nèi)容。

2)智能煤礦信息安全傳輸規(guī)范。旨在解決智能煤礦中的信息安全傳輸問(wèn)題,保證數(shù)據(jù)傳輸可靠。規(guī)范傳輸信息的加密解密、區(qū)塊鏈?zhǔn)褂靡?guī)則等。

3.3.4 公共類

1)智能煤礦可信信息采集規(guī)范。旨在解決智能煤礦中的可信信息傳輸問(wèn)題,保證數(shù)據(jù)來(lái)源可靠。

2)智能煤礦大數(shù)據(jù)描述規(guī)范。統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式與描述方法是數(shù)據(jù)挖掘和深層分析的保障。規(guī)范智能煤礦數(shù)據(jù)的層次體系、描述語(yǔ)法、存儲(chǔ)方式、讀取方法等。

3)智能煤礦人工智能模型庫(kù)建設(shè)規(guī)范。智能煤礦的“智能”主要依據(jù)專家知識(shí)轉(zhuǎn)化來(lái)的人工智能模型,并隨著智能煤礦建設(shè)與研究的不斷拓展和深化,因此需對(duì)人工智能模型的基本架構(gòu)、學(xué)習(xí)進(jìn)化方法、模型擴(kuò)展方法、模型互操作方法等進(jìn)行規(guī)范。

4 煤礦高質(zhì)量發(fā)展新生態(tài)建設(shè)中的問(wèn)題與對(duì)策

煤礦高質(zhì)量發(fā)展新生態(tài)通過(guò)應(yīng)用數(shù)字孿生、虛擬仿真等現(xiàn)代技術(shù)手段和智能化管理系統(tǒng),將煤礦井下開(kāi)采過(guò)程中的各種設(shè)備、工藝流程、人員等進(jìn)行信息化、數(shù)字化、智能化,還原煤礦“采、掘、機(jī)、運(yùn)、通”各個(gè)環(huán)節(jié),幫助礦山企業(yè)實(shí)現(xiàn)采掘流程的可視化、可控制化和可優(yōu)化,以在提高生產(chǎn)效率、降低成本的同時(shí)提升生產(chǎn)的安全性和環(huán)境的可持續(xù)性[16]。目前煤礦智能化建設(shè)已取得了階段性成果,但在建設(shè)理念、技術(shù)與裝備等層面仍存在亟待突破的問(wèn)題,必須正確認(rèn)識(shí)這些挑戰(zhàn)并認(rèn)真思考解決措施,推動(dòng)煤礦智能化建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展[17]。

4.1 統(tǒng)一認(rèn)識(shí),形成智能化發(fā)展內(nèi)生動(dòng)力

根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn),每一次科學(xué)技術(shù)的重大變革無(wú)一不是在質(zhì)疑中逐步發(fā)展并成熟的。例如厚煤層綜放開(kāi)采技術(shù)、大采高綜采技術(shù)在發(fā)展初期就存在較大爭(zhēng)議,但隨著綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)與裝備的持續(xù)創(chuàng)新,國(guó)內(nèi)煤礦已全面實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化開(kāi)采,綜采采高紀(jì)錄被不斷刷新,煤炭工業(yè)取得了歷史性進(jìn)步。

近年來(lái)我國(guó)煤礦智能化建設(shè)成效充分證明,煤礦智能化已成為煤炭行業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)支撐,是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。但煤礦智能化建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程和持續(xù)迭代的過(guò)程,不能一蹴而就,需要盡快實(shí)現(xiàn)煤礦智能化建設(shè)由單系統(tǒng)智能化向全周期、全產(chǎn)業(yè)鏈的全面智能化邁進(jìn)。

4.2 加快培育智能礦山數(shù)字化生態(tài)

目前礦山行業(yè)數(shù)字化生態(tài)體系尚處于初期階段,整體建設(shè)水平還較低,存在著產(chǎn)業(yè)鏈不完整、技術(shù)鏈片面、標(biāo)準(zhǔn)體系難統(tǒng)一、機(jī)制體制不協(xié)同等諸多問(wèn)題,數(shù)字化生態(tài)環(huán)境抗干擾能力極其脆弱。智能礦山數(shù)字化生態(tài)現(xiàn)狀如圖6所示。

圖6 智能礦山數(shù)字化生態(tài)現(xiàn)狀

煤礦智能化建設(shè)需要融合設(shè)計(jì)建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)至運(yùn)銷市場(chǎng)的全產(chǎn)業(yè)鏈條并進(jìn)行系統(tǒng)布局,密切聯(lián)系煤礦實(shí)際,建設(shè)統(tǒng)一數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)體系和數(shù)據(jù)安全共享機(jī)制,打通從礦山智能化建設(shè)到全產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展路徑,構(gòu)建礦山全生命周期、全產(chǎn)業(yè)鏈、全要素的數(shù)字化生態(tài),形成以“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”為核心的系統(tǒng)智能化柔性生產(chǎn)供給運(yùn)行模式。

4.3 突破技術(shù)裝備短板和產(chǎn)業(yè)鏈瓶頸

智能化技術(shù)與裝備的發(fā)展是煤礦智能化建設(shè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)。針對(duì)不同煤礦煤層條件,煤炭領(lǐng)域已研發(fā)并應(yīng)用了“機(jī)械化+智能化”、人機(jī)耦合協(xié)同開(kāi)采、智能操控與人工干預(yù)輔助放煤等多種開(kāi)采模式。但我國(guó)煤礦井下開(kāi)采環(huán)境復(fù)雜多變,高敏感性的智能化裝備易受到各種持續(xù)漸變或隨機(jī)突變干擾的影響,要徹底實(shí)現(xiàn)可主動(dòng)感知、智能決策和自動(dòng)執(zhí)行的智能化開(kāi)采,仍存在較多的技術(shù)瓶頸。

1)煤礦井下封閉空間、爆炸環(huán)境、物理空間非連續(xù)的復(fù)雜環(huán)境特性,導(dǎo)致井上開(kāi)放空間的傳感、通信等技術(shù)無(wú)法直接使用。亟待突破井下高精度導(dǎo)航定位、粉塵環(huán)境毫米波成像雷達(dá)、防爆無(wú)線充電等技術(shù)。

2)為滿足精度、動(dòng)力或通信距離等方面的要求,高壓交流伺服電動(dòng)機(jī)、礦用電液伺服閥與控制器、井下無(wú)人機(jī)、5G通信模組等煤礦智能化核心基礎(chǔ)裝備,其電氣結(jié)構(gòu)及參數(shù)難以符合現(xiàn)行煤礦設(shè)備的本安或防爆性能標(biāo)準(zhǔn),另外因須防爆設(shè)計(jì)而大幅增加了裝置的尺寸和質(zhì)量。

3)煤礦數(shù)據(jù)的多源性、非同步性及不穩(wěn)定性等典型特征,使得在應(yīng)用大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等技術(shù)時(shí)必須面對(duì)非完備特征數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)。例如裝備的自主導(dǎo)航技術(shù)、復(fù)雜惡劣環(huán)境視覺(jué)識(shí)別模型等,需要開(kāi)發(fā)針對(duì)性的決策模型,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多變條件下的準(zhǔn)確決策,保障智能化系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

4)煤礦智能化巨系統(tǒng)復(fù)雜多樣,同步運(yùn)行著通信、傳感、控制等上百個(gè)子系統(tǒng),同時(shí)隨著各種新監(jiān)測(cè)、控制技術(shù)裝備的持續(xù)融入,各類軟、硬件接口不斷增多,協(xié)同運(yùn)行難度增大,亟須形成一系列的統(tǒng)一系統(tǒng)接口及性能指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn),運(yùn)行模塊化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的智能化系統(tǒng)建設(shè)模式,以提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

5)礦山智能化先進(jìn)裝備所需要的高端芯片95%以上依賴進(jìn)口,高性能檢測(cè)設(shè)備、關(guān)鍵材料水平與國(guó)外差距較大,工業(yè)軟件、設(shè)計(jì)軟件長(zhǎng)期為國(guó)外廠商所壟斷。因此,現(xiàn)階段煤礦智能化核心裝備的產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈被國(guó)外“卡脖子”的風(fēng)險(xiǎn)仍較大,亟待加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈的補(bǔ)鏈強(qiáng)鏈固鏈,加大產(chǎn)業(yè)鏈薄弱環(huán)節(jié)扶持力度,提升基礎(chǔ)研究能力,突破關(guān)鍵核心技術(shù),為煤礦智能化建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)裝備基礎(chǔ)。

4.4 煤礦開(kāi)采與生態(tài)環(huán)保平衡發(fā)展

我國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的紅線要求煤炭必須走綠色開(kāi)發(fā)路線,這種約束倒逼礦山企業(yè)必須改變傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式,而當(dāng)前的充填開(kāi)采、保水開(kāi)采、塌陷區(qū)治理等綠色開(kāi)發(fā)技術(shù)存在效率低、成本高等問(wèn)題,煤炭綠色高效開(kāi)發(fā)技術(shù)體系亟待完善。

煤礦智能化建設(shè)應(yīng)堅(jiān)持開(kāi)發(fā)與生態(tài)保護(hù)并重,加快推進(jìn)煤炭智能化綠色開(kāi)發(fā)技術(shù)與裝備的研發(fā)應(yīng)用,強(qiáng)化智能化技術(shù)對(duì)綠色礦山建設(shè)的基礎(chǔ)支撐作用,建立健全煤炭智能綠色礦山建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建礦山生態(tài)修復(fù)監(jiān)測(cè)監(jiān)管大數(shù)據(jù)平臺(tái),進(jìn)一步完善煤炭資源綠色高效開(kāi)發(fā)技術(shù)體系,實(shí)現(xiàn)智能綠色礦山與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。