摘 要 基于我國礦產(chǎn)資源開發(fā)現(xiàn)狀,分析了智慧礦山建設(shè)的必要性、建設(shè)理念與內(nèi)涵,闡述了現(xiàn)階段智慧礦山建設(shè)存在的關(guān)鍵共性難題,提出了我國智慧礦山建設(shè)的近期、中期、遠(yuǎn)期目標(biāo)。針對我國煤炭資源開采條件與智能化建設(shè)基礎(chǔ)存在的差異性,構(gòu)建了智能化煤礦建設(shè)總體技術(shù)體系架構(gòu),從生產(chǎn)礦井與新建礦井兩個(gè)維度提出了智能化煤礦建設(shè)技術(shù)路徑,明確了不同建設(shè)條件礦井進(jìn)行智能化煤礦分類、分級建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容。系統(tǒng)闡述了張家峁煤礦、 巴拉素煤礦智能化建設(shè)經(jīng)驗(yàn)與階段性成果,并提出了我國智慧礦山實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的主要技術(shù)路徑。 

關(guān)鍵詞 智慧礦山 技術(shù)體系 智能化煤礦 智能機(jī)器人 高質(zhì)量發(fā)展

近年來,智能化技術(shù)與裝備加快迭代升級,新基 建加快推進(jìn)新一代信息技術(shù)與礦業(yè)開發(fā)技術(shù)深度融 合,智慧礦山建設(shè)已經(jīng)成為礦山企業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展 的必由之路。 

2020 年 2 月,國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局、應(yīng)急管理部等 8 個(gè)部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤 礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》,明確了煤礦智能化建設(shè) 目標(biāo)與主要任務(wù);同年 4 月,工業(yè)和信息化部、國家發(fā) 展和改革委員會、自然資源部聯(lián)合發(fā)布了《有色金屬行業(yè)智能工廠(礦山)建設(shè)指南(試行)》,提出了有色金屬礦山智能化建設(shè)的技術(shù)路徑;2021 年 6 月,國家 能源局、國家礦山安全監(jiān)察局聯(lián)合印發(fā)了《煤礦智能 化建設(shè)指南(2021 年版)》,明確了煤礦智能化分類分 級建設(shè)目標(biāo)與技術(shù)路徑。針對智慧礦山建設(shè)相關(guān)技 術(shù)難題,國內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛深入的探索。文獻(xiàn) [1-2]基于我國煤礦智能化發(fā)展尚處于初級階段的現(xiàn)狀與建設(shè)要求,從采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等多個(gè)方面系統(tǒng)分 析了煤礦智能化存在的技術(shù)難題與關(guān)鍵技術(shù),詳細(xì)闡述了不同煤業(yè)集團(tuán)在煤礦智能化建設(shè)過程中取得的 階段性創(chuàng)新成果。文獻(xiàn)[3-4]分析了我國不同煤層賦 存條件實(shí)現(xiàn)智能化開采的技術(shù)路徑,提出了適用于不 同煤層條件的 4 種工作面智能化開采模式。文獻(xiàn)[5- 7]分析了金屬礦山開采現(xiàn)狀及存在的技術(shù)難題,提 出了基于新一代信息技術(shù)創(chuàng)新深部金屬礦山開采模 式的技術(shù)路徑,以及提高深部金屬礦山智能化開采水 平的戰(zhàn)略思路。文獻(xiàn)[8-12]從煤礦信息化標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、 技術(shù)協(xié)議、技術(shù)架構(gòu)、核心技術(shù)與裝備等方面,對智慧 礦山建設(shè)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,提出了智慧礦山建設(shè)的技 術(shù)架構(gòu)與管控平臺建設(shè)思路,促進(jìn)了我國智慧礦山建 設(shè)的創(chuàng)新與發(fā)展。上述文獻(xiàn)從不同角度論述了我國 智慧礦山建設(shè)取得的階段性成果,但未能對智慧礦山 存在的關(guān)鍵共性難題進(jìn)行深入分析,智慧礦山建設(shè)的 技術(shù)架構(gòu)、路徑、建設(shè)目標(biāo)等也不是十分清晰。

目前,我國智慧礦山建設(shè)總體上還處于培育示范階段,智慧礦山建設(shè)存在發(fā)展不平衡、不充分、整體水平有待提升、常態(tài)化運(yùn)行困難等突出問題,距離實(shí)現(xiàn)全面高級智能化開采尚有一定距離。智慧礦山建設(shè) 是礦業(yè)發(fā)展的必然趨勢,本文提出了智慧礦山建設(shè)的理念與目標(biāo),分析了智慧礦山建設(shè)現(xiàn)狀和存在的關(guān)鍵共性難題,提出了智慧礦山助力企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的技 術(shù)路徑。 

1. 1 智慧礦山建設(shè)理念與目標(biāo)

近年來,國家密集部署新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),持續(xù) 推進(jìn)能源領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級,先后發(fā)布了《關(guān)于推 進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》 《關(guān)于加快 推進(jìn)國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作的通知》 等一系列政 策文件,全面提升了我國能源生產(chǎn)端、運(yùn)輸端、交易 端、消費(fèi)端的智能化水平,降低了能源生產(chǎn)與交易成 本,促進(jìn)了我國能源與礦業(yè)產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展。

2020 年,雖然受到新冠疫情的影響,但我國一次 能源生產(chǎn)總量達(dá)到了 40. 8 億 t 標(biāo)準(zhǔn)煤,同比增長 2. 8%,能源消費(fèi)總量達(dá)到 49. 8 億 t 標(biāo)準(zhǔn)煤,比上年增 長 2. 2%,能源結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化,煤炭消費(fèi)量占比約 56. 8%,石油消費(fèi)占比約 18. 9%,天然氣、水電、核電 等消費(fèi)占比約 24. 3%[13] 。在后疫情、地緣政治沖突 加劇和大國關(guān)系不協(xié)調(diào)的背景下,國家能源安全風(fēng)險(xiǎn) 上升,新一代信息技術(shù)為我國能源與礦業(yè)產(chǎn)業(yè)新體系 建設(shè)提供了重要的工具與技術(shù)路徑。

智慧礦山是新一代信息技術(shù)與礦山開發(fā)技術(shù)的深度融合發(fā)展,是系統(tǒng)智能與人文智慧的協(xié)同融合。系統(tǒng)智能是指礦山運(yùn)行系統(tǒng)具有全流程人—機(jī)— 環(huán)—管數(shù)字互聯(lián)高效協(xié)同,智能決策自動化運(yùn)行的能力[14-16] ;人文智慧是指人的智慧在礦山運(yùn)營中的決 定性作用,是借助信息通信技術(shù)和人工智能技術(shù),將 管理者的思想、知識、要求等變成系統(tǒng)決策的依據(jù),提 高決策水平,降低勞動強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)安全高效、綠色低 碳、健康運(yùn)行。新型的智慧礦山建設(shè)強(qiáng)調(diào)“以人為 本”,以造福職工、創(chuàng)造企業(yè)價(jià)值、建設(shè)以人為本的智 慧礦山新生態(tài)為根本目標(biāo)。 

根據(jù)礦山地質(zhì)條件、開采工藝等要求,自動創(chuàng)建 和優(yōu)化開發(fā)流程,智能響應(yīng)礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中各種 環(huán)境參數(shù)變化與需求,實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源勘探、礦井開拓、 采掘、運(yùn)輸、洗選、安全保障、生態(tài)保護(hù)、生產(chǎn)管理等全 流程的智能化運(yùn)行,提升礦井開采效率與安全生產(chǎn)水 平。智慧礦山建設(shè)已經(jīng)成為礦業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨 勢,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)科技進(jìn)步為智慧礦山建設(shè)提供了技術(shù)支撐。 5G、大數(shù)據(jù)、人工智能以及區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù) 在關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備、系統(tǒng)平臺等方面已具備應(yīng)用基礎(chǔ), 且已在垂直行業(yè)獲得初步應(yīng)用,深度融合成為未來趨 勢,科技創(chuàng)新發(fā)展為智慧礦山建設(shè)提供了技術(shù)與裝備 支撐。

(2)安全生產(chǎn)倒逼礦業(yè)企業(yè)開展智慧礦山建設(shè)。受資源賦存條件、開發(fā)與利用工藝的復(fù)雜度、技術(shù)與 裝備水平等因素制約,礦業(yè)領(lǐng)域危險(xiǎn)作業(yè)崗位的自動 化、智能化水平仍然較低,重大安全隱患的智能監(jiān)測、 預(yù)測、預(yù)警等技術(shù)相對落后,普遍存在從業(yè)人員勞動 強(qiáng)度大、效率低、安全生產(chǎn)壓力大等問題,智慧礦山建 設(shè)將大幅減少井下作業(yè)人員數(shù)量與勞動強(qiáng)度,推動礦 業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)井下無人則安、資源高效開發(fā)。

(3)礦業(yè)企業(yè)招工難倒逼礦山企業(yè)開展智慧礦山建設(shè)。人口老齡化導(dǎo)致我國就業(yè)人數(shù)下降,礦業(yè)企 業(yè)相關(guān)從業(yè)人員數(shù)量下降速度明顯快于其他行業(yè),且 從業(yè)人員老齡化嚴(yán)重,部分礦山企業(yè)的井下作業(yè)人員 平均年齡超過 45 歲,礦山企業(yè)井下惡劣的作業(yè)環(huán)境 難以吸引新一代年輕人,開展智慧礦山建設(shè)將改變礦 業(yè)企業(yè)傳統(tǒng)的作業(yè)方式,讓礦業(yè)從業(yè)人員更加體面地 工作生活。

智慧礦山建設(shè)的基本內(nèi)涵是:以礦產(chǎn)資源安全、 智能、綠色、低碳開發(fā)為基礎(chǔ),以新一代信息技術(shù)與礦 業(yè)開發(fā)技術(shù)深度融合為保障,采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)裝 備與現(xiàn)代管理理念,構(gòu)建全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、自主學(xué) 習(xí)、動態(tài)預(yù)測、科學(xué)決策、協(xié)同控制的智能系統(tǒng),實(shí)現(xiàn) 礦山資源開采、運(yùn)輸、安全保障、經(jīng)營管理等全流程的 智能化運(yùn)行,為礦業(yè)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供強(qiáng)大的推動 力。智慧礦山建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,將對全面 提升礦業(yè)產(chǎn)業(yè)層次、形成產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢、提高經(jīng)營管理水平起到積極的推動作用,全面開展智慧礦山建設(shè) 已經(jīng)成為我國礦業(yè)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。

基于我國礦業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及智慧礦山建設(shè)理念、內(nèi)涵與要求,應(yīng)堅(jiān)持系統(tǒng)性、前瞻性、差異性、開放 性的建設(shè)原則,充分考慮不同類型礦井建設(shè)條件與建 設(shè)基礎(chǔ)的差異性,以及未來一段時(shí)間科技裝備發(fā)展趨 勢與水平,確定智慧礦山建設(shè)的近期、中期、遠(yuǎn)期目標(biāo) 如下:

(1)近期目標(biāo)(2025 年),礦山企業(yè)基本實(shí)現(xiàn)數(shù) 字化轉(zhuǎn)型,礦產(chǎn)資源開發(fā)全流程的信息化、少人化水 平大幅提升,初步構(gòu)建 AI、區(qū)塊鏈、機(jī)器人等技術(shù)在 礦山生產(chǎn)經(jīng)營管理中的應(yīng)用場景,礦產(chǎn)資源新技術(shù)研 發(fā)與產(chǎn)業(yè)化支撐能力顯著增強(qiáng)。

(2)中期目標(biāo)(2035 年),構(gòu)建成熟的智慧礦山 建設(shè)技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)體系,實(shí)現(xiàn)礦井開拓設(shè)計(jì)、地質(zhì) 保障、采掘(剝)、運(yùn)通、洗選物流等系統(tǒng)的智能化決 策和自動化協(xié)同運(yùn)行,井下重點(diǎn)崗位實(shí)現(xiàn)機(jī)器人作 業(yè),建成智能感知、智能決策、自動執(zhí)行的礦山智能化 體系。

(3)遠(yuǎn)期目標(biāo)(2050 年),礦產(chǎn)資源開發(fā)與新一 代信息技術(shù)深度融合,井下生產(chǎn)作業(yè)全部實(shí)現(xiàn)機(jī)器人 替代,礦產(chǎn)資源開采、運(yùn)輸、消費(fèi)、監(jiān)管實(shí)現(xiàn)全流程智 能化運(yùn)行。

1. 2 智慧礦山建設(shè)關(guān)鍵共性問題

近年來,我國加快推進(jìn)智慧礦山建設(shè)相關(guān)工作, 在智能化少人開采、固定作業(yè)崗位無人值守、巡檢機(jī) 器人輔助作業(yè)等方面取得了多項(xiàng)技術(shù)成果,大幅減少 了井下作業(yè)人員數(shù)量,降低了井下工人勞動強(qiáng)度,初 步實(shí)現(xiàn)了“減人、增安、提效”目標(biāo),但受制于智能化 相關(guān)技術(shù)發(fā)展瓶頸,我國智慧礦山建設(shè)總體仍處于示 范培育階段,智慧礦山建設(shè)仍存在以下顯著不足: 

(1)基礎(chǔ)理論與技術(shù)短板亟待突破。雖然國家已經(jīng)布局了多項(xiàng)智慧礦山基礎(chǔ)理論研究項(xiàng)目,但礦山 復(fù)雜圍巖環(huán)境精準(zhǔn)探測與高精度地質(zhì)建模、低維度小 樣本數(shù)據(jù)高效處理與精準(zhǔn)預(yù)測、沖擊地壓智能監(jiān)測與 防治等相關(guān)基礎(chǔ)理論研究仍然十分薄弱,井下非接觸 式全面感知與多源信息融合技術(shù)、井下重載執(zhí)行機(jī)器 人等相關(guān)技術(shù)仍存在諸多瓶頸,智能化技術(shù)對復(fù)雜條 件礦井的適應(yīng)性普遍較差。

(2)智慧礦山建設(shè)技術(shù)架構(gòu)不清晰,智能化綜合管控平臺技術(shù)成熟度較低。目前,不同類型的礦井主 要按照各行業(yè)對智慧礦山的認(rèn)識進(jìn)行規(guī)劃建設(shè),智慧 礦山的信息流、數(shù)據(jù)流不明確,尚未構(gòu)建清晰的礦山 各系統(tǒng)知識圖譜,智能化綜合管控平臺多依賴于傳統(tǒng) 的信息化礦井技術(shù)架構(gòu)進(jìn)行建設(shè),礦山各業(yè)務(wù)系統(tǒng)普 遍存在信息孤島、信息煙囪等問題,難以實(shí)現(xiàn)對礦井 各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的綜合協(xié)同管控。

(3)重視硬件輕視軟件,系統(tǒng)之間的融合應(yīng)用有待提升。礦山(尤其是新建礦井)非常重視對硬件的 投入,但對相關(guān)軟件、系統(tǒng)平臺等研發(fā)投入較少,很少 針對礦井條件與業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行針對性的軟件開發(fā)與 應(yīng)用,軟件開發(fā)界面不友好,一線職工的認(rèn)可度不高、 使用效果較差;礦井各系統(tǒng)之間的集成度普遍較低, 存在通信接口不統(tǒng)一、兼容性較差等問題,沒有實(shí)現(xiàn) 不同設(shè)備、系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)、通信的有效融合,傳統(tǒng)的數(shù) 據(jù)算法難以直接應(yīng)用于礦山各業(yè)務(wù)系統(tǒng),數(shù)據(jù)資源的 價(jià)值未能得到有效挖掘、利用。

(4)缺少信息化、智能化專職崗位,運(yùn)維機(jī)構(gòu)不健全。目前,各類礦山均很少設(shè)置信息化、智能化專 職崗位,主要依靠機(jī)電部與各設(shè)備供應(yīng)商進(jìn)行智能化 設(shè)備的管理運(yùn)維,礦山企業(yè)相關(guān)部門對智能化技術(shù)、 設(shè)備的熟悉程度不足,缺乏專業(yè)的智能化運(yùn)維隊(duì)伍, 各類礦山開采裝備的可靠性較低,軟硬件的維護(hù)不到 位,難以全面發(fā)揮智能化技術(shù)與裝備的效果。

(5)智慧礦山建設(shè)人才儲備嚴(yán)重不足,缺少高層次技術(shù)隊(duì)伍。近年來,受礦業(yè)發(fā)展持續(xù)低迷的影響, 各類礦山的人才儲備不足,礦井艱苦的井下作業(yè)環(huán)境 難以吸引高水平專業(yè)技術(shù)人才,智能化專業(yè)技能人才 儲備嚴(yán)重不足,地方政府、企業(yè)的相關(guān)激勵(lì)機(jī)制與資 金保障不足,制約了智慧礦山建設(shè)。

2. 1 智能化煤礦技術(shù)體系

由于我國不同區(qū)域煤層賦存條件、智能化煤礦建 設(shè)基礎(chǔ)存在較大差異,智能化煤礦應(yīng)堅(jiān)持分類建設(shè)和 分級達(dá)標(biāo)相結(jié)合的原則[17-18] ,開展煤礦智能化頂層 設(shè)計(jì),創(chuàng)新智能化煤礦建設(shè)與管理模式,科學(xué)制定實(shí) 施煤礦智能化建設(shè)與升級改造方案,突破適用于不同 條件的智能化技術(shù)與裝備,提升煤礦智能化技術(shù)裝備 的成熟度與可靠性,促進(jìn)煤礦安全、質(zhì)量、效率與效益 的穩(wěn)步提升。智能化煤礦的總體架構(gòu)由業(yè)務(wù)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)、實(shí)施框架、技術(shù)體系、標(biāo)準(zhǔn)體系組成見圖 1。

業(yè)務(wù)架構(gòu)包括資產(chǎn)線和價(jià)值線兩個(gè)視圖,一是以工程視圖提出的資產(chǎn)全生命周期管理體系架構(gòu),管理范圍包括地質(zhì)資源、井巷設(shè)施、機(jī)電裝備、采掘機(jī)運(yùn)通 生產(chǎn)系統(tǒng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、軟件平臺、礦山大數(shù)據(jù),這些 系統(tǒng)均為礦井的基礎(chǔ)設(shè)施和安全生產(chǎn)保障系統(tǒng),要求 穩(wěn)定、可靠、持續(xù)運(yùn)行,需要對礦井設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維、 退役和報(bào)廢進(jìn)行全周期信息化管理;二是以企業(yè)視圖提出的價(jià)值創(chuàng)造鏈條過程中發(fā)生的地質(zhì)勘察、采掘設(shè) 計(jì)、安全生產(chǎn)、經(jīng)營管理業(yè)務(wù),包括透明礦井、礦山工 程數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)、智能化開采、智能化掘進(jìn)、主煤流 協(xié)同運(yùn)行、智能化洗選系統(tǒng)、智能儲裝系統(tǒng)、智能運(yùn)銷 系統(tǒng)、綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)、企業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng)等,這些 系統(tǒng)是礦井的核心生產(chǎn)系統(tǒng),需要互聯(lián)互通、系統(tǒng)協(xié) 同控制、資源配置優(yōu)化、無人高效運(yùn)行,要利用工業(yè)互 聯(lián)網(wǎng)平臺的架構(gòu)體系重構(gòu)安全生產(chǎn)、經(jīng)營管理系統(tǒng)。

依據(jù)業(yè)務(wù)架構(gòu)需求提出煤礦資產(chǎn)全生命周期管理應(yīng)用體系、煤礦安全生產(chǎn)經(jīng)營管理應(yīng)用體系;實(shí)施框架結(jié)合煤礦資源條件、生產(chǎn)規(guī)模、信息化基礎(chǔ)等實(shí)際情況和智能化礦山發(fā)展趨勢,提出系統(tǒng)級、礦井級、 企業(yè)級的實(shí)施框架層級劃分,提出不同層級方案的系統(tǒng)組成、系統(tǒng)間關(guān)系及整體部署方案。

技術(shù)體系主要包括煤礦工業(yè)勘探技術(shù)、工程設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、開采技術(shù)、安全技術(shù)、礦物加工、企業(yè)管 理、自動化等 OT 技術(shù)、信息化 IT 技術(shù)、OT 和 IT 的融 合技術(shù),智能化煤礦的技術(shù)架構(gòu)如圖 2 所示。其中, 底層為感知執(zhí)行層,感知的相關(guān)數(shù)據(jù)信息通過接入層 進(jìn)入邊緣層,邊緣層主要對時(shí)效性要求較高,但對算 力要求不高的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理;感知信息通過邊緣 層進(jìn)入智能化煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺,該平臺主要包括 技術(shù)平臺、業(yè)務(wù)平臺、數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算平臺、物聯(lián)網(wǎng) 管理平臺,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺對感知信息進(jìn)行數(shù)據(jù)清 洗、分析、分類存儲等,并將分析結(jié)果上傳至煤礦智能 化綜合管控平臺,由綜合管控平臺將相關(guān)指令下發(fā)至 感知執(zhí)行層,由相關(guān)設(shè)備完成操作。

智能化煤礦標(biāo)準(zhǔn)體系包括通用基礎(chǔ)、支撐技術(shù)與平臺、煤礦信息互聯(lián)網(wǎng)、智能控制系統(tǒng)及裝備、安全監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)保障等 6 個(gè)部分,如圖 3 所示。

生產(chǎn)煤礦應(yīng)根據(jù)礦井的地質(zhì)條件、建設(shè)基礎(chǔ)、建設(shè)目標(biāo)制定科學(xué)合理的智能化升級改造方案,可以按 照“基礎(chǔ)系統(tǒng)高容量—采掘系統(tǒng)高可靠—感知系統(tǒng)全覆蓋—保障系統(tǒng)高適應(yīng)”的思路,自下而上逐步實(shí)現(xiàn)智能化改造。

對于晉陜蒙等大型煤炭基地的生產(chǎn)煤礦,應(yīng)全面進(jìn)行智能化升級改造,重點(diǎn)提高采煤工作面智能化水 平,掘進(jìn)工作面減人提效和遠(yuǎn)程控制、智能安全生產(chǎn) 水平,井下水泵房、變電所等固定崗位全部實(shí)現(xiàn)無人 值守作業(yè),形成基于綜合管控平臺的智能一體化管控;對于中東部礦區(qū)等建設(shè)基礎(chǔ)較薄弱的生產(chǎn)煤礦, 重點(diǎn)進(jìn)行基礎(chǔ)信息系統(tǒng)、機(jī)械化+智能化采掘系統(tǒng)、 重大安全隱患智能預(yù)警系統(tǒng)、智能安全監(jiān)測系統(tǒng)等建 設(shè),實(shí)現(xiàn)減人、增安、提效;對于云貴基地等煤層賦存 條件復(fù)雜的煤礦,應(yīng)盡快實(shí)施智能化改造,重點(diǎn)進(jìn)行 危險(xiǎn)、繁重崗位機(jī)器人替代,提升礦井本質(zhì)安全水平。新建煤礦應(yīng)先行開展煤礦智能化頂層設(shè)計(jì),采用先進(jìn) 生產(chǎn)工藝、技術(shù)與裝備,全面建設(shè)信息基礎(chǔ)設(shè)施、智能 化生產(chǎn)系統(tǒng)、智能化綜合管控平臺等,形成完整的智 能化煤礦安全高效運(yùn)維體系。

(1)對于煤層賦存條件相對較簡單、具有較好智能化建設(shè)基礎(chǔ)條件的礦井,應(yīng)建設(shè)智能化綜合管控平臺,實(shí)現(xiàn)煤礦各主要業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合共享、網(wǎng)絡(luò) 互連互通與協(xié)同聯(lián)動控制;建設(shè)大數(shù)據(jù)中心,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類存儲、關(guān)聯(lián)分析、深度挖掘與利用;建設(shè)高速 高可靠數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò);建設(shè)完善的井下精準(zhǔn)定位系 統(tǒng),滿足井下人員、設(shè)備定位精度要求;建設(shè)完善的視 頻監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器視覺的多場景應(yīng)用;建設(shè) GIS+BIM 系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)地質(zhì)信息、工程信息的有效融合 及高精度建模;建設(shè)智能快速掘進(jìn)系統(tǒng),煤層巷道月 進(jìn)尺大于 1 000 m,實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)過程的遠(yuǎn)程智能控 制;建設(shè)智能化采煤工作面,薄及中厚煤層工作面實(shí) 現(xiàn)常態(tài)化無人開采,厚及特厚煤層綜采工作面實(shí)現(xiàn)常 態(tài)化少人開采(每班作業(yè)人員不超過 5 人),綜放工 作面實(shí)現(xiàn)智能化放頂煤作業(yè)(每班作業(yè)人員不超過 7 人);主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能無人操控,機(jī)器人巡 檢作業(yè);探索應(yīng)用無軌膠輪車、單軌吊實(shí)現(xiàn)輔助駕駛、 智能調(diào)度,物料供應(yīng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)化運(yùn)輸;通風(fēng)、排水、供 電等固定作業(yè)崗位全部實(shí)現(xiàn)無人值守、機(jī)器人巡檢作 業(yè),建設(shè)完善的煤礦災(zāi)害智能監(jiān)測預(yù)警平臺與應(yīng)急管 理平臺,實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)源、危險(xiǎn)場景的智能分析、預(yù)測、預(yù) 警;建設(shè)煤礦智能經(jīng)營管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)、供、銷全流 程的智能決策與精益管理。

(2)對于具有一定智能化建設(shè)基礎(chǔ)條件的礦井, 應(yīng)建設(shè)智能化綜合管控平臺,建設(shè)高速高可靠數(shù)據(jù)傳 輸網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)煤礦各主要業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合共享、 網(wǎng)絡(luò)互連互通與協(xié)同聯(lián)動控制;建設(shè)完善的井下精準(zhǔn) 定位系統(tǒng),滿足井下人員、設(shè)備定位精度要求,建設(shè)地 質(zhì)信息與工程信息時(shí)空大數(shù)據(jù)庫,為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供 統(tǒng)一的地理信息服務(wù);建設(shè)智能快速掘進(jìn)系統(tǒng),煤層 巷道月進(jìn)尺大于 500 m,巷道掘進(jìn)過程部分實(shí)現(xiàn)智能 控制;建設(shè)智能化采煤工作面,薄及中厚煤層工作面 實(shí)現(xiàn)常態(tài)化少人開采(每班作業(yè)人員不超過 3 人), 厚及特厚煤層綜采工作面每班作業(yè)人員不超過 7 人, 綜放工作面每班作業(yè)人員不超過 10 人;主煤流運(yùn)輸 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控;無軌膠輪車實(shí)現(xiàn)輔助駕駛,單軌 吊、機(jī)車實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、連續(xù)運(yùn)輸;通風(fēng)、排水、供電等 固定作業(yè)崗位實(shí)現(xiàn)無人值守;建設(shè)完善的煤礦災(zāi)害智 能監(jiān)測預(yù)警平臺與應(yīng)急管理平臺,實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)源、危險(xiǎn) 場景的智能分析、預(yù)測、預(yù)警;建設(shè)煤礦智能經(jīng)營管理 系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)、供、銷全流程的智能決策與精益管理。 

(3)對于煤層賦存條件相對復(fù)雜、智能化建設(shè)基 礎(chǔ)相對薄弱的礦井,主要以減人、增安、提效為目標(biāo)。建設(shè)智能化綜合管控平臺,實(shí)現(xiàn)煤礦各主要業(yè)務(wù)系統(tǒng) 的數(shù)據(jù)融合共享、網(wǎng)絡(luò)互連互通;建設(shè)地質(zhì)信息與工 程信息時(shí)空大數(shù)據(jù)庫,為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的地理 信息服務(wù);建設(shè)快速掘進(jìn)系統(tǒng),滿足采掘接替需求;建 設(shè)機(jī)械化+智能化采煤工作面,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制; 主煤流運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制,輔助運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)輸;通風(fēng)、排水、供電等固定作業(yè)崗位實(shí)現(xiàn)無人值守; 建設(shè)完善的煤礦災(zāi)害智能監(jiān)測預(yù)警平臺與應(yīng)急管理 平臺,實(shí)現(xiàn)重大災(zāi)害的超前預(yù)測、預(yù)警;建設(shè)煤礦智能 經(jīng)營管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)、供、銷全流程的智能決策與精 益管理。

2. 2 智能化煤礦建設(shè)實(shí)踐

2020 年 2 月,國家發(fā)展和改革委員會、國家能源 局、應(yīng)急管理部等 8 個(gè)部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤 礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》,提出到 2021 年,建成多 種類型、不同模式的智能化示范煤礦,2020 年 12 月, 國家能源局、國家煤礦安全監(jiān)察局聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于開 展首批智能化示范煤礦建設(shè)的通知》,確定 71 處煤 礦(含 5 處露天礦)作為首批國家級智能化示范煤礦 開展建設(shè),初步形成了以減人、增安、提效為主要特征 的智能化采掘(剝)運(yùn)系統(tǒng),形成了采煤工作面“有人 巡視、無人值守” 的智能化開采模式,開展了智能化 快速掘進(jìn)、掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制等研發(fā)實(shí)踐,探索實(shí)踐了 基于透明地質(zhì)的智能化無人開采技術(shù),固定作業(yè)崗位 具備實(shí)現(xiàn)無人值守的作業(yè)條件,5G、F5G、大數(shù)據(jù)、數(shù) 字孿生、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)初步在煤礦開采運(yùn) 營場景進(jìn)行應(yīng)用,取得了較好的應(yīng)用效果。

2. 2. 1 張家峁煤礦智能化建設(shè)實(shí)踐

張家峁煤礦是陜煤集團(tuán)重點(diǎn)建設(shè)的國家級智能 化示范煤礦,礦井年生產(chǎn)能力 1 000 萬 t,建成了“1+ 9”(1 個(gè)智能化綜合管控平臺,9 個(gè)獨(dú)立的分控中心) 煤礦智能化系統(tǒng),初步形成了基于 1 套標(biāo)準(zhǔn)體系、1 張全面感知網(wǎng)絡(luò)、1 個(gè)大數(shù)據(jù)中心、1 個(gè)智能化綜合管 控平臺的智能化煤礦常態(tài)化運(yùn)營體系。

初步建成了 5G+厚煤層大采高綜采工作面,工作 面采用自動巡檢機(jī)器人進(jìn)行巡檢作業(yè),巡檢機(jī)器人搭 載 LASC 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、三維激光掃描裝置、紅外熱 成像攝像儀、可見光攝像儀、無線移動終端等裝備,可 完成對工作面直線度及水平度檢測、工作面精確定 位、工作面點(diǎn)云模型構(gòu)建、采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)巡檢與工 作面快速巡檢等,并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù) 準(zhǔn)確、快速傳輸至順槽集控中心,為數(shù)字化割煤提供 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

提出了掘錨一體掘進(jìn)工作面標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化高效 設(shè)備配套方式,掘進(jìn)效率提升了 50%。建立了國內(nèi) 外首次 5G+多系統(tǒng)融合掘錨一體掘進(jìn)工作面全息數(shù) 字化模型,利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)動,并為 大數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。首創(chuàng)掘錨一體機(jī)雙激光長距 離精準(zhǔn)組合導(dǎo)航系統(tǒng),攻克了自動截割技術(shù),與 4D- GIS 系統(tǒng)融合實(shí)現(xiàn)了按地質(zhì)模板自動截割,實(shí)現(xiàn)了掘 進(jìn)面迎頭少人、無人作業(yè)。開發(fā)出國內(nèi)首臺掘錨一體機(jī)三維可視化遠(yuǎn)程集控平臺,實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程 多機(jī)協(xié)同作業(yè)。

原煤運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“地面控制為主,井下監(jiān)控 為輔”的控制模式,保證主運(yùn)輸系統(tǒng)的連續(xù)性和可靠 性。結(jié)合視頻信息、人員定位信息、溫度、振動檢測、 粉塵檢測、溫度檢測、預(yù)警、預(yù)測分析等全方位、多角 度傳感檢測手段,實(shí)現(xiàn)了地面對井下皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的 長距離、多點(diǎn)位信息傳輸和集中監(jiān)測監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)了無 人、少人化的智慧遠(yuǎn)程集控功能。系統(tǒng)采用了監(jiān)控分 離模式進(jìn)行集中控制,運(yùn)用先進(jìn)的測控、信息和通信 技術(shù),對皮帶運(yùn)輸集控信息進(jìn)行采集、分析和處理,實(shí) 現(xiàn)智慧感知、信息融合、數(shù)據(jù)挖掘和決策支持,改善了 職工作業(yè)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)每班減員 36 人。

通過通風(fēng)系統(tǒng)的圖形化建模技術(shù)、礦井通風(fēng)實(shí)時(shí) 網(wǎng)絡(luò)解算技術(shù)、礦井通風(fēng)智能決策技術(shù)、風(fēng)量遠(yuǎn)程定 量化調(diào)節(jié)技術(shù)、多點(diǎn)移動式測風(fēng)技術(shù)、主運(yùn)巷外因火 災(zāi)局部反風(fēng)技術(shù)和智能局部通風(fēng)技術(shù)建設(shè)了礦井智 慧通風(fēng)綜合管控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對正常通風(fēng)條件下礦井 通風(fēng)關(guān)鍵位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析、決策和控制,準(zhǔn)確 進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié),提高了通風(fēng)系統(tǒng)的自動化、信息化和 智慧化水平,減少了井下通風(fēng)人員,降低了井下通風(fēng) 人員的勞動強(qiáng)度,保證通風(fēng)系統(tǒng)處于安全、高效狀態(tài); 對通風(fēng)事故進(jìn)行超前感知預(yù)警,及時(shí)采取防災(zāi)減災(zāi)措 施,隨時(shí)防止風(fēng)流異常和有害氣體濃度超標(biāo),避免了 瓦斯、火災(zāi)、煤塵爆炸等事故發(fā)生,提高了通風(fēng)系統(tǒng)的 可靠性及抗災(zāi)變能力。

構(gòu)建了雙重預(yù)防機(jī)制信息管理系統(tǒng)。依據(jù)雙重 預(yù)防機(jī)制內(nèi)涵要求,綜合利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù) 開發(fā)信息化管理系統(tǒng),系統(tǒng)支持安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化要求 的年度辨識和專項(xiàng)辨識的“1+4”模式;支持安全風(fēng)險(xiǎn) 記錄、跟蹤、統(tǒng)計(jì)、分析、上報(bào)等全過程的信息化管理 以及對事故隱患排查治理記錄統(tǒng)計(jì)、過程跟蹤、逾期 報(bào)警、信息上報(bào)的信息化管理,對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行集中管理, 支持在系統(tǒng)中快捷地進(jìn)行年度和專項(xiàng)的風(fēng)險(xiǎn)辨識,支 持辨識報(bào)告的導(dǎo)入。形成了具備風(fēng)險(xiǎn)動態(tài)評價(jià)的煤 礦雙重預(yù)防機(jī)制管理模式,實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)對多種安全 信息的綜合分析,進(jìn)一步提升了礦井安全管理水平。

搭建了智能化管控云平臺,采用統(tǒng)一開發(fā)/ 運(yùn)維 平臺(DevOps)框架,基于一套標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)體系、微服務(wù) 架構(gòu)和“資源化、場景化、平臺化” 思想,圍繞監(jiān)測實(shí) 時(shí)化、控制自動化、管理信息化、業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)自動化、知 識模型化、決策智能化等目標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)梳理, 為開發(fā)場景化 APP 提供支持服務(wù),實(shí)現(xiàn)了煤礦的數(shù) 據(jù)集成、能力集成和應(yīng)用集成。

2. 2. 2 巴拉素煤礦智能化建設(shè)實(shí)踐 

巴拉素煤礦是陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公 司重點(diǎn)建設(shè)的一座智能化新建煤礦,設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力 1 500 萬 t,在礦井建設(shè)之初,便將智能化的“基因”植 入礦井設(shè)計(jì)、建設(shè)的整個(gè)環(huán)節(jié),建成生產(chǎn)全過程、作業(yè) 全流程、井上井下全方位的智能化煤礦。

巴拉素煤礦智能化建設(shè)項(xiàng)目構(gòu)建了 10 大系統(tǒng)、 48 個(gè)子系統(tǒng),共計(jì) 156 個(gè)建設(shè)項(xiàng)目,融合 5G 通信、大 數(shù)據(jù)、智能控制等技術(shù),全力打造綜合管控系統(tǒng)及大 數(shù)據(jù)平臺、5G 通信網(wǎng)絡(luò)及精準(zhǔn)位置服務(wù)系統(tǒng)、地質(zhì)保 障及 4D-GIS 動態(tài)信息系統(tǒng)、采掘工作面智能協(xié)同控 制系統(tǒng)、井下環(huán)境感知及安全管控系統(tǒng)、固定場所無 人值守智能管理系統(tǒng)等十大智能化系統(tǒng)和“統(tǒng)一平 臺框架、雙層數(shù)據(jù)融合、全程閉環(huán)反饋、兩級協(xié)同管控”的“1212”智能化運(yùn)行平臺。

巴拉素煤礦智能化管控平臺將擁有 50 多個(gè)子系 統(tǒng),礦井?dāng)?shù)據(jù)利用率可提升 50%;平臺接入點(diǎn)將增加 50 000 個(gè)以上,數(shù)據(jù)傳輸率提升 50%以上;端到端數(shù) 據(jù)延遲小于 5 ms,全面實(shí)現(xiàn)礦山多專業(yè)、多部門系統(tǒng) 作業(yè)和信息化管理;建成千萬噸級智能高效少人或者 無人工作面、千米級智能快掘系統(tǒng)群等。

當(dāng)前,受中美貿(mào)易摩擦、地緣政治沖突等因素影 響,我國能源安全保障問題日益突出,基于新一代信 息技術(shù)在能源、礦業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新突破與融合應(yīng)用,進(jìn) 行能源與礦業(yè)治理體制、機(jī)制創(chuàng)新,推動能源結(jié)構(gòu)、國 際合作的多元化,已經(jīng)成為構(gòu)建安全高效、清潔低碳 能源體系的核心要素。將新一代信息技術(shù)在能源、礦 業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行深度融合應(yīng)用,建立國家能源與礦業(yè)安全 生產(chǎn)智能化平臺、國家能源交易監(jiān)管平臺,將促使能 源礦業(yè)發(fā)展水平大幅飛躍,促進(jìn)我國能源與礦業(yè)實(shí)現(xiàn) 高質(zhì)量發(fā)展。 

(1)建立國家級能源與礦業(yè)安全生產(chǎn)智能化平 臺,將礦山資源生產(chǎn)的主要危險(xiǎn)源、高危作業(yè)崗位、安 全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)等信息納入平臺,進(jìn)行重大工程作業(yè) 的全流程安全管控,實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源生產(chǎn)、利用全流程 的智能化運(yùn)行;構(gòu)建基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全感知、監(jiān) 測、預(yù)警、處置及評估體系,提升礦業(yè)企業(yè)安全生產(chǎn)數(shù) 字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平,培育“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全 生產(chǎn)”協(xié)同創(chuàng)新模式,實(shí)現(xiàn)重大災(zāi)害的智能預(yù)測預(yù) 警、救援快速響應(yīng)、應(yīng)急物資快速配置。 

(2) 建設(shè)“國家級-行業(yè)級-省級-企業(yè)級” 4 層架構(gòu)的國家礦產(chǎn)資源交易監(jiān)管平臺,涵蓋生產(chǎn)端、 供貨端、銷售端、用戶以及物流服務(wù)商、銀行保險(xiǎn)金融 機(jī)構(gòu)等各環(huán)節(jié),將現(xiàn)有的各類礦產(chǎn)資源和區(qū)域級交易統(tǒng)一納入其中。基于新一代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)對各類礦 產(chǎn)資源的存量信息、消耗量信息、交易信息等全面及 時(shí)可靠地采集,對礦產(chǎn)資源的實(shí)時(shí)交易信息進(jìn)行監(jiān) 管;基于區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源交易的透明化、公 平化,提高市場對礦產(chǎn)資源的引導(dǎo)水平,對外與國際 礦產(chǎn)資源交易平臺建立合作渠道,通過易貨交易、數(shù) 字貨幣等方式實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源交易的去美元化,保障我 國礦產(chǎn)資源交易安全。

(3)建立能源、礦業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與信息安全保障體系,明確數(shù)據(jù)體系的架構(gòu)與共享規(guī)則,制定信息采集 與傳輸、存儲、共享與交換、服務(wù)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),保障礦 業(yè)數(shù)據(jù)全生命周期管理與多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的深度融合 及高效利用。加強(qiáng)數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺安全管理,規(guī)范數(shù)據(jù) 交換共享安全、應(yīng)用安全、出境安全,健全礦業(yè)信息安 全體系,營造礦業(yè)行業(yè)數(shù)據(jù)新生態(tài)。 

(4)加強(qiáng)政策資金保障,按照“政府主導(dǎo)、政策推 動、企業(yè)實(shí)施” 的原則,從國家層面設(shè)立礦業(yè)治理信 息平臺專項(xiàng)資金,推動國家級礦業(yè)安全生產(chǎn)與交易智 能化平臺的頂層設(shè)計(jì)與基礎(chǔ)建設(shè),支持礦業(yè)企業(yè)信息 平臺智能化改造。從省級層面出臺礦業(yè)新基建招商 和產(chǎn)業(yè)扶持政策,積極爭取金融機(jī)構(gòu)貸款,加大金融 機(jī)構(gòu)融資力度,引導(dǎo)社會資本加大投入,挖掘企業(yè)自 籌資金潛力,提升企業(yè)資金保障水平。