王国法院士：煤炭智能安全高效绿色开采发展方向与创新路径

煤炭是我国主体能源和重要工业原料，是国家经济社会发展不可或缺的资源，在当前一次能源生产和消费中占比分别为67.4%、55.3%。随着浅部煤炭资源日趋枯竭，提高深部煤炭资源智能化安全高效绿色开采水平，关乎国家能源安全与经济高质量发展，是必须重视的重大战略需求。

煤矿智能化是由新一代信息技术引发的煤炭生产方式变革与价值体系重构，是煤炭新质生产力的核心要素，赋能煤炭行业实现安全、高效、绿色高质量发展。经过近几年的探索实践，煤矿智能化建设的技术路径越来越清晰，以智能化生产决策控制+智能装备（机器人）自动化作业为目标，构建融合一张网，建设统一数据平台，实现融合管控与智能决策；应用先进工艺和智能装备，实现生产全流程设备自动控制、无人值守作业。

煤矿智能化是一个多系统、多层次、多专业技术融合的复杂系统工程，现阶段我国煤矿智能化建设还存在技术标准不健全、接口协议不统一等问题，需要持续推进智能化支撑技术与标准体系建设，不断完善煤矿智能化顶层设计，推进信息基础设施迭代升级，加快数据资产积累，优化数据资源采集、处理、确权、使用、共享等环节管理机制，加速推进新一代信息技术、人工智能等新技术与煤炭开采技术深度融合，赋能煤炭产业数字化和智能化高质量发展，煤矿数字化和智能化基本架构如图1所示。

图1 煤矿数字化和智能化基本架构

（1）推进煤炭智能柔性开发供给体系建设

建设以数字化为基础、智能化赋能的多层次网状煤炭开发供应链，实现对煤炭需求的超前精准预测，并基于预测结果对煤炭生产、运输、仓储等进行自动智能优化调节，实现煤炭资源安全、高效、稳定、柔性供给，煤炭智能柔性开发供给体系运行模式如图2所示。

图2 煤炭智能柔性开发供给体系运行模式

（2）加速数据驱动下的管理变革转型，增强信息安全保障能力

随着煤炭行业数字化和智能化转型的深入推进，必然带来煤炭企业生产组织模式与管理方式的调整，管理者认知水平、组织体制、管理方法、人才储备等因素，都可能制约数字化智能化系统的应用效果。要打破以物理世界为中心的组织模式和管理模式，按照煤矿数字化和智能化要求重塑煤炭企业的战略愿景、业务流程、组织架构、管理文化等。持续加强人才培养，尤其是具备煤炭技术与数字技术知识融合的跨界复合型人才，并加大力度强化信息系统网络安全动态防护，推进网络安全风险态势感知、预警和应急处置能力建设，国家能源与矿业治理智能化体系框架如图3所示。

图3 国家能源与矿业治理智能化体系框架

（3）推进煤矿系统智能与人文智慧的融合

系统智能是指矿山运行系统具有全流程人-机-环-管数字互联高效协同，智能决策自动化运行的能力；人文智慧是人的智慧在矿山运营中的决定性作用，是借助信息通信技术和人工智能技术，将管理者的思想、知识、要求等变成系统决策的依据，提高决策水平，降低劳动强度，实现安全高效、绿色低碳、健康运行。通过煤矿智能化建设，建立完善的煤矿安全智能双重预防机制和全时空安全监控系统，形成安全高效生产的有效保障能力，把减人、增安、提效落到实处。

（4）推进煤炭开采方式向绿色低损害和智能高效方向转型

尽可能降低开采对生态环境的扰动，实现无害化开采，以智能化助力绿色开采技术发展，解决煤炭充填开采、煤基固废处理、保水开采、塌陷区治理等绿色开采技术普遍存在的效率低、效益差等难题。坚持开发与生态保护并重，加强采前、采中和采后3个阶段的主动生态保护和修复，通过煤炭开发为资源型地区社会发展和生态治理提供强大支撑，实现煤炭开发与社会协调发展。加快数字化、智能化技术和装备研发应用，支撑煤炭智能安全高效绿色开采新质生产力发展，实现煤炭资源智能安全高效生产、低损害、环境友好的煤炭绿色开发，煤炭绿色开发体系如图4所示。

图4 煤炭绿色开发体系

创新总体解决方案，研发薄煤层液压支架与控制系统、煤矿井下精准智测系统、多参量耦合规划截割系统，由“可视远程干预模式”向“智能自适应模式”迈进；创新扁平化机身结构优化、高可靠行走部、小直径滚筒高装载率等技术，研发新型高可靠性新型薄煤层智能采煤机；创新ϕ42mm超扁平链组件、小型化传动系统、扁平化巷道输送设备等，研发高可靠性智能化薄煤层刮板输送机。

根据具体煤层条件，细化工作面设备总体配套设计目标，针对0.8～1.1m采高无人化工作面，以年产100万～150万t为高效目标；针对1.1～1.3m采高无人化工作面，以年产150万～200万t为高效目标；针对1.3～1.6m采高（陕北鄂尔多斯矿区）无人化工作面，以年产400万t为高效目标，推进薄煤层无人化智能高效开采高水平发展，1.3～1.6m煤层无人化智能开采工作400万t/a技术装备研发路径如图5所示。

图5 1.3~1.6m煤层无人化智能开采工作400万t/a技术装备研发路径

随着煤炭开发向深部进军，开采条件更趋复杂，井下采场高地压、大变形、易产生冲击地压造成围岩失稳等灾害，大型装备与环境的智能协同等问题突出，必须创新冲击地压及超千米深井煤层高效智能开采技术。新建矿井应在矿井设计过程中全面考虑冲击地压的影响，通过合理控制采掘时空关系、优化巷道层位、优化煤柱尺寸可以在源头上防治冲击地压；生产矿井则应全面布设冲击地压监测系统，实现矿井冲击地压防治全时空透明化和智能化，为深部煤层高效开采提供安全保障。

研发适应千米深井复杂条件的智能化掘进和采煤系统，突破智能装备和采掘工艺与深部复杂条件的适应性和运行可靠性，实现采掘流程控制自动化、监测智能化、主要工序无人化作业，冲击地压矿井防冲范式示意如图6所示。

图6 冲击地压矿井防冲范式示意

研发应用基于TSN时间敏感网络的新一代智能控制系统。研发基于时间敏感网络的网络融合算法和工作面一体化控制系统软件，提高有线、无线通信系统的鲁棒性和控制实时性，解决中厚及薄煤层复杂地质条件下自适应开采问题。研发TSN控制器、AI算力电源箱、手持交互终端，结合复杂地质条件开采工艺，设计基于时间敏感网络的一体化智能型电液控制系统，实现工作面通信网络的标准化，人机交互的简约化，TSN控制系统架构如图7所示。

图7 TSN控制系统架构

综采工作面设备装机总功率快速增长，大功率设备投入运行，使得现有3.3kV线路启动电流、启动压降、线路损耗增大，供电质量受到严重影响。为提高综采工作面供电质量和节能，亟须将综采设备3.3kV供电电压等级提升至10kV，研发应用10kV电压等级的安全可靠成套综采装备；推广应用新型智能变频一体机、永磁变频一体等高性能传动设备，推进轻量化设计、轻量化材料、轻量化结构的应用节能减碳潜力巨大；全面推进井下设备完全电动化，加快推进井下充电、换电技术和产品及充换点硐室工程规范建设和安全认证，严格井下内燃机尾气排放限制，加快推进井下车辆和移动设备的电动化。推进煤矿智能化高端技术装备和系统功能安全与质量分级认证，促进建立支持技术进步的公平合理市场生态。

加强智能传感与监测监控技术装备研发应用，实现全时空“通-感-算”一体化，突破感知信息一站式汇接、数据就地快速处理、灾害趋势精准预测等难题，建立矿井全时空感知、地下空间三维重构和地图构建、地下场景识别、设备群位姿可靠监控、拓展融合基于视觉的感知技术应用，形成集监测、预警、防控、应急于一体的智能安全闭环管控体系，全面提升矿井智能安全保障能力，矿井全时空信息感知系统架构如图8所示。

图8 矿井全时空信息感知系统架构

矿用卡车无人驾驶技术日趋成熟，已开始规模化应用。要进一步推进无人矿用卡车与辅助作业设备的协同运行，构建“空-天-地”全覆盖的边坡地质灾害监测系统，保障开采安全，构建露天综合管控平台，实现集群化调度，提升作业效率。从设计方式、运输系统、设计范畴、计划时效、调度模式5个方面解决露天矿传统设计与矿卡无人驾驶作业不适应的问题，推动露天矿智能化常态化运行；扩大半连续、连续化智能开采工艺应用范围，加快实现开采装备大型化和智能化，提高露天煤矿大型化、智能化水平，露天煤矿智能化发展路径如图9所示。

图9 露天煤矿智能化发展路径

构建煤矿智能化运维管理体系，建设“智能化服务平台、规范化流程制度、专业化运维队伍、精细化物资管理”技术标准体系及智能化煤矿运维知识库，形成以“流程为导向、服务为核心、技术为支点”的智能化煤矿运维与管理体系，煤矿智能化运维与管理体系框架如图10所示。

图10 煤矿智能化运维与管理体系框架

煤矿智能化将彻底改变煤炭传统业态，支撑煤炭新质生产力发展，推进煤炭安全高效绿色开采和清洁低碳利用，实现煤炭产业高端化、智能化和绿色化可持续高质量发展，为保障国家能源安全和经济高质量发展做出更大贡献。

来源：智能矿山杂志