袁 亮

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083;2.煤炭開采國家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南 232000;3.深部煤炭開采與環(huán)境保護國家重點實驗室，安徽 淮南 232000;4.煤礦瓦斯治理國家工程研究中心，安徽 淮南 232000)

煤炭精準(zhǔn)開采科學(xué)構(gòu)想

袁 亮1，2，3，4

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083;2.煤炭開采國家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南 232000;3.深部煤炭開采與環(huán)境保護國家重點實驗室，安徽 淮南 232000;4.煤礦瓦斯治理國家工程研究中心，安徽 淮南 232000)

新世紀(jì)互聯(lián)網(wǎng)+及智能化發(fā)展勢頭強勁，在總結(jié)煤炭開采歷史及科技發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，思考了煤炭開采如何應(yīng)對新一輪科技創(chuàng)新的到來，針對我國煤炭開采面臨的挑戰(zhàn)和機遇，提出了煤炭精準(zhǔn)開采的科學(xué)構(gòu)想。煤炭精準(zhǔn)開采是基于透明空間地球物理和多物理場耦合，以智能感知、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)云計算等作支撐，將不同地質(zhì)條件的煤炭開采擾動影響、致災(zāi)因素、開采引發(fā)生態(tài)環(huán)境破壞等統(tǒng)籌考慮，時空上準(zhǔn)確高效的煤炭少人(無人)智能開采與災(zāi)害防控一體化的未來采礦新模式。煤炭精準(zhǔn)開采可顯著提高煤炭安全開采自動化、智能化、信息化水平，實現(xiàn)煤炭工業(yè)由勞動密集型向具有高科技特點的技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變。本文凝練了煤炭精準(zhǔn)開采的7個關(guān)鍵科學(xué)問題和八個主要研究方向，為實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+科學(xué)開采的未來少人(無人)采礦提出了技術(shù)路徑。

煤炭精準(zhǔn)開采；透明地球；互聯(lián)網(wǎng)+；科學(xué)開采

煤炭作為不可再生資源，具有能源、工業(yè)原料雙重屬性，不僅可以作為燃料取得熱量和動能，還是化工產(chǎn)品等重要工業(yè)原料。自第1次工業(yè)革命以來，煤炭在為人類提供能源等領(lǐng)域扮演了重要角色，是工業(yè)“真正的糧食”。即使在科技高度發(fā)展的今天，煤炭仍然是寶貴的能源資源，在世界一次能源消耗結(jié)構(gòu)中仍占29.2%，甚至在部分國家占據(jù)能源消費主導(dǎo)地位，如2015年我國煤炭消費量占國家能源消費總量的64%[1]，美國、澳大利亞等國家將煤炭作為國家戰(zhàn)略資源保護[2]。

近百年來，煤炭開采在理論、技術(shù)和裝備方面取得了舉世矚目的成就，在地質(zhì)勘探、煤炭高效開采、礦井災(zāi)害預(yù)警與防治、煤與共伴生資源協(xié)調(diào)開發(fā)和煤礦大型化及精細化設(shè)備等科學(xué)領(lǐng)域取得了諸多進展[3-9]，特別是綜合機械化采煤和煤與瓦斯共采等取得的重大突破[10-12]，極大地提高了煤炭的安全高效開采水平。

我國煤炭資源相對豐富，但是煤層賦存條件差異大，從薄和極薄煤層到厚與特厚(巨厚)煤層、從近水平煤層到緩傾斜、急傾斜煤層均有分布，且地處歐亞板塊結(jié)合部，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，自然發(fā)火、高瓦斯、煤與瓦斯突出煤層多，開采難度大，同時深部煤炭開采基礎(chǔ)研究薄弱，大部分煤礦煤炭開采存在信息化程度不高、用人多、效率低以及安全不可靠等問題，使得煤炭行業(yè)在滿足國家能源需求、促進社會進步的同時也付出了巨大的代價[13]。不僅如此，煤炭開采引起采礦區(qū)地表沉陷、水污染、植被破壞等環(huán)境問題也日益突出。

縱觀國際采礦史，礦難發(fā)生的致災(zāi)機理和地質(zhì)情況不清、災(zāi)害威脅不明、重大技術(shù)難題沒有解決等是導(dǎo)致事故的主要原因。要想從根本上破解煤礦安全高效生產(chǎn)難題，煤炭工業(yè)須由勞動密集型升級為技術(shù)密集型，創(chuàng)新發(fā)展成為具有高科技特點的新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式，走智能、少人(無人)、安全的開采之路。一方面應(yīng)靠提升自動化和智能化水平精簡人員，實現(xiàn)煤礦開采總體少人化，主要工藝流程無人化。另一方面需提升煤炭開采技術(shù)水平，保證在少人(無人)情況下的煤炭安全高效開采，以滿足經(jīng)濟社會的發(fā)展需求，并有國際競爭力。第3次工業(yè)革命勢頭強勁，信息化技術(shù)日新月異，給采礦業(yè)由傳統(tǒng)的經(jīng)驗型、定性決策為主向精準(zhǔn)型、定量智能決策轉(zhuǎn)變提供了又一次創(chuàng)新、發(fā)展的機遇以及挑戰(zhàn)，為實現(xiàn)智能少人(無人)的煤炭科學(xué)開采提供了可能。

結(jié)合煤炭開采面臨的挑戰(zhàn)和現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展方向，煤炭精準(zhǔn)開采科學(xué)構(gòu)想應(yīng)運而生。本文詳細闡述了煤炭精準(zhǔn)開采的科學(xué)內(nèi)涵，凝練出了煤炭精準(zhǔn)開采的關(guān)鍵科學(xué)問題和主要研究方向，為實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+科學(xué)開采的未來少人(無人)采礦提出了技術(shù)路徑。

1 煤炭開采面臨的挑戰(zhàn)

1.1 綠色煤炭資源量少，回收率亟待提高

綠色資源量是指能夠滿足煤礦安全、技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境等綜合約束條件，能夠支撐煤炭科學(xué)產(chǎn)能和科學(xué)開發(fā)的煤炭資源量。我國煤炭資源總量相對豐富，已查明儲量1.3萬億t，預(yù)測總量5.57萬億t，根據(jù)中國工程院重點咨詢項目研究，綠色煤炭資源量5 000～6 000億t，只有煤炭預(yù)測總量的1/10。更嚴(yán)峻的問題是，我國煤炭資源回收率低，平均僅為30%～40%，小煤礦回收率不足10%，遠低于美國等發(fā)達國家80%的煤炭資源回收率[14]。若不提高煤炭資源回收率，按國家能源需求，綠色煤炭資源量僅可開采40～50 a，或煤炭開采將大面積進入非綠色煤炭資源賦存區(qū)開采，這樣勢必造成安全、技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境等面臨巨大難題！

1.2 開采條件復(fù)雜、安全形勢依然嚴(yán)峻

經(jīng)濟的快速發(fā)展、煤炭開采和需求量的不斷增加，導(dǎo)致我國煤礦開采深度以平均10～25 m/a的速度快速向深部延伸。特別是在中東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，煤炭開發(fā)歷史較長，淺部煤炭資源已近枯竭，許多煤礦已進入深部開采(埋深800～1 500 m)。全國50對礦井深度超過1 000 m，山東新汶礦業(yè)孫村煤礦最大采深達1 501 m[15]。與淺部開采相比，深部煤巖體處于高地應(yīng)力、高瓦斯、高溫、高滲透壓以及較強的時間效應(yīng)的惡劣環(huán)境中，煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力災(zāi)害問題更加嚴(yán)重，并且有多重災(zāi)害耦合發(fā)生的趨勢，深部煤礦開采面臨諸多重大科學(xué)技術(shù)難題，英國、德國等發(fā)達國家普遍采取國家關(guān)井措施，但煤炭仍將長期是我國的主要能源，深部煤炭開發(fā)難題只有面對無法回避。

1.3 環(huán)境負(fù)外部性凸顯，可持續(xù)發(fā)展勢在必行

由于采礦行業(yè)本身的特點，使得采礦過程中總是伴隨著對環(huán)境或多或少的破壞。如采礦對地表和地下水系的破壞，加劇了水資源的匱乏；開采導(dǎo)致地表沉陷，造成了大面積的土地遭到破壞；排到地面堆積起來的矸石山則導(dǎo)致大量土地被占用；另外每年因開采煤炭而排放到大氣中的大量有害氣體，對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，煤炭開采環(huán)境成本與日俱增。上述煤炭開發(fā)的負(fù)外部性都與綠色、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的發(fā)展戰(zhàn)略沖突，未來煤炭開采若不改變發(fā)展戰(zhàn)略和方向，行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展將面臨巨大的挑戰(zhàn)。

1.4 煤礦地質(zhì)保障水平亟待提高

精確掌握開采地質(zhì)條件是煤礦安全開采的重要保障，忽視地質(zhì)條件的盲目開采常帶來巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡[16]。經(jīng)過多年的持續(xù)攻關(guān)，“以地震主導(dǎo)，多手段配合，井上下聯(lián)合”的立體式綜合勘探技術(shù)在我國得到廣泛應(yīng)用，以高分辨三維地震勘探為核心、井上下一體、采前采中配合的煤礦地質(zhì)保障技術(shù)體系初步形成。然而，我國煤礦地質(zhì)條件極其復(fù)雜，尚未實現(xiàn)深部復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層賦存、頂?shù)装鍘r性空間分布及構(gòu)造、瓦斯地質(zhì)、水文地質(zhì)和其他地質(zhì)異常體的精細探查，煤礦安全開采地質(zhì)保障水平有待進一步提高。

1.5 深部采礦理論發(fā)展滯后，相關(guān)技術(shù)亟待突破

采礦理論和技術(shù)取得了諸多突破，促進了煤炭行業(yè)快速發(fā)展，但是針對煤炭深部開采面臨的諸多科學(xué)問題，傳統(tǒng)采礦基礎(chǔ)研究不夠，基于工程實測、真三維物理模擬和數(shù)值模擬“三位一體”的研究手段缺乏，忽視煤巖的非均質(zhì)非線性特性的研究，且往往只考慮單場的影響，而實際采礦涉及到瓦斯、水、火、粉塵等影響，是復(fù)雜的多場耦合問題，需要研究應(yīng)力場-裂隙場-滲流場-溫度場等耦合作用下的煤炭開采和致災(zāi)機理。上述基礎(chǔ)理論研究的薄弱也導(dǎo)致當(dāng)前研究成果多為定性研究，缺乏定量研究，難以針對現(xiàn)場采礦和安全問題作出有效的指導(dǎo)。

1.6 煤炭開采智能化水平低，相關(guān)技術(shù)亟待突破

煤礦機械化、自動化、信息化和智能化程度以及井下人數(shù)很大程度上決定了礦井的現(xiàn)代化水平和安全狀況。煤礦井下環(huán)境特殊，有甲烷、一氧化碳等易燃易爆氣體，也有礦塵、淋水，電磁波傳輸衰減嚴(yán)重，電網(wǎng)電壓波動范圍大[17]。煤礦井下的特殊性，制約著地面相關(guān)技術(shù)直接在煤礦井下應(yīng)用，使得煤礦的機械化、信息化、智能化水平嚴(yán)重滯后于現(xiàn)代社會的發(fā)展步伐。世界煤礦業(yè)經(jīng)過近百年的摸索，機械化水平有了很大的提高，但水平依舊有限，如我國全國平均采煤機械化程度僅為45%，國有重點為82.72%，小煤礦幾乎沒有機械化開采[18]，煤礦機械化水平還有很大提升空間，信息化、少人(無人)智能化更是處于起步階段。而機械化、信息化和智能化是實現(xiàn)科學(xué)采礦的必需手段，未來采礦必須向著信息化和智能化邁進。

要解決當(dāng)前煤炭開采所面臨的上述難題，煤炭工業(yè)必須由勞動密集型升級為技術(shù)密集型，創(chuàng)新發(fā)展成為具有高科技特點的新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式，走智能、少人(無人)、安全的開采之路。煤炭精準(zhǔn)開采將運用現(xiàn)代化信息技術(shù)改造傳統(tǒng)采礦，對于推動煤炭產(chǎn)業(yè)變革，實現(xiàn)煤炭開采顛覆性技術(shù)創(chuàng)新意義重大，煤炭精準(zhǔn)開采是人類社會未來采礦必由之路！

2 煤炭精準(zhǔn)開采科學(xué)內(nèi)涵

煤炭精準(zhǔn)開采是基于透明空間地球物理和多物理場耦合，以智能感知、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)云計算等作支撐，具有風(fēng)險判識、監(jiān)控預(yù)警等處置功能，能夠?qū)崿F(xiàn)時空上準(zhǔn)確安全可靠的智能少人(無人)安全精準(zhǔn)開采的新模式新方法，其科學(xué)內(nèi)涵如圖1所示。精準(zhǔn)開采支撐科學(xué)開采，是科學(xué)開采的重中之重。

圖1 煤炭精準(zhǔn)開采的科學(xué)內(nèi)涵

煤炭精準(zhǔn)開采從資源評估與決策、礦山規(guī)劃和設(shè)計到煤礦生產(chǎn)與安全管理等全過程都始終貫徹和融入現(xiàn)代科技成果，真正實現(xiàn)現(xiàn)代化煤炭開采，其框架如圖2所示。煤炭精準(zhǔn)開采系統(tǒng)層級從下到上依次為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、模型層、模擬與優(yōu)化層、設(shè)計層、執(zhí)行與控制層和管理層，如圖3所示。

圖2 煤炭精準(zhǔn)開采框架

圖3 煤炭精準(zhǔn)開采系統(tǒng)層級

結(jié)合煤炭發(fā)展現(xiàn)狀及長遠要求，精準(zhǔn)開采將分兩步實施：第1步是實現(xiàn)地面和井下相結(jié)合的遠程遙控式精準(zhǔn)開采，即操作人員在監(jiān)控中心遠程干預(yù)遙控設(shè)備運行，采掘工作面落煤區(qū)域無人操作；第2步是實現(xiàn)智能化少人(無人)精準(zhǔn)開采，即采煤機、液壓支架等設(shè)備自動化智能運行、慣性導(dǎo)航。煤炭精準(zhǔn)開采將最終實現(xiàn)地面遠程控制的智能化、自動化、信息化和可視化，實現(xiàn)煤炭開采的少人(無人)、精確、智能感知和災(zāi)害智能監(jiān)控預(yù)警與防治。

3 煤炭精準(zhǔn)開采關(guān)鍵科學(xué)問題

煤炭精準(zhǔn)開采涉及面廣、內(nèi)容紛繁復(fù)雜，實施過程中需要解決諸多科學(xué)問題。

(1)煤炭開采多場動態(tài)信息(如應(yīng)力、應(yīng)變、位移、裂隙、滲流等)的數(shù)字化定量

傳統(tǒng)采礦多依賴經(jīng)驗、憑借定性分析開采，精準(zhǔn)開采是傳統(tǒng)采礦與定量化智能化的高度結(jié)合，開發(fā)出多功能、多參數(shù)的智能傳感器。以開采沉陷的精準(zhǔn)控制為例，需要快速而精確地實現(xiàn)對開采沉陷數(shù)據(jù)的識別、獲取、重建，以達到開采沉陷的信息化、數(shù)字化及可視化，為進一步的定量化預(yù)測奠定基礎(chǔ)。

(2)采場及開采擾動區(qū)多源信息采集、傳感、傳輸

煤炭井下開采涉及應(yīng)力場、裂隙場、滲流場等諸多問題，采場及開采擾動區(qū)地應(yīng)力、瓦斯壓力、瓦斯涌出量、裂隙發(fā)育區(qū)等信息準(zhǔn)確獲取至關(guān)重要[19]。精準(zhǔn)開采在該方面涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題包括采場及開采擾動區(qū)多源信息采集傳感、礦井復(fù)雜環(huán)境下多源信息多網(wǎng)融合傳輸以及人機環(huán)參數(shù)全面采集、共網(wǎng)傳輸?shù)取?/p>

(3)基于大數(shù)據(jù)云技術(shù)的多源海量動態(tài)信息評估與篩選機制

隨著煤礦物聯(lián)網(wǎng)覆蓋的范圍越來越廣，“人、機、物”三元世界在采場信息空間中的交互、融合所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)越來越大，基于大數(shù)據(jù)云技術(shù)的多源海量動態(tài)信息評估與篩選機制的研究愈發(fā)重要[20]。精準(zhǔn)開采在該方面涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題包括井下掘進定位以及應(yīng)力場-應(yīng)變場-裂隙場-瓦斯場等多物理場信息定量化采集，多源、海量、動態(tài)、多模態(tài)等特征傳感信息評估與篩選，多維度信息復(fù)雜內(nèi)在聯(lián)系，質(zhì)量參差不齊、不確定等海量信息的聚合、管理與查詢，可視化、交互式、定量化、快速化、智能化的多物理場信息智能分析系統(tǒng)搭建等。

(4)基于大數(shù)據(jù)的多相多場耦合災(zāi)變理論研究

煤炭開采涉及固-液-氣三相介質(zhì)，在開采擾動作用下三者相互影響、相互制約、相互聯(lián)系，形成采動應(yīng)力場-裂隙場-滲流場-溫度場的多場耦合效應(yīng)，研究煤炭開采災(zāi)害的多相多場致災(zāi)機理是精準(zhǔn)開采的重要內(nèi)容。精準(zhǔn)開采在該方面涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題包括開采擾動及多場耦合條件下災(zāi)害孕育演化機理，災(zāi)變前兆信息采集傳感傳輸，災(zāi)變前兆信息挖掘辨識方法與技術(shù)等。

(5)深度感知災(zāi)害前兆信息智能仿真與控制

與基于被控對象精確模型的傳統(tǒng)控制方式不同，智能仿真與控制可直觀的展示井下采場情況，模擬不同開采順序、工藝等引起的采動變化等[21]，更好的解決煤礦復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用控制，更具靈活性和適應(yīng)性。精準(zhǔn)開采在該方面涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題涵蓋礦山地測空間數(shù)據(jù)深度感知技術(shù)，礦山地質(zhì)及采動信息數(shù)字化，礦山采動及安全隱患智能仿真，開采模擬分析與智能控制軟件開發(fā)等。

(6)礦井災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警

礦井災(zāi)害風(fēng)險超前、動態(tài)、準(zhǔn)確預(yù)警是煤礦安全生產(chǎn)的前提[22-23]。精準(zhǔn)開采在該方面涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題包括礦井災(zāi)害致災(zāi)因素分析，礦井災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)體系的創(chuàng)建，多源數(shù)據(jù)融合災(zāi)害風(fēng)險判識方法及預(yù)警模型，災(zāi)害智能預(yù)警系統(tǒng)等。

(7)礦井災(zāi)害應(yīng)急救援關(guān)鍵技術(shù)及裝備

快速有效的應(yīng)急救援是減少事故人員傷亡和財產(chǎn)損失的有效措施[24]。精準(zhǔn)開采在該方面涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題包括救災(zāi)通信、人員定位及災(zāi)情偵測技術(shù)與裝備，災(zāi)難礦井應(yīng)急生命通道快速構(gòu)建技術(shù)與裝備，礦井災(zāi)害應(yīng)急救援通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等。

4 煤炭精準(zhǔn)開采主要研究方向

4.1 創(chuàng)新具有透視功能的地球物理科學(xué)

具有透視功能的地球物理科學(xué)是實現(xiàn)煤炭精準(zhǔn)開采的基礎(chǔ)支撐。該方向?qū)⒌乩砜臻g服務(wù)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、CT掃描技術(shù)、VR技術(shù)等積極推向礦山可視化建設(shè)，打造具有透視功能的地球物理科學(xué)支撐下的“互聯(lián)網(wǎng)+礦山”，對煤層賦存進行真實反演，實現(xiàn)斷層、陷落柱、礦井水、瓦斯等致災(zāi)因素的精確定位。

該方向主要包括以下研究內(nèi)容：

(1)創(chuàng)新地下、地面、空中一體化多方位綜合探測新手段。

(2)研制磁、核、聲、光、電等物理參數(shù)綜合成像探測新儀器。

(3)構(gòu)建探測數(shù)據(jù)三維可視化及重構(gòu)的數(shù)據(jù)融合處理方法。

(4)研發(fā)海量地質(zhì)信息全方位透明顯示技術(shù)，構(gòu)建透明礦山，實現(xiàn)瓦斯、水、陷落柱、資源稟賦等1∶1高清顯示，地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯層、礦井水等礦井致災(zāi)因素高清透視，最終實現(xiàn)煤炭資源及煤礦隱蔽致災(zāi)因素動態(tài)智能探測。

4.2 智能新型感知與多網(wǎng)融合傳輸方法與技術(shù)裝備

智能新型感知與多網(wǎng)融合傳輸方法與技術(shù)裝備是實現(xiàn)精準(zhǔn)開采的技術(shù)支撐。該方向?qū)⒀邪l(fā)新型安全、靈敏、可靠的采場、采動影響區(qū)及災(zāi)害前兆信息等信息采集傳感技術(shù)裝備，形成人機環(huán)參數(shù)全面采集、共網(wǎng)傳輸新方法。

該方向主要包括以下研究內(nèi)容：

(1)采場及采動擾動區(qū)信息的高靈敏度傳輸傳感技術(shù)。

(2)采場及采動擾動區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)的組網(wǎng)布控關(guān)鍵技術(shù)及裝備。

(3)非接觸供電及多制式數(shù)據(jù)抗干擾高保真穩(wěn)定傳輸技術(shù)。

(4)災(zāi)害前兆信息采集、解析及協(xié)同控制技術(shù)及裝備。

4.3 動態(tài)復(fù)雜多場多參量信息挖掘分析與融合處理技術(shù)

動態(tài)復(fù)雜多場多參量信息挖掘分析與融合處理技術(shù)可為煤炭精準(zhǔn)開采系統(tǒng)提供智能決策、規(guī)劃，提高系統(tǒng)反應(yīng)的快速性和準(zhǔn)確性。該方向?qū)⑼黄贫嘣串悩?gòu)數(shù)據(jù)融合與知識挖掘難題，創(chuàng)建面向煤礦開采及災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測數(shù)據(jù)的共用快速分析模型與算法，創(chuàng)新煤礦安全開采及災(zāi)害預(yù)警模式。

該方向主要包括以下研究內(nèi)容：

(1)多源海量動態(tài)信息聚合理論與方法。

(2)數(shù)據(jù)挖掘模型的構(gòu)建、更新理論與方法，面向需求驅(qū)動的災(zāi)害預(yù)警服務(wù)知識體系及其關(guān)鍵技術(shù)。

(3)基于漂移特征的潛在煤礦災(zāi)害預(yù)測方法與多粒度知識發(fā)現(xiàn)方法。

(4)煤巖動力災(zāi)害危險區(qū)域快速辨識及智能評價技術(shù)。

4.4 基于大數(shù)據(jù)云技術(shù)的精準(zhǔn)開采理論模型

基于大數(shù)據(jù)云技術(shù)的精準(zhǔn)開采理論模型可以為煤炭精準(zhǔn)開采提供理論支撐。該方向基于大數(shù)據(jù)的煤炭開發(fā)多場耦合及災(zāi)變理論模型，采用“三位一體”科學(xué)研究手段，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)自動分析、生成監(jiān)測數(shù)據(jù)異常特征提取模型，研究煤礦災(zāi)害致災(zāi)機理及災(zāi)變理論模型，實現(xiàn)對煤礦災(zāi)害的自適應(yīng)、超前、準(zhǔn)確預(yù)警。

該方向主要包括以下研究內(nèi)容：

(1)基于實驗大數(shù)據(jù)的多場耦合基礎(chǔ)研究，利用“深部巷道圍巖控制” 、“煤與瓦斯突出”、“煤與瓦斯共采” 等大型科學(xué)實驗儀器不同開采條件下的海量實驗測試數(shù)據(jù)，開展多場耦合基礎(chǔ)實驗研究。

(2)基于生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)測大數(shù)據(jù)的多場耦合研究。基于生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)測的海量數(shù)據(jù)，進行大數(shù)據(jù)的云計算整合，探索總結(jié)多場耦合致災(zāi)機理及其誘發(fā)條件。

(3)基于精準(zhǔn)透視下的多場耦合理論模型。現(xiàn)場實時掃描監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究數(shù)據(jù)瞬態(tài)導(dǎo)入機制，數(shù)值模擬仿真實驗?zāi)Ｐ?，進行真三維數(shù)值仿真智能判識與監(jiān)控預(yù)警。

4.5 多場耦合復(fù)合災(zāi)害預(yù)警

多場耦合復(fù)合災(zāi)害預(yù)警為煤炭精準(zhǔn)開采提供了安全保障。該方向?qū)⑻剿骶哂型评砟芰罢Z義一致性的多場耦合復(fù)合災(zāi)害知識庫構(gòu)建方法，建立適用于區(qū)域性煤礦開采條件下災(zāi)害預(yù)警特征的云平臺。

該方向主要包括以下研究內(nèi)容：

(1)不同類型災(zāi)害的多源、海量、動態(tài)信息管理技術(shù)。

(2)基于描述邏輯的災(zāi)害語義一致性知識庫構(gòu)建理論與方法。

(3)基于深度機器學(xué)習(xí)的煤礦災(zāi)害風(fēng)險判識理論及方法。

(4)煤礦區(qū)域性監(jiān)控預(yù)警特征的云平臺架構(gòu)。

(5)基于服務(wù)模式的煤礦災(zāi)害的遠程監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)平臺。

4.6 遠程可控的少人(無人)精準(zhǔn)開采技術(shù)與裝備

遠程可控的少人(無人)開采技術(shù)與裝備是實現(xiàn)煤炭精準(zhǔn)開采的必需技術(shù)手段。該方向以采煤機記憶截割、液壓支架自動跟機及可視化遠程監(jiān)控等技術(shù)與裝備為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)系統(tǒng)智能化控制軟件為核心，研發(fā)遠程可控的少人(無人)精準(zhǔn)開采技術(shù)與裝備。

該方向主要包括以下研究內(nèi)容：

(1)采煤機自動調(diào)高、巡航及自動切割自主定位。

(2)煤巖界面與地質(zhì)構(gòu)造自動識別。

(3)井上-井下雙向通訊。

(4)采煤工藝智能化。

(5)工作面組件式軟件和數(shù)據(jù)庫，大數(shù)據(jù)模糊決策系統(tǒng)。

4.7 救災(zāi)通信、人員定位及災(zāi)情偵測技術(shù)與裝備

救災(zāi)通信、人員定位及災(zāi)情偵測技術(shù)與裝備是實現(xiàn)煤炭精準(zhǔn)開采的堅實后盾。該方向?qū)⑦M行災(zāi)區(qū)信息偵測技術(shù)及裝備、災(zāi)區(qū)多網(wǎng)融合綜合通信技術(shù)及裝備、災(zāi)區(qū)遇險人員探測定位技術(shù)及裝備、生命保障關(guān)鍵技術(shù)及裝備、快速逃生避險保障技術(shù)及裝備、應(yīng)急救援綜合管理信息平臺的研發(fā)。

該方向主要包括以下研究內(nèi)容：

(1)地面救援方面，開發(fā)全液壓動力頭車載鉆機、救援提升系統(tǒng)研制及其下放提吊技術(shù)、煤礦區(qū)應(yīng)急救援生命通道井優(yōu)快成井技術(shù)。

(2)井下救援方面，推進大功率坑道救援鉆機、大直徑救援鉆孔施工配套鉆具、基于頂管掘進技術(shù)的煤礦應(yīng)急救援巷道快速掘進裝置研制，井下大直徑救援鉆孔成孔工藝設(shè)計。

4.8 基于云技術(shù)的智能礦山建設(shè)

基于云技術(shù)的智能礦山建設(shè)是煤炭精準(zhǔn)開采需要實現(xiàn)的目標(biāo)。該方向結(jié)合采礦、安全、機電、信息、計算機、互聯(lián)網(wǎng)等學(xué)科，融計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、圖形顯示技術(shù)、通信技術(shù)、云計算技術(shù)于一體，將互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)應(yīng)用于云礦山建設(shè)，把煤炭資源開發(fā)變成智能車間，實現(xiàn)未來采礦智能化少人(無人)安全開采。

5 展 望

煤炭精準(zhǔn)開采是以透明空間地球物理和多物理場耦合為基礎(chǔ)，以少人(無人)開采技術(shù)和安全開采技術(shù)為支撐，實現(xiàn)煤炭開采零死亡；以數(shù)字化、信息化為重要手段，將不同地質(zhì)條件的煤炭開采擾動影響、致災(zāi)因素、開采引發(fā)生態(tài)環(huán)境破壞等統(tǒng)籌考慮，時空上準(zhǔn)確高效的煤炭無人(少人)智能開采與災(zāi)害防控一體化的未來采礦新模式，實現(xiàn)煤炭連續(xù)開采、資源回收率達國際領(lǐng)先水平。煤炭精準(zhǔn)開采對提高煤炭安全開采技術(shù)水平、資源開發(fā)效率及實現(xiàn)煤炭工業(yè)由勞動密集型向具有高科技特點的技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變意義重大。

聚焦煤炭智能少人(無人)安全開采，進一步加大煤炭科技創(chuàng)新力度，實現(xiàn)煤炭精準(zhǔn)開采，任重而道遠。目前，我國已實現(xiàn)了煤與瓦斯精準(zhǔn)共采、采區(qū)工作面少人(無人)開采、工作面盾構(gòu)無人掘進、礦井自動化運輸?shù)?，這些成果為煤炭精準(zhǔn)開采典型了基礎(chǔ)。

建議政府主管部門和煤炭行業(yè)高度重視煤炭科技創(chuàng)新，以煤炭精準(zhǔn)開采引領(lǐng)煤炭科技未來發(fā)展，力爭2020年煤炭精準(zhǔn)開采取得階段性突破，2030年基本實現(xiàn)煤炭精準(zhǔn)開采，到2050年全面實現(xiàn)煤炭精準(zhǔn)開采，以煤炭開采全面實現(xiàn)高科技產(chǎn)業(yè)改造升級，助推中國能源科技強國夢。

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Scientific conception of precision coal mining

YUAN Liang1，2，3，4

(1.SchoolofResourceandSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China;2.StateCoalMiningNationalEngineeringTechnologyResearchInstitute,Huainan232000,China;3.StateKeylaboratoryofDeepCoalMiningandEnvironmentProtection,Huainan232000,China;4.NationalEngineeringResearchCenterforCoalGasControl,Huainan232000,China)

As the Internet plus era and intelligence development are intensified in the new century,this research investigates how coal mining copes with the advent of a new round of science and technology innovation by summarizing the history of coal mining and the technological development trends therein.A scientific concept of precise coal mining is proposed to meet the challenges and opportunities facing coal mining in China.By means of technologies including intellisense,intelligent control,the Internet of Things,cloud computing and big data,precise coal mining is proposed as a new future mining mode integrating intelligent mining technique with few workers(unmanned),and disaster prevention and control.This mode is based on transparent spaces and geophysics,as well as multi-field coupling to achieve spatial-temporal accuracy and efficiency.It is able to comprehensively consider factors relating mining under different geological conditions,including mining influences,relevant factors inducing disasters,and ecological destruction caused by exploitation:it is able to enhance the automatisation,intelligentisation,and informatization levels of safe coal production which promotes the transformation of the coal industry from a labor-intensive,to a technology-intensive sector.The research proposes seven key scientific problems and eight major research directions for coal mining and therefore directs the technology route for future science-based mining with few people (unmanned) in the Internet plus era.

precise coal mining;transparent earth;internet plus;science-based mining

2016-11-02

2017-01-20責(zé)任編輯:畢永華

中國工程院重點咨詢資助項目(2015-XZ-15)；國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFC0801400)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51427804)

袁 亮(1960—)，男，安徽金寨人，中國工程院院士。E-mail:yuanl_1960@sina.com

.煤炭精準(zhǔn)開采科學(xué)構(gòu)想[J].煤炭學(xué)報,2017,42(1):1-7.

10.13225/j.cnki.jccs.2016.1661

TD82

A

0253-9993(2017)01-0001-07

Yuan Liang.Scientific conception of precision coal mining[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):1-7.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1661