魯 杰，李 平，徐青云，寧掌玄，張望杰，鄭嘉璐

(1.山西大同大學(xué)，山西 大同 037003；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116；3.晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，山西 大同 037003)

“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)是黨中央、國(guó)務(wù)院統(tǒng)籌國(guó)際國(guó)內(nèi)大局做出的重大戰(zhàn)略決策，“十三五”以來(lái)我國(guó)持續(xù)進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，推進(jìn)“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略，大力支持非化石能源發(fā)展。習(xí)近平總書(shū)記指出，“我們正在壓縮煤炭比例，但國(guó)情還是以煤為主，在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，甚至從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)講，還是以煤為主的格局，只不過(guò)比例會(huì)下降，我們對(duì)煤的注意力不要分散。我國(guó)煤炭資源豐富，在發(fā)展新能源、可再生能源的同時(shí)，還要做好煤炭這篇大文章”。根據(jù)相關(guān)報(bào)告[1]統(tǒng)計(jì)，2019年煤炭在一次能源消費(fèi)總量中占比仍為57.7%，煤炭資源仍將長(zhǎng)期作為我國(guó)的支撐能源起到不可忽視的地位合作用。

“雙碳”目標(biāo)作為我國(guó)政府向世界做出的莊嚴(yán)承諾，勢(shì)必對(duì)煤炭行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。一是煤炭在我國(guó)能源的地位將從主體向“壓艙石”轉(zhuǎn)變。由于我國(guó)能源“富煤、貧油、少氣”的結(jié)構(gòu)特征，煤炭資源一直處于支柱地位，尤其是煤電行業(yè)。隨著未來(lái)光伏、風(fēng)電、核能等技術(shù)的發(fā)展，綠色能源比重會(huì)進(jìn)一步增加，煤炭的能源地位會(huì)明顯轉(zhuǎn)變，但新能源在技術(shù)方面的限制，煤炭在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)依然不可替代；二是煤炭行業(yè)要大力推進(jìn)低碳減排以適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需求。單純從碳排放角度來(lái)講，煤炭開(kāi)采本身并不高，其主要影響體現(xiàn)在煤炭下游的消費(fèi)行業(yè)，如電力、鋼鐵、化工等領(lǐng)域，但煤炭綠色開(kāi)采對(duì)碳排放仍具有積極意義，在開(kāi)采階段，盡可能提升采出率，降低含矸量，提升洗選效率；在煤炭利用方式方面，尤其是高瓦斯礦井，要加大瓦斯治理利用力度，提升煤層氣抽放效率，加大瓦斯發(fā)電效率，可大大減少溫室氣體排放；三是煤炭企業(yè)自身要轉(zhuǎn)變用能方式。作為生產(chǎn)企業(yè)，一座煤礦要正常生產(chǎn)同樣需要大量能源，利用煤礦現(xiàn)有條件，如地面沉陷區(qū)發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)既能充分利用廢棄區(qū)域，也能實(shí)現(xiàn)綠色低碳要求，做到“出煤不用煤”。

山西省為典型的資源型地區(qū)，煤炭資源探明保有儲(chǔ)量2674億t，煤炭及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)約占全省稅收的45%，是全省GDP的重要組成部分。長(zhǎng)期以來(lái)，山西省作為我國(guó)的基礎(chǔ)能源的供應(yīng)地，依靠煤礦極大的促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展繁榮和社會(huì)進(jìn)步。但資源條件的優(yōu)勢(shì)也使得山西省呈現(xiàn)“一煤獨(dú)大”的畸形產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)上也曾一度出現(xiàn)“荷蘭病”和“資源詛咒”現(xiàn)象。隨著煤炭資源的大量開(kāi)采和新技術(shù)革命帶來(lái)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，傳統(tǒng)開(kāi)采方式的競(jìng)爭(zhēng)力逐漸下降、效率不斷降低，依靠傳統(tǒng)的煤礦開(kāi)采支持的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式也遭受?chē)?yán)重打擊。在“雙碳”目標(biāo)和能源戰(zhàn)略調(diào)整大背景下，山西省煤礦企業(yè)必須適應(yīng)現(xiàn)代化科技創(chuàng)新的發(fā)展并與之相融合，根據(jù)智能化礦井建設(shè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2]，通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)、5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等新型技術(shù)與傳統(tǒng)礦山進(jìn)行融合建設(shè)智慧礦井，不僅會(huì)大幅提高產(chǎn)量、保障安全，也是在新形勢(shì)下促使企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然選擇，令礦山企業(yè)發(fā)展得到質(zhì)的飛躍[3-8]。

智慧礦山是煤企轉(zhuǎn)型發(fā)展建設(shè)的最終目標(biāo)和最終成果，只有通過(guò)礦山智能化技術(shù)，才能最大程度的提高生產(chǎn)效率，保障生產(chǎn)安全，減少生產(chǎn)浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭資源最有效的利用。呂鵬飛等提出礦山關(guān)鍵技術(shù)需要建立以礦井監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，礦用對(duì)象庫(kù)為核心的統(tǒng)一的數(shù)字礦山基礎(chǔ)信息平臺(tái)作為核心支撐[9]；韓建國(guó)以神華集團(tuán)智能礦山建設(shè)為例，從智能礦山的內(nèi)涵與構(gòu)架、智能礦山關(guān)鍵技術(shù)等方面提出了智能礦山的建設(shè)是在新時(shí)期下，尤其是資源型地區(qū)煤礦企業(yè)轉(zhuǎn)型的必然選擇[10]；李梅等分析了我國(guó)數(shù)字礦山建設(shè)進(jìn)展及存在問(wèn)題并提出了智慧礦山的技術(shù)框架和框架下的關(guān)鍵技術(shù)[7]；毛善君等[11]提出以GIS平臺(tái)為核心的“一張圖”協(xié)同分布式管理平臺(tái)解決煤礦信息化過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、分析等水平不均的問(wèn)題。但學(xué)者們都基于自身的研究方向和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)提出了智慧礦山的各種定義和建設(shè)路徑，并沒(méi)有針對(duì)具體地區(qū)實(shí)際情況的一個(gè)完整統(tǒng)一的版本。對(duì)于煤礦企業(yè)或產(chǎn)煤地區(qū)來(lái)講，若沒(méi)有一整套統(tǒng)一、完整的智慧礦山建設(shè)方案，那必然影響礦井的轉(zhuǎn)型升級(jí)，也必然影響地區(qū)后續(xù)的轉(zhuǎn)型發(fā)展。

1 智慧礦山定義及建設(shè)路徑

1.1 智慧礦山定義

目前對(duì)于智慧礦山的定義，我國(guó)學(xué)者基本達(dá)成共識(shí)，認(rèn)為智慧礦山是在當(dāng)前煤炭開(kāi)采和礦山建設(shè)的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)，云計(jì)算和人工智能等前沿計(jì)算機(jī)技術(shù)的理論，建設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)化，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)同化，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)化，自主決策智能化的綜合信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的高效互聯(lián)互通，自主學(xué)習(xí)、分析、預(yù)測(cè)和決策的功能，保障井下煤炭開(kāi)采、巷道掘進(jìn)、通風(fēng)、排水、供電、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理的高效智能運(yùn)行。當(dāng)智慧礦山建設(shè)到一定階段后，開(kāi)采效率大幅提高，井下逐步實(shí)現(xiàn)“無(wú)人(少人)化”，煤礦工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，安全得到保障，尊嚴(yán)和地位也得到提升。煤礦行業(yè)也會(huì)從“傻大粗”的刻板印象中轉(zhuǎn)為“高精尖”的形象代表，未來(lái)企業(yè)上更多的不再是“灰頭土臉”的礦工，而是地面控制室里西裝革履的技術(shù)人員?？傮w來(lái)講，智慧礦山就是利用現(xiàn)代化先進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)采掘、監(jiān)測(cè)、管理等工作進(jìn)行深度融合，通過(guò)構(gòu)建信息化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)、安全、管理的遠(yuǎn)程高效控制和智能決策，實(shí)現(xiàn)井下少人化、無(wú)人化，最終實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全的高效礦井。

1.2 智慧礦山的建設(shè)路徑

基于《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》《煤礦智能化建設(shè)指南(2021版)》和王國(guó)法院士團(tuán)隊(duì)的研究，結(jié)合山西省煤礦企業(yè)實(shí)際，將智慧化礦山的建設(shè)分三個(gè)階段：

第一個(gè)階段要實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵區(qū)域的智能化，即單點(diǎn)的智能化，通過(guò)各類(lèi)傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在采掘、運(yùn)輸、安全監(jiān)控等主要環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)無(wú)人或少人操作和遠(yuǎn)程監(jiān)控。目前，國(guó)內(nèi)外一些發(fā)展較快的煤礦企業(yè)已經(jīng)得到了實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。

第二階段是建立煤礦智能化頂層架構(gòu)體系，將高新技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，真正做到生產(chǎn)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、管理等各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)相互配合的智能化和無(wú)人化。通過(guò)感知層各種大量高精度傳感器的采集[3]，將井下一線生產(chǎn)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等通過(guò)智能化體系的傳輸層傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，再將大量井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯總，經(jīng)過(guò)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)清洗、預(yù)處理和數(shù)據(jù)挖掘、分析預(yù)測(cè)后，工作人員對(duì)井下設(shè)備的狀態(tài)做出實(shí)時(shí)控制和提前調(diào)整，重點(diǎn)區(qū)域的安全監(jiān)測(cè)進(jìn)行預(yù)警，以達(dá)到安全高效生產(chǎn)的目的。同時(shí)，通過(guò)井下專(zhuān)用機(jī)器人的大規(guī)模應(yīng)用和生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦井的無(wú)人化運(yùn)行。

第三階段要將各個(gè)智能管理系統(tǒng)高度集成并進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，通過(guò)引入人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，真正形成一個(gè)自動(dòng)開(kāi)采，自主學(xué)習(xí)，智能分析，智慧決策[5]的智慧礦井。所有設(shè)備均可以互聯(lián)互通，真正實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，全礦井無(wú)人化作業(yè)。本階段不再是單一的數(shù)據(jù)顯示和畫(huà)面的回傳，再由人工操作的弱智能化，而是具備能夠自主決策的強(qiáng)人工智能，智能程度大幅提高，內(nèi)部多系統(tǒng)能夠統(tǒng)一管理和調(diào)度。

1.3 “雙碳”對(duì)于智慧礦山建設(shè)的要求

“十四五”規(guī)劃綱要提出我國(guó)力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?；凇半p碳”目標(biāo)的要求，我國(guó)正進(jìn)行著一場(chǎng)聲勢(shì)浩大、影響深遠(yuǎn)的能源革命。在這一大趨勢(shì)下，盡管煤炭作為我國(guó)的支柱能源地位不會(huì)改變，但在一定程度上也將需要煤炭企業(yè)加快綠色低碳、無(wú)人減人的安全高效轉(zhuǎn)型，而智慧礦山的建設(shè)正是契合了我國(guó)能源革命發(fā)展的需求，重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面體現(xiàn)。

一是煤炭綠色開(kāi)采方面，對(duì)深部煤巖應(yīng)力場(chǎng)、采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)及裂隙演化規(guī)律、頂板移動(dòng)、圍巖變形、動(dòng)力沖擊等理論要進(jìn)一步開(kāi)展研究，尤其對(duì)厚煤層大采高工作面上覆巖層的移動(dòng)規(guī)律要加大研究力度。同時(shí)，要大力推進(jìn)充填機(jī)理和充填材料的研究，力求更有效率的控制地表沉陷；二是煤礦重大災(zāi)害防治方面，對(duì)煤與瓦斯突出、瓦斯壓力、煤巖力學(xué)性質(zhì)、突出機(jī)理、礦井自燃、井下通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化等等應(yīng)加大研究力度；三是對(duì)于井下人員需求、減員增效方面要進(jìn)一步研究。上述問(wèn)題均可通過(guò)智能化技術(shù)完成，如研究上覆巖層變形規(guī)律、預(yù)測(cè)頂板活動(dòng)和瓦斯突出等問(wèn)題，可通過(guò)礦山傳感技術(shù)取得大量數(shù)據(jù)構(gòu)建“數(shù)據(jù)庫(kù)”；根據(jù)不同機(jī)理利用數(shù)學(xué)方法建立數(shù)學(xué)模型，形成“模型庫(kù)”；再通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，將大量基本理論和知識(shí)輸入計(jì)算機(jī)，形成“知識(shí)庫(kù)”；在進(jìn)行具體機(jī)理和災(zāi)害預(yù)測(cè)時(shí)通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專(zhuān)家預(yù)測(cè)等手段形成“方法庫(kù)”，通過(guò)構(gòu)建此“四庫(kù)”，就能完成智慧礦山的決策系統(tǒng)模型 的建立，可高效開(kāi)展各類(lèi)理論和災(zāi)害預(yù)測(cè)的實(shí)踐工作。

對(duì)于我國(guó)絕大多數(shù)煤炭企業(yè)來(lái)說(shuō)，智慧礦山建設(shè)還處于第一階段，礦井整體智慧化程度不高，更多的是在自動(dòng)化層面上的改進(jìn)和優(yōu)化，且井下設(shè)備生產(chǎn)廠商的參數(shù)和接口沒(méi)有統(tǒng)一的約束和規(guī)范，總體建設(shè)也處在摸索中，沒(méi)有一個(gè)具體的道路，這為第二階段智能化技術(shù)改造增加了阻礙。從第一階段向第二階段邁進(jìn)，從單點(diǎn)智能向單面智能邁進(jìn)直至最終建成智慧礦井，關(guān)鍵在于如何利用好物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，但并不是將二者簡(jiǎn)單的堆砌，而應(yīng)是有機(jī)的結(jié)合，如何利用好這些數(shù)據(jù)，如何從海量枯燥的數(shù)據(jù)中提取出有用的信息，是我們接下來(lái)建設(shè)需要重點(diǎn)思考的問(wèn)題。

1.4 智慧礦山的總體構(gòu)架

智慧礦山的實(shí)質(zhì)就是利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)等現(xiàn)代化技術(shù)與傳統(tǒng)礦山進(jìn)行深度融合，實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)、安全監(jiān)測(cè)、管理等方面的自主化運(yùn)行。我國(guó)學(xué)者認(rèn)為智慧礦山就是數(shù)字化礦山的升級(jí)和升華，傳統(tǒng)礦山就通過(guò)與現(xiàn)代化信息技術(shù)相融合得到質(zhì)的飛躍。李首濱等提出智能化開(kāi)采體系可分為四個(gè)階段和四層構(gòu)架，包括執(zhí)行層、感知層、控制層和分析決策層關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)架[12]；譚章祿等提出了智能礦山的“四橫三縱”，即應(yīng)用層、數(shù)據(jù)及應(yīng)用支撐層、網(wǎng)絡(luò)通信層和感知層構(gòu)成“四橫”，信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化體系、管理運(yùn)行維護(hù)體系和信息安全體系構(gòu)成“三縱”[13]；姜德義等提出智慧礦山是以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)構(gòu)架為基礎(chǔ)，面向智慧礦山應(yīng)用的邊緣云協(xié)同計(jì)算技術(shù)構(gòu)架，以“非實(shí)時(shí)、長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)決策數(shù)據(jù)”和“實(shí)時(shí)性、短周期數(shù)據(jù)、本地決策”兩類(lèi)數(shù)據(jù)從架構(gòu)層面進(jìn)行分類(lèi)處理，形成新的邊緣云協(xié)同計(jì)算體系，從頂層設(shè)計(jì)層面保證了智慧礦井的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[14]；王國(guó)法等基于我國(guó)煤礦智能化初級(jí)階段的發(fā)展要求，開(kāi)展了煤礦智能化技術(shù)體系研究和工程建設(shè)并進(jìn)行了以“礦山即平臺(tái)”的智能礦山頂層設(shè)計(jì)[3]；張建中等針對(duì)智慧礦山建設(shè)過(guò)程中存在的信息孤島、數(shù)據(jù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)信息安全等問(wèn)題，分析了智慧礦山建設(shè)技術(shù)構(gòu)架現(xiàn)狀并提出了智慧礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備層、邊緣層、企業(yè)層和產(chǎn)業(yè)層的四層構(gòu)架體系[15]。

物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)智慧礦山的基礎(chǔ)，其技術(shù)主要包括射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)、傳感技術(shù)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IOT)、無(wú)線傳感網(wǎng)、5G技術(shù)、藍(lán)牙通信和ZigBee技術(shù)等。大數(shù)據(jù)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智慧礦山的途徑。礦井在進(jìn)行生產(chǎn)、安全監(jiān)測(cè)、管理等方面會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，如何高效處理體量龐大的數(shù)據(jù)關(guān)系到礦山能否安全高效運(yùn)行。從生產(chǎn)角度來(lái)講，采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)等會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，處理并利用好這些數(shù)據(jù)可直接有效提高礦井產(chǎn)量；從安全角度來(lái)講，井下需要對(duì)各類(lèi)安全隱患進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控，如以瓦斯為代表的有毒有害氣體的監(jiān)測(cè)、頂板地壓的監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、風(fēng)速監(jiān)測(cè)、水火監(jiān)測(cè)等，實(shí)時(shí)掌控該類(lèi)數(shù)據(jù)可有效保障礦井生產(chǎn)安全；從管理角度來(lái)講，利用好大數(shù)據(jù)技術(shù)可大大提高生產(chǎn)和安全管理的效率，也是建設(shè)安全高效礦井的必然要求。云平臺(tái)可有效提高智慧礦山的建設(shè)成本，通過(guò)云計(jì)算技術(shù)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、層次分析、灰色理論等實(shí)現(xiàn)礦山的智能化決策。

綜上所述，智慧礦山是以物理網(wǎng)為基礎(chǔ)，大數(shù)據(jù)技術(shù)為途徑，通過(guò)云計(jì)算實(shí)施高效管理和決策的智能層次化、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)?；谖锫?lián)網(wǎng)OSI七層模型和Hadoop生態(tài)大數(shù)據(jù)技術(shù)架構(gòu)，提出以下四層框架體系，自下而上分別是物理感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層、應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 智慧礦山總體框架

2 山西省智慧礦山建設(shè)現(xiàn)狀及礦山智能化關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能化礦山建設(shè)現(xiàn)狀

2020年12月17日，山西省能源局、發(fā)改委、工信廳、應(yīng)急廳聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于印發(fā)<2021年全省深入推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)工作方案>的通知》，2021年將推動(dòng)山西省1000個(gè)智能化采掘工作面的建設(shè)，拓展智能化應(yīng)用場(chǎng)景，全面推進(jìn)煤礦固定場(chǎng)所無(wú)人值守，關(guān)鍵環(huán)節(jié)機(jī)器人代替，實(shí)現(xiàn)智能化采煤工作面減人60%，單班入井人數(shù)減少10%～20%，建設(shè)210處智能化綜采工作面，推動(dòng)790處掘進(jìn)工作面智能化建設(shè)，所有井下固定硐室力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，所有90萬(wàn)t以上礦井膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中控制，推進(jìn)膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人巡檢。

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山礦作為智能化建設(shè)礦井的標(biāo)桿，已逐步構(gòu)建起包括一大平臺(tái)、十大系統(tǒng)、27個(gè)子系統(tǒng)的智能操作系統(tǒng)，涵蓋全礦井除生產(chǎn)以外的各類(lèi)實(shí)時(shí)安全數(shù)據(jù)，建成3個(gè)智能化綜采工作面、1個(gè)智能化掘進(jìn)工作面和12個(gè)無(wú)人值守場(chǎng)所，并開(kāi)發(fā)應(yīng)用了井下膠帶、泵房、變電所巡檢等智能機(jī)器人，初步構(gòu)建了“全面感知、5G傳輸、自主決策、協(xié)同控制”的智能化礦山建設(shè)新模式；潞安化工集團(tuán)新元煤炭有限責(zé)任公司作為突出礦井，在2012年開(kāi)始探索智能化礦井建設(shè)，目前綜采工作面、固定膠帶運(yùn)輸、井下供電、礦井排水等系統(tǒng)減少操作人員321人，實(shí)現(xiàn)了安全和效益的雙提升。其智能化建設(shè)主要內(nèi)容包括建設(shè)“一張網(wǎng)”、打造“一個(gè)中心”、搭建“全礦井智能生態(tài)”三大部分實(shí)現(xiàn)礦井智能化；山西焦煤集團(tuán)西山馬蘭礦智能化礦井建設(shè)形成了以“一個(gè)有線無(wú)線相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)、一個(gè)云數(shù)據(jù)中心、一個(gè)管控平臺(tái)和多個(gè)子系統(tǒng)于一體的智能化煤礦”。

2.2 山西省智慧礦山建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)于2020年10月發(fā)布公告，批準(zhǔn)了《智能化煤礦(井工)分類(lèi)、分級(jí)技術(shù)條件與評(píng)價(jià)》(T/CCS 01—2020)標(biāo)準(zhǔn)和《智能化采煤工作面分類(lèi)、分級(jí)技術(shù)條件與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》(T/CCS 002—2020)標(biāo)準(zhǔn)。智能化煤礦評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的整體構(gòu)架分為一類(lèi)煤礦、二類(lèi)煤礦和三類(lèi)煤礦，每類(lèi)煤礦又分為初級(jí)智能化煤礦、中級(jí)智能化煤礦和高級(jí)智能化煤礦。山西省作為典型的大型煤炭基地，應(yīng)全面進(jìn)行智能化升級(jí)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、安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控全面覆蓋、井下硐室實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，形成基于綜合管控平臺(tái)的智能一體化管控。

對(duì)于生產(chǎn)礦井而言，應(yīng)根據(jù)礦井實(shí)際情況，包括地質(zhì)條件、基礎(chǔ)建設(shè)、任務(wù)目標(biāo)等提出智能化升級(jí)改造方案，主要從已有生產(chǎn)系統(tǒng)、安全監(jiān)控、企業(yè)管理等方面實(shí)施從下到上的智能化升級(jí)；對(duì)于新建礦井，則要從頂層設(shè)計(jì)開(kāi)始進(jìn)行智能化規(guī)劃，嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，高起點(diǎn)、高要求、高水平進(jìn)行礦井智能化設(shè)計(jì)，從上到下分階段分步驟開(kāi)展智能礦井建設(shè)。

2.2.1 礦井網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

礦井物聯(lián)網(wǎng)是智慧礦井的基礎(chǔ)，主要包括井下組網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、管理平臺(tái)等。根據(jù)目前山西省各大礦業(yè)集團(tuán)發(fā)展情況，應(yīng)大力開(kāi)展基于5G的礦井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，同時(shí)輔以藍(lán)牙、ZigBee、RFID等建設(shè)井下網(wǎng)絡(luò)傳輸層，提升礦井無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施兼容水平，提高智慧礦井各系統(tǒng)的綜合感知能力；數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)井下數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、傳輸、儲(chǔ)存和訪問(wèn)?？筛鶕?jù)礦山企業(yè)實(shí)際建立多級(jí)數(shù)據(jù)服務(wù)中心，并通過(guò)各類(lèi)數(shù)字模型和專(zhuān)家系統(tǒng)形成模型庫(kù)和知識(shí)庫(kù)，為綜合決策平臺(tái)提供依據(jù)；管理平臺(tái)主要是進(jìn)行多部門(mén)、各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的集中應(yīng)用、交互共享和決策支持，在礦井生產(chǎn)和管理的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括地質(zhì)勘探、巷道掘進(jìn)、煤炭開(kāi)采、各類(lèi)運(yùn)輸、通風(fēng)安全、電液供應(yīng)等方面實(shí)行智能分析和決策，通過(guò)調(diào)度指揮中心、邊緣計(jì)算中心、光纖環(huán)網(wǎng)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的綜合利用，真正實(shí)現(xiàn)井下生產(chǎn)、人員監(jiān)控、災(zāi)害防治、綜合管理的智能化。

2.2.2 礦井智能地質(zhì)系統(tǒng)

基于“透明地質(zhì)”技術(shù)，山西省應(yīng)建設(shè)覆蓋全省礦山的高精度地質(zhì)模型，整合各集團(tuán)礦山地質(zhì)資料，通過(guò)地質(zhì)數(shù)據(jù)推演、地質(zhì)數(shù)據(jù)多元復(fù)用、地質(zhì)數(shù)據(jù)智能更新等方法，建立實(shí)時(shí)更新的地質(zhì)與工程數(shù)據(jù)高精度融合的“數(shù)字孿生”模型，實(shí)現(xiàn)在礦井生成過(guò)程中的智能探測(cè)技術(shù)并為礦井開(kāi)拓、準(zhǔn)備和回采過(guò)程進(jìn)行地質(zhì)智能決策，為安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

2.2.3 智能化生產(chǎn)系統(tǒng)

目前，山西省共有各類(lèi)煤礦909座，正常生產(chǎn)礦井637座，產(chǎn)量約為10.63億t，約占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的22%。按照山西省《2021年度全省深入推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)工作方案》的要求，2021年要推動(dòng)全省1000個(gè)智能化采掘工作面的建設(shè)，其中建設(shè)210處智能化綜采工作面，790處智能化掘進(jìn)工作面。拓展智能化應(yīng)用場(chǎng)景，關(guān)鍵環(huán)節(jié)機(jī)器替人，實(shí)現(xiàn)智能化采煤工作面減人60%，全省井工煤礦單班入井人數(shù)減少10%～20%。基于此背景下，煤礦井下智能生產(chǎn)系統(tǒng)的構(gòu)建勢(shì)在必行。

對(duì)于綜采工作面，“三機(jī)”智能化是實(shí)現(xiàn)智慧礦山的前提，采煤機(jī)重點(diǎn)解決煤巖識(shí)別、自適應(yīng)割煤等技術(shù)。通過(guò)工作面視頻監(jiān)控技術(shù)，利用高清攝像儀，實(shí)時(shí)跟蹤采煤機(jī)滾筒軌跡，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，通過(guò)煤巖識(shí)別數(shù)據(jù)收集，完成采煤機(jī)割煤的智能決策；液壓支架通過(guò)監(jiān)測(cè)工作面頂板壓力、角度、自身姿態(tài)、采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等實(shí)時(shí)調(diào)整跟機(jī)位置，通過(guò)數(shù)據(jù)收集和分析，自主進(jìn)行斜切進(jìn)刀、跟機(jī)作業(yè)、清理浮煤、護(hù)幫等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)；刮板輸送機(jī)作為工作面的輸送裝置和采煤機(jī)的運(yùn)行軌道，與采煤機(jī)和液壓支架形成“一體化”，保證工作面的“三平一直”，同時(shí)，利用其自身的傳感器，感知運(yùn)輸煤量數(shù)據(jù)、識(shí)別煤量沿刮板的分布、轉(zhuǎn)載點(diǎn)高度等，實(shí)現(xiàn)智能感知并通過(guò)遠(yuǎn)程集控中心完成工作面煤炭的開(kāi)采和運(yùn)輸。在運(yùn)輸巷階段，重點(diǎn)對(duì)于帶式輸送機(jī)防跑偏實(shí)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)感知膠帶位置和載荷，保證帶式輸送機(jī)連續(xù)、可靠、高效運(yùn)行。

2.2.4 智能化通風(fēng)安全系統(tǒng)

山西省煤炭資源儲(chǔ)量豐富，從晉北到晉南煤質(zhì)多樣，瓦斯含量也不同。晉北地區(qū)整體煤層內(nèi)瓦斯含量低，平均瓦斯含量在5m3/t，瓦斯災(zāi)害較弱；晉東部陽(yáng)泉地區(qū)礦井瓦斯含量高，瓦斯災(zāi)害較嚴(yán)重，平均含量在5.28～21.73m3/t，整體透氣性低；晉中太原西山、左權(quán)等區(qū)域突出問(wèn)題較嚴(yán)重，瓦斯含量在5～18m3/t；晉東南潞安、晉煤區(qū)域，瓦斯含量分別在5～15m3/t和8～26m3/t；晉西運(yùn)城、臨汾地區(qū)瓦斯災(zāi)害較弱，含量為5m3/t；晉西汾西、呂梁地區(qū)瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重，含量為15m3/t。

根據(jù)山西省不同區(qū)域煤層瓦斯情況，在進(jìn)行智能通風(fēng)時(shí)應(yīng)針對(duì)瓦斯含量進(jìn)行分類(lèi)，在保障礦井安全生產(chǎn)的前提下，通過(guò)各類(lèi)風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度、瓦斯、二氧化碳、二氧化硫、硫化氫等傳感器，對(duì)井下空氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在通過(guò)各類(lèi)傳感器監(jiān)測(cè)氣體參量和濃度時(shí)務(wù)必注意準(zhǔn)確度，保證數(shù)據(jù)的高效準(zhǔn)確；在進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)注意不同煤層、不同區(qū)域之間的風(fēng)量的合理調(diào)配，讓采、掘工作面能自適應(yīng)調(diào)風(fēng)；在整個(gè)礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中要重點(diǎn)注意隱患識(shí)別，如瓦斯、二氧化碳、硫化氫等有毒有害氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并通過(guò)大數(shù)據(jù)分析及云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)井下通風(fēng)系統(tǒng)的智能調(diào)配及有毒有害氣體的處置。

2.2.5 礦山綠色開(kāi)采系統(tǒng)

礦井綠色開(kāi)采主要是指在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，最大限度的開(kāi)采煤炭資源和伴生資源，并且將煤炭開(kāi)采對(duì)地表生態(tài)環(huán)境、地下水源的影響、破壞降至最低，實(shí)現(xiàn)資源效益、生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的和諧統(tǒng)一[14]。要實(shí)現(xiàn)礦井的綠色開(kāi)采，應(yīng)重視煤炭開(kāi)采全生命周期的綠色服務(wù)。具體而言，采前重視科學(xué)規(guī)劃、綠色先導(dǎo)、采治同步，采中注意不沉陷技術(shù)、敏感區(qū)開(kāi)采等難點(diǎn)，采后重視承載力修復(fù)、復(fù)綠復(fù)墾等。針對(duì)山西不同煤層賦存條件，選擇相適應(yīng)的采掘技術(shù)和相應(yīng)裝備，安全、高效、綠色的采出煤炭資源，最大程度的減少對(duì)自然環(huán)境的影響。

礦山生態(tài)環(huán)境再造也是礦山綠色開(kāi)采的重要一環(huán)，根據(jù)不同區(qū)域的環(huán)境與生態(tài)現(xiàn)狀進(jìn)行規(guī)劃，通過(guò)人工修復(fù)技術(shù)與自然界的自修復(fù)作用一起，實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)防治到主動(dòng)治理，山西屬資源富集區(qū)，煤炭開(kāi)采強(qiáng)度大，采用先進(jìn)方法對(duì)水資源和生態(tài)特征進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查分析，分析它們與煤礦開(kāi)采之間的關(guān)系，使開(kāi)采對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響降到極致。對(duì)開(kāi)采后的土地進(jìn)行復(fù)墾，恢復(fù)增強(qiáng)地表生態(tài)環(huán)境，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)。

3 智慧礦山建設(shè)中面臨的問(wèn)題

1)就山西省而言，智慧礦山的建設(shè)處在起步階段，國(guó)家雖然出臺(tái)了一些標(biāo)準(zhǔn)、指南等但針對(duì)不同省份、地區(qū)就礦山具體設(shè)計(jì)、驗(yàn)收等缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)性文件。

2)各個(gè)集團(tuán)及礦井地質(zhì)條件不同，開(kāi)采條件千差萬(wàn)別，開(kāi)采工藝參差不齊，礦井智能化建設(shè)和發(fā)展極不均衡。

3)智慧礦山的建設(shè)需要大量專(zhuān)業(yè)人才，而智能采礦專(zhuān)業(yè)屬于交叉學(xué)科，在進(jìn)行智慧礦山建設(shè)時(shí)需要大量煤炭開(kāi)采、信息技術(shù)、企業(yè)管理等知識(shí)的復(fù)合型高新技術(shù)人才，具有采礦專(zhuān)業(yè)和信息技術(shù)專(zhuān)業(yè)背景的復(fù)合型人才儲(chǔ)備不足。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)細(xì)化行業(yè)頂層設(shè)計(jì)，形成統(tǒng)一建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。在推進(jìn)智慧礦山建設(shè)中，要進(jìn)一步細(xì)化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范各類(lèi)智能化參數(shù)、接口、協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，為后期統(tǒng)一管理打好基礎(chǔ)。同時(shí)，推進(jìn)部屬技術(shù)支撐保障力量、教學(xué)科研力量整合，加強(qiáng)與相關(guān)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外知名高效、科研院所及信息技術(shù)領(lǐng)軍企業(yè)的長(zhǎng)期穩(wěn)定合作，彌補(bǔ)省內(nèi)企業(yè)自身力量不足。

2)加強(qiáng)先進(jìn)技術(shù)融合，加速礦井智能化進(jìn)程。推進(jìn)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)等新一代信息技術(shù)與智慧礦井深度融合集成，在省內(nèi)開(kāi)展創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用示范工程，樹(shù)立行業(yè)標(biāo)桿，推進(jìn)交叉學(xué)科的技術(shù)融合。

3)加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)人才培育，建設(shè)創(chuàng)新型技術(shù)團(tuán)隊(duì)。在行業(yè)內(nèi)強(qiáng)化學(xué)術(shù)交流，大力推進(jìn)省內(nèi)礦山企業(yè)與相關(guān)科研院所的合作，組織人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)研究，組織實(shí)施重大專(zhuān)項(xiàng)與重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，營(yíng)造創(chuàng)新氛圍，支持科技成果的應(yīng)用轉(zhuǎn)化，不斷提礦山管理人員和技術(shù)人員運(yùn)用數(shù)據(jù)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，加強(qiáng)全員信息化素質(zhì)培訓(xùn)教育，建設(shè)復(fù)合型、創(chuàng)新型核心人才隊(duì)伍。