王國法 龐義輝 任懷偉

(1.中國煤炭科工集團(tuán)有限公司,北京 100013;2.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013)

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(huì)、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(huì)、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(tái)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 智慧礦山建設(shè)內(nèi)涵與共性難題

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(dòng)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(shí)、要求等變成系統(tǒng)決策的依據(jù),提高決策水平,降低勞動(dòng)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(dòng)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(tái)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(dòng)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(dòng)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(dòng)強(qiáng)度,推動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(tái)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(shí)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(shí)圖譜,智能化綜合管控平臺(tái)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(tái)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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 智能化煤礦技術(shù)體系研究與實(shí)踐

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。

圖1 智能化煤礦技術(shù)體系架構(gòu)Fig.1 Framework of intelligence coal mine technology system

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(tái)、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(chǔ)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(tái)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(dòng)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(tái),該平臺(tái)主要包括技術(shù)平臺(tái)、業(yè)務(wù)平臺(tái)、數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái),工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對感知信息進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、分析、分類存儲(chǔ)等,并將分析結(jié)果上傳至煤礦智能化綜合管控平臺(tái),由綜合管控平臺(tái)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。

圖2 煤礦智能化建設(shè)技術(shù)架構(gòu)Fig.2 Technical framework for intelligence coal mine construction

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(tái)、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。

圖3 智能化煤礦標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)Fig.3 Framework of smart coal mine standard system

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。

生產(chǎn)煤礦進(jìn)行智能化升級改造可以分為3個(gè)步驟進(jìn)行:首先,根據(jù)煤礦實(shí)際情況與建設(shè)需求,對具體業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)與裝備升級,提高單個(gè)設(shè)備、系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化水平,并逐步實(shí)現(xiàn)核心裝備控制系統(tǒng)國產(chǎn)化安全可信、自主可控;其次,開展網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、數(shù)據(jù)中心等升級改造,匯聚生產(chǎn)工藝、環(huán)境過程信息等;最后,通過大數(shù)據(jù)、人工智能等建立相關(guān)業(yè)務(wù)智能工作流,再進(jìn)行系統(tǒng)的整體集成,實(shí)現(xiàn)基于智能化綜合管控平臺(tái)的一體化智能協(xié)同管控,其技術(shù)路徑如圖4所示。

新建礦井應(yīng)根據(jù)礦井的地質(zhì)條件與建設(shè)目標(biāo),按照“基礎(chǔ)系統(tǒng)全兼容—業(yè)務(wù)系統(tǒng)全關(guān)聯(lián)—裝備系統(tǒng)高可靠—數(shù)據(jù)應(yīng)用多場景”的思路,在礦井設(shè)計(jì)中對煤礦智能化進(jìn)行專題設(shè)計(jì),按照高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)、高水平進(jìn)行智能化煤礦建設(shè),應(yīng)涵蓋信息基礎(chǔ)設(shè)施、智能化生產(chǎn)系統(tǒng)、智能化安全管控系統(tǒng)、智能化綜合管理系統(tǒng)等,明確階段任務(wù)目標(biāo)及驗(yàn)收指標(biāo),分步分階段開展智能化煤礦建設(shè),其技術(shù)路徑與技術(shù)架構(gòu)如圖5所示。

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(tái)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(tái)等,形成完整的智能化煤礦安全高效運(yùn)維體系。

基于我國煤層賦存條件多樣性與建設(shè)基礎(chǔ)的不均衡性,提出了不同煤層條件智能化煤礦的重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容如下:

(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(tái),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(dòng)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(chǔ)、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1000m,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(tái)與應(yīng)急管理平臺(tái),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(tái),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(dòng)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500m,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(tái)與應(yīng)急管理平臺(tái),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(tái),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(tái)與應(yīng)急管理平臺(tái),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(huì)、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1000萬t,建成了“1+9”(1個(gè)智能化綜合管控平臺(tái),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(tái)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(dòng)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(dòng)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(dòng),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(dòng)截割技術(shù),與4DGIS系統(tǒng)融合實(shí)現(xiàn)了按地質(zhì)模板自動(dòng)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(tái)掘錨一體機(jī)三維可視化遠(yuǎn)程集控平臺(tái),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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)和專項(xiàng)辨識(shí)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(shí),支持辨識(shí)報(bào)告的導(dǎo)入。形成了具備風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)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(tái),采用統(tǒng)一開發(fā)/運(yùn)維平臺(tái)(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(tái)化”思想,圍繞監(jiān)測實(shí)時(shí)化、控制自動(dòng)化、管理信息化、業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)自動(dòng)化、知識(shí)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1500萬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(tái)、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(dòng)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(tái)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(tái)。

巴拉素煤礦智能化管控平臺(tái)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(tái)接入點(diǎn)將增加50000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5ms,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。

3 智慧礦山高質(zhì)量發(fā)展路徑

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(dòng)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(tái)、國家能源交易監(jiān)管平臺(tái),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(tái),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(tái),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(tái),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?；谛乱淮畔⒓夹g(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(tái)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(chǔ)、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(tái)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(dòng)、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(tái)專項(xiàng)資金,推動(dòng)國家級礦業(yè)安全生產(chǎn)與交易智能化平臺(tái)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(tái)智能化改造。從省級層面出臺(tái)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(huì)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。