高級(jí)智能化煤礦建設(shè)發(fā)展思考

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毛善君,陳華州,劉海濱,等.高級(jí)智能化煤礦建設(shè)發(fā)展思考[J].中國(guó)煤炭,2025,51(1):165-180.DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2025.01.018

MAO Shanjun，CHEN Huazhou，LIU Haibin，et al.Thoughts on the development of advanced intelligent coal mine construction[J].China Coal,2025,51(1):165-180.DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2025.01.018

論文概要

目前，煤礦智能化建設(shè)已經(jīng)取得了階段性重大應(yīng)用成果，但仍處于初級(jí)或中級(jí)智能化水平，存在系統(tǒng)性和實(shí)用性等問題，智能化礦山建設(shè)步入深水區(qū)，高級(jí)智能化礦井建設(shè)勢(shì)在必行。本文在分析智能化煤礦建設(shè)存在問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合科學(xué)采礦、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、時(shí)空智能、大數(shù)據(jù)分析、智能制造和工業(yè)控制等技術(shù)，詳細(xì)闡述了高級(jí)智能化礦井建設(shè)“六體系、六化、兩模式或平臺(tái)、六鏈流”的“6626工程”，并對(duì)高級(jí)智能化礦井建設(shè)分類、建設(shè)思路、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述?！傲w系”包括標(biāo)準(zhǔn)體系、技術(shù)體系、裝備體系、管理體系、培訓(xùn)體系和服務(wù)體系；“六化”包括裝備智能化、地測(cè)透明化、分析在線化、控制協(xié)同化、智能系統(tǒng)化、生產(chǎn)綠色化；“兩模式”包括基于透明化地測(cè)保障的智能化協(xié)同管控平臺(tái)及應(yīng)用系統(tǒng)和基于精確時(shí)空信息的礦井采掘工作面少人或無(wú)人自適應(yīng)截割協(xié)同管控平臺(tái)及應(yīng)用系統(tǒng)；“六鏈流”包括煤鏈流、電鏈流、風(fēng)鏈流、水鏈流、物鏈流和綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)鏈流。高級(jí)智能化礦井建設(shè)的“6626工程”為智能化煤礦建設(shè)成功涉過深水區(qū)和可持續(xù)發(fā)展提供一種可行的路徑和技術(shù)支撐。

作者簡(jiǎn)介

毛善君，男，1964年8月生，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，北京大學(xué)鄂爾多斯能源研究院首席科學(xué)家，北京龍軟科技股份有限公司董事長(zhǎng)，國(guó)家科技部2018年度科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才，北京市安全生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)W科帶頭人，主要從事地理信息系統(tǒng)教學(xué)及智能化煤礦科研及應(yīng)用工作?，F(xiàn)為國(guó)際數(shù)字地球?qū)W會(huì)（ISDE）中國(guó)國(guó)家委員會(huì)數(shù)字能源專業(yè)委員會(huì)副主任、國(guó)家礦山安全監(jiān)察局智能化建設(shè)專家委員會(huì)科技攻關(guān)分委會(huì)委員、智能采礦裝備技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室咨詢委員、中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)信息化分會(huì)第五屆理事會(huì)副會(huì)長(zhǎng)和中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)數(shù)學(xué)地質(zhì)與地學(xué)信息專業(yè)委員會(huì)副主任委員。負(fù)責(zé)或參與國(guó)家級(jí)課題7項(xiàng)（十二五、十三五、十四五），在國(guó)內(nèi)外重要刊物或會(huì)議發(fā)表論文180多篇，授權(quán)國(guó)內(nèi)外發(fā)明專利60多項(xiàng)，出版專著5部，獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、行業(yè)協(xié)會(huì)或省部級(jí)一等獎(jiǎng)13項(xiàng)，多篇論文獲“領(lǐng)跑者5000——中國(guó)精品科技期刊頂尖學(xué)術(shù)論文”（F5000）。

主要內(nèi)容

我國(guó)智能化煤礦建設(shè)成果豐碩,極大地促進(jìn)了煤炭工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展,也為更高層次的智能化煤礦建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，已建成的智能化礦井仍然處于初級(jí)或中級(jí)水平,其系統(tǒng)性、集成性、實(shí)用性與行業(yè)或生產(chǎn)礦井管理及技術(shù)人員的預(yù)期存在一定的差距。

首先，詳細(xì)分析了初級(jí)或中級(jí)智能化礦井存在的問題。主要問題包括：裝備智能化整體功能弱；地測(cè)系統(tǒng)透明化、實(shí)用化程度低；分析在線化實(shí)時(shí)性不強(qiáng);控制協(xié)同化關(guān)聯(lián)性少；人才高科技化比例太低；智能系統(tǒng)化還未形成；綠色低碳開采技術(shù)尚未與智能化系統(tǒng)深度融合。基于此，提出了建設(shè)高級(jí)智能化煤礦（Advanced Intelligent Coal Mine，簡(jiǎn)稱AIC）的目標(biāo)，并對(duì)其內(nèi)涵進(jìn)行了定義：將時(shí)空智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)控制、機(jī)器人化裝備等與現(xiàn)代礦山開發(fā)技術(shù)深度融合，形成全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、自主學(xué)習(xí)、超前預(yù)測(cè)、動(dòng)態(tài)決策、協(xié)同控制的集成智能化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井探測(cè)、開拓、采掘、運(yùn)通、分選、安全、生態(tài)、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理等全過程軟硬件系統(tǒng)的智能化、常態(tài)化自主運(yùn)行。

其次，提出了解決目前智能化煤礦建設(shè)和應(yīng)用存在問題的路徑，即“北大-龍軟”高級(jí)智能化礦井建設(shè)模式（簡(jiǎn)稱“6626工程”），并對(duì)6626工程結(jié)構(gòu)、管控總體架構(gòu)以及“六體系”“六化”“兩模式或兩平臺(tái)”和“六鏈流”的具體內(nèi)容進(jìn)行了闡述。其中，“兩模式或兩平臺(tái)”是高級(jí)智能化管控的重要基礎(chǔ)，涉及的部分技術(shù)具有原創(chuàng)性和實(shí)用性：（1）基于透明化地測(cè)保障的智能化綜合協(xié)同管控模式或平臺(tái)：通過實(shí)現(xiàn)精細(xì)化高精度三維透明地測(cè)模型與“六鏈流”管控、災(zāi)害防治、安全決策的深度實(shí)時(shí)融合和應(yīng)用，提高管控效率和預(yù)測(cè)精度，確保安全生產(chǎn)；（2）基于精確時(shí)空信息的礦井采掘工作面少人或無(wú)人自適應(yīng)截割管控模式或平臺(tái)：包括“透明化地測(cè)模型+自動(dòng)調(diào)平陀螺全站儀精確定位+數(shù)字孿生管控+矢量空間視頻流”四大關(guān)鍵技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)煤礦采掘工作面的精準(zhǔn)遠(yuǎn)程控制、沉浸式巡檢及無(wú)人化生產(chǎn)目標(biāo)提供了高科技保障。數(shù)字孿生和矢量空間視頻流，將實(shí)現(xiàn)對(duì)采掘工作面實(shí)時(shí)安全生產(chǎn)信息的遠(yuǎn)程相互印證和相互補(bǔ)充。

再次，對(duì)高級(jí)智能化煤礦進(jìn)行了分級(jí)分類。（1）初等級(jí)高級(jí)智能化礦井（AIC1），主要特點(diǎn)包括：有氧生產(chǎn)場(chǎng)所；裝備智能化，主要是對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的改造，部分創(chuàng)新性設(shè)備；地測(cè)透明化，地質(zhì)數(shù)據(jù)整體精度在60%~90%之間；分析在線化，大數(shù)據(jù)和簡(jiǎn)單智能分析；控制協(xié)同化，自適應(yīng)協(xié)同控制比例為60%~90%；智能系統(tǒng)化，智能化程度在50%左右；生產(chǎn)綠色化，整體在50%左右；實(shí)現(xiàn)部分生產(chǎn)場(chǎng)所無(wú)人，采掘面少人或無(wú)人，人的交互式作用很關(guān)鍵，部分機(jī)器人發(fā)揮作用。（2）中等級(jí)高級(jí)智能化礦井(AIC2)，主要特點(diǎn)包括：有氧生產(chǎn)場(chǎng)所；裝備智能化，主要是新設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)，部分老舊設(shè)備的改造；地測(cè)透明化，地質(zhì)數(shù)據(jù)整體精度在90%以上；分析在線化，系統(tǒng)性的智能分析；控制協(xié)同化，自適應(yīng)協(xié)同控制比例為100%；智能系統(tǒng)化，智能化程度大于90%；生產(chǎn)綠色化，整體在90%左右；實(shí)現(xiàn)包括采掘面在內(nèi)的主要生產(chǎn)場(chǎng)所少人或無(wú)人，人和機(jī)器人的作用同等重要。（3）高等級(jí)高級(jí)智能化礦井(AIC3)，主要特點(diǎn)包括：無(wú)氧生產(chǎn)場(chǎng)所；主要是機(jī)器人和少量的穿戴采礦服的采礦員；裝備智能化，主要是創(chuàng)新性設(shè)備；地測(cè)透明化，地質(zhì)數(shù)據(jù)整體精度為95%以上；分析在線化，系統(tǒng)性智能分析；控制協(xié)同化，自適應(yīng)協(xié)同控制比例為100%；智能系統(tǒng)化，智能化程度達(dá)100%；生產(chǎn)綠色化，整體達(dá)100%；實(shí)現(xiàn)包括采掘面在內(nèi)的主要生產(chǎn)場(chǎng)所無(wú)人，機(jī)器人巡檢和操控為主、采礦員為輔。

最后，對(duì)高級(jí)智能化煤礦的建設(shè)思路、技術(shù)路線以及經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益進(jìn)行了闡述和分析。基于“科技引領(lǐng)、政府主導(dǎo)、頂層設(shè)計(jì)、分類謀劃、典型示范、以點(diǎn)帶面”的行動(dòng)路線，著力建設(shè)“六化、六體系”，推動(dòng)試點(diǎn)示范工程，高級(jí)智能化煤礦將實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益“三豐收”。不分成果已在生產(chǎn)礦井和系統(tǒng)研發(fā)過程中得到初步應(yīng)用和驗(yàn)證，為我國(guó)能源領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)和煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要的意義。

主要圖表

圖1 6626工程結(jié)構(gòu)

圖2 6626工程總體架構(gòu)

圖3 基于6626工程的井工煤礦標(biāo)準(zhǔn)體系框架

圖4 基于透明化地測(cè)保障的智能化協(xié)同管控模式或平臺(tái)

圖5 基于精確時(shí)空信息的綜采工作面少人或無(wú)人自適應(yīng)截割系統(tǒng)

圖6 風(fēng)鏈流功能時(shí)空分布

圖7 “六鏈流”網(wǎng)狀耦合關(guān)系

圖8 “六鏈流”協(xié)同管控及可視化巡視

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