王國法院士：煤礦智能化十大“痛點”解析及對策

2020年2月，國家發展改革委等八部委聯合印發了《關於加快煤礦智能化發展的指導意見》，明確了煤礦智能化發展目標和任務;2020年9月召開的全國煤礦智能化現場推進會進一步明確提出了加快推進智能化煤礦建設的要求，全面推動了我國煤礦智能化發展。但是，我國煤礦智能化建設仍處於培育示範階段，發展還不充分、不平衡，總體水平還不高，距離實現全面智能化還有很大差距。目前，我國煤礦智能化建設還存在諸多“痛點”。

近日，王國法院士團隊在《工礦自動化》2021年第6期撰文《煤礦智能化十大“痛點”解析及對策》，對煤礦智能化發展中的主要“痛點”問題進行解析，並提出了相關對策及發展方向。這篇文章也是《工礦自動化》2021年第6期“煤礦智能化技術與應用”專題17篇特邀稿件中的一篇。

智能化綜合管控平臺是智能化煤礦的核心，雖然大型煤炭基地各煤礦的煤層賦存條件、建設規模、系統組成與功能等一般存在較大差異，但不同礦井的智能化綜合管控平臺可以採用統一的技術架構進行設計，採用微服務的思想對系統組成、功能等進行優化調整，形成技術架構統一、功能模塊有增減、硬件參數有差異的統一智能化綜合管控平臺，實現大型煤炭基地智能化煤礦的統一採購、統一建設、綜合運維。

智能化綜合管控平臺技術架構

一、煤礦智能化發展十大“痛點”

痛點一：煤礦智能化認識和理念不統一

部分地區和煤礦企業對智能化還不夠重視，思想上因循守舊，沒有認識到智能化是煤炭行業發展的必然趨勢，片面強調智能化建設投入大、技術難、要求高，甚至是面子工程，沒有算清長遠賬、安全賬、民生賬，既怕增加負擔影響經濟效益，又怕承擔失敗的風險，有畏難情緒和消極心理，對煤礦智能化工作不夠主動，智能化建設發展相對滯後。

智能化煤礦的顯著特徵是現代信息、人工智能、控制技術與採礦技術的深度融合，智能化煤礦建設是高新技術融入礦山場景、漸進迭代發展的過程，是一個不斷進步的過程，不是一次性結果，不是“基建交鑰匙工程”。

機械化、自動化、信息化和數字化是智能化的基礎和內涵，對煤礦智能化認識和理念的不統一，本質上並不是對智能化概念的糾纏，而是因循守舊的保守思維與技術變革的不適應，在煤礦智能化發展尚不充分，一些技術裝備還不完善的初級階段，是自然會存在的分歧，全面否定和概念濫用是2 種典型的表現形式，這與煤礦綜合機械化發展之初是一樣的。

痛點二：煤礦智能化發展不平衡

由於我國煤層賦存條件複雜多樣，不同煤層賦存條件礦井開展智能化建設的技術路徑、難易程度、效果等均不相同。目前，我國煤礦智能化發展不平衡，主要體現在：不同礦區智能化建設基礎不平衡;不同地區智能化建設水平發展不平衡;煤礦不同系統的智能化水平發展不平衡;智能化技術需求與技術發展現狀不平衡;軟件開發速度明顯滯後於硬件的投入不平衡;煤礦智能化相關投入與產出比不平衡。

痛點三：智能化煤礦5G應用場景和生態匱乏

5G作爲新一代信息技術，具有大帶寬、廣連接、低時延等顯著優點，聯合網絡切片、邊緣計算等核心技術，可以爲垂直行業帶來變革性的應用場景。煤礦5G應用經過第一階段的探索和實踐取得了很多寶貴經驗，但經過第一階段的研究探索也總結髮現了諸多實際問題;不同廠商的5G網絡系統架構不統一;5G應用場景有待挖掘;5G技術及終端生態匱乏。

痛點四：“透明地質”技術保障支撐能力不足

“透明地質”或“透明工作面”的概念爲煤礦智能開採的地質保障提供了希望，地質探測技術與裝備的智能化、探測信息的數字化、模型化及地質信息與工程信息的有效融合，是“透明地質”或“透明工作面”的基礎。目前，受地質探測理論、技術與裝備發展水平的限制，“透明地質”技術保障支撐能力明顯不足：地質數據尚未全部實現數字化;地質探測技術的探測精度、範圍尚難以滿足煤礦智能化建設要求;地質體三維高精度建模技術有待提升;現有技術難以建立高精度“透明地質”模型;地質信息與工程信息尚未實現融合;地質探測技術與裝備的智能化程度較低。

痛點五：採掘失衡、掘支失衡問題尚未突破

目前，我國煤礦巷道掘進的機械化程度約爲60%，普遍存在採掘失衡、掘支失衡等問題，巷道掘進智能化尚處於起步階段，主要表現在：掘進工作面空間狹小、作業工序複雜，掘、支、錨、運協同作業困難;截割與支護設備的可靠性、適應性有待提高;強幹擾、高粉塵、狹長作業空間難以實現掘進設備的定姿、定位;智能化快速掘進相關技術與裝備投入低，技術進步緩慢。

痛點六：智能化技術難以適應複雜工作面條件

截至2020年上半年，我國已經建成不同類型、不同模式、不同效果的智能化綜採工作面338個，形成了4種智能化工作面開採模式，但工作面智能化開採效果仍有待進一步提高，主要表現在：綜放工作面智能化放頂煤技術一直未能有效突破;煤機裝備的可靠性及自適應控制技術有待突破;智能化開採技術對複雜煤層條件的適應性差，綜採設備羣智能協同控制效果有待提升;工作面端頭支架、超前支架智能化水平較低;工作面上各類傳感器、攝像頭等相關感知信息的有效利用率較低，工作面設備的智能決策能力有待提升。

痛點七：智能化巨系統兼容協同困難

智能化煤礦需要建設基礎應用平臺、掘進系統、開採系統等近百個子系統，是一個複雜的巨系統，不同系統之間的數據兼容、網絡兼容、業務兼容和控制兼容效果較差，難以實現系統間智能協同作業，主要表現在：數據格式尚未實現統一；網絡通信協議兼容性差;業務系統兼容性較差;系統間協同控制兼容性差。

痛點八：井上下智能機器人作業技術有待突破

煤礦機器人是一種依靠自身動力和控制能力實現某種特定採礦功能的機器，應用機器人技術將工人從繁重危險的地下采礦作業中解放出來是實現煤礦智能化的重要途徑，井上下智能機器人作業技術有待突破，主要表現在：(1)井下機器人精準定位、自主感知與決策、精準導航與調度、機器人避障、機器人集羣管控與續航管理、輕型防爆材料等相關技術尚未獲得突破;(2)現有煤礦機器人主要通過集成各類傳感器對井下各類環境信息進行感知，功能比較單一，主要具備信息採集功能，智能化程度較低;受到井下防爆要求，現有井下機器人比較笨重，靈活性較差，對複雜煤層條件的適應性較差;(3)井下機器人主要以巡檢爲主，且多爲軌道巡檢機器人，性能有待提升，掘進機器人、噴漿機器人、支護機器人、救援機器人等相關機器人亟待開發。

痛點九：智能化煤礦管理與人才儲備不足

目前，智能化煤礦建設仍然採用傳統的管理模式，受我國人口老齡化、勞動力不足等因素的影響，煤礦智能化專業技術人才不足，主要表現在：傳統管理模式難以適應智能化煤礦;煤礦缺少智能化專業職能部門;智能化煤礦從業人員整體技術水平偏低;智能化人才培養體系不健全;缺少專業化運維團隊。

痛點十：智能化煤礦投入保障不足

煤礦智能化建設需要較大的資金投入，但是一些效益較差的企業智能化發展資金不足，特別是短期收益不明顯，影響企業投入的決心，主要表現在：(1)煤礦智能化投入整體強度仍然偏低，企業間差距較大;(2)煤礦智能化短期主要表現爲安全效益，經濟效益不顯著;(3)智能化煤礦運營過程中形成的大量數據資源價值尚未得到充分挖掘;(4)缺少客觀、專業、真實反映煤礦智能化投入與效益的評價方法。

二、解決煤礦智能化發展“痛點”的對策與任務

(1) 建立智能化煤礦建設標準與技術規範體系。規範智能化煤礦數據中心、主幹網絡、雲平臺、井下人員與設備定位、智能化地質保障系統、智能化掘進、智能化採煤、智能化主煤流運輸、智能化輔助運輸、智能化供電、智能化排水、智能化通風、智能化安全監測監控，制定智能化煤礦建設指南，爲智能化煤礦建設提供標準指引。

(2) 基於微服務架構設計思想，開發應用統一技術架構的智能化煤礦綜合管控平臺，實現各業務系統的監測實時化、控制自動化、管理信息化、業務流轉自動化、知識模型化、決策智能化的目標，實現煤礦井下各系統的數據融合共享與統一協調管控。

(3) 研究應用5G+F5G+WiFi6的高效、高可靠性融合組網技術，研究5G 等新一代無線通信技術在煤礦井下不同應用場景的可行性及應用前景，開展井上下5G 應用場景研發與示範。研究煤炭板塊雲、數據中心建設技術，構建智能化煤礦知識圖譜，爲煤礦各系統的智能分析決策提供支撐。

(4) 開展井上下瓦斯智能抽採技術與裝備、精細探測及全息數字化三維地質模型構建技術、煤礦高精度地質模型構建技術、基於4D-GIS的採掘工程數據自動處理與實時更新技術、GIS與BIM融合技術等，爲煤礦智能化提供地質信息與工程信息支撐。

(5) 開展不同類型煤層賦存條件巷道快速掘進基礎理論與關鍵共性技術、裝備的研發與應用，重點突破掘支平行作業關鍵技術瓶頸，實現快速掘進;開展基於5G數據傳輸的智能化掘進機與全自動錨杆(索)鑽車、基於UWB(Ultra WideBand，超寬帶)技術的掘進機精確定位、智能截割、遠程集中控制等技術的研究應用，探索適應不同煤層條件的智能掘進新模式。

(6) 研發帶式輸送機智能變頻調速技術、智能綜合保護技術、井下人員與車輛精準定位技術、機車智能調度系統、基於5G的無軌膠輪車無人駕駛技術與智能調度技術、基於5G與物聯網技術的機車遙控駕駛技術及機車無人駕駛配套技術與裝備、智能倉儲技術等，提高主輔運輸系統智能化水平。

(7) 研究主供電系統遠程集控技術、電能大數據分析與監控管理技術、礦井災害風險智能分級管控與預警技術、煤自燃智能監測預警與主動分級防控技術、高精度衝擊地壓智能監測預警技術與裝備、礦井大型機電設備全生命週期智能管理技術與系統等，提高礦井安全保障水平及智能化水平。

(8) 研發應用選煤廠重介密度、跳汰分選、浮選及加藥、粗煤泥分選、濃縮系統及加藥、沉降處理、裝車配煤系統、乾燥系統、壓濾機集羣等工藝過程的智能化控制技術與裝備，研發選煤廠安全生產監控聯動平臺、基於大數據的智能選煤決策平臺、商品煤智能檢驗與管控體系、選煤系統數字孿生技術與裝備等，實現選煤廠無人值守作業。

(9) 推廣應用井上下機器人作業技術，研發井下錨、鑽、噴漿類機器人，實現鑽錨作業的機器人化;研發探水鑽孔、防突鑽孔、防衝鑽孔等鑽探機器人，解決鑽孔機器人的井下自主移動、導航定位、自動鑽進等問題;研發巷道清理機器人、煤倉清理機器人、水倉清理機器人，大幅降低井下作業人員勞動強度。

(10) 研發智能裝備和機器人從設計到使用全生命週期管理系統，對設備全壽命過程的健康狀況進行管理與預測，並根據設備健康特徵對維修策略進行決策並給出合理維修建議，從而實現對煤礦全工位機電設備健康智能管理。

（來源：工礦自動化）