我國煤炭智能化開采研究現(xiàn)狀

□文/王雨穎

（黑龍江科技大學(xué)管理學(xué)院 黑龍江·哈爾濱）

一、引言

煤炭在中國一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占70%以上，我國生產(chǎn)煤炭約占世界的46%。采煤機(jī)械化程度為85%；煤炭產(chǎn)能利用率為68.2%；我國煤礦百萬噸死亡率為0.157，與發(fā)達(dá)國家相比仍存在較大差距，是美國的5倍、澳大利亞的11倍；大型煤炭企業(yè)原煤生產(chǎn)人員效率井工6.681噸/工，露天95.05噸/工；淺處資源開采枯竭，1，000米以下煤炭資源占53%；礦井資源回收率約50%，與發(fā)達(dá)國家約80%的回收率有較大差距?？傮w來看，我國煤炭開采處于機(jī)械化水平，開采所需礦工數(shù)量、勞動(dòng)強(qiáng)度、生產(chǎn)安全程度、產(chǎn)量效率還有待改進(jìn)。2020年初，由國家發(fā)改委牽頭，由八部門聯(lián)合共同印發(fā)的《關(guān)于加快煤炭智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，正式以文件的形式，解決現(xiàn)存在的發(fā)展困境，加速煤炭智能化發(fā)展的建議。具體提出近1年、近5年、近10年的發(fā)展目標(biāo)。明確主要任務(wù)并給予配套措施來實(shí)現(xiàn)煤炭行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。任務(wù)的發(fā)布給行業(yè)帶來了一絲緊迫感，但又是推動(dòng)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，煤炭開采智能化的號(hào)角已經(jīng)吹響。

大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)為能源行業(yè)帶來新的驅(qū)動(dòng)力，能源行業(yè)未來將步入智慧能源時(shí)代，煤炭安全、智能精準(zhǔn)的開采是未來采礦的必由之路。煤炭智能化開采是煤炭革命發(fā)展進(jìn)程中必經(jīng)的階段，學(xué)者們對(duì)煤炭智能化開采進(jìn)行宏觀戰(zhàn)略微觀技術(shù)的研究。其他領(lǐng)域?qū)W者也緊隨其后，輔助煤炭行業(yè)完成智能化的轉(zhuǎn)身。在5G、AI、云技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)技術(shù)等方面進(jìn)行交融合作，百度、華為等頭部科技公司已經(jīng)參與其中。本文以中國知網(wǎng)（CNKI）期刊數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為研究樣本，通過文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)，針對(duì)中國煤礦智能化開采研究內(nèi)容進(jìn)行可視化分析，梳理煤礦開采研究的發(fā)展脈絡(luò)，以期為相關(guān)學(xué)者提供參考。

二、數(shù)據(jù)來源與分析方法

在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中，選擇期刊數(shù)據(jù)庫，進(jìn)入高級(jí)檢索，輸入主題為“智能化開采”或“智能開采”，時(shí)間截止到2021年3月20日，共檢索到485篇文獻(xiàn)，經(jīng)過篩選，將與主題無關(guān)文獻(xiàn)和外文文獻(xiàn)刪除后得到401篇文獻(xiàn)。

將CNKI下載的數(shù)據(jù)經(jīng)過格式轉(zhuǎn)化下載到citespace中，進(jìn)行文獻(xiàn)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，查看相關(guān)研究的期刊、機(jī)構(gòu)分布、作者及其之間的合作，進(jìn)一步挖掘研究熱點(diǎn)、發(fā)展規(guī)律和趨勢(shì)前沿。

三、我國煤炭智能化開采文獻(xiàn)計(jì)量分析

CNKI的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集之后，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)的文件夾input之中，打開citespace軟件，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換——input數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為output數(shù)據(jù)，對(duì)轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制到data文件夾，對(duì)應(yīng)各自的文件路徑，建立新的分析項(xiàng)目。達(dá)到citespace的運(yùn)行階段，分別進(jìn)行時(shí)區(qū)方面、閾值方面、剪枝和功能方面的選擇。首先選擇時(shí)間跨度為2010～2021年，設(shè)置時(shí)間切片為1年。閾值選擇策略選擇TopN型，N為50，并進(jìn)行剪枝。設(shè)置不同的功能反映在節(jié)點(diǎn)類型的操作在運(yùn)行時(shí)分別獨(dú)立選擇“Institution”（組織機(jī)構(gòu)）、“Keyword”（關(guān)鍵詞）、“Author”（作者）、“Reference”（引文）。

（一）文獻(xiàn)分布。謝和平（2018）構(gòu)建了煤炭革命總體戰(zhàn)略藍(lán)圖，預(yù)計(jì)2035年煤炭4.0時(shí)代，進(jìn)入智能化開采階段；到2050年煤炭5.0時(shí)代，全面實(shí)現(xiàn)無人化開采。智能化開采相關(guān)的研究走在實(shí)踐的前面，2010年之后學(xué)者陸續(xù)做相關(guān)的研究，煤炭開采的智能化近年來研究趨勢(shì)遞增明顯，文獻(xiàn)數(shù)量一路飆升，成倍增長：2018年文獻(xiàn)23篇左右，2019年達(dá)到60篇，2020年突破100篇，學(xué)者們也一直推動(dòng)并響應(yīng)國家的號(hào)召，在2020年政府文件下達(dá)之后，在各自領(lǐng)域內(nèi)推動(dòng)智能化的進(jìn)展，發(fā)文趨勢(shì)變化能最直接地反映學(xué)者們研究的熱點(diǎn)與趨勢(shì)。

圖1 我國智能化開采關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識(shí)網(wǎng)圖譜

（二）關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析及研究熱點(diǎn)前沿分析。運(yùn)行citespace，功能選擇為“keyword”，開始“visualize”，如圖1所示，圖中共有133個(gè)節(jié)點(diǎn)，267條連線，網(wǎng)絡(luò)密度為0.0304。智能化開采是在整個(gè)煤炭行業(yè)內(nèi)，在綜采自動(dòng)化的基礎(chǔ)之上，目前開采簡單的淺層煤炭幾乎開采完畢，面臨的是更復(fù)雜的特厚煤層的開采，智能下一步是自動(dòng)化，最終實(shí)現(xiàn)礦山的“智慧”化。（圖1）

通過對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類分析，并按照時(shí)間序列，如圖2所示。2019年進(jìn)入研究的高潮，關(guān)鍵詞出現(xiàn)的十分密集，其中有幾個(gè)關(guān)鍵詞開始與“智能化開采”鏈接：“大數(shù)據(jù)”、“開采模式”、“高質(zhì)量發(fā)展”、“關(guān)鍵技術(shù)”、“智能化建設(shè)”、“人工智能”等。2020年“5g”、“智能化開采工作面”、“創(chuàng)新”、“地理地質(zhì)信息”等。2012年智能化開采這個(gè)關(guān)鍵詞開始出現(xiàn)，黃陵礦業(yè)公司煤礦是國內(nèi)首個(gè)在2013年實(shí)現(xiàn)智能化開采的煤礦；2014年倡導(dǎo)低碳的能源革命，煤炭行業(yè)的綠色、安全生產(chǎn)是研究的熱點(diǎn)；2016年從技術(shù)層面開始研發(fā)突破智能化，通過遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)綜采技術(shù)的智能化；2017年，智慧煤礦的概念開始提出，開采煤層條件逐漸復(fù)雜，開采任務(wù)集中在特厚煤層亟待解決突破。2018年后智能化的相關(guān)概念開始更加密集、頻繁的出現(xiàn)，理論更加細(xì)化，實(shí)踐更加具體。從聚類特點(diǎn)可以看出，相關(guān)研究呈現(xiàn)多方向、多樣化的發(fā)展，有的從開采技術(shù)方面、有的從實(shí)踐落地建設(shè)的方面，還有從理論上規(guī)劃、展望總結(jié)。（圖2）

總體來講，國內(nèi)關(guān)于智能化開采的概念提出發(fā)展與完善經(jīng)歷了幾個(gè)階段：錢鳴高院士在循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上第一次規(guī)范性地提出了煤炭綠色開采；錢鳴高、繆協(xié)興等人（2008）提出了科學(xué)開礦的概念，認(rèn)為科學(xué)采礦主要包括：機(jī)械化開采、保護(hù)環(huán)境、安全生產(chǎn)、提高資源采出率、采用先進(jìn)技術(shù)以降低成本。謝和平、王金華、申寶宏等人認(rèn)為科學(xué)采礦是“安全、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)”的開采，建立了科學(xué)產(chǎn)能的評(píng)價(jià)體系；之后，謝和平等人（2015）進(jìn)一步提出了煤炭科學(xué)開采的新理念主要表現(xiàn)在“智能、安全、綠色”三個(gè)方面，首次提出了煤炭生產(chǎn)技術(shù)戰(zhàn)略路線“自動(dòng)化-智能化-無人化”，對(duì)煤炭智能化開采技術(shù)進(jìn)行解釋。學(xué)者們開始關(guān)注研究智能化開采?！度珖V產(chǎn)資源規(guī)劃》中提出的推進(jìn)礦業(yè)領(lǐng)域科技創(chuàng)新并加快建設(shè)數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化礦山。王國法、范京道、徐亞軍等人（2018）全面完整的定義了智能化開采，是“在自動(dòng)化系統(tǒng)中加入自主決策功能，使其能夠?qū)崟r(shí)的感知圍巖條件及外界環(huán)境的變化并自動(dòng)調(diào)節(jié)開采參數(shù)，智能感知、智能決策、智能控制是智能化開采的三要素”。王國法、杜毅博（2019）提出智慧煤炭的五大研究方向、八大智慧系統(tǒng)，智能化開采是個(gè)巨系統(tǒng)，需要數(shù)據(jù)、平臺(tái)、技術(shù)多方的交互配合。

圖2 煤炭智能化開采關(guān)鍵詞時(shí)間線共現(xiàn)圖譜

（三）作者合作分析。運(yùn)行citespace，選擇“Author”，結(jié)果顯示，共有136個(gè)節(jié)點(diǎn)，250條連線，網(wǎng)絡(luò)密度為0.0272。從共現(xiàn)的頻率來看，黃曾華出現(xiàn)19次，吳曉娟、范京道出現(xiàn)15次，王國法、任懷偉、翟紅、孫楓凱出現(xiàn)14次，還有9位學(xué)者出現(xiàn)了5次以上。從合作網(wǎng)絡(luò)來看，煤炭智能化開采呈現(xiàn)小集中、大分散的狀態(tài)，大團(tuán)隊(duì)中有幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的核心人員聯(lián)系緊密，目前學(xué)術(shù)前端的學(xué)者和機(jī)構(gòu)比較明顯，小團(tuán)隊(duì)相對(duì)分散。

王國法院士2014年提出綜采自動(dòng)化、智能化、無人化成套技術(shù)與裝備發(fā)展方向；2016年研究了互聯(lián)網(wǎng)+大采高工作面智能化升級(jí)關(guān)鍵技術(shù)；王國法、張德生（2018）通過對(duì)黃陵一礦和金雞灘煤礦的實(shí)踐研究表明，人工遠(yuǎn)程干預(yù)的智能開采模式在地質(zhì)條件簡單的煤層中能夠基本實(shí)現(xiàn)，但在復(fù)雜地質(zhì)條件下仍存在技術(shù)瓶頸。張科學(xué)（2017）在綜掘工作面智能化開采工藝的基礎(chǔ)上構(gòu)建了綜掘工作面智能化開采控制系統(tǒng)，并具體提出關(guān)鍵技術(shù)。范京道（2018）針對(duì)大采高綜采工作面現(xiàn)實(shí)問題，研究了高效采煤工藝、防片幫控制技術(shù)、底軟智能控制技術(shù)和頂板破碎智能控制技術(shù)，實(shí)踐中達(dá)到了減員提效的目的。2019年以來，學(xué)者們多從關(guān)鍵技術(shù)層面展開論述。王國法等人（2020）解決了煤炭智能化建設(shè)發(fā)展水平的定量評(píng)價(jià)問題。王國法（2020）帶領(lǐng)的17個(gè)機(jī)構(gòu)、21個(gè)學(xué)者對(duì)煤炭智能化的技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了歸納整理，智能化得到了更具體明確的實(shí)踐指導(dǎo)：自動(dòng)化技術(shù)、巷道三維模型、采煤機(jī)切割等技術(shù)，加之智能分選、輔助運(yùn)輸技術(shù)、5G通訊技術(shù)在解決難題方面的應(yīng)用，并以國內(nèi)大型煤炭現(xiàn)階段的成果、實(shí)際案例的指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)，為技術(shù)的推廣給予充分的技術(shù)指導(dǎo)和信心。

（四）機(jī)構(gòu)分布分析。運(yùn)行citespace，選擇“Institute”，結(jié)果顯示，陽煤集團(tuán)、北京天地瑪珂、天地科技股份、中天合創(chuàng)在煤炭智能化開采科研方面比較突出的單位，可以看出這些機(jī)構(gòu)既在做實(shí)踐生產(chǎn)也再做理論科研。從發(fā)文數(shù)量來看，這些機(jī)構(gòu)的科研水平也高于科研院校。其中，2020年以后有多個(gè)地方單位開始進(jìn)行相關(guān)研究，陜西長武亭、四川華鑒、山西西山、山東能源、太原正越、昆明煤炭、晉能控股、陜煤黃陵等。天地科技股份有限公司、煤炭科學(xué)研究總院、煤炭資源高校開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，身兼三個(gè)單位的以康紅普學(xué)者為代表的9位學(xué)者從技術(shù)專業(yè)層面，煤炭的核心技術(shù)方面，巷道圍巖控制、沖擊低壓控制，在開采方法、開采裝備及巖層控制技術(shù)層面，結(jié)合考慮到特殊開采與礦區(qū)環(huán)境治理，提出發(fā)展方向與專業(yè)意見。

（五）文獻(xiàn)共引分析。運(yùn)行citespace，選擇“Reference”。與前文的作者、機(jī)構(gòu)分析相吻合，王國法學(xué)者是煤炭智能化開采的高頻產(chǎn)出學(xué)者。從關(guān)鍵技術(shù)到發(fā)展方向都為該領(lǐng)域做了很多的學(xué)術(shù)示范，發(fā)表于2018年和2019年的5篇文章的被引次數(shù)都超過100多次。以王國法學(xué)者為首，多學(xué)者、機(jī)構(gòu)合作的《煤炭智能化（初級(jí)階段）研究與實(shí)踐》是目前最完整系統(tǒng)的關(guān)于煤炭智能化的百科全書，從基礎(chǔ)理論難題、技術(shù)路徑、開采模式來介紹現(xiàn)狀、分析難題、提出技術(shù)路徑及相應(yīng)的配套措施。

四、總結(jié)

本文通過citespace對(duì)我國智能化開采進(jìn)行了文獻(xiàn)可視化分析?？梢猿醪浇庾x到：一是根據(jù)檢索到的煤礦智能化開采研究方面的文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，目前研究中已經(jīng)形成相對(duì)穩(wěn)定的科研合作群體，研究機(jī)構(gòu)分布、作者分布相對(duì)集中，聯(lián)系密切，特別是前端的學(xué)者和機(jī)構(gòu)合力推進(jìn)實(shí)踐中開采技術(shù)的提升，對(duì)智能化開采進(jìn)行展望之后，在各個(gè)階段從實(shí)踐上反饋的經(jīng)驗(yàn)不斷總結(jié)提升。二是智能化開采本身就是本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，通過關(guān)鍵詞分析出目前研究該方向的主要研究板塊，總體來看，目前的文獻(xiàn)主要從煤炭開采的大方向和具體煤炭智能化開采技術(shù)方面的突破。三是由于智能化開采還未完全在實(shí)際中普及，不過也正在從構(gòu)想階段向技術(shù)難題進(jìn)行普適性的突破。各地區(qū)、各煤礦企業(yè)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況從理論到實(shí)踐開展具體工作。