“雙碳”背景下山西省智慧礦山建設(shè)路徑研究

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、國務(wù)院統(tǒng)籌國際國內(nèi)大局做出的重大戰(zhàn)略決策，“十三五”以來我國持續(xù)進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，推進(jìn)“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略，大力支持非化石能源發(fā)展。習(xí)近平總書記指出，“我們正在壓縮煤炭比例，但國情還是以煤為主，在相當(dāng)長一段時間內(nèi)，甚至從長遠(yuǎn)來講，還是以煤為主的格局，只不過比例會下降，我們對煤的注意力不要分散。我國煤炭資源豐富，在發(fā)展新能源、可再生能源的同時，還要做好煤炭這篇大文章”。根據(jù)相關(guān)報告[1]統(tǒng)計，2019年煤炭在一次能源消費總量中占比仍為57.7%，煤炭資源仍將長期作為我國的支撐能源起到不可忽視的地位合作用。

“雙碳”目標(biāo)作為我國政府向世界做出的莊嚴(yán)承諾，勢必對煤炭行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。一是煤炭在我國能源的地位將從主體向“壓艙石”轉(zhuǎn)變。由于我國能源“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)。隨著未來光伏、風(fēng)電、核能等技術(shù)的發(fā)展，綠色能源比重會進(jìn)一步增加，煤炭的能源地位會明顯轉(zhuǎn)變，但新能源在技術(shù)方面的限制，煤炭在很長一段時間內(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)時代發(fā)展需求。單純從碳排放角度來講，煤炭開采本身并不高，其主要影響體現(xiàn)在煤炭下游的消費行業(yè)，如電力、鋼鐵、化工等領(lǐng)域，但煤炭綠色開采對碳排放仍具有積極意義，在開采階段，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。長期以來，山西省作為我國的基礎(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)展繁榮和社會進(jìn)步。但資源條件的優(yōu)勢也使得山西省呈現(xiàn)“一煤獨大”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采和新技術(shù)革命帶來的產(chǎn)業(yè)升級，傳統(tǒng)開采方式的競爭力逐漸下降、效率不斷降低，依靠傳統(tǒng)的煤礦開采支持的經(jīng)濟(jì)增長方式也遭受嚴(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]，通過傳感網(wǎng)絡(luò)、5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等新型技術(shù)與傳統(tǒng)礦山進(jìn)行融合建設(shè)智慧礦井，不僅會大幅提高產(chǎn)量、保障安全，也是在新形勢下促使企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必然選擇，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，實現(xiàn)對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)控數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，礦用對象庫為核心的統(tǒng)一的數(shù)字礦山基礎(chǔ)信息平臺作為核心支撐[9]；韓建國以神華集團(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]；李梅等分析了我國數(shù)字礦山建設(shè)進(jìn)展及存在問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平臺為核心的“一張圖”協(xié)同分布式管理平臺解決煤礦信息化過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、分析等水平不均的問題。但學(xué)者們都基于自身的研究方向和專業(yè)基礎(chǔ)提出了智慧礦山的各種定義和建設(shè)路徑，并沒有針對具體地區(qū)實際情況的一個完整統(tǒng)一的版本。對于煤礦企業(yè)或產(chǎn)煤地區(qū)來講，若沒有一整套統(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，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

目前對于智慧礦山的定義，我國學(xué)者基本達(dá)成共識，認(rèn)為智慧礦山是在當(dāng)前煤炭開采和礦山建設(shè)的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)，云計算和人工智能等前沿計算機(jī)技術(shù)的理論，建設(shè)一個數(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)測和決策的功能，保障井下煤炭開采、巷道掘進(jìn)、通風(fēng)、排水、供電、生產(chǎn)經(jīng)營管理的高效智能運行。當(dāng)智慧礦山建設(shè)到一定階段后，開采效率大幅提高，井下逐步實現(xiàn)“無人(少人)化”，煤礦工人的勞動強度大大降低，安全得到保障，尊嚴(yán)和地位也得到提升。煤礦行業(yè)也會從“傻大粗”的刻板印象中轉(zhuǎn)為“高精尖”的形象代表，未來企業(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。總體來講，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、管理等工作進(jìn)行深度融合，通過構(gòu)建信息化平臺實現(xiàn)礦井生產(chǎn)、安全、管理的遠(yuǎn)程高效控制和智能決策，實現(xiàn)井下少人化、無人化，最終實現(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》《煤礦智能化建設(shè)指南(2021版)》和王國法院士團(tuán)隊的研究，結(jié)合山西省煤礦企業(yè)實際，將智慧化礦山的建設(shè)分三個階段：

第一個階段要實現(xiàn)關(guān)鍵區(qū)域的智能化，即單點的智能化，通過各類傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在采掘、運輸、安全監(jiān)控等主要環(huán)節(jié)實現(xiàn)無人或少人操作和遠(yuǎn)程監(jiān)控。目前，國內(nèi)外一些發(fā)展較快的煤礦企業(yè)已經(jīng)得到了實現(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)實際相結(jié)合，真正做到生產(chǎn)、監(jiān)測監(jiān)控、管理等各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)相互配合的智能化和無人化。通過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)測數(shù)據(jù)等通過智能化體系的傳輸層傳輸?shù)降孛婵刂浦行模賹⒋罅烤律a(chǎn)數(shù)據(jù)匯總，經(jīng)過應(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)測后，工作人員對井下設(shè)備的狀態(tài)做出實時控制和提前調(diào)整，重點區(qū)域的安全監(jiān)測進(jìn)行預(yù)警，以達(dá)到安全高效生產(chǎn)的目的。同時，通過井下專用機(jī)器人的大規(guī)模應(yīng)用和生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的協(xié)同運行，實現(xiàn)整個礦井的無人化運行。

第三階段要將各個智能管理系統(tǒng)高度集成并進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，通過引入人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，真正形成一個自動開采，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，真正實現(xiàn)萬物互聯(lián)，全礦井無人化作業(yè)。本階段不再是單一的數(shù)據(jù)顯示和畫面的回傳，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”對于智慧礦山建設(shè)的要求

“十四五”規(guī)劃綱要提出我國力爭2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實現(xiàn)碳中和。基于“雙碳”目標(biāo)的要求，我國正進(jìn)行著一場聲勢浩大、影響深遠(yuǎn)的能源革命。在這一大趨勢下，盡管煤炭作為我國的支柱能源地位不會改變，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)正是契合了我國能源革命發(fā)展的需求，重點從以下幾個方面體現(xiàn)。

一是煤炭綠色開采方面，對深部煤巖應(yīng)力場、采動應(yīng)力場及裂隙演化規(guī)律、頂板移動、圍巖變形、動力沖擊等理論要進(jìn)一步開展研究，尤其對厚煤層大采高工作面上覆巖層的移動規(guī)律要加大研究力度。同時，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；三是對于井下人員需求、減員增效方面要進(jìn)一步研究。上述問題均可通過智能化技術(shù)完成，如研究上覆巖層變形規(guī)律、預(yù)測頂板活動和瓦斯突出等問題，可通過礦山傳感技術(shù)取得大量數(shù)據(jù)構(gòu)建“數(shù)據(jù)庫”；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”；再通過機(jī)器學(xué)習(xí)，將大量基本理論和知識輸入計算機(jī)，形成“知識庫”；在進(jìn)行具體機(jī)理和災(zāi)害預(yù)測時通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家預(yù)測等手段形成“方法庫”，通過構(gòu)建此“四庫”，就能完成智慧礦山的決策系統(tǒng)模型 的建立，可高效開展各類理論和災(zāi)害預(yù)測的實踐工作。

對于我國絕大多數(shù)煤炭企業(yè)來說，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)和接口沒有統(tǒng)一的約束和規(guī)范，總體建設(shè)也處在摸索中，沒有一個具體的道路，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，是我們接下來建設(shè)需要重點思考的問題。

1.4 智慧礦山的總體構(gòu)架

智慧礦山的實質(zhì)就是利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺等現(xiàn)代化技術(shù)與傳統(tǒng)礦山進(jìn)行深度融合，實現(xiàn)礦山生產(chǎn)、安全監(jiān)測、管理等方面的自主化運行。我國學(xué)者認(rèn)為智慧礦山就是數(shù)字化礦山的升級和升華，傳統(tǒng)礦山就通過與現(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采體系可分為四個階段和四層構(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)平臺構(gòu)架為基礎(chǔ)，面向智慧礦山應(yīng)用的邊緣云協(xié)同計算技術(shù)構(gòu)架，以“非實時、長周期數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)決策數(shù)據(jù)”和“實時性、短周期數(shù)據(jù)、本地決策”兩類數(shù)據(jù)從架構(gòu)層面進(jìn)行分類處理，形成新的邊緣云協(xié)同計算體系，從頂層設(shè)計層面保證了智慧礦井的設(shè)計基礎(chǔ)[14]；王國法等基于我國煤礦智能化初級階段的發(fā)展要求，開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”的智能礦山頂層設(shè)計[3]；張建中等針對智慧礦山建設(shè)過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)是實現(xiàn)智慧礦山的基礎(chǔ)，其技術(shù)主要包括射頻識別技術(shù)(RFID)、傳感技術(shù)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IOT)、無線傳感網(wǎng)、5G技術(shù)、藍(lán)牙通信和ZigBee技術(shù)等。大數(shù)據(jù)技術(shù)是實現(xiàn)智慧礦山的途徑。礦井在進(jìn)行生產(chǎn)、安全監(jiān)測、管理等方面會產(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行。從生產(chǎn)角度來講，采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)等會產(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；從安全角度來講，井下需要對各類安全隱患進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控，如以瓦斯為代表的有毒有害氣體的監(jiān)測、頂板地壓的監(jiān)測、溫度監(jiān)測、風(fēng)速監(jiān)測、水火監(jiān)測等，實時掌控該類數(shù)據(jù)可有效保障礦井生產(chǎn)安全；從管理角度來講，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。云平臺可有效提高智慧礦山的建設(shè)成本，通過云計算技術(shù)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、層次分析、灰色理論等實現(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，通過云計算實施高效管理和決策的智能層次化、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)。基于物聯(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年將推動山西省1000個智能化采掘工作面的建設(shè)，拓展智能化應(yīng)用場景，全面推進(jìn)煤礦固定場所無人值守，關(guān)鍵環(huán)節(jié)機(jī)器人代替，實現(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790處掘進(jìn)工作面智能化建設(shè)，所有井下固定硐室力爭實現(xiàn)無人值守，所有90萬t以上礦井膠帶運輸系統(tǒng)實現(xiàn)集中控制，推進(jìn)膠帶運輸系統(tǒng)實現(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、十大系統(tǒng)、27個子系統(tǒng)的智能操作系統(tǒng)，涵蓋全礦井除生產(chǎn)以外的各類實時安全數(shù)據(jù)，建成3個智能化綜采工作面、1個智能化掘進(jìn)工作面和12個無人值守場所，并開發(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年開始探索智能化礦井建設(shè)，目前綜采工作面、固定膠帶運輸、井下供電、礦井排水等系統(tǒng)減少操作人員321人，實現(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“一個中心”、搭建“全礦井智能生態(tài)”三大部分實現(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“一個有線無線相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)、一個云數(shù)據(jù)中心、一個管控平臺和多個子系統(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)

中國煤炭學(xué)會于2020年10月發(fā)布公告，批準(zhǔn)了《智能化煤礦(井工)分類、分級技術(shù)條件與評價》(T/CCS 01—2020)標(biāo)準(zhǔn)和《智能化采煤工作面分類、分級技術(shù)條件與評價指標(biāo)體系》(T/CCS 002—2020)標(biāo)準(zhǔn)。智能化煤礦評價標(biāo)準(zhǔn)的整體構(gòu)架分為一類煤礦、二類煤礦和三類煤礦，每類煤礦又分為初級智能化煤礦、中級智能化煤礦和高級智能化煤礦。山西省作為典型的大型煤炭基地，應(yīng)全面進(jìn)行智能化升級改造，重點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)測監(jiān)控全面覆蓋、井下硐室實現(xiàn)無人值守，形成基于綜合管控平臺的智能一體化管控。

對于生產(chǎn)礦井而言，應(yīng)根據(jù)礦井實際情況，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)管理等方面實施從下到上的智能化升級；對于新建礦井，則要從頂層設(shè)計開始進(jìn)行智能化規(guī)劃，嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)，高起點、高要求、高水平進(jìn)行礦井智能化設(shè)計，從上到下分階段分步驟開展智能礦井建設(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)大力開展基于5G的礦井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，同時輔以藍(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、儲存和訪問?？筛鶕?jù)礦山企業(yè)實際建立多級數(shù)據(jù)服務(wù)中心，并通過各類數(shù)字模型和專家系統(tǒng)形成模型庫和知識庫，為綜合決策平臺提供依據(jù)；管理平臺主要是進(jìn)行多部門、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)和管理的各個環(huán)節(jié)，包括地質(zhì)勘探、巷道掘進(jìn)、煤炭開采、各類運輸、通風(fēng)安全、電液供應(yīng)等方面實行智能分析和決策，通過調(diào)度指揮中心、邊緣計算中心、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，建立實時更新的地質(zhì)與工程數(shù)據(jù)高精度融合的“數(shù)字孿生”模型，實現(xiàn)在礦井生成過程中的智能探測技術(shù)并為礦井開拓、準(zhǔn)備和回采過程進(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年要推動全省1000個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)用場景，關(guān)鍵環(huán)節(jié)機(jī)器替人，實現(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)建勢在必行。

對于綜采工作面，“三機(jī)”智能化是實現(xiàn)智慧礦山的前提，采煤機(jī)重點解決煤巖識別、自適應(yīng)割煤等技術(shù)。通過工作面視頻監(jiān)控技術(shù)，利用高清攝像儀，實時跟蹤采煤機(jī)滾筒軌跡，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，通過煤巖識別數(shù)據(jù)收集，完成采煤機(jī)割煤的智能決策；液壓支架通過監(jiān)測工作面頂板壓力、角度、自身姿態(tài)、采煤機(jī)運行狀態(tài)等實時調(diào)整跟機(jī)位置，通過數(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)幫等動作，實現(xiàn)工作面自動連續(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，利用其自身的傳感器，感知運輸煤量數(shù)據(jù)、識別煤量沿刮板的分布、轉(zhuǎn)載點高度等，實現(xiàn)智能感知并通過遠(yuǎn)程集控中心完成工作面煤炭的開采和運輸。在運輸巷階段，重點對于帶式輸送機(jī)防跑偏實行監(jiān)測，通過傳感器實時感知膠帶位置和載荷，保證帶式輸送機(jī)連續(xù)、可靠、高效運行。

2.2.4 智能化通風(fēng)安全系統(tǒng)

山西省煤炭資源儲量豐富，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)時應(yīng)針對瓦斯含量進(jìn)行分類，在保障礦井安全生產(chǎn)的前提下，通過各類風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度、瓦斯、二氧化碳、二氧化硫、硫化氫等傳感器，對井下空氣進(jìn)行監(jiān)測。在通過各類傳感器監(jiān)測氣體參量和濃度時務(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)；在整個礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中要重點注意隱患識別，如瓦斯、二氧化碳、硫化氫等有毒有害氣體的實時監(jiān)測并通過大數(shù)據(jù)分析及云平臺實現(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 礦山綠色開采系統(tǒng)

礦井綠色開采主要是指在煤炭開采過程中，最大限度的開采煤炭資源和伴生資源，并且將煤炭開采對地表生態(tài)環(huán)境、地下水源的影響、破壞降至最低，實現(xiàn)資源效益、生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的和諧統(tǒng)一[14]。要實現(xiàn)礦井的綠色開采，應(yīng)重視煤炭開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)開采等難點，采后重視承載力修復(fù)、復(fù)綠復(fù)墾等。針對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，通過人工修復(fù)技術(shù)與自然界的自修復(fù)作用一起，實現(xiàn)從被動防治到主動治理，山西屬資源富集區(qū)，煤炭開采強度大，采用先進(jìn)方法對水資源和生態(tài)特征進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查分析，分析它們與煤礦開采之間的關(guān)系，使開采對生態(tài)環(huán)境的影響降到極致。對開采后的土地進(jìn)行復(fù)墾，恢復(fù)增強地表生態(tài)環(huán)境，力爭早日實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)。

3 智慧礦山建設(shè)中面臨的問題

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

2)各個集團(tuán)及礦井地質(zhì)條件不同，開采條件千差萬別，開采工藝參差不齊，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)需要大量專業(yè)人才，而智能采礦專業(yè)屬于交叉學(xué)科，在進(jìn)行智慧礦山建設(shè)時需要大量煤炭開采、信息技術(shù)、企業(yè)管理等知識的復(fù)合型高新技術(shù)人才，具有采礦專業(yè)和信息技術(shù)專業(yè)背景的復(fù)合型人才儲備不足。

4 結(jié) 語

1)細(xì)化行業(yè)頂層設(shè)計，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，推進(jìn)部屬技術(shù)支撐保障力量、教學(xué)科研力量整合，加強與相關(guān)領(lǐng)域國內(nèi)外知名高效、科研院所及信息技術(shù)領(lǐng)軍企業(yè)的長期穩(wěn)定合作，彌補省內(nèi)企業(yè)自身力量不足。

2)加強先進(jìn)技術(shù)融合，加速礦井智能化進(jìn)程。推進(jìn)云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、移動互聯(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)開展創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用示范工程，樹立行業(yè)標(biāo)桿，推進(jìn)交叉學(xué)科的技術(shù)融合。

3)加強專業(yè)人才培育，建設(shè)創(chuàng)新型技術(shù)團(tuán)隊。在行業(yè)內(nèi)強化學(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，組織實施重大專項與重點研發(fā)計劃，營造創(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)人員運用數(shù)據(jù)分析問題、解決問題的能力，加強全員信息化素質(zhì)培訓(xùn)教育，建設(shè)復(fù)合型、創(chuàng)新型核心人才隊伍。