智慧礦山建設(shè)及煤礦的智能化開采分析

宋海潮

（冀中能源股份有限公司 機電部，河北 邢臺 054000）

眾所周知，我國是一個地大物博的國家，其中煤礦資源分布較為廣泛，煤礦生產(chǎn)一直以來都是國民經(jīng)濟增長的核心產(chǎn)業(yè)之一。然而，隨著信息技術(shù)的不斷深化，當(dāng)前許多行業(yè)都已經(jīng)開始在工作中滲透智能化、多元化思維，旨在利用各種智能終端設(shè)備來推動行業(yè)長遠發(fā)展。智慧礦山的建設(shè)工作，其中的“智慧”具體指的是哪一部分，包含了哪些工作目標(biāo)，過程中需要應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)又包含哪些層面？諸如此類問題，正是本文重點需要探討的問題。首先就煤礦智能化開采相關(guān)內(nèi)容展開綜合論述，分析當(dāng)前我國煤礦智能化開采中存在不足之處及具體的建設(shè)目標(biāo)，探究智慧礦山建設(shè)及智能化開采的關(guān)鍵技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上從多個維度入手，分別對未來智慧礦山的智能化開采策略展開深入探究。

1 智慧化礦山綜述

1.1 智能化開采含義

智慧礦山是在礦山地表和地下開采礦產(chǎn)資源的工程活動中所涉及的各種靜、動態(tài)信息的全部數(shù)字化，并由計算機網(wǎng)絡(luò)進行管理，同時可運用空間技術(shù)與實時自動定位、導(dǎo)航技術(shù)對礦山生產(chǎn)工序?qū)嵭羞h程遙控操作和自動化采礦的綜合體系[1]。以透徹感知、深度互聯(lián)、高度共享、智能服務(wù)和可視化展現(xiàn)為特征，其主要目標(biāo)是實現(xiàn)更透徹的感知、更深度的互聯(lián)、更高度的共享、更智能的服務(wù)及更直觀的展現(xiàn)。從煤礦企業(yè)層面來看，將人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算及人工智能等高新技術(shù)體系滲透到具體的自動化、機械化和信息化煤礦企業(yè)，其實就是智能化開采的基礎(chǔ)定義。煤礦智能化開采之中可以有效完成采掘、煤炭洗選、自動化開采、地測防治水和安全生產(chǎn)監(jiān)測管理等各個方面的工作，確保各個細節(jié)工作都能夠落實到細處，完成智能化決策與分析、智能化控制及執(zhí)行，以此來推動煤礦信息化水平的發(fā)展。煤礦智能化開采之核心，在于導(dǎo)入人工智能模式來替代不必要的勞動力，給現(xiàn)場工作人員減輕工作負擔(dān)，保障安全生產(chǎn)，同時穩(wěn)定煤炭資源的持續(xù)性供應(yīng)。

就目前我國智慧礦山的實際發(fā)展進程來看，其實在很多層面都需要進一步完善，大部分地區(qū)的采礦作業(yè)并不算“智能化”，大部分時候還是靠機械化開采，并沒有做到完全意義上的替代人力。當(dāng)然，智慧礦山建設(shè)是一個漫長的過程，需要行業(yè)內(nèi)所有技術(shù)人員共同努力，將各種先進的信息技術(shù)進行同步更新處理。因此，可以說當(dāng)前的煤礦智能化開采是煤礦綜合機械化發(fā)展的起步階段，是煤炭生產(chǎn)方式的新方向，與傳統(tǒng)煤礦開采工作模式相比，當(dāng)前的智能化開采明顯更加人性化，能夠不再受制于的惡劣的開場環(huán)境、工作空間等，井下工作人員需求數(shù)量也在持續(xù)降低，工作精準(zhǔn)度、操作便捷性和可靠性都更為可觀[2]。

1.2 智能化建設(shè)目標(biāo)

當(dāng)前全球范圍都在經(jīng)受疫情的沖擊，中國盡管在疫情防控工作方面做得十分到位，但是煤礦生產(chǎn)行業(yè)依舊在一定程度上受到了沖擊。由于煤礦企業(yè)需要在人員配備、機械設(shè)備和生產(chǎn)材料等方面做好科學(xué)統(tǒng)籌，但是在疫情形勢下，各個層面的工作都受到了干擾，促使煤礦開采事業(yè)需要拓展多元化格局，如何實現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型、未來向什么方向來進行技術(shù)轉(zhuǎn)型成為時下愈發(fā)熱烈的話題。其二，在2035年，國內(nèi)所有煤礦基本實現(xiàn)自動化開采，逐步構(gòu)建成熟全國型煤礦智能化管理體系及智能化繼承系統(tǒng)。根據(jù)目前我國的實際發(fā)展情況，我國已經(jīng)完成建設(shè)的智能化采煤工作面達到500多個，已經(jīng)在煤礦智能化建設(shè)層面取得了較為顯著的成績，特別是國家能源集團及中國煤科天瑪公司等單位，已經(jīng)在我國建成了首個無人巡視、自助式割煤的智能化無人工作面，這是我國煤礦綜合開采智能化建設(shè)取得的一次重大進展。不過就實際情況來看，我國的煤礦智能化開采與國外某些先進國家相比，還是存在一定差距，還需要在未來工作中加大工作建設(shè)力度。

1.3 礦山建設(shè)的階段性

礦山建設(shè)歷經(jīng)了幾代人的辛勤耕耘，最原始的是人工開采階段，在此階段中，行業(yè)內(nèi)相關(guān)開采工作者主要利用手工或者簡單工具鎬刨、锨挖開展礦山采掘活動，此階段主要生產(chǎn)力量是人力為主，因此不僅工作效率極低，而且也難以維系工作人員的生命安全。第二個階段即機械化階段，在機械化階段的礦山開采，在采掘、運輸、提升，以及生產(chǎn)輔助等各個層面都已經(jīng)有了很大提升，大量采用了機械設(shè)備、爆破施工，因此工作效率得到大幅度提高，礦井用人數(shù)量也在逐步降低。第三個階段，也就是我國將要完成的工作目標(biāo)，即數(shù)字信息化階段。此階段是處于計算機技術(shù)飛速發(fā)展時期，給傳統(tǒng)礦產(chǎn)行業(yè)帶來了極大的沖擊，同時也給行業(yè)注入了新的技術(shù)力量，如何利用信息技術(shù)來改造傳統(tǒng)礦產(chǎn)建設(shè)格局，同時在過程中融合國家發(fā)展戰(zhàn)略，打造“三網(wǎng)合一”“兩化融合”等工作體系[3]。最后一個階段才是礦山智能化建設(shè)的終極目標(biāo)，即實現(xiàn)各個礦山建設(shè)環(huán)節(jié)的智能化布局，其中包括了無人開采、選礦和運輸?shù)雀鱾€方面，在此階段的礦山建設(shè)才算真正意義上的“智能化”，其最終目標(biāo)是運用智能化技術(shù)手段來替代人力，實現(xiàn)工作效率、工作品質(zhì)的全面升華。

2 當(dāng)前我國礦山智慧建設(shè)工作存在的不足

2.1 相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范

相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范，其主要表現(xiàn)在礦山信息化推進過程中某些細節(jié)無法落實到位，總體建設(shè)缺乏頂層設(shè)計與科學(xué)規(guī)劃，對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)還需要持續(xù)完善，導(dǎo)致目前市面上許多系統(tǒng)制造商無序競爭。另外一個層面，由于建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范，導(dǎo)致各個礦區(qū)之間的互聯(lián)互通性比較差，往往智慧開采系統(tǒng)與生產(chǎn)實際不匹配，無法滿足現(xiàn)實開采需求，甚至在某些礦區(qū)還處于起步階段。

2.2 多學(xué)科交叉融合不足

智慧礦山的搭建，其中包含的專業(yè)內(nèi)容十分廣泛，不僅需要在技術(shù)層面做好銜接，同時還需要強化人員配置方面的內(nèi)容，這就需要做好多學(xué)科方面的交叉融合。然而就實際情況來看，當(dāng)前我國的智慧礦山建設(shè)工作中，還是有很多內(nèi)容未能落實到位，大部分的解決方案都過于粗獷，對應(yīng)的礦山公共開發(fā)平臺缺乏統(tǒng)一管理，沒有做好學(xué)科知識與實際應(yīng)用方面的疏通。目前我國許多地區(qū)的礦井的信息流、數(shù)據(jù)流都不夠精細，沒有構(gòu)建清晰的系統(tǒng)圖譜，智能化水平不足，各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的綜合協(xié)同管控力度也還需要進一步完善[4]。

2.3 過分強調(diào)硬件建設(shè)，存在“信息孤島”現(xiàn)象

客觀而言，當(dāng)前我國大部分的礦山建設(shè)都過分重視硬件的投入，忽略了軟件、系統(tǒng)平臺方面的研發(fā)投入，比較少針對礦井條件與業(yè)務(wù)系統(tǒng)導(dǎo)入針對性的軟件開發(fā)及其應(yīng)用，許多礦區(qū)的軟件開發(fā)界面都不夠友好，一線職工對軟件的實際認可度不高，使用效果也不理想。與此同時，礦井各個系統(tǒng)之間的集成度普遍偏低，存在兼容性差、接口不統(tǒng)一的現(xiàn)象，各類智能終端、信息系統(tǒng)等之間缺乏深度融合，而且在通信系統(tǒng)方面也需要持續(xù)強化，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)算法很難應(yīng)用到礦山業(yè)務(wù)中。如此一來，則最終會造成“信息孤島”問題，考慮到當(dāng)前我國大部分礦區(qū)的子系統(tǒng)基本已經(jīng)構(gòu)建完成，倘若系統(tǒng)在獲取海量信息數(shù)據(jù)的時候沒有做好集成分析，那么勢必會影響后續(xù)工作的正常開展。

3 智慧煤礦與智能化開采的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 精準(zhǔn)定位系統(tǒng)

在進行煤礦開采的過程中為了保證煤礦開采能夠按照計劃逐步推進，必須進行精準(zhǔn)的定位。但是眾所周知，在礦井中并沒有復(fù)雜的電磁信號也不能按收到衛(wèi)星信號，因此實現(xiàn)定位導(dǎo)航的難度會有所加大。在現(xiàn)階段我國應(yīng)用的定位系統(tǒng)中基于GⅠS的定位信息系統(tǒng)是運用最廣泛的技術(shù)之一，其包含了5個方面的核心技術(shù)。分別為高精度適用于復(fù)雜磁場環(huán)境的導(dǎo)航技術(shù)、局部定位導(dǎo)航芯片技術(shù)、井下高速無線通信技術(shù)、井下高精度定位技術(shù)及井下導(dǎo)航避讓技術(shù)。這5個技術(shù)的應(yīng)用能夠讓井下的定位系統(tǒng)更加精確，進一步保障煤礦的順利開采。

3.2 井下環(huán)境檢測技術(shù)

對于煤礦井下來講，由于其潮濕、復(fù)雜的電磁環(huán)境會嚴(yán)重制約著探測技術(shù)的應(yīng)用，因此井下環(huán)境檢測技術(shù)就成為了現(xiàn)階段我國煤礦行業(yè)對井下現(xiàn)狀分析的重要技術(shù)。環(huán)境檢測、振動探測等識別技術(shù)已經(jīng)成為了我國煤礦井下環(huán)境感知的核心技術(shù)，這些技術(shù)主要包含了4個方面。分別為高精度穿透技術(shù)、煤炭探測傳感器、甚于網(wǎng)絡(luò)的采掘裝備傳感器及特定物理環(huán)境探測儀。這4種技術(shù)相互聯(lián)系、相互工作，進而能夠更加精確的將井下復(fù)雜、極端環(huán)境信息傳輸?shù)降孛妫瑢崿F(xiàn)煤礦開采過程中的直接探測。

3.3 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析是智慧煤礦與智能化開采的關(guān)鍵系統(tǒng)。因為智慧煤礦集成了8個子平臺的運行，因此無論從技術(shù)層面還是實際操作層面數(shù)據(jù)分析都是至關(guān)重要的。數(shù)字煤礦的邏輯模塊需要從眾多傳感器中獲取煤礦井下的實際數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)的有效分析挖掘出煤礦開采的相關(guān)規(guī)律，并將其順利應(yīng)用在智能開采的控制過程中。精確的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)能夠幫助人們更加清晰地了解煤礦開采中遇到的問題和瓶頸并加以解決[5]。

3.4 視頻監(jiān)控技術(shù)

盡管有了相關(guān)技術(shù)設(shè)備的支持，但是為了便于管理員了解井下作業(yè)的實時情況，視頻監(jiān)控技術(shù)就顯得尤為重要。對于煤礦井下視頻監(jiān)控技術(shù)來講，實際上是通過指揮中心的視頻監(jiān)測系統(tǒng)實時觀察到煤層傾角變化及井下開采時設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況。操作人員可以通過顯示器實時了解井下工作的具體情況，避免在生產(chǎn)的過程中出現(xiàn)問題。視頻監(jiān)控技術(shù)能夠幫助工作人員進一步對煤礦開采的進程及各種傳感器的運轉(zhuǎn)情況實時了解。視頻監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用還可以在智慧煤礦系統(tǒng)出現(xiàn)問題時通過人工干預(yù)的方式進行解決，進一步保證煤礦開采的順利進行。

3.5 井下機器人技術(shù)

客觀而言，我國大部分地區(qū)的礦井地理環(huán)境都比較復(fù)雜。復(fù)雜的地理環(huán)境也在一定程度上給礦井工人帶來了安全隱患?；谶@些問題現(xiàn)階段我國已經(jīng)研發(fā)出了井下機器人來處理煤礦井下的技術(shù)難題。井下機器人能夠代替人工去完成相應(yīng)的操作，進一步方便了井下作業(yè)人員。但是現(xiàn)階段井下機器人仍然存在著耗電高、無法自我修復(fù)等問題需要解決[6]。

4 煤礦智能化體系的構(gòu)建策略

4.1 合理協(xié)調(diào)智能化模塊

實際上，煤礦智能化開采體系的構(gòu)建，需要從安全監(jiān)測、生產(chǎn)經(jīng)營和數(shù)據(jù)分析等各個層面做好智能化運行，合理協(xié)調(diào)好各個智能化模塊，在日常工作中推動煤礦智能開采常態(tài)化建設(shè)，同時還需要針對煤礦智能化體系中的開采、掘進及物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)雀鱾€方面做好統(tǒng)籌規(guī)劃，強化各個模塊的智能發(fā)建設(shè)，確保數(shù)據(jù)服務(wù)成與應(yīng)用成高度統(tǒng)一，智能化體系能夠與實際生產(chǎn)需求互相匹配。由于大多從事煤礦開采行業(yè)的一線工作人員自身綜合素養(yǎng)不足，因此還需要開展針對性的智能化操作培訓(xùn)，不斷加強智能化安全宣講，確保各項細則能夠深入到各個基層單元，進而推動煤礦智能化開采的工作效率與工作質(zhì)量。

4.2 創(chuàng)設(shè)露天礦山智能化知識圖譜

實際上，我國露天礦山智能化應(yīng)用案例不勝枚舉，考慮到智能化圖譜之中涉及到的內(nèi)容極為廣泛，因此需要在工作中學(xué)會統(tǒng)籌規(guī)劃，做好定量科學(xué)依據(jù)，清晰描述各項技術(shù)要素、實施途徑。其中包括：其一，對于工作流知識圖譜，首先需要對露天礦山大系統(tǒng)中的實際業(yè)務(wù)進行邏輯層面的重新解構(gòu)，將各項生產(chǎn)過程中涉及到的生產(chǎn)流程、操作步驟進行精準(zhǔn)定位，同時做好業(yè)務(wù)規(guī)則的清晰描述；其二，梳理好信息流知識圖譜，將各個業(yè)務(wù)層面依據(jù)信息流動邏輯進行重新解構(gòu)，將露天礦山業(yè)務(wù)范疇、跨設(shè)備及跨系統(tǒng)等信息流動規(guī)則做好精細描述；最后一個層面，則是對于技術(shù)途徑流只是譜圖方面流動工作落實。需要依照“感知—分析—執(zhí)行”這幾個關(guān)鍵步驟核心要素進行解構(gòu)，并對智能化手段做好科學(xué)梳理，并對實現(xiàn)手法做好清晰描述。

4.3 創(chuàng)新礦山智慧程度評價體系

創(chuàng)新礦山智慧程度評價體系，其核心依舊在于推動安全生產(chǎn)，提高煤礦企業(yè)的盈利能力，為各個部門做好科學(xué)規(guī)劃，同時將各項資源做到智慧化整合，達到“物盡其用”之成效。由于各項規(guī)劃內(nèi)容之中存在許多復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，所以要在礦山智能化圖譜基礎(chǔ)上，將各個業(yè)務(wù)單元預(yù)估好投入產(chǎn)出，具體的工作內(nèi)容包含：其一，智能化升級的“投入產(chǎn)出”估算科學(xué)評定，將各個業(yè)務(wù)做好升級處理，并對各個細則業(yè)務(wù)內(nèi)容規(guī)劃好總投入與產(chǎn)出之間的關(guān)系；其二，對于礦山投入規(guī)模需要融合各個部門之間的建議，對礦山實際盈利能力做好合理的估算模型，避免后續(xù)出現(xiàn)不必要的麻煩；最后，結(jié)合礦山實際生產(chǎn)特點，根據(jù)合理投資規(guī)模布局，做好礦山日常工作的規(guī)劃，同時不斷細化評價算法。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文主要結(jié)合了多年來相關(guān)的礦山建設(shè)工作管理經(jīng)驗，首先就煤礦智能化開采相關(guān)內(nèi)容展開了綜合論述，分析了當(dāng)前我國煤礦智能化開采中存在不足之處及具體的建設(shè)目標(biāo)，探究智慧礦山建設(shè)及智能化開采的關(guān)鍵技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上從多個維度入手，分別對未來智慧礦山的智能化開采策略展開了深入探究。隨著信息技術(shù)在礦產(chǎn)行業(yè)的持續(xù)滲透，未來我國的智慧礦山建設(shè)事業(yè)勢必將向著越來越多元化、智能化的方向發(fā)展，為了盡可能適應(yīng)時代步伐，相關(guān)從業(yè)技術(shù)管理人員必須立足自身，在平時善于發(fā)現(xiàn)不足，充分挖掘自身主觀能動性，懂得在工作中保持前瞻性思維。必要時，甚至可以從國內(nèi)外各種成功智慧開采案例中汲取有效養(yǎng)分，以此來創(chuàng)設(shè)別具中國特色的智慧礦山建設(shè)體系，進而促進國民經(jīng)濟發(fā)展，讓老百姓的生活質(zhì)量更上一層樓。