信息化背景下煤礦智能化建設(shè)的探索與實(shí)踐

張昭喜 翟大臣 全秀麗 劉涵冰 來佑佑

摘 要： 如今在信息化背景下，城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對煤礦資源提出了更高的需求，煤礦的智能化建設(shè)發(fā)展也成為大勢所趨。著重介紹煤礦智能化建設(shè)的背景、目標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)，煤礦智能化建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)包括傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并附相關(guān)實(shí)際的探索與實(shí)踐案例，闡述了煤礦智能化建設(shè)的必要性。

關(guān)鍵詞： 信息化 煤礦 智能化建設(shè) 探索與實(shí)踐

中圖分類號： TD79文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 1679-3567（2024）04-0008-03

Exploration and Practice of the Intelligent Construction of Coal Mines Under the Background of Informatization

ZHANG Zhaoxi ZHAI Dachen QUAN Xiuli LIU Hanbing LAI Youyou

Dongtan Coal Mine， Yankuang Energy Group Co.， Ltd.， Jining， Shandong Province， 273500 China

Abstract： In the context of informatization， urban construction and economic development have put forward higher demands for coal mine resources， and the intelligent construction and development of coal mines has become ageneral trend. This article focuses on the background， goals and key technologies of the intelligent construction of coal mines， and the key technologies of the intelligent construction of coal mines include sensor technology， artificial intelligence technology， big data technology， virtual reality technology and augmented reality technology.This article also attaches relevant practical exploration and practice cases， are and explains the necessity of the intelligent con‐struction of coal mines.

Key Words： Informatization； Coal mines； Intelligent construction； Exploration and practice

我國于2020年發(fā)布了《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)是在信息技術(shù)高速發(fā)展的背景下，為了提高煤礦行業(yè)的安全性、降低成本、提高生產(chǎn)效率和保護(hù)環(huán)境等方面的能力而進(jìn)行的[1]。隨著煤礦行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，智能化技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)煤礦行業(yè)現(xiàn)代化管理和高效生產(chǎn)的重要途徑之一。

1 明確煤礦智能化建設(shè)的目標(biāo)

煤礦智能化建設(shè)的目標(biāo)是通過引入人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)和管理的自動化、智能化和數(shù)字化。第一，提高礦工的勞動安全。利用智能化技術(shù)對礦井環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)和礦工健康狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警，減少人員傷亡事故的發(fā)生，保障礦工的安全。第二，提高礦井的生產(chǎn)效率。引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備、機(jī)械的互聯(lián)互通，優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)量穩(wěn)定性。第三，提高煤炭采掘率和質(zhì)量。運(yùn)用智能算法對煤層進(jìn)行建模和預(yù)測，優(yōu)化采掘方案和工藝流程，提高煤炭的采掘利用率和質(zhì)量[2]。第四，降低能源和資源的浪費(fèi)。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對煤礦生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，減少能源消耗和資源浪費(fèi)，提高資源的利用效率。

2 煤礦智能化建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

煤礦智能化建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)包括但不限于以下幾個方面：傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

2.1 傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)在煤礦智能化建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。傳感器是一種能夠?qū)⒛撤N物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號輸出，并將其應(yīng)用于測量、控制和監(jiān)測的器件。在煤礦環(huán)境中，傳感器可以用于測量煤礦井下的溫度、濕度、氣體濃度、噪聲等環(huán)境參數(shù)，以及煤礦設(shè)備的振動、壓力、電流等設(shè)備參數(shù)。傳感器的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)煤礦環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，為礦井安全和生產(chǎn)管理提供有力的依據(jù)。（1）在煤礦環(huán)境監(jiān)測方面，傳感器技術(shù)可以用于監(jiān)測礦井內(nèi)部的溫度和濕度變化。通過布置溫濕度傳感器，可以實(shí)時監(jiān)測礦井的溫濕度情況，提供環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)支持[3]。例如：在煤礦火災(zāi)的預(yù)防和控制中，溫度傳感器可以監(jiān)測礦井內(nèi)部的溫度變化，一旦溫度異常升高，系統(tǒng)可以及時預(yù)警并采取相應(yīng)的措施。（2）在設(shè)備監(jiān)測方面，傳感器技術(shù)可以用于檢測煤礦設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。例如：通過振動傳感器可以監(jiān)測機(jī)械設(shè)備的振動情況，實(shí)時判斷設(shè)備是否存在故障或異常情況。通過電流傳感器可以監(jiān)測設(shè)備的電流消耗情況，判斷設(shè)備的工作狀態(tài)和能耗情況。這些傳感器的應(yīng)用可以幫助煤礦進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)警，優(yōu)化設(shè)備維護(hù)和維修計劃，提高設(shè)備的可靠性和壽命，減少生產(chǎn)線的停機(jī)時間。這種監(jiān)測技術(shù)可以及時發(fā)現(xiàn)礦工可能存在的身體異常和疾病風(fēng)險，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施和應(yīng)急處理。

2.2 人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)是煤礦智能化建設(shè)中的關(guān)鍵組成部分，通過模擬人類智能的能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自主學(xué)習(xí)、推理和決策，為煤礦的自動化控制和智能化管理提供支持。人工智能技術(shù)以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和智能決策能力，成為煤礦智能化建設(shè)的重要推動力量。人工智能技術(shù)包括機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和自然語言處理等多個領(lǐng)域，可以應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)和管理的各個環(huán)節(jié)。首先，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)是人工智能技術(shù)的核心之一。通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，系統(tǒng)可以根據(jù)大量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測。在煤礦中，機(jī)器學(xué)習(xí)可以應(yīng)用于礦井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析和優(yōu)化，通過對生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，提取出模式和規(guī)律，優(yōu)化采礦和工藝流程，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個重要分支，利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜數(shù)據(jù)的深度分析和學(xué)習(xí)。在煤礦中，深度學(xué)習(xí)可以應(yīng)用于礦井安全預(yù)警和故障診斷。通過對傳感器數(shù)據(jù)的分析和學(xué)習(xí)，系統(tǒng)可以自動識別礦井環(huán)境和設(shè)備的異常情況，并進(jìn)行預(yù)警和故障診斷，有助于提前防范和處理潛在的安全風(fēng)險。

2.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)是煤礦智能化建設(shè)中的重要組成部分，通過采集、存儲、處理和分析龐大的數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)對煤礦生產(chǎn)和管理的優(yōu)化和改進(jìn)。大數(shù)據(jù)技術(shù)是指能夠處理大規(guī)模、高速增長、多樣化的數(shù)據(jù)資源，從中提取價值和洞察的技術(shù)和方法。在煤礦智能化建設(shè)中，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以應(yīng)用于多個方面，包括煤礦生產(chǎn)過程的監(jiān)測與優(yōu)化、設(shè)備故障預(yù)測與維護(hù)、礦工安全與健康監(jiān)測等。首先，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)過程的監(jiān)測與優(yōu)化。通過在煤礦生產(chǎn)過程中采集各種傳感器數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)，建立大數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的集成和分析，可以實(shí)時地監(jiān)測和分析煤礦生產(chǎn)過程中的各種指標(biāo)和參數(shù)。通過對數(shù)據(jù)的挖掘和分析，可以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的異常情況和潛在問題，及時采取相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化措施，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量[4]。其次，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以用于煤礦設(shè)備的故障預(yù)測與維護(hù)。通過采集和分析煤礦設(shè)備的傳感器數(shù)據(jù)和維修記錄，建立設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測模型。通過對設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和分析，可以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備可能出現(xiàn)的故障和異常，預(yù)測設(shè)備的維護(hù)需求，避免設(shè)備故障導(dǎo)致的生產(chǎn)停機(jī)，并優(yōu)化維修計劃，提高設(shè)備的可靠性和利用率。

2.4 虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Aug？ mented Reality，AR）技術(shù)是煤礦智能化建設(shè)中的新興技術(shù)，通過模擬或增強(qiáng)用戶的感官體驗(yàn)，為煤礦的培訓(xùn)、模擬和可視化提供全新的方式和手段。

2.4.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種能夠通過電腦生成的虛擬環(huán)境，模擬人的感官體驗(yàn)的技術(shù)。在煤礦智能化建設(shè)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以應(yīng)用于礦井培訓(xùn)和模擬。通過戴上虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器和操縱器，礦工可以身臨其境地體驗(yàn)進(jìn)行礦井工作，感受到真實(shí)的礦井環(huán)境和操作場景。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供高度沉浸式的體驗(yàn)，幫助礦工更好地理解和熟悉礦井的工作環(huán)境，降低培訓(xùn)成本和工作風(fēng)險。

2.4.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種能夠通過電腦生成的虛擬信息與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行融合的技術(shù)[5]。在煤礦智能化建設(shè)中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以應(yīng)用于煤礦安全和設(shè)備維護(hù)。通過穿戴式顯示設(shè)備，如智能眼鏡或頭盔，礦工可以在視野中看到虛擬信息的疊加，如設(shè)備狀態(tài)、安全警示和操作指導(dǎo)等。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供即時的信息展示和指導(dǎo)，幫助礦工更加方便地識別和解決問題，提高礦工在復(fù)雜環(huán)境下的工作效率和安全性。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用還可以擴(kuò)展到煤礦的可視化和決策支持。

通過將煤礦數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果與虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對煤礦生產(chǎn)過程的可視化展示。例如：在煤礦開采過程中，可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成礦井的三維模型，并在模型上實(shí)時展示礦井的溫度、氣體濃度、設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)，幫助決策者進(jìn)行可視化的分析和決策。

以上這些關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)和管理的自動化、智能化和數(shù)字化，提升煤礦行業(yè)的安全性、生產(chǎn)效率和可持續(xù)發(fā)展能力。

3 實(shí)際的探索與實(shí)踐案例

在煤礦智能化建設(shè)方面，部分煤礦已經(jīng)進(jìn)行了一些實(shí)際的探索與實(shí)踐。

3.1 引入智能機(jī)器人進(jìn)行巡檢作業(yè)

智能機(jī)器人能夠替代人工進(jìn)行煤礦礦井的巡檢，利用激光掃描、攝像頭和傳感器等技術(shù)，對礦井環(huán)境和設(shè)備進(jìn)行高精度的檢測和監(jiān)測。智能機(jī)器人具備自主導(dǎo)航、避障、數(shù)據(jù)采集和圖像分析等功能，可以提高巡檢的準(zhǔn)確性和效率，減少礦工的勞動強(qiáng)度。

3.2 應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)優(yōu)化

通過收集煤礦生產(chǎn)過程中的大量數(shù)據(jù)，并運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行處理和挖掘，可以實(shí)現(xiàn)對煤礦生產(chǎn)過程的優(yōu)化。利用數(shù)據(jù)分析，可以實(shí)時監(jiān)測和分析礦井環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、采礦效率等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)潛在問題并及時采取措施進(jìn)行調(diào)整，從而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

3.3 實(shí)現(xiàn)礦井智能化監(jiān)控系統(tǒng)

在礦井中安裝傳感器和監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對礦井環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、礦工健康狀況等的實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警。通過監(jiān)測設(shè)備和礦工的數(shù)據(jù)，利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以及時掌握礦井的運(yùn)行狀態(tài)和潛在風(fēng)險，提升礦井的安全性和管理水平。監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時警報和記錄礦井中的異常情況，有助于迅速采取措施防范和處理潛在的事故。

3.4 利用人工智能技術(shù)進(jìn)行礦井設(shè)備故障預(yù)測

應(yīng)用數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對礦井設(shè)備的傳感器數(shù)據(jù)和維修記錄進(jìn)行處理和分析，可以建立設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測模型。通過監(jiān)測設(shè)備狀況的指標(biāo)，如溫度、振動等，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和學(xué)習(xí)，可以準(zhǔn)確預(yù)測設(shè)備的故障發(fā)生概率，并提前采取維修措施，降低設(shè)備故障率和停機(jī)時間。這有助于提高設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)線的閑置時間。

4 結(jié)語

綜上所述，煤礦智能化建設(shè)在信息化背景下具有重要意義。通過引入先進(jìn)的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)和管理的自動化、智能化和數(shù)字化，從而提高煤礦行業(yè)的安全性、生產(chǎn)效率和可持續(xù)發(fā)展能力。煤礦智能化有利于提高生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)勘探，還能夠延伸煤炭企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，打造煤礦智能裝備和煤礦機(jī)器人研發(fā)制造等新產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展前景值得期待。

參考文獻(xiàn)

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