摘要
随着科学技术的不断发展，传统能源煤矿的开采也逐步向信息化智能化开采方向发展，在喀斯特岩溶高度发育的贵州地区开展智能化煤矿开采工作，面临诸多挑战和困难，因此，针对贵州煤矿开采现状，从地质条件、人才队伍建设、系统集成及科研投入等方面进行分析，探讨贵州省煤矿智能化建设过程中存在的问题，提出了煤与瓦斯突出智能预测预警、智能化标准体系构建、复合型人才培养、加大科技研发投入、建立煤矿大数据平台等应对措施，旨在为贵州省煤矿产业信息化、智能化发展提供有效参考。
煤矿在我国一次能源中占比达70 %，是我国的主要基础能源，随着全球能源供给与消费格局的不断变化，各类能源消耗占比也在不断变化。目前各大煤炭企业在加速释放产能，通过信息化手段加大煤矿的开采力度，但井下煤矿开采过程中不确定性因素较多且复杂，煤矿冒顶、瓦斯突出、涌水等安全性事故也频发不断，尤其在贵州复杂地质环境，煤矿开采受高瓦斯等因素影响，煤矿产能释放及开采受到了严重制约。
在第4 次工业革命的大背景环境下，煤炭开采加快信息化与工业化融合，通过煤矿信息化高度集成的智能化远程开采控制，实现煤矿资源的安全高效智能化开采。
贵州煤矿资源的条件
贵州省煤炭资源丰富，保有资源量约800 亿t，资源储量在全国排名第5，在满足本省的煤炭资源需求的同时，还向周边省份销售煤炭资源。贵州省含煤地层在全省分布广泛，在已探明的煤矿资源中，主要分布在上二叠统的长兴组与龙潭组，煤矿区域瓦斯地质条件差，煤层层数多，可采煤层一般为3~20 层，但煤层间距小，最小仅1.5 m，大多数在20 m以内，且大多为近距离突出煤层群，构造复杂，褶曲、断层构造多，断层密度最高达188 条/km2，居全国首位；煤层气含量最高达39.89 m3/t，煤层气压力大，实测煤层气压力最高达4.49 MPa，2023 年，全省煤矿瓦斯等级鉴定为突出占比85 %，高瓦斯为17 %，低瓦斯仅为8 %。
在全省20 个煤田中，三线建设时期就开始开发六盘水煤田是贵州最大的炼焦煤资源产区，为西南最大的煤田、煤炭工业基地，全省6 处300 万t 及以上产能矿井，均分布在该煤田区域内；织纳煤田是贵州省最大的无烟煤产区，由于交通不便，开采规模一直较小，近年来正逐步开始建设大型矿井；黔北煤田是贵州省第3 大煤田，以无烟煤为主，煤田东部区域可采煤层数少，西部区域可采煤层数多。3大煤田煤炭资源约占全省已探明储量的86%。
贵州煤矿智能化现状
贵州省煤矿信息化建设起步较晚，但近年来也正快速发展中，贵州省先后制定及颁布了一系列加快煤矿信息化与智能化升级改造文件，对煤矿综采综掘升级改造和辅助生产系统智能升级，都提出了相关的技术要求及政策保障，目前全省已基本实现采掘机械化，但整体而言，贵州省煤矿智能化还处在信息化建设向智能化建设的过渡阶段，部分矿井已实现采掘系统及辅助生产系统的智能化升级，包括巡检机器人、5G网络井下示范应用。
贵州省煤矿智能化发展实施方案显示，逐步推进煤矿智能化采掘工作面改造，优先开展产能60 万t/a 及以上矿井改造工作，到“十四五”末期，全省生产煤矿综掘、综采工作面基本实现智能化，提升贵州省煤矿信息化智能化开采水平。
目前首批列入国家智能化示范建设的4 个煤矿中，新田煤矿、青龙煤矿已经完成智能化建设，发耳煤矿及山脚树煤矿将于2024 年底完成建设；正在开展高山煤矿、糯东煤矿、聚鑫煤矿3 个省级示范智能煤矿建设，推动实施省智能煤矿建设，全省首批建设智能煤矿共68 处，其中，高级4 处、中级15处、初级49处。
新田煤矿是贵州省第1 家智能化示范矿井，已经安装并应用了5G、WiFi 网络和AI 摄像仪、智能手机，井下固定场所实现了无人值守，特殊场景实现了机器人巡检，采掘工作面、智能掘进、智能采煤系统采用远程操控。煤矿井下UWB精准人员定位，使得调度指挥更高效、更精准，安全管理更高效。煤矿三维地质保障技术、瓦斯动态趋势分析技术、多源瓦斯突出预警技术等的运用，对瓦斯的精准预防与治理，提供了更多可信数据支撑。
煤矿智能化建设过程中的问题
复杂地质条件与高瓦斯制约
贵州是喀斯特岩溶地貌高度发育区，此类特殊地质结构导致了贵州煤矿资源开采条件复杂，地下岩溶涌水、煤与瓦斯突出等灾害时常发生。在全国产煤省份中，贵州省煤矿资源开采条件比北方省份更为复杂，难以建成大规模矿井。
复杂性地质条件，地质构造的不准确性、断层发育、地下水、高瓦斯等问题，给贵州煤矿智能化建设带来了巨大挑战，高瓦斯的煤层赋存条件，阻碍贵州煤矿信息化向智能化发展进程，矿井在规划设计、开采、智能化升级改造过程中，需攻克诸多关键技术难题。在石门揭煤、掘进工作面、回采工作面等环节中，瓦斯抽采都是需要首先解决的问题，瓦斯抽放占据了大量时间，使得煤矿智能化建设过程受到严重阻碍。
缺乏专业技术人才和复合型管理人才
煤炭行业是劳动密集型产业，受煤炭开采环境因素影响，传统煤矿开采对一线工人的知识水平要求较低，专业技术人员的水平也参差不齐，技术人才流失成为煤炭企业人才用工的普遍现象。煤炭开采涉及多学科多专业的交叉融合，采矿、地质、安全、测量、供电、通风、排水等，由于煤矿矿井大多建立在偏远地区，生活环境差，井下工作环境的特殊性，对煤矿智能化建设专业人才的需求标准较高，培养技术人才的时间相对较长，因此，人才队伍难以维持固定的核心团队，“招不来、留不下”一直是煤炭企业人才发展的难点和痛点，缺少专业技术人才及复合型管理人才，也是煤炭智能化转型升级的难题。
信息系统不规范、缺乏集成化管理
在贵州各煤炭企业的信息化建设中，参与建设的厂家较多，设备型号差异大，数据传输协议为OPC UA、Modbus TCP、CANopen、SFTP、RTSP、Onvif 等，各子系统间缺乏统一集成管理，数据格式不统一、网络通信协议兼容性差、业务系统间协同控制兼容性差等，都是智能化建设过程中数据兼容壁垒。
此外，不同煤矿企业间的信息化建设水平差异较大，大型煤矿信息化建设相对完整，小型矿井信息化建设较为滞后；已建成的矿用系统间相对独立，缺少与其他系统的信息资源共享，缺乏统一的信息集成应用服务综合管理平台，煤矿企业内外部“信息孤岛”现象严重，导致工作效率低下，无法实现无人值守或者减员值守。
科技需求投入大、企业融资困难
贵州煤矿信息化与智能化转型升级涉及的煤炭企业主体较多，但煤矿企业以民营企业为主，大部分煤矿企业信息化、智能化开采水平较低，煤矿智能化升级转型需投入较大资金逐步开展，部分矿井近年来煤矿市场回暖时采掘严重失调，部分煤矿企业出现了信用危机甚至破产，给企业信用造成了严重影响，加大了融资难度。
贵州省很多煤矿企业对信息化与智能化的转型认识不足，未感受到煤矿智能化所带来的直接效益，导致煤矿企业科研投入较少，部分煤矿企业甚至无科研投入，也是制约贵州煤矿智能化发展的重要因素之一。
解决智能化建设存在问题的对策
智能预测煤与瓦斯突出
研究煤与瓦斯突出危险性智能化预测预警模型，运用大数据、人工智能等技术，通过煤与瓦斯突出多元前兆信息融合的参数选择，融合分析多因素实时监测参数和超前探测地质数据，采用关联规则算法和证据理论算法相结合，构建出基于多源前兆信息融合的煤与瓦斯突出动态监测模型，构建适用于不同应用场景的煤与瓦斯突出智能预测预警技术体系。实现针对预警原因自动追溯，为井下生产提供数据支撑，实现纵向多级、横向多分区联动的实时预警管控，打破信息断层，为煤矿智能化安全生产提供保障。
构建智能化标准体系
2021 年国家能源局联合国家矿山安全监察局发布了煤矿智能化建设指南，对井工煤矿、露天煤矿及选煤厂的智能化提出了建设目标，并对煤矿智能化建设中的数据规范、通信接口、信息安全性及系统可持续性4方面提出了建设要求。
贵州煤矿开采地质条件复杂，开采过程中地下水涌出、瓦斯突出、断层构造复杂等问题频发，在国家发布的煤矿智能化建设指南基础上，贵州省根据特殊的煤矿环境发布了“贵州省智能煤矿建设指引”，但从目前全省煤矿资源及信息化现状来看，还需充分结合贵州省实际条件，定制更为详细的可操作性强的智能化建设标准，并形成煤矿智能化建设评价体系，在资源条件好的矿井开展试点建设，逐步形成试点应用、成果推广、覆盖全省的智能化建设标准，贵州煤矿安全生产可视化标准体系如图1所示。
图1 安全生产可视化架构
加快复合型人才的培养
加强全省煤矿职工技能培训，搭建实操培训基地、实物教学基地、教培中心等，以技能竞赛为载体，坚持常态化开展职工技能大赛、岗位达标竞赛等活动，加快煤矿复合型人才的培养，向煤矿企业输入更多专业人才，为更多优秀的高技能人才搭建平台。
通过开展线上线下教学及实践培训相结合，充分整合内外部优势资源，利用省内国有大型矿井专业技术人才优势，有计划、有组织开展专项培训，采取理论培训和现场教学相结合的模式，定期开展理论和实操考核，把在贵州煤矿开采过程中遇到的实际问题引入课堂，把现场当课堂，把问题当教材，把难题当课题，用现场教学、讲解、讨论、实操相结合的方式，让职工在现场实践中掌握业务要领，提高业务知识和能力，形成自上而下，全覆盖、无盲区、立体式的矿井技能教育格局，全面提高煤矿企业专业技术人才知识技能水平，真正达到学用结合、学以致用的目的。
增加煤矿智能化建设投入
科技是创新驱动力，充分解放劳动密集用工岗位，煤矿企业及政府要增加科技研发投入，强化科技政策、产业政策、招商政策等协同，推动建立研发投入强度与财政支持力度、资源配置相挂钩机制。
完善研发投入推进统筹机制，建立部门协同、市县联动的研发投入管理体系，开展分地区、分主体研发投入的任务分解、动态监测等工作，推进各创新主体规范研发投入管理，采取有效的煤矿信息化智能化建设奖励措施及补助措施，做到账表“应建尽建”、费用“应提尽提”、数据“应统尽统”。
在全省大力推进煤矿智能化采掘工作面建设，加大在煤矿综采综掘、煤流控制、煤矿机器人、辅助生产等方面的科研投入及试点推广应用，建立煤矿生产一体化管控平台，全面科学推进智能煤矿建设，形成以试点应用为基点，全省全面应用的新型煤矿行业新格局。具体如图2—图3 所示。
图2 智能煤流控制架构
图3 煤矿生产一体化管控平台
建立煤矿大数据平台
依托贵州能源云，建立全省煤矿专项大数据应用服务平台，形成自上而下的架构体系，打通煤矿企业与各级管理部门间的信息沟通障碍，提高社会资源利用率。
针对贵州特殊复杂地质条件下的瓦斯抽放、封孔、智能定向打钻、瓦斯抽放巷掘进、石门揭煤、“三软”煤层开采、厚煤层1 次采全高、盾构机快速掘进等工作，形成专家知识库，实现全省煤矿开采技能与问题解决方法的知识共享，当开采过程中遇到重大安全隐患时，可通过大数据平台，实现在线专家会诊，帮助煤矿企业解决痛点难点，必要时还可形成专家组到现场指导工作，快速解决煤矿开采过程中的瓶颈难题，提升煤矿资源开采能力，降低开采安全风险，保障职工尤其是一线采掘工人的生命安全。
优化整合煤矿资源
州省截至2023 年12 月有生产煤矿312 处，产能18 482 万t，根据表1 可以看出，贵州省煤矿以小型煤矿居多，约90%煤矿产能小于100 万t，产能小于50 万t 煤矿227 处，占比更是高达72.76%，与复杂地质条件下，矿井建设投资大、建设周期长有关，因此，大部分煤矿企业投资建设规模较小，煤矿资源零散分布也是难以形成大规模矿井的又一因素，只有资源条件好、历史悠久的矿井产能相对较大。
表1 贵州省2023 年12 月生产煤矿产能等级统计
贵州省需要充分整合煤矿资源，推进兼并重组工作，逐步淘汰及关闭开采方式落后、资源条件差、产能小的矿井，快速建设一批具备大思路、大格局、大采面的新型高产矿井，加快矿井智能化建设，实现优质煤矿资源的快速开采。同时针对埋藏较浅的煤炭资源，大力推进露天开采煤矿的建设，降低煤矿建设成本及安全风险，充分释放产能。
总 结
针对贵州省煤矿智能化建设瓦斯突出、信息系统不规范、智能化建设人才缺乏等问题，提出了构建煤与瓦斯突出智能预警、标准体系构建、复合型人才培养、煤矿大数据平台建设等应对措施，旨在为贵州省煤矿智能化建设提供参考，促进煤炭资源的安全高效开采。
贵州煤炭行业智能化建设具有很大提升空间，在未来5～10 a 转型期内，需要从政策保障、煤矿企业科研投入及社会资源参与多方面加强深度融合；在煤矿企业信息化转型、政府政策支持、社会科研力量及资金投入保障的共同作用下，逐步实现智能化升级改造。通过智能化手段实现煤炭企业安全高效、绿色环保、智能化发展。
基金项目：贵州省科技重大专项资助项目（黔科合重大专项字［2021］3001）；贵州省中央引导地方科技发展资金资助项目（黔科中引地［2021］4005），贵州省科技项目一般资助项目（黔科合支撑［2022］一般016）
策划：李金松 编辑：刘雅清
热点问答
智能矿山通信网络关键技术及典型应用系统包括哪些？
1.煤矿 5G 专网技术
（1）上行增强技术：采用特定帧结构配置，如 1D3U，以及上行载波聚合和上行辅助 SUL 技术提升上行传输速率。
（2）精确定位技术：基于射频指纹定位算法和 3GPP NR 定位技术，为井下设备提供精准定位。
（3）空口低时延高可靠技术：通过迷你时隙、上行免调度传输、抢占机制等实现低时延，采用编码调制、重复传输等提高高可靠。
（4）无线切片技术：为不同业务需求提供差异化服务，可采用软隔离或硬隔离的切片实施模式。
（5）直连通信技术：支持 NR Sidelink 直连通信，满足智能交通和自动驾驶类业务需求，减轻上行链路负荷。
2.典型应用系统
（1）煤矿 5G+F5G 专网典型应用系统：可用于视频传输网、远程控制网、煤矿安全监控系统传输网、煤矿人员定位系统传输网和其他物联系统接入网。
（2）煤矿融合通信技术：遵循数字矿山“ 一网一站 +” 总体要求，融合煤矿井下蜂窝无线通信子系统、定位子系统、程控调度子系统、监测监控子系统、无线局域网通信子系统、语音广播子系统、工业自动化接入子系统和 GIS 地图互操作子系统。
——来源：《中国煤矿智能化发展报告（2022年）》
