（a）大采高智能化地面监控中心
（b）智能精准开采地面控制中心
图1 黄陵矿业公司智能化开采技术地面生产现场
煤炭是国民经济基础中的支撑能源，目前正处在加快经济转型和升级的关键时期，推动智能矿山建设对煤炭绿色开采、保护自然环境具有重要的作用与意义。国家相继出台了《中国制造2025》《全国矿产资源规划(2016—2020年)》《“十三五”资源领域科技创新专项规划》《煤炭工业发展“十三五”规划》《煤矿机器人重点研发目录》《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》等文件，在政策支持及技术不断突破的共同推动下，智能矿山建设已成为行业大势所趋。2014年，陕西陕煤黄陵矿业有限公司（以下简称黄陵矿业公司）率先完成了中厚煤层智能化开采技术研究与探索，首次实现了地面远程操控采煤作业的常态化，成果达到国际领先水平，并于2018年实现了智能化开采技术在薄煤层、中厚煤层及大采高煤层的全覆盖应用；2019年，黄陵矿业公司开展了“基于动态地质模型大数据融合迭代规划控制策略的智能开采技术”项目研究，在地面远程采煤的基础上，增加了智能控制系统的自动分析、提前预测和自主控制功能，全面提升智能开采技术在复杂地质条件下的自适应调整能力，实现了由传统的记忆截割向三维空间感知、智能规划和自主截割的技术跨越，对推动煤炭行业智能化开采技术进步具有重要意义；同年，黄陵矿业公司对矿井生产辅助系统变电所、供排水泵房、主输送带等10个子系统进行自动化智能化集中控制建设，实现了生产辅助系统的无人值守、有人巡视；此外，黄陵矿业公司在陕煤集团内部率先上线了安全生产信息共享平台，该平台将公司下属4对生产矿井的采、掘、机、运、通等各专业的业务流程进行统一管理，并基于“一张图”的管理模式实现了水灾、火灾、瓦斯灾害、粉尘爆炸、顶板事故等矿井灾害信息在线监测及工业视频、综合自动化数据的实时采集存储与预测预警，实现了安全生产业务数据和图形一体化的集中管理，实现了从单个系统到多系统的全面集成，提升了黄陵矿业公司整体的安全管理水平。目前，黄陵矿业公司已形成现代化智能矿井的雏形。
智能矿井建设现状
2020年2月，国家发展改革委等八部委联合发布了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确要求要进一步加快推进我国煤矿智能化建设进程。黄陵矿业公司积极响应文件精神，针对下属各矿井现有条件，重点从以下6个方面开展了智能矿井、智慧矿区的建设。
“记忆截割”到“自主截割” 智能采煤迭代升级
2014年，黄陵矿业公司联合中国煤炭科工集团有限公司、西安煤矿机械有限公司等单位在黄陵一号煤矿率先完成了中厚煤层智能化开采技术研究与探索，首次实现了地面远程操控采煤作业的常态化，成果达到国际领先水平，黄陵矿业公司智能化开采技术地面生产现场如图1所示；2016年，在中厚煤层成功实践的基础上，黄陵矿业公司在黄陵二号煤矿开展了大采高（厚煤层）智能化开采技术的研究，集中攻克了制约大采高智能开采普遍面临的煤壁片帮、底软拉架等技术难题，实现了智能化开采技术在大采高煤层和复杂地质条件下的常态化应用；到2018年12月，黄陵矿业公司下属4对矿井6个工作面全部实现智能采煤，成为全国首个实现薄煤层、中厚煤层、厚煤层智能化开采全覆盖的矿区。因此，在煤矿地质探查手段及探查精度不断进步和煤炭科技装备水平不断提升的基础上，黄陵矿业公司积极探索应用智能化开采新技术，以期进一步提升公司的智能化开采技术水平。
（1）探索实践透明地质开采
开展基于动态地质模型大数据融合迭代规划控制策略的智能开采技术研究，首创了可预测、预判、预控的综采大数据智能决策平台，具有自主决策、规划截割、精准定位、自动找直等功能，完成了智能开采由传统记忆截割的“1.0”向三维空间感知和自主截割的“3.0”技术跨越，实现了“割煤就是割数据”的智能开采技术二次革命，该技术经中国煤炭工业协会鉴定达到国际领先水平。
（2）推进智能化与“110工法”融合
积极探索智能化与“110工法”融合开采，累计完成留巷5 500 m，减少掘进进尺5 500 m，节约费用8 200万元，资源回收率提高了10%以上。双龙、瑞能煤业有限责任公司智能化与“110工法”融合有序推进，黄陵一号煤矿完成了设备配套，计划2022年底在1009工作面投入使用。
攻克地质灾害难题 智能掘进突破瓶颈
2019年，黄陵矿业公司联合产学研单位开展了“复杂地质条件下煤矿智能快速掘进技术及装备”项目研究， 根据黄陵矿区复杂的地质条件，首次提出了掘进、支护、运输协同作业工艺，实现了大断面掘进工作面快速掘进，掘进效率大幅提升，单进水平最高达到680 m/月，实现了地面一键启停，掘、支、运平行连续作业，一次成巷，掘进效率与之前相比提升了1倍以上；2020年，在快速掘进技术成功应用的基础上，研发了快速掘进地面远程控制系统，突破了煤流一键启停、自动截割与自主行走、远程辅助锚护、全自动锚索机器人智能钻进等关键技术，实现了成套装备地面和井下远程控制，创建了“无人跟机作业，有人安全巡视”的掘进新模式。针对中厚煤层掘进断面受限、煤油气灾害共生等问题，积极开展快掘装备自主选型配套，先后为黄陵一号、二号煤矿自主选型配套了煤-岩巷道快速掘进成套装备（图2a），采用迈步支架＋双锚掘进机+带式转载机＋跨骑四臂锚索钻车＋除尘系统＋自移机尾＋自移设备列车，使掘进效率提高了60%以上，月进尺突破了580 m。为提高瓦斯治理效率、降低灾害治理对掘进的影响，引进了智能可视化打钻系统（图2b），该系统具有自动调节钻机方位角、倾角、开孔高度等功能，可进行多台钻机集群作业，实现了打钻作业全过程的自动化、智能化，施工人员由6人减少至3人，钻进效率提升了1倍以上，为矿井灾害超前治理赢得了时间。
(a) 掘锚一体式快速掘进装备
(b) 可视化智能打钻系统
图2 黄陵矿业公司智能化快速掘进生产现场
远程监控 + 机器人巡检 智能辅助全面实现
按照陕西煤业化工集团有限责任公司要求，全面实施辅助系统智能升级改造，实现“无人值守、无人巡视”的目标。
（1）实施远程集中控制
完成了10大类101项生产辅助系统的改造，井下变电所、水泵房无人值守，压风系统智能运行，输送带集中控制，局部通风机无人看管。
（2）建成巡检机器人群
在井下变电所、水泵房等场所建成了60套巡检机器人群，对设备进行巡视、数据采集、融合分析，具备主动报警、紧急制动等联动功能，实现了辅助系统由“无人值守、有人巡视”向“无人值守、机器人巡视”的转变，巡检效率较人工巡检提高了2倍以上，累计减少岗位工180人，每年节约人工成本4 100余万元。此外，在地面采用无人机巡视架空线路，有效提高了巡检效率。
（3）建成智慧装运系统
以市场为导向、以客户为中心建成了智能装车系统，实现了装车系统预约排号、全流程智能运行、融合分析以销定产等功能，达到了“减人提效、智慧装运”的目标。车辆进出场效率提升了50%，仓下装车效率提升了54%，综合减员62人，每年节约费用1 000余万元。黄陵矿业公司智能辅助系统现场如图3所示。
(a) 智能管控云平台
(b) 变电所智能巡检
图3 黄陵矿业公司智能辅助系统现场
首创人员行为治理体系 智能安全全面升级
为实现安全管理全覆盖、零盲区的目标，黄陵矿业公司结合风险辨识管控清单，首创了矿山人员行为治理系统，该系统具有智能预警、实时记录、现场制止、联动闭锁4项功能。通过综合运用移动网络、大数据分析等技术，实现了对作业过程中人的不安全行为、设备的不安全状态、环境的不安全因素进行智能监管，突破了传统“单一人工管控风险”的格局。现已开发46个生产场景、45种违规情形、12种标准作业程序的智能监管系统，目前已在黄陵矿业公司下属的4对矿井实现井下全覆盖监管（图4）。
(a) 智能安全管控云平台
(b) 井下不安全行为抓拍
图4 矿山人员行为治理系统
智能管控 全面构建数字孪生体系
为满足智慧矿区的需要，实现网络低时延、大带宽、广连接，黄陵矿业公司搭建了万兆环网”的信息高速公路，开发了黄陵矿业公司决策和矿井管控2个云平台，实现了对全公司安全生产、经营等管理要素集中共享分析、智慧决策，全力打造“智慧大脑”。对矿井18个业务系统902个功能点、21个生产重要场景、18 000多个信息点全部实现了可视化，对采、掘、生产辅助等45个自动化系统实现了联动控制，建立了远程诊断、矿压分析等340个场景模型，形成了可视、可控、可算的智慧指挥中枢，实现了矿井从检修模式向生产模式的一键切换。目前，在黄陵一号煤矿智能云平台已上线试运行，其他3对矿井和公司智能云平台正在有序建设中，预计到2022年底全部建成并上线运行。
积极参与标准制定 指导智能化建设
智能开采，标准先行。在智能矿井建设的同时，黄陵矿业公司深刻认识到标准的重要性，基于黄陵矿业公司近年来在智能化开采技术方面的技术积累，形成了智能化综采工作面从巷道设计、设备选型、设备安装、日常操作、现场管理到工作面回撤的成套标准体系，其中2项标准被评为行业标准。此外，2021年发布了《基于掘锚一体机的煤巷快速掘进系统设计》《基于掘锚一体机的煤巷快速掘进系统操作规范》《煤矿安全生产管理体系规范》3项企业标准，填补了煤炭行业安全生产管理标准的空白。最终，逐步形成了企业智能化建设技术标准和规范体系，提炼出可供复制的系统建设方案，全面助推煤炭行业智能化建设工作迈上新台阶。
智能矿井建设目标
黄陵矿业公司以“打造煤炭行业科技创新高地引领智能矿井智慧矿区建设”为主旨，开展“智能矿井 智慧矿区”整体建设。总体建设目标是实现智能矿井 “两智三无三转变”，“两智”即智能化开采、智能化掘进；“三无”即无煤柱、无巷道和工作面无人开采；“三转变”即控制技术从手动干预、有人值守向自动控制、无人值守的转变，安全管理从事后响应向事前预控的转变，决策支持从经验决策向智能决策的转变。计划2022年，黄陵一号、二号煤矿建成Ⅱ类高级国家级智能化示煤矿，双龙、瑞能煤业有限责任公司建成Ⅲ类中级智能化煤矿。最终实现智能矿井“主动感知、自动分析、智能决策、自动执行”的建设目标。
未来智能矿井重点建设内容
煤矿智能化综合管控平台建设
智能化综合管控平台是智能化煤矿的核心，基于微服务架构和“资源化、场景化、平台化”思想，围绕监测实时化、控制自动化、管理信息化、业务流转自动化、知识模型化、决策智能化的目标进行相应业务的应用设计，开发用于煤炭生产、智慧生活、矿区生态的智能化煤矿生产系统、安监系统、智能保障系统、智能决策分析系统、智能经营管理系统、智慧园区等场景化服务。基于微服务架构和人工智能算法构建智能数据引擎，对海量数据进行分析和变现，实现业务快速组态化构建和智能决策，实现各部门工作流程和各现场安全、生产环节的纵向贯通、横向关联、融合，建成企业的安全、生产、经营、管理的中枢大脑，实现所有系统功能的接入与应用，各系统按照其承载的业务内容在应用平台上协同开展工作。黄陵矿业公司智能管控平台总体架构如图5所示。目前，黄陵矿业公司已建设公司数据中心及矿井数据中心，形成了公司经营管理决策云平台和矿井安全生产管控云平台，打造了“可视、可控、可算”的智慧矿区“煤矿大脑”。
图5 黄陵矿业公司智能管控平台总体架构
图6 黄陵矿业公司数据中心
图7 矿井地质保障系统示意
构建大数据云平台中心
智能化煤矿云数据中心是搭建标准统一、功能完善、系统稳定、安全可靠、互联互通、集中统一的云计算平台，基于先进的微服务组件思想，构建大数据仓库，大数据在数据池统一组织管理的基础上，利用大数据技术进行分析并统一展现，从而实现对数据的开发利用以及支持生产运行的目的。打造地质信息、生产执行、辅助运输、洗选加工、综合调度五大数据引擎，向下实现各种感知数据的接入，实现多源异构感知数据的集成和融合，向上为智能矿山APP开发提供服务和工具，打通感知数据和基于感知数据的智能应用之间的屏障，在1个平台内实现信息化与自动化的深度融合。基于微服务架构和人工智能算法构建智能数据引擎，实现业务逻辑快速组态化构建和智能决策。基于专属云全流程的大数据分析能力，从数据上传、数据存储、数据分析整个流程将各类自动化、信息化系统产生的海量数据进行分析和变现，以提高系统分析决策的能力与科学决策水平。黄陵矿业公司数据中心如图6所示。
建设完善的地质保障系统
基于GIS空间数据库动态构建煤矿透明地质模型，实现从数据处理、数据更新、可视化、空间分析等方面构建二三维一体化模型，并基于随掘地震实时动态监测系统和智能工作面地质模型动态更新技术，构建采掘工作面动态更新的高精度地质模型，实现工作面内异常构造体动态智能探测。同时采用4D GIS技术对采、掘、机、运、通各专业子系统及工业广场建筑进行精细化仿真建模，并基于统一的GIS平台将煤矿安全、生产、经营等数据进行融合呈现，实现全矿井监测、控制、管理的一体化管控和可视化巡检。矿井地质保障系统示意如图7所示。
智能采掘系统全面技术升级
针对目前黄陵矿业公司智能化开采技术发展存在的问题，主要进行采煤机防碰撞检测（中厚煤层）、液压支架姿态感知、压力超前预警、自动超前跟机支护、智能供电供液技术、端头与超前支架智能移架技术等方面的研究，以期突破工作面人员识别与设备安全闭锁技术难题，解决带式输送机煤流量监测、异物识别、输送带空载、自动变频速度调节等技术难题，实现基于全面智能感知的智能化开采，初步形成“识别-推理-决策-执行”的综采工作面智能化控制系统，进而实现全工作面自适应割煤和智能连续作业，大幅提升工作面智能化开采水平，最终实现智能化无人开采。
建设智能辅助运输系统
矿井辅助运输系统采用无轨胶轮车运输，通过建设基于4G通信的矿井车辆管理及人员定位系统，以精确定位技术为基础，以辅助运输系统安全管控为目标，以车载智能终端为控制核心，将通信、无线WiFi技术、井下信号灯、智能调度、GIS地理信息和人员定位管理系统相融合，实现运行车辆的实时跟踪、定位、通信，达到车辆可视化管理和高效调配，提高车辆运行效率，让井下“打车”成为现实；同时搭配车辆危险驾驶、特殊运行路段、红绿灯语音报警功能，辅助驾驶员规范驾驶，实现辅助运输系统智能、高效、安全运行。
构建矿井多类型机器人集群
开展煤矿机器人的研发与应用，联合中国航天科技集团等国内科研院所按照“推广应用一批、联合研发一批、积极谋划一批”的整体思路，分批次、分项目、分阶段逐步推进。将已经成熟的机器人技术移植到煤矿机械上，根据井下特殊的作业环境进行改进完善，研发应用多类型、多用途的矿井机器人。基于目前机器人相关技术的成熟度及应用需求，优先推广应用于井下中央变电所、水泵房、带式输送机等固定场所的巡检机器人。研发工作面巡检机器人、超前支护机器人、钻锚机器人、喷浆作业机器人、巷道清理机器人、水仓清理机器人、自动退锚机器人、通风监测机器人、危险气体巡检机器人、智能选矸机器人等，以提高井下作业机器人的智能化水平，形成机器人集群作业，降低工人劳动强度。
积极推进矿井其他生产辅助系统智能化
矿井智能通风控制系统主要由通风智能感知监测系统、高效全自动测风系统、风量远程定量调控风窗系统、远程自动控制风门系统、智能通风应急指挥系统和矿井通风智能分析决策与控制系统等组成。 实现对用风点的需风量进行实时计算、通风状态的三维动态可视化自动呈现及通风系统故障诊断与预测预警，基于监测数据对通风系统进行实时网络解算和风量调整方案的动态决策，主通风机的一键倒机，风量、风压、温度、湿度及设备运行参数实时监测，过车风门和关键通风节点的风窗地面远程控制等功能。矿井智能通风控制系统的建设可有效提高矿井在通风安全领域全系统、全时段、全面关联信息的实时汇集、分析、规律提取与预警水平。洗选系统智能化建设是实现选煤厂主要生产过程的自动化、智能化控制。开展选煤厂自动加介质、智能水洗、智能照明及人员定位等智能生产控制系统建设，通过5G通信技术低时延、大带宽、广连接的技术特性，在选煤生产工艺环节各项监测、无线远程控制、选矸机器人应用等方面进行研究与应用，可大幅改善劳动条件，减少生产过程干预，提高生产效率。
结 语
数化万物、智能网联、云端起舞。黄陵矿业公司将以打造“智能矿井、智慧矿区”为目标，按照“健全系统、完善功能、有序推进、全面提升”的建设原则，在技术突破、管理创新、人才培养3个方面稳步推进，最终实现矿井“生产智能化、运营精细化、管理标准化、决策科学化”的建设目标。
2022年，黄陵矿业公司一号、二号煤矿建成Ⅱ类高级国家级智能化示煤矿；双龙、瑞能煤业有限责任公司建成Ⅲ类中级智能化煤矿，智能矿井、智慧矸电全面建成；智能供电、智能供水、智慧党建全部建成，智慧园区稳步推进，将黄陵矿区建设成为智能、安全、绿色、高效的智慧矿区，为煤炭行业高质量发展贡献“黄陵力量”。
