煤炭占我国一次能源供给比例的60% 左右，煤炭在我国能源结构中的主体地位 短时间内难以被替代，并且将长期影响我国能源结构与供给。

目前全国煤炭安全生产任务重、招工难的问 题日益突出，土地塌陷、生态破坏严重，打造煤矿 “绿水青山”的目标任重道远。要改变上述局面， 煤矿智能化建设是煤炭行业高质量绿色发展的必然 要求，是煤炭技术革命的新方向。“十四五”时期 及未来更长一段时期，5G、大数据、人工智能、 区块链等先进信息技术将加速对传统产业的融合与 渗透，各种能源的比较优势从根本上取决于其技术 创新的进展程度，以煤矿智能化为标志的煤炭技术 革命、技术创新成为行业发展的核心驱动力，煤炭 智能绿色开发与清洁低碳利用是发展主题，煤炭低 碳利用技术的颠覆性创新将使煤炭成为最有竞争力的能源和原材料资源。 

陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿（简称黄陵一号煤矿），核定生产能力600万t/a，可采煤层为2号煤层，井田面积184 km2 ，地质储量3.59亿t，可采储量2.81亿t ，矿井采用平硐开拓， 单水平开采，分区抽出式通风，综合机械化长壁后退式采煤；主运输采用带式输送机， 辅助运输采用无轨胶轮车，煤层自燃倾向性为Ⅱ类，属水文地质类型中等的高瓦斯矿井。 2020年，黄陵一号煤矿被列入国家首批智能化示范煤矿建设名单。智能化煤矿建设基础

智能化采煤基础

2013年，黄陵一号煤矿在全国范围内率先完成全国产装备智能化开采技术研究与应用，首创了地面远程操控采煤模式，实现了地面采煤作业的常态化，圆了煤炭人地面采煤的梦想，填补了我国煤  矿智能化无人综采技术的空白，整体技术达到国  际领先水平； 2020年，在实现智能开采常态化应  用的基础上，积极探索研究透明地质智能开采技  术，实现了从传统的“记忆截割、远程干预1.0 ” 向“自主截割、无人干预3.0”的技术跨越；2020   年9 月 15 日，通过中国煤炭工业协会科技成果鉴  定，达到国际领先水平。智能开采技术路线如图1所示。

图1  智能开采技术路线

快速掘进建设基础

黄陵一号煤矿根据井下实际条件，利用改造 型掘进机+ 可弯曲胶带转载机+跨骑式四臂锚杆钻 车+迈步式自移机尾+ 多功能巷道修复机进行快速 掘进作业，该套设备完成了1009辅助运输巷组装 与调试工作，实现了掘进与支护平行作业，实现了 月掘进进尺550 m。并与西安煤矿机械有限公司合 作“半煤岩智能快速掘进成套装备研发与示范”项 目，开发了掘锚护一体机+交错式掘进超前支护装 置+锚运一体机+矿用自移式快速带式输送机+智能 管控系统，提高了掘进机开机率，破解了复杂地质 条件半煤岩巷智能掘进难题， 提高了掘进效率，保障了安全生产。快速掘进智能监控系统如图2所示。

生产辅助系统建设基础

（1）建成地面指挥控制中心，实现了对井下 主运输送带、主供电设备、主排水泵、主通风机和 选煤厂等子系统的远程集中控制， 以及视频监控和 数据监测分析等功能，达到了生产环节运行情况的 全监控效果，形成了“无人值守、有人巡视”的控制模式。

（2）在全矿井所有主运输送带、变电所和水 泵房安装24套巡检机器人，替代人工进行智能化 巡检，实现了“无人巡视、无人值守”的目的。 创新建立了基于4G通信的车辆管理及人员定位系 统，实现了辅助运输管理由“零散管理”到“可视统一”的技术飞跃。

（3）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4G 、WiFi技术与井下信号灯、智能调度、 GIS地 理信息和人员定位管理系统相融合，实现了运行车 辆的实时跟踪、定位、通信，达到车辆可视化管理 和高效调配的目标，提高了车辆运行效率，让井下 “网络打车”成为现实；并搭配车辆危险驾驶、特 殊运行路段、红绿灯语音报警功能，辅助驾驶员规 范驾驶，实现了辅助运输系统智能、高效、安全运行。车辆辅助运输管理系统如图3所示。

信息化建设基础

（1）建立安全生产信息共享管理平台。 一是  充分融合了地理信息、云平台、大数据、物联网  等信息技术，通过图件叠加综合直观展现在GIS一  张图上，实现了对矿井采掘工程、地质测量、防治  水、“一通三防”、机电运输、监测监控、应急救  援、安全风险、预测预警、气象信息等数据的立体  化融合，杜绝了矿井“空间数据”和“业务数据” 不规范、不统一、不科学等管理漏洞；二是通过安  全生产网数据接入，对矿井风险管控、安全管理、  职工健康等数据进行多维度综合性分析和展示，解  决了安全管理过程中的诸多问题， 从源头上堵塞了  矿井不安全因素，达到了隐患双重防御与隐患的深  度闭环式管理；三是通过经营销售网数据接入，对  矿井总产量、销售库存、排水用电、煤炭价格等信  息进行展示，为矿井精确管理提供科学依据，避免  了“信息孤岛”经营管理漏洞；四是通过物流供应  网数据接入，达到物资数据与生产信息的集中共  享，有效降低了库存物资资金占用，达到当日材料  消耗与吨煤生产精准管理目标；五是在信息化数据  传输方面，建立了万兆有线加无线的立体化数据通信跑道，使矿井信息化发展更通畅。

（2）建成万兆工业环网+4G+5G+Wi Fi的立 体化通信网络。 一是实现了矿井5G通信、 WiFi 、 U WB 定位等功能，为智能矿山建设无线智能监 测、智能机器人巡检、智能维护云服务等奠定基础；二是5G通信项目整体设计基于数字矿山“一网一站多系统”的核心理念，通过建设多功能基站 并接入现有工业环网，实现了井下车辆精准定位、 测速、车辆语音通信调度、人员精准定位、5G通 信及数据无线传输与井下WiFi覆盖等功能。 5G通信网络架构如图4所示。

图4  5G通信网络架构

智能化煤矿建设方案

（1）实现大数据服务中心承载，统一数据采 集、传输、存储和访问接口标准。

（2）基于微服务架构和“资源化、场景化、 平台化”思想的智能综合决策管控平台，融合生产 各业务系统，实现煤矿地质勘探、巷道掘进、煤炭 开采、主辅运输、通风排水、供液供电、安全防控 等智能化集成设计，实现多部门、多专业、多管理 层面的数据集中应用、共享交互和决策支持，井上 井下各系统实现监测、控制、管理的一体化及智能联动控制。

（3）基于“数据驱动、数字采矿”理念，实 现基于GIM时空一张图（4D GIS，平面图+BIM， 建筑模型），为智能化煤矿提供三维可视化、协同设计、仿真模拟、矿山及设备全生命周期管理等服务。

（4）实现矿井通风系统智能化，通过精准感 知技术与装备，实现对风阻、风量、风压等参数的智能感知。

（5）利用大数据与人工智能AI等技术，迭代 升级煤矿安全、生产、经营、物资配送的智能分析与辅助决策。

（6）利用信息化、数字化、智能化等先进技 术，遵循NOSA管理体系要求，构建成套煤矿安全风 险智能化预警及管控体系。实现人、机、环、管多 系统的信息感知、融合、动态辨识、有效预警、智能决策、协同控制，建设世界一流智能化矿山。

智能化煤矿建设成效

黄陵一号煤矿根据国家能源局《智能化示范 煤矿验收管理办法（试行）》整体要求，与王国法 院士团队合作，完成了22个智能化建设项目，构 建形成了“一个智能管控云平台引领、一个数据中 心支撑、N个子系统保障”的“1+1+N”智能化矿井建设模式。

建设智能综合管控云平台

以生产及安全为核心，将综合自动化系统和 安全监控系统数据进行融合，构建数据服务生产， 实现对于设计、生产、安全、设备管理等多角度多 维的数据分析，构建生产集成自动化、监控全局实 时化、统计分析一体化的综合管控平台，打造“可 视、可控、可算”的智慧大脑，实现了矿井的远程 智能巡检和矿井检修模式到生产模式的一键切换， 完成了“系统智能化”到“智能系统化”的跨越； 做到了调度指挥的全息可视、重大危险的智能预 警、安全管理的动态诊断、生产过程的协同控制、 经营管理的智能分析、业务流程的高效协同。矿井智能管控云平台如图5所示。

建设具有服务器、网络安全检测、防护功能的万兆 连接数据的云计算平台

基于云计算包含模型库和算法库的决策支持承载，实现了矿井所有数据云端存储、处理，并实现了在虚拟化应用平台部署相关应用，以及物联网 平台、 3D  G IS平台、组态化编辑与展示平台、设 计协同平台等组件的编辑、展示与综合承载。云计算平台系统如图6所示。 

形成矿井云 GIS 系统

对安全生产信息共享平台进行改造升级，形 成了一套矿井云GIS系统，融入矿井智能综合决 策管控平台，实现了将存储的地质数据进行关联 分析，将分析处理后的成果形成影像，并以可视 化的方式呈现；构建了三维地质模型，结合揭露 的实际地质信息与工程信息对模型进行修改，真实反映井上下地层结构和构造分布情况。三维地质模型如图7所示。

图6  云计算平台系统

开发 AI+ 风险防控系统

通过综合运用人工智能、大数据、云计算、 物联网、工业环网、移动网络等技术，研发建成 了A I+风险防控系统，形成了风险防控一体化解决方案。

（1）在信息感知层面，主要采用高清摄像 机、红外摄像机和智能安全帽等单兵装备，实时采 集人员、设备、环境图像、视频和生命体征等信 息，并接入监测监控、水情在线监测等各类信息化 系统数据。

（2）在数据传输层面，主要通过布置交换机，以10万兆工业环网、移动网络等传输感知数 据；在数据处理层面，主要以A I 智能推理服务 器、云计算虚拟化硬件平台、云计算虚拟化服务 器、流媒体服务器、图形工作站等组建数据中心， 统一主数据、元数据格式，规范数据索引和建表， 实现了数据实时汇入、存储洗选、融合交互，满足 算法需要。

（3）在决策响应层面，基于算法模型，正常 状态下保持静默，异常状态下，即刻通过声、光装 置进行报警；在指令反馈层面，特别情况下，发出 报警的同时，向关联设备发出指令，使设备停止运 转、闭锁。

通过对人的不安全行为的防控，物和环境不 安全状态的防控，对关键作业的不规范操作的防 控，并进行全程跟踪、辨识风险、分析预警等手 段，对煤矿安全管理方式的深刻变革，开创了“人 工和A I+风险防控智能系统双重风险监管”先河， 消除了单一人工风险监管在时间上的漏洞和空间上 的盲区，确保了风险始终“可控、在控”，从多个 环节确保了作业安全。 AI+NOSA智能风险管控系 统如图8所示。

图8 AI+NOSA智能风险管控系统

布局智能化开采技术与无煤柱自成巷技术的融合

通过在后巷应用垛式液压支架，配合使用支 架搬运机器人、单轨吊辅助运输系统，实现了沿空 留巷尾巷支护和支架前移自动化，降低了劳动强 度，提高了安全系数。智能化开采技术与无煤柱自成巷技术融合的设备布置如图9所示。

图9  智能化开采技术与无煤柱自成巷技术设备布置

搭建智能掘进管控平台

通过对快速掘进装备进行升级，搭建了1套具 备远程总控制的管控平台，对关键部位进行视频 监测、一键启停、异常远程干预等操作。掘进机具 备自动定位与导向功能，能够进行自适应截割与行 走；具备掘进工作面环境（粉尘、瓦斯、水等）智 能监测功能，并具备监测环境数据智能分析。智能掘进管控平台拓扑如图10所示。

 图10  智能掘进管控平台拓扑

完善生产辅助系统智能化建设

对照智能化煤矿建设要求，将原有的供电、供排水、运输、通风、排水等系统在常规化智能化控制基础上，持续升级。

（1）在现有供电系统的基础上增加相关电力 保护软硬件、防越级、电度计量、节能运行、数据 实时采集、多源异构整合分析等功能，达到对供电 系统能力安全分析、实时在线计算、分析矿井线路 和变压器等设备的智能电力保障管控平台。智能供电系统如图11所示。

（2）将矿井排水系统与水文监测系统进行智能联动，实现矿井排水系统依据管路水压、水仓水 位进行智能抽排、负荷调控、管网调配、给排水管 线与设备故障分析诊断预警等功能。智能排水系统如图12所示。

（3）建立矿井智能通风控制系统。通过矿井 智能综合决策管控平台与其他子系统实现联动功 能，以井下各个地点监测到的瓦斯浓度、风压、风 速、风量等参数为支撑，实现了对监测数据的实时自动分析，与通风网络解算系统相融合，对矿井通风网络进行解算，并出具通风网络解算结果报告， 根据解算结果， 自动给出调风方案， 自动建立矿井 动态三维立体通风系统图，实现实时在线监测与预警功能。智能通风控制系统如图13所示。

（4）建立火灾监测系统和自动喷雾系统，实 现了对监测区域火灾参数的智能监测、分析，并根 据分析处理结果进行智能预测、预警和火灾的实时 监测仿真，对避灾路线智能规划； 实现了自动识别 煤流自动喷雾除尘功能、人员感知功能和根据粉尘 浓度智能调节喷雾开关和喷雾量功能。火灾监测系统如图14所示。

（5）建立智能可视化打钻系统。智能可视化 打钻系统由可视化监控系统、远程智能控制系统和 矿用智能钻机组成，智能钻机配有无线遥控器、自 动上下钻杆系统、姿态调节辅助系统、远程智能控 制系统、钻孔轨迹测量系统和可视化监控系统6大 系统，具备自动上下钻杆、无线遥控操作、一键启 动钻机、数据自动记录、自适应钻进等8项功能， 可根据钻场设计， 自动调节钻机方位角、倾角、开 孔高度等，实现了打钻作业过程自动化、智能化及瓦斯抽采作业全过程的管控。

结语

煤矿智能化是“十四五”乃至今后一段时期 国家煤炭科技发展的主要支撑领域，是煤炭工业技 术进步的必然要求，加快煤矿生产经验和数字经济 融合，推动人工智能、大数据、互联网同煤矿智能 化建设深度融合，持续做好“两化”深度融合，推 动煤矿智能化快速发展，发挥数据的基础资源作 用，研发并投用一批关键核心技术，突破环境的智 能感知、采掘作业的自主导航、采掘装备的智能调 控等一批行业重大难题，支撑煤炭生产由劳动密集 型向技术密集型行业转变，并加快智能、安全、高 效的现代智能煤炭生产体系建设，对提高煤矿企业技术革新具有重要意义。

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