建设智能矿山的重要性分析
建设智能矿山是新时代煤炭企业发展的必然趋势
在能源发展新时代，我国煤炭行业应以能源发展“十四五”规划为指引，构建“清洁低碳安全高效”的现代能源体系，重点做好增加清洁能源供应能力的“加法”和减少能源产业链碳排放的“减法”。面对新形势新要求，陕西陕煤陕北矿业有限公司（简称陕北矿业公司） 充分利用智能技术，从灾害预防、无人值守、流程管理等角度保障煤矿的本质安全；更加注重煤炭生产集约高效开发、绿色开采、安全生产，注重管理、提高效率、降低成本。同时，创造优美的工作环境、美好的生活环境，让员工共享企业的发展成果。
建设智能矿山具备了相对成熟的技术条件
为践行能源革命，转变煤矿发展理念，创新和引领煤矿发展方式，全面贯彻落实党中央、国务院提出的关于两化深度融合的要求，坚持走新型煤炭工业化道路，积极推进智能煤矿建设研究与应用，陕北矿业公司围绕“智能矿井、智能矿区、一流企业”总体目标，按照“总体规划、因矿施策、协同推进、应用并重”的总体思路，采用“示范先行、从点到面、有序推进”的建设原则，应用5G、机器人、工业物联网等先进技术，着力打造精品智能化工作面、少人高效快掘、智能巡检无人值守岗位；实现矿井主要生产环节信息化传输与自动化控制，矿区人、财、物数据信息交互共享，将智能矿山建设从传统业务管理扩展至资源环境管理、采掘生产、洗选加工、煤矿安全等矿山各个方面，全面提升矿区端和矿井端信息化、智能化水平，成为煤炭行业智能矿井的践行者和先进代表。
建设智能矿山是现代煤炭企业发展的客观需要
陕北矿业公司建设智能矿山是响应国家要求，也是煤炭行业发展的需要，更是公司自身发展的需要。公司按照最新智能化煤矿验收管理办法，在实现国家智能化示范煤矿建设的同时，基于矿区实际需求和管理模式，搭建和逐步完善基础网络、数据中心、技术平台、应用系统、保障体系、数据服务，搭建智能化综合管控平台，整体上形成平台化技术架构、一体化应用系统、专业化组织保障、共享化数据服务，最终全面实现智能化生产、透彻化感知、可视化管理、数字化决策的智能矿区。公司作为特大型煤炭生产基地，率先建设智能矿井、智能矿区，为其他煤矿企业提供示范效应。
陕北矿业公司智能矿山建设实践方案
“十四五”期间，陕北矿业公司贯彻落实陕煤集团、陕西煤业“系统智能化、智能系统化”工作要求，确立“安全生产为基、智能提质”工作思路。以智能化项目研究、智能化示范矿井建设、智能矿区打造为抓手，强化专班推进，加强与王国法院士团队、中国煤炭科工集团有限公司、中国矿业大学、西安科技大学及行业龙头企业、各领域专家展开合作，深入探索实践绿色智能开采新模式，将智能化建设作为厚植煤炭产业发展优势、重构产业模式、赢得发展先机的重要战略举措。近年来，公司累计完成创新项目8 100 余项、科研项目116 项，核心知识产权20 余项，专利330 项，获省部级技术奖项51个。陕北矿业公司智能化建设总体目标如图1所示。
陕北矿业公司坚持“智能矿井、智能矿区、一流企业”发展目标，构建了“智能感知、智能分析、智能决策、自动执行”的智能煤矿体系（图2）。以“实时化、交互化、智能化、标准化”为主线，实现“物质流、信息流、业务流”的高度一体化协同，构建“高新技术创新、产业赋能升级、生态协调融合”的智能矿区，形成结构合理、功能完整、安全稳定、管控有效、服务全面的“两横八纵一平台”智能矿区运行体系。通过矿区“人、财、物”数据实时上传，为矿区内提供数据共享、智能分析，为区域协同、生产安排、分布式调度、物资调配、业务管理、职工生活等提供智能解决方案，为国家相关部门、集团、股份公司信息化建设、战略发展提供数据支撑，并实现“生产智能化、运营精细化、管理标准化、决策科学化”的最终目标。
陕北矿业公司搭建了以矿山工业互联网架构为核心的纵横耦合联动式智能矿区顶层架构（图3），形成涵盖生产、资产、物资、安全、项目、经营、销售、组织8 个维度2 个层级管控系统，通过矿区—矿井两级平台的实时数据交互，实现数据入湖、业务融合、智能决策；创立了具备AI 辅助决策的全可视化八大智能管控驾驶舱；形成了陕北矿业公司智能矿区体系（图4），构建了时空序全统一大数据体系管理的矿山工业互联网平台，实现数据连通、数据清洗、数据治理、数据资产实时管控。陕北矿业公司已建成应用智能化数字决策平台（图5）、大数据态势感知中心（图6）、区域协同自动化平台、安全风险双重预防管控平台、智能数字化移动办公管理系统、生产管控系统、物资管控系统、资产管控系统；同时，应用安全生产网、煤炭物资供应网、煤炭运输销售网、煤炭产供销全过程财务实时管理平台构建上下协同、透明管理的智能矿区管理模式。
陕北矿业公司统筹兼顾各煤矿不同特点，建设矿区侧矿山工业互联网平台，实现跨地区、跨矿井、跨系统的多维度实时数据汇聚监测、关键指标可视化分析以及智能化辅助决策。在韩家湾煤矿、孙家岔龙华煤矿建设矿井侧智能综合管控平台，实现系统集成、智能感知、自主学习、预警联动、专业调度与高效协同。同时，陕北矿业公司通过联合攻关，统一了全矿区智能化、信息化系统数据接口标准，建成公司级智能中心，部署完成生产管控、物资管控、资产管控、智能化数字决策、“3+1+N”为核心的矿区智能化数字移动管理等系统，对各矿井智能综合管控平台进行统一集成；建成矿区级“数据湖”，实现远程视频监控、现场实时连线、动态预警分析、重要数据看板、三维数字孪生、智能辅助决策、数字移动管理等功能，汇聚数据169 亿条，监控17项管理业务的180余项关键指标。
陕北矿业公司在智能矿井建设中，积极推进5G、物联网、人工智能、工业互联网等新技术在井下的应用，从采掘、生产辅助、安全监控和管理、洗选销售、信息基础设施和业务管控平台等多个方面全方位加强智能化建设，实现硐室无人化、掘进和综采少人化，打造安全、高效、清洁、低碳、生态的智能矿区；按照各矿井单班入井百人、人均产量1.5 万t/a、安全高效矿区、绿色生态矿区为目标，遵循数据标准化、网络协同化、系统一体化、技术智能化的理念，综合人、机、环、管四要素，完善集成AI+智能大脑、智能+生产、智能+安全、智能+经营管控的智能矿山综合体系。围绕矿区“人、财、物、产、供、销、安全”等管理要素，通过矿区—矿井两级平台的实时数据交互，实现数据共享、智能分析，构建陕北矿业九大管理体系，为企业经营管理提供决策支撑。
矿井和矿区智能化建设并行，配套以人事制度、用工制度、分配制度3 项制度改革并行；最终实现煤炭行业智能化建设关键技术突破，实现公司以智能化为支撑的高质量发展目标突破。目前，形成以“四化”建设为示范引领，主要生产环节数字化传输、自动化运行集中控制、智能化控制的技术体系；形成安全生产依托区域协同自动化平台和安全生产信息共享平台，经营管理以人资系统、财务系统、自动化办公三个系统为主的“2+3”生产经营纵横管理体系；形成了由单系统智能化到全矿井智能化，从矿井智能化至全矿区逐步推广的智能矿井、智能矿区建设模式。
同时，陕北矿区公司坚持创新驱动与协调联动，实施物联工程，创建了网络型企业；实施信息深度应用和绿色矿山战略，瞄准煤炭安全、绿色、安全、高效开采、煤炭资源清洁高效转化等重点领域，开展重大技术成果开发与转化，不断增强自身竞争活力；主导构建智能煤矿运行与维护标准化管理体系（图7），为智能矿井建成后高质量常态化运行提供标准支撑，实现产业链延伸，在填补行业空白的同时形成可复制、可推广的智能矿井系统运维管理经验。
陕北矿业公司智能矿山先进成果与实践经验
陕北矿业公司智能矿井、智能矿区建设吸收国内外成熟、先进的智能化技术，并进行应用创新，取得了较好的成绩。
（1） 陕北矿业公司以智能采煤、智能掘进作为煤矿智能化建设的关键点，所有采煤工作面全部建成智能化综采工作面，以先进的技术为支撑，最大限度减少井下作业人员。生产班平均作业人员减至5～7 人，智能化开机率平均保持在93%以上，实现由传统的记忆截割技术向“三维空间感知”和“自主规划截割”的技术跨越。在韩家湾煤矿落地应用“无煤柱自成巷工法+智能化综采”工作面，实现了智能化采煤与资源高效利用双突破；建成以国产设备为主的智能化全断面掘锚一体系统，实现智能化快速掘进装备全面升级迭代，平均月单进水平超过1 500 m，最高月进尺达到2 702 m；掘进工作面应用半煤岩低矮型智能快掘系统，月均进尺提高至1 000 m以上，生产班作业人数减少6 人，单巷掘进施工周期减少60%。在孙家岔龙华煤矿建成全断面掘锚一体化快速掘进装备的工作面，在保持进尺的前提下实现掘支平衡，实现掘锚一体机的远程监测控制与锚杆钻机的协同，带式输送机可视化集中控制、转载点无人值守等目标。采用超声波自动测风技术实现风速的精确测量，建立智能管控的通风系统，井下采掘区和巷道安装智能风门，有人作业时风门自动打开供风，无人作业时风门将自动关闭，送风量大小由智能系统计算确定，按需供风；排水系统、压风系统、电力监控系统、日用消防水泵房系统等生产子系统实现无人化。
（2） 以先进的安全保障措施技术和管理创新，促进本质安全、职业健康水平的持续提升，有效预防重大危险源；应用先进的硬件、软件设计理念，选用先进的技术、设备和各种感知技术、信息传输技术，更加全面、准确、及时感知人、物和环境信息，实现矿山安全、生产等方面信息三维一体化展示、智能联动和故障自诊断，达到了人员无失误、设备无故障、系统无缺陷、管理无漏洞的目标，实现矿井安全、生产、决策科学化。
（3） 以数据为基础，贯通矿区信息化“最后一千米”。陕北矿业公司建成基于煤矿工业互联网总体架构，以煤矿工业大数据为数字底座，实现业务集成、综合管控、辅助决策、智能联动的智能化综合管控平台。加强信息化基础设施建设，不断加大基础设备、基础传感器智能化，推进通信网络全覆盖，构建超带宽融合信息网络，增强通信安全保障能力，提高信息资源共享；建成了多个标准化信息机房，建设了控制网、视频网及安全监测3 张独立成环高速工业网络，并应用网络切片技术将现有网络切割成多个虚拟的端到端网络。采用数字专线实现矿井侧至公司之间进行安全、生产、视频监控等数据和图像的传输；建成了智能调度与应急系统，信息化基础设施条件完善，数字化生产设备占比达到了62%，作业现场的数据自动采集和远程监控比率均在75%以上。
（4） 遵循“统一标准和规范”“统一规划和分步实施相结合”“兼顾创新性和成熟性”“构建数据采集、融合和分析能力”的4 项基本原则，建成“运营一大脑，矿区一张网，数据一片云，资源一视图”整体布局以及八大业务管控系统，形成覆盖安全、生产、经营、管理、环保、组织以及园区生活服务等各个环节的煤矿综合生态圈；达成对上支撑陕煤集团、陕煤股份业务管理平台，对下实现对各矿井纵向全透明业务管控，对内实现各业务关键指标融合分析及数字化移动协同管理，对外实现制造商、供应链、客户群、社会价值流协同管理（图3）；最终全面形成监测实时化、生产自动化、运营精细化、管理标准化、决策智能化、执行科学化的智能矿区。
（5） 坚持创新驱动与协调联动，创建网络型企业。用好大数据、互联网+等信息技术，是陕北矿业公司实现集约化、智能化发展方式的基础和支撑。陕北矿业公司以“物联”为切入点和突破口，向“互联+”和“+互联”转变，通过物联网和虚拟现实技术，使主要生产系统实现“监测、管理、控制”智能运行一体化，实时联机决策分析与调度指挥，实现矿井的少人化或无人化；采用云计算中心和云平台虚拟化技术，实现多台服务器协同工作和并行处理。通过安全管理和技术2 种手段，以及风险预判、隐患预知、安全预控3 个步骤，建立安全生产决策中心，实施一体化安全预控，实现对矿井安全的全闭锁管理，达到本质安全的目的。推进信息化和智能化基础支撑，从“两化融合”基础相对领先的系统做试点，逐步导入云计算、移动互联网等新一代信息技术和工业机器人等智能装备，在传统产业加大技术改造、装备升级和创新投入，实现智能驱动、智能运营。
（6） 将现代采矿技术与感知技术、控制技术、管理模式和可持续发展理念相融合，将煤矿工程地质、煤炭开采、生产安全、生态环境等信息进行整合分析和智能协同管控，实现智能管控、本质安全、高效运营、绿色环保、和谐共赢的新型煤矿发展模式。注重在生产过程中对矿区生态环境进行科学、全面的数据监测、监控及实时、高效的大数据分析，开展绿色生产，随时掌握矿区生态环境变化动态和方向，及时发现不足和实施中存在的问题，并针对性地提出生态环境治理方案，达到环境保护的目的，为实现促进西部地区煤炭资源科学合理开发提供“陕北矿业方案”。
（7） 通过涵盖公司—煤矿两级的双重预防机制信息化管理平台，采用先进的风险辨识理论和方法，将24 类风险通过辨识划分4 种状态，再通过7 种针对性措施进行预防与管控，将煤矿安全生产管理关口从事中处置、事后处理提前到事前预控，在风险预判、隐患预知、安全预控过程中，通过管理与技术手段，确保安全预控指标实现，从而杜绝各种事故的发生，实现煤矿建设、生产零伤亡。
未来5 年，陕北矿业智能矿区建设将重点攻关矿井5G+物联网与5G+生产控制等高新技术瓶颈，实现AI智能控制、AI视觉识别等应用；全力推进智能化透明综采工作面与“无煤柱自成巷工法+智能化综采”的应用，数字化远程集中控制和协同掘进的智能快速掘进，车辆精确调度与信息化管理，采、掘、运、通、供、排水等环节的远程设备管理，安全监测系统、人员位置监测及安全保障系统、顶板岩层运移监测系统、智能防灭火系统、智能穿戴、应急指挥系统等安全闭环管控体系，建设智能经营、智能营销、智能物资、智能培训、智能人资、智能班组、知识管理等的资源供应配置，打造无人化黑灯工厂的智能洗选，建设智能园区综合大数据中心和管控一体化平台，实现陕北矿区各矿井间的互联互通。
展 望
结合陕北矿业公司智能矿井、智能矿区建设，智能矿井、智能矿区建设要以智能化系统管理推进思想解放，深化体制改革，推进公司的管理创新；借助现代信息技术，把先进的管理思想和方法引入生产、经营、安全管理流程，从组织层次上对原有业务流程进行重新设计和重组，对公司进行多方位、多角度、安全和高效的管理流程再造；通过信息资源的开发和信息技术的有效利用，提高管理效率，提升安全管理，促进管理创新，增强公司的核心竞争力；以智能化系统管理找准管理创新的切入点，立足于解决生产中的主要矛盾，强化管理中的薄弱环节，提升各项基础管理水平。
智能矿山建设理念
（1） 落实“无人则安”的理念，以先进的智能化技术为支撑，最大限度地减少井下作业人员，以先进的安全保障技术和管理创新促进本质安全、职业健康水平的持续提升，重大危险源得到有效预控和防范。
（2） 应用先进的硬件、软件设计理念，选用国内外先进的技术和设备，应用于综采、连采，主运输监控系统的创新设计中，提高全局设备效率，降低吨煤成本，建设成为安全高效绿色节能示范矿井。
（3） 按“清洁低碳安全高效”的现代能源体系理念，建立智能考评系统实时指导矿井生产。通过智能化的手段实现煤矿排放达标；运用智能设计、产量监控等手段提高资源回收率，使之达到国际先进水平；通过电网监控数据分析各环节能耗指导节能降耗工作，从而降低吨煤能耗；运用先进的传感技术加强粉尘、噪声和尾气监测指导职业病的防控；建立职工健康管理系统加强职业健康监护和提高个人防护，杜绝职业病的发生。
智能矿山建设内容
（1） 做好基础数据标准建设和应用，梳理细化业务流程，构建更加智能、快速的网络传输平台，引入智能传感器（如微功耗传感器、视频传感器、姿态传感器）、拟人化可执行装置，提高底层设备的智能与互联；利用末端组网、边缘计算、异构计算、网络切片等新技术，对现有传输网络进行信道划分和优化；利用数字孪生技术，对真实的矿井进行高度镜像化的数字搭建；建立深度融合的异构系统，构建信息共享链，打通数据共享。
（2） 构建涵盖生产计划、组织、执行、预测与指标量化分析为一体的智能系统，实现基于市场需求、环境安全状态、设备健康状态、物资配备、员工配备情况的生产目标动态分解、生产任务自动排程、安全生产全流程自适应控制与实时反馈，实现以销定产，少人或无人作业。
（3） 以灾害成因理论为指导，防治工艺为支撑，信息化手段为保障，实现重大灾害有效防控。根据矿压、水、火、粉尘、瓦斯主要灾害致灾机理，综合利用多种识别手段（物探、传感器、图像、人工、大数据处理、图像识别、数据传输等技术及装备等）实现对煤矿重大灾害（瓦斯、顶板、冲击地压、火、水、粉尘等）、重大隐患（人员越界、脱岗、异常行为、“三违”等）、不安全因素（设备异常、旋转机械故障等） 的动态辨识及实时监测；通过安全关键指标量化分析、安全状态自动分级、专家远程服务模式进行安全风险实时预警，根据火害演变的规律实现超前分级分区控制，通过相关防治工艺实现火害的标本兼治。
（4） 注重人才保障，重视运维、储备知识、技术共享。加大人才引进和培养计划，采取有效措施提高创新型专业技术人才能力素质，加大对优秀专业技术人才的培养力度。着重加强、扩充知识储备，加强信息共享与交流。
（5） 积极开展智能矿区体系建设研究，做好智能矿井后续建设规划研究，确保智能矿井、智能矿区建设厚积薄发，持续发力。
（6） 主动参与智慧矿山联盟等平台，依托技术创新，资源整合，优势互补，实现与院校和科研机构等在战略层面有效结合和协同发展，共同突破智能矿山产业发展的技术瓶颈。
（7） 进一步深化与互联网、人工智能、机器人、虚拟现实等新技术企业沟通交流，实现跨界深度融合。研究探索符合煤炭特色的工业互联网模式和平台，工业企业竞争由产业链竞争向生态链竞争转移。
（8） 建立物联网的煤矿空间分析、决策支持与安全管理关键技术的研究与应用。
