《智能矿山》杂志创刊，作为首个聚焦煤矿智能化领域产学研用最新进展 的综合性技术刊物，旨在传播智能化矿山新理念、新技术、新装备、新服务业态，成为智能化矿山交流和推广的平台，推动智能化矿山建设。矿业开发是人类文明发展的基础，为人类提供基本的物质与能源保障，煤矿、金属矿、油田和其他非煤矿山资源开发为人类的持续发展提供基础资源保障，支撑世界经济社会的繁荣发展。2019年煤炭占我国一次能源生产量69.3%和消费量57.7%，是我国能源的基石，是可以清洁高效利用的最经济安全的能源，特别是后疫情、地缘政治冲突和中美关系不确定性带来的国家能源安全风险上升，可再生新能源在相当长时期内还难以实现大规模替代，煤炭的压舱石作用无以替代。在未来相当长时间内，煤炭仍将在世界能源结构中占较大比例，仍将是我国主体能源，难以被大规模替代,“去煤化”是脱离中国国情的片面论调。煤炭开采是一个需要高科技支撑的产业，煤炭开发是一个不断发展的产业，并非“夕阳”产业。
我国采煤工艺先后经历了人工炮采、普通机械化开采到综合机械化开采的阶段，生产力水平极大提升，安全生产面貌彻底改变，安全、高效、绿色成为煤矿开采的主旋律。近年来，我国煤矿智能化建设步伐加快，在薄和较薄煤层智能化综采，大采高和超大采高智能化综采以及特厚煤层综放开采智能化技术与装备方面实现领跑。“煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑”的科学理念已成为行业共识。新时代新形势要求煤炭行业实现智能绿色发展，新一代信息技术发展推动人类生活方式进步，倒逼煤炭行业改变传统的高强度、高危险作业方式；煤矿企业招工难倒逼煤炭企业实现智能绿色发展；人口老龄化导致我国就业人员自2018年开始下降，同时第三产业就业吸引力上升，矿业领域从业人员下降速度快于其他行业，倒逼煤矿生产实现少人化和无人化；生态环境保护日益成为矿业发展的硬约束，倒逼矿业生产企业改变传统生产方式，实现智能绿色发展。
2019年，中国工程院向中共中央办公厅和国务院办公厅提出了“关于加快煤矿智能化发展的建议”，2020年2月，国家发展改革委、科技部、工信部、教育部、财政部、应急管理部、国家能源局和国家煤矿安全监察局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》，提出了加快我国煤矿智能化发展的原则、目标、任务和保障措施，明确了“首先建设一批智能化示范煤矿，通过典型示范推动煤矿智能化全面发展”的总体发展战略。2020年9月，国家主管部门在山东兖矿召开了煤矿智能化现场推进会，国务院领导明确提出煤矿智能化是煤炭工业第4次重大技术变革，要变革煤炭开采利用方式，大力发展煤矿智能化，认识要再提高一步，步子要再大一些。
非煤矿山领域也在大力发展智能化开采技术，建设智能化矿山。山东黄金、紫金矿业、北京矿冶科技 集团等企业，进行了地下金属矿泛在信息采集与井下无线通信、移动设备精确定位与智能导航、智能采矿爆破、生产过程智能控制与调度等智能开采技术研发与应用，并初步建立了地下金属矿智能开采技术体系。
1 智能化矿山建设的内涵和目标
1.1 智能化矿山建设的内涵
智能化矿山的技术内涵是将现代信息、控制技术与采矿技术深度融合，在纷繁复杂的资源开采信息背后找出最高效、最安全、最环保的生产路径，对矿井系统进行最佳的协同运行控制，并根据地质环境及生产要求变化自动创造全新的控制流程。智能化矿山的本质是智能化采矿，不仅是数据采集、数据处理和自动系统的集成，更多的是大数据、人工智能技术的运用，需要智能化地响应生产过程中的各种变化和需求，做到智能决策支持、安全生产和绿色开采。煤矿智能化开采技术路径如图1所示。
图1 煤矿智能化开采技术路径
互联网、人工智能技术的飞速发展给许多传统行业都带来了颠覆性变革。将高新技术与传统技术装备、管理融合，实现产业转型升级正成为越来越重要的发展趋势。
1.2 智能化矿山的技术特征
智能化矿山是一个多环节、多系统的复杂体系，一般包含上百个子系统，系统之间层次逻辑交叉；系统和周围环境之间存在物质、能量、信息的交换；煤矿又与外部市场、运输、生态相关联。因此，智能化煤矿是一个开放的复杂巨系统。智能化是指使对象具备灵敏准确的感知能力、精准的判断决策能力及行之有效的执行能力，能够根据感知信息进行智能分析、决策与执行，并具备自学习与自优化的功能。智能化应具有3个要素：一是具有对外部信息的实时感知与获取的能力；二是具有基于对感知信息的存储、分析、联想，自学习、自决策的能力；三是具备自动执行能力。煤矿智能化是指煤矿开拓设计、地测、采掘、运通、分选、安全保障、生产管理等主要系统具有自感知、自学习、自决策与自执行的基本能力。
智能化矿山的显著特征是现代信息、人工智能、控制技术与采矿技术深度融合，智能化矿山建设是高新技术融入矿山场景、渐进迭代发展的过程，是一个不断进步的过程，不是一次性结果，不是“基建交钥匙工程”。智能化矿山建设开启了矿业企业创新和技术变革的新时代。
1.3 智能化矿山建设目标
智能化煤矿的建设过程是“物理空间-数字空间-社会空间”的三元统一过程，其最终的建设目标是以时空全方位“实时化、交互化、智慧化、标准化”为主线，构建以人为本的智能生产与生活协调运行的综合生态圈，实现煤矿开拓设计、地测、采掘、运通、分选、安全保障、生产管理等主要系统具有自感知、自学习、自决策与自执行的基本能力。煤矿智能化的建设不可能一蹴而就，而应分阶段、分区域、分层次推进建设。国家八部委《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》明确提出了3个阶段目标：
1）到2021年，建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿，初步形成煤矿开拓设计、地质保障、生产、安全等主要环节的信息化传输、自动化运行技术体系，基本实现掘进工作面减人提效、综采工作面内少人或无人操作、井下和露天煤矿固定岗位的无人值守与远程监控。
2）到2025年，大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化，形成煤矿智能化建设技术规范与标准体系，实现开拓设计、地质保障、采掘（剥）、运输、通风、分选物流等系统的智能化决策和自动化协同运行，井下重点岗位机器人作业，露天煤矿实现智能连续作业和无人化运输。实现全国煤矿一线生产工人总数减少1/2、全员工效提高1倍以上，资源开发利用水平显著提高，煤矿职业健康和工作环境根本改善，矿山生态恢复和保护全面实施。
3）到2035年，各类煤矿基本实现智能化，构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统，建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。
2 煤矿智能化标准体系与分类分级建设标准
2.1 煤矿智能化标准体系
煤矿智能化技术标准体系是建设智能化煤矿的基础与指南，煤矿智能化标准将煤矿智能化加上建设过程中涉及的关键技术、装备、行为及派生属性等进行统一规范，从而指明智能化煤矿建设方向，提高行业资源有效利用，提高智能化煤矿建设的效率和质量。建立科学合理的煤矿智能化标准体系，有助于开展煤矿智能化的顶层设计和总体布局，对于科学合理制定煤矿智能化的发展方向和重点任务，确保智能化相关技术在煤矿得到有效应用具有非常重要的意义。
依据智能化煤矿参考模型和重点技术领域，构建煤矿智能化标准体系框架。煤矿智能化标准体系包括井工煤矿智能化标准体系与露天煤矿智能化标准体系。其中井工煤矿智能化标准体系包括：①通用基础；②支撑技术与软件；③煤矿信息互联网；④智能控制系统及状态；⑤安全监控及防控装备；⑥生产保障等6个部分，煤矿智能化标准体系框架如图2所示。
图2 煤矿智能化标准体系框架
1）通用基础标准主要规范煤矿智能化的通用性标准，统一煤矿智能化思想，为其他各部分标准的制定提供支撑。其中基础共性标准主要规范术语定义、参考模型与体系架构、数据描述和数据字典等；设计类标准对于生产设计类、生产保障类、配套厂区类以及煤矿数字可视化系统设计标准进行规范；数据标准包括编码与标识、接口协议、数据资源、数据管理等标准，直接关系到管控平台及各中心的数据共享、系统集成、信息融合与联动应用效果，评价与验收标准根据煤矿条件分类分级制定可测量、可量化、可核查评价与验收指标，指导煤矿智能化建设。
2）支撑技术与平台标准主要针对煤矿云计算、大数据和人工智能等前沿技术在煤矿智能化中应用过程中具体实施方式进行规范，指导前沿技术在煤矿智能化应用中落地。主要包括煤矿地理信息系统标准、大数据平台类标准、边云协同标准、煤矿工业软件标准以及煤矿人工智能标准等。
3）煤矿信息互联网标准主要针对矿井特殊环境高效信息网络体系架构及关键技术进行规范。主要包括矿井信息网络、通信网络、矿井定位网络及信息安全等方面。其中矿井信息网络标准主要提出满足煤矿智能化发展需求的网络体系架构，并制定其关键技术标准，研究低时延、高可靠连接与智能交互的网络组网技术标准，实现网络互联，业务互联，设备互联；煤矿通信网络标准主要提出满足生产需求高可靠的调度通信系统相关的技术要求；矿井定位网络标准包括矿井高精度定位系统、矿井电子地图、位置服务接入规范等3个方面；信息安全标准主要包括控制系统安全、网络安全及数据安全等方面。
4）煤矿智能化智能控制系统及装备标准主要针对煤矿生产控制涉及的智能化关键装备及核心传感器等进行规范，包括综采智能化系统及装备技术标准、综掘智能化系统及装备技术标准、煤流运输智能化系统及装备技术标准、辅助运输智能化系统及装备技术标准，煤矿安全辅助控制系统及装备技术标准，供电智能化系统及装备技术标准、煤矿机器人技术标准等方面。
5）安全监控及防控装备标准主要针对井下环境、人员、设备安全监控系统及关键防控装备进行规范，包括地质保障系统标准、煤矿安全监测系统标准、电气设备安全监控系统标准、人员安全监控系统标准、应急管理与救援智能化标准等。
6）评价及管理类生产保障标准规范保障煤矿安全高效生产涉及的设备可靠性、生产决策、管理规范等，包括煤矿设备可靠性标准、融合决策类标准、管理类标准以及配套厂区相关保障系统标准等。
2.2 煤矿智能化分类分级建设标准
受煤层赋存条件复杂多样性影响，我国煤矿的开采技术与装备水平、工程基础、技术路径、建设目标等均存在较大差异。且受制于智能化开采技术与装备发展水平，不同煤层赋存条件矿井进行智能化建设的难易程度与最终效果也存在一定差异，很难用单一标准对所有煤矿的智能化建设水平进行评价。因此，研究制定了“智能化煤矿分类、分级与评价指标体系”，“智能化采煤工作面分类、分级与评价指标体系”及其标准。
以煤矿所在区域、建设规模、主采煤层赋存条件等生产技术条件为主要指标对煤矿进行分类，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（良好、中等、复杂）3类，基于矿井生产技术条件类别再确定智能化等级评价指标，以煤矿智能化程度作为综合评价结果进行智能化煤矿分级，这种分类分级与评价方法保证了智能化煤矿建设水平综合评价的科学性、合理性及准确性。基于煤矿条件、设备性能达标条件和设备运行工况达标条件等方面，构建多维矩阵结构的智能化煤矿及智能化采煤工作面评价指标数学模型与评价指标体系；采用层次分析法与模糊综合评价方法相结合，确定各评价指标的权重， 实现对智能化煤矿及智能化采煤工作面的分级评价。标准的制定充分考虑了我国煤层赋存多样、区域差异性大的特点，高度重视复杂条件矿区智能化采煤工作面的发展，在具体评分原则上给予了合理的支持与鼓励，以充分调动复杂条件矿区发展智能化开采的积极性。煤矿智能化分类分级评价指标体系不仅可以为煤矿智能化建设验收提供科学评价，同时，也可作为新建智能化煤矿建设和已生产煤矿智能化升级改造的设计依据。
3 智能化煤矿巨系统
智能化煤矿是通过应用物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、智能装备等现代科学技术与煤炭开发技术和装备进行深度融合，在矿井地质保障、煤炭开采、巷道掘进、主辅运输、通风、排水、供电、安全保障、分选运输、生产经营管理等方面形成全面自主感知、实时高效互联、智能分析决策、自主学习、动态预测预警、精准协同控制的煤矿智能系统。因此，根据煤矿地质勘探、开拓、生产、安全、运营主要过程与功能要求，实现对煤炭生产运营主要过程进行感知、分析、决策、控制的硬件与软件系统，包括：综合管控和大数据系统、地质保障系统、网络、掘进系统、开采系统、主煤流运输和辅助运输系统、环境感知及安全管控、固定场所无人值守、分选系统、智慧园区与经营管理系统等十大子系统，如图3所示。
图3 智能化煤矿十大系统
煤矿是一个复杂的巨系统，智能化煤矿必须实现开拓、采掘（剥）、运输、通风、分选、安全保障、经营管理等全过程的智能化运行，各个环节缺一不可。智能化煤矿建设需要以先进、智能、高可靠的生产装备为基础，以智能化综合管控平台为支撑，以智能协同、实时交互为手段，构建地质信息、生产执行、辅助运输、分选加工、综合调度等智能引擎，实现智能物资、智能办公、绿色生态、智能保障的闭环管理，形成覆盖生产、生活、办公、服务各个环节的智慧、便捷、高效、保障的煤矿综合生态圈。
4 智能化矿山关键支撑技术
智能化矿山建设是一个复杂的系统工程，既要原创智能化矿山专有技术，又要用“他山之石”，借鉴成熟信息技术和智能技术转化应用。
4.1 顶层设计与管控平台
智能化矿山顶层设计是科学谋划煤矿智能化建设的第一步。如前文所述，智能化矿山是一个系统工程，兼具生产作业、工程建设和经营管理的属性。整个矿山的建设管理包括地质勘探、采掘运输、通风、排水、供电、安全保障、分选及经营管理等全过程的运行。
然而，生产涉及的上百个子系统间存在着各种空间、时间、工艺、逻辑的关联关系，数据交互量异常庞大，子系统关联融合、数据交互的协同运行是保障整个矿山智能化有序高效进行的关键。因此，有必要在智能化矿山建设前结合煤矿数字化、信息化与智能化的特点，源头上化解积弊，重点领域取得突破，从通信层、安全生产管理层和决策支持层面构建煤矿智能化的基本框架和建设思路，即通过顶层设计实现数据的充分利用和智能化管控，以保障系统整体高可靠、连续化、最优化运行。在进行智能化矿山顶层设计时要遵循以下原则：一是顶层决定性，顶层设计是自上而下的设计思路，注重全局建设，因此顶层决定底层；二是整体关联性，顶层设计强调设计对象内部要素之间围绕核心理念和顶层目标所形成的关联、匹配与有机衔接；三是实际可操作性，设计的基本要求是表述简洁明确，设计成果具备实践可行性，因此顶层设计成果应是可实施、可操作的。煤矿综合管控平台总体架构如图4所示。
图4 煤矿综合管控平台总体架构
目前，矿山生产管理架构主要以业务逻辑为基础，业务差异性造成架构的通用性和扩展性具有一定局限性，缺乏数据运营、技术服务和业务逻辑等方面的深度融合。因此，从全局出发，对整个矿山的各个系统进行统筹考虑，在系统不断搭建、信息不断融合的过程中，满足数据、网络、业务和控制等不同维度的兼容需求，考虑以智能化矿山架构设计的标准化为着力点，推动通用一体化的智慧矿山管控平台建设，从而实现理念一致、功能协调、结构统一、资源共享、部件标准化。
4.2 地质环境数据获取与信息挖掘
地质环境数据是有效实现精准开采的基础保障。煤层赋存地质环境精准探测是进行煤炭资源开发的基础，其探测精度与可靠性直接影响煤炭资源的安全、高效、智能化开发。由于目前受制于探测技术与装备的发展瓶颈，钻孔、物探、化探的探测精度、可靠性、时效性等尚难以满足要求，同时基于当前地质环境数据获取技术的信息挖掘无法准确有效保障，制约了煤矿智能化的发展。因此，需要大力发展煤层赋存地质环境信息获取和信息挖掘技术，以充分保障煤炭智能化精准开采。地质环境数据获取与信息挖掘如图5所示。
图5 地质环境数据获取与信息挖掘
目前，煤岩和地质环境数据获取主要通过钻探、物探、化探以及遥感等探测技术。这些技术各有优缺点：钻探虽然最为精准，但成本较高，不适用于密集布置钻孔，但钻孔的疏密程度直接影响地质模型精度；三维地震等物探技术，由于叠前偏移、叠后偏移、深度偏移、时间偏移以及成果自动解析等算法尚不太成熟，其探测成果误差较大。因此，也要求三维建模软件能够综合利用包括钻探、物探、化探、遥感、空探、地探、巷探和采掘揭露等数据的优缺点，创建相对最精确的地质模型。
基于地质环境信息数据进行有效信息分析和挖掘，实现采掘工作面前方地质体超前预探测是实现煤矿智能化开发的基础。由于煤炭开采是一个在时间、空间上动态发展的过程，通过超前实现矿井计划开拓的局部区域、采掘前方有限范围的地质透明化，可以满足煤炭资源安全、高效、精准开采的阶段地质需求；同时，研发基于随掘、随采、随探的矿山地质综合探测技术与装备，创新探测数据动态解释技术，开发探测结果实时处理、动态成像等技术，提高探测信息的时效性；构建采掘工作面探测信息大数据分析平台，进行钻探、物探、化探数据的联合反演，实现采掘工作面前方地质体的精准探测；开发采掘工作面采动应力定量探测技术与装备，实现应力异常区的实时精准探测；研发煤矿井下智能钻探技术与装备，实现井下地质探测的地面远程可视化操控；研发矿井4D-GIS综合探测与应用系统，建立矿井地质信息时空状态数据库，实现对矿井地质历史信息的演变过程及未来变化趋势的预测；开发采掘工作面地质信息综合管理系统，构建透明采掘工作面三维地质动态模型，实现地质探测数据的统一协调管理与动态实时三维可视化展现，为实现煤矿井下智能采掘提供地质探测技术与装备保障。
4.3 高速高可靠性网络
快速可靠的传输网络是智能化矿山生产管理的重要载体。智能化矿山是在数字化矿山基础上提出来的，智能化矿山与数字化矿山的区别就在于它应用了大数据、人工智能及云计算3项关键技术解决系统架构和互通、数据处理决策及高级计算问题。大规模物联、常态化远程监测监控和普遍的云计算等的应用均是以信息的可靠及时传输为基础的。基于互联网+的物联网是智能化矿山的信息高速公路，承担着大数据的稳定、可靠传输任务，起到了精确、及时上传下达的作用，决定了智能化矿山系统整体的稳定性和可靠性。煤矿井上/井下网络拓扑如图6所示。
图6 煤矿井上/井下网络拓扑
当前的煤炭工业互联网基本情况是4G+WiFi的井下传输模式，实际使用表明在没有大规模应用物联网传感设备和高清摄像头的情况下都已经难以满足实时快速传输的需求，随着智能化水平的不断提升，大规模物联、高清视频应用和虚拟开采等先进技术的使用必然会提高信息传输速率、可靠性的需求，低延时控制、大带宽音视频传输和广泛传感接入将成为智能化开采的基本需求，5G技术将成为智能化开采信息传播技术的门槛。同时，智能化矿山的物联网必须具有精确定位、协同管控与地理信息一体化的特点。目前的精确定位技术包括RFID定位技术、WiFi定位技术、ZigBee定位技术和超宽带定位技术等。每种定位技术各有优缺点，ZigBee定位技术和超宽带定位技术以各自在定位精度和时间分辨率方面的优势将会是未来井下无线定位的发展方向。
4.4 采掘运系统
开采、掘进及运输三大系统是煤炭生产的关键。
开采系统是煤矿生产的核心。面对高效安全的新时期煤炭开采需求，智能化开采模式是推进煤炭生产方式和发展模式深层次变革的重要方式，是实现煤炭行业高质量发展的有利手段。我国对煤炭开采技术及装备的研究起步较晚，2007年才研制出首套国产电液控制系统，实现了对国外进口产品的替代，奠定了综采自动化系统国产化的基础。智能化开采是指通过开采环境的智能感知、回采设备的智能调控与自主导航，实现回采作业的过程。通过应用物联网、云计算、大数据、人工智能等先进技术，使工作面采煤机、液压支架、输送机（含刮板式输送机、转载机、破碎机、可伸缩带式输送机）以及电液动力设备等形成具有自主感知、自主决策和自动控制运行功能的智能系统，实现工作面落煤（截割或放顶煤）、支护、运煤作业工况自适应和工序协同控制的开采方式。智能开采区别于一般自动化开采的显著特点是设备具有智能感知、智能决策和自动控制（执行）的功能，具备自感知、自控制、自修正的能力。具备这样能力的智能化综采系统才能充分地响应生产环境变化、实现真正意义上的智能化开采，实现有限条件下的无人开采目标。综采工作面智能化系统架构如图7所示。
实现智能快速掘进是解决采掘接续矛盾、快速形成采准系统和智能化开采的先决条件。智能化快速掘进的指挥系统即主控单元是智能快速掘进和采准系统的大脑。负责掘进工艺编制、遥控指挥控制、逻辑关系协调控制、协同指挥调度和就地显示等；在主控大脑的协同指挥调度之下，基于自动驾驶技术、测绘与导航技术，通过感知单元、定位单元、防撞单元、遥控单元、通信单元和集控单元等六大单元系统协同配合，解决“掘-行统一”、“掘-支一体”和“掘-运连续”三大核心难题，通过在掘进机机身增加环境、位置等感知
图7 综采工作面智能化系统架构
元器件和执行元器件，基于智能远程遥控系统实现掘进机的远程及就地可视化控制、防撞、智能定位、行走速度调节、故障告警并与带式输送机、局部通风机等实现联动闭锁控制，满足智能快速掘进的各项要求，保证采准系统的高效快速形成，解决采掘接替矛盾。智能化快速掘进系统如图8所示。
图8 智能化快速掘进系统
智能运输系统主要是对带式输送机的带速、运量等进行远程集中智能控制。通过在带式输送机上安装智能激光煤量扫描仪，对带式输送机的煤量进行实时监测，根据上一级带式输送机煤量的实时监测结果，实现下一级带式输送机运量、带速的智能控制，同时具备故障检测、预测预警及智能分析决策功能。目前，基于图像识别、超声波探测等技术与装备，基本实现了主煤流运输系统的异物智能检测、煤量智能监测、输送带撕裂智能监测等，但对于深部矿区的立井主提升系统尚存在自动化程度低、作业劳动强度大等问题。因此，应进一步大力推广图像识别、永磁驱动、变频控制等技术在主运输系统的应用，大幅减少主运输系统作业人员数量、降低煤流线运输能耗，推进研发立井主提升系统的自动化、智能化技术与装备， 实现井上下全煤流运输的无人值守与经济协同运行；同时，对于轨道运输、无轨胶轮车等辅助运输系统，积极应用井下人员、车辆的精准定位与智能导航技术，推进无人驾驶技术在煤矿井下的应用，研发适用于不同运输场景的井上下智能辅助运输系统，开发井下物料智能运输模式，实现井上下人员、物料、设备的运输路线智能规划、协同管理。智能化煤流运输系统如图9所示。
图9 智能化煤流运输系统
4.5 安全保障与预测
煤矿安全综合保障是智能化矿山安全高效生产的基础。煤矿安全综合保障技术主要是对井下作业人员、设备、工程等进行按需供风、供电、供液、供料等，并实现井下设备的日常维修、检修与保养等。目前，部分矿井已经实现了井下供电、供液系统的自动化、无人化运行，大型煤机装备均配备了故障自诊断、监测、报警等功能，甚至基于三维可视化建模、视频监测等技术实现了井下大型设备的在线智能巡检，但井下各系统的物资供应、设备维修、检修等均需要进行人工现场操作。因此，需加强煤矿井下智能综合保障技术与装备研发，突破环境智能感知、电磁干扰、数字总线等先进技术，构建扁平、开放、多元、互动、高效的智能综合保障系统，加强井下大型设备故障自诊断与健康管理系统开发，实现井下监控设备数字化、智能化以及高可靠性的在线诊断与远程运维。煤矿地质灾害监测系统如图10所示。
图10 煤矿地质灾害监测系统
目前，基于瓦斯监测、风压与风量监测等监测技术，基本实现了对瓦斯等灾害的在线实时监测预测，但受制于灾害发生的机理尚不明确、感知设备的精度与时效性较差、感知信息与防控设备尚未实现联动等，井下重大危险源智能感知与预警尚存在技术瓶颈。针对现有井下重大危险源智能监测与预测预警技术瓶颈，应加强研发井下低功耗、高精度、多功能环境及人员感知监测传感器，实现基于工作面环境感知、灾害感知、设备及人员安全信息融合分析的区域安全指数评估，提高围岩环境监测信息的可靠性及灾害预警的准确性；研发基于通风机性能曲线和灵敏度调风技术的通风系统智能控制，实现在线修正调风方案和远程调风技术；研发风量智能解算与自适应调节技术，实现瓦斯监测、预警与风量调节的智能化；加强地质环境动态变化分析，对井下冲击地压、岩爆等围岩动力灾害发生机理的研究，研发智能灾害预测预警技术，实现井下灾害的智能监测、预警与防治系统的智能联动，构建全地质信息高精度综合监测预警系统；开发井下避灾路线智能规划系统，并与灾害监测与预警系统实现联动，为井下人员避灾与逃生提供系统保障。
4.6 机器人系统
机器人及其协同运行是智能化矿山的智能装备的最高体现。煤矿生产系统庞大复杂，作业环境恶劣，靠人工操作机械的方式，无法有效减少井下一线作业人员，实现无人则安。用机器人替代井下作业、安控和应急救援人工作业是建设智慧煤矿的新要求。国外煤矿机器人研究起步较早。美国20世纪80年代开始将基于计算机远程遥控加局部自治式控制作为非结构化采煤工作环境下机器人的重点发展方向，研制出了计算机控制采煤作业系统及多种特种机器人。我国机器人产业是近30年发展起来的新型产业，在国家高技术研究发展计划（863计划）等资助项目支持下，对包括喷浆机器人、凿岩机器人、采煤机器人、救灾机器人、机器人矿车等在内的多种煤矿机器人进行研究开发，其中部分机器人已投入使用，取得良好的效果。
2019年1月，国家煤矿安全监察局发布《煤矿机器人重点研发目录》，重点研发应用掘进、采煤、运输、安控和救援5类38种煤矿机器人，并对每种机器人的功能提出了具体要求。旨在引导煤炭企业、科研机构、机器人制造企业和全社会参与研发应用，把握煤矿安全需求重点，鼓励创新创业，力争尽快在煤矿机器人技术上有新的突破，使煤矿实现“少人则安、无人则安”。
机器人化开采是建立在煤炭赋存条件精准感知、截割轨迹精准调控、机器人群组精准配合和矿山压力精准预警的“四精准”基础之上的。机器人化智能开采系统多工种机器人协同工作，机器人群组的控制、联动及协同是智能开采的核心，通过装备的拟人化完成工作面的破煤、装煤、运煤、顶板支护和采空区处理等5个关键环节的无人智能生产，采煤机截割轨迹和截割高度自动调整，液压支架自动调整初撑力及安全阀开启压力满足开采空间的安全维护，刮板输送机自动调直保证工作面平整，采煤机和带式输送机运输速度协调统一，实现机器人群组的智能感知、精准控制和群组协调。同时，通过构建物联网系统，保证采-装-运-支等工序环节各机器人群组的无人操作、群组协同和自动化运行，实现煤矿无人值守、远程监视、自主决策的机器人智能开采。轨道式巡检机器人和飞行巡检机器人如图11所示。
图11 轨道式巡检机器人和飞行巡检机器人
煤矿作业类机器人属于重载防爆机器人，其他领域尚无可借鉴的技术和产品。煤矿安控和应急救援类机器人属于极端复杂环境机器人，不单要有必备的感知检控功能，还要求有可靠的防爆、运移、导航、避障、路径规划和抗颠覆及自救等功能。因此，针对煤矿机器人，以下共性的关键技术将成为重点研究方向：①井下机器人自适应变阻抗力跟踪控制方法；②井下机器人自我状态识别、避障和自主平衡；③井下长时可靠供电及自主寻径无线快速充电技术；④井下多机器人联合通信及协同控制平台。
4.7 智慧园区
智慧园区是智能化矿山的一个缩影。建设智慧园区的目标是由多方面组成的，主要体现在以下4个方面：①通过建设智慧园区，可以将园区中分散的信息资源完成最大限度的整合，实现系统化的管理和信息的高效利用，避免了园区内各组成部门的重复投资建设，实现企业的低投入和信息的高利用，从而提高经济效益；②通过物联网技术可以实时化、最大化地感知和获取园区内的数据，从而为最终决策信息的生成奠定基础；③通过云计算平台和大数据平台可以实现海量数据的存储、分析和大规模数据的共享，将原有的独立的信息系统和同构、异构数据统一到平台上来，实现园区内各组成部门间信息的实时有效连通、协同等；④通过智慧园区的信息化建设，可以实现信息的客观、高效、科学和多平台的设计和展现，使得园区内的数据和信息可以按不同组成部门按不同需求、不同分发规律进行分发，实现按需分配。通过智慧园区的建设，可以解决原有园区中存在的信息流通不畅、异构数据难以实现同构化处理利用、资源重复建设、数据利用率低等问题，完成园内各组成部分的协同和信息高程度共享。
5 智能化煤矿建设典型案例
目前我国以中国煤炭科工集团、中国矿业大学等为代表的研发机构在地质信息探测、矿山建模、生产自动化、安全监控、管理信息化等方面开展了大量理论技术研究和实践探索。黄陵矿业、神东矿区、陕北张家峁矿业、陕西延长石油巴拉素煤矿等在智能化矿山建设等应用方面取得了突破性进展。
5.1 陕煤黄陵矿业含油型气复杂煤层智能化开采
黄陇煤田是我国十四大煤炭生产基地之一，是国家重要的煤炭主产区。黄陵矿区作为该区域的典型代表，煤与油型气共生，条件复杂、致灾因素多，尤其是油型气具有隐蔽性、突发性和涌出量大等特点，是安全高效开采最突出的制约因素，传统技术和装备无法实现该区域安全智能开采。针对黄陵矿区面临的油型气难以实现精准防治、煤机无法实现连续高效运行和缺乏复杂条件安全智能开采工程配套与保障技术等三大难题，陕煤集团联合多家单位共同完成的煤与油型气共生矿区安全智能开采关键技术与工程示范项目，揭示了含煤地层和采掘扰动区油型气分布涌出规律，创新了“预-探-抽”一体化精准防治技术，释放可安全开发的煤炭资源超过1.2亿t。发明了油型气不均匀涌出工作面连续高效开采方法，研发了超前预测多机联动智能控制系统，首创了煤与油型气共生矿区安全高效智能开采技术体系。研发了适于煤与油型气共生的智能开采配套装备，制定了智能化开采技术和管理标准体系，建成了首个国家智能化开采示范基地。黄陵智能化示范矿井地面、巷道远程控制中心及井下工程实践如图12所示。
图12 黄陵智能化示范矿井地面、巷道远程控制中心及井下工程实践
项目实现了煤与油型气共生矿区安全高效开采技术的重大突破，油型气防御面积减少30%，生产效率提高20%，人员减少70%，近3年直接经济效益115 亿元（部分统计）。引领了煤炭安全智能开采技术的发展，大幅推动了行业技术进步。
5.2 兖矿金鸡滩煤矿超大采高智能化开采
2013—2020年，兖矿集团针对金鸡滩煤矿煤层条件，先后组织实施了8.2 m煤层超大采高智能化综采和9~13 m特厚硬煤层7 m超大采高智能化综放开采创新研发项目，发明了超大采高综采理论方法和工艺。首创了工作面多应力场耦合围岩智能控制的6 m以上厚煤层一次采全厚综采方法，提出了支架与围岩强度、刚度、稳定性耦合原理和支采运协同工艺，解决了超大采高开采工艺和围岩控制难题，在世界上首次完成了6～8 m煤层的超大采高综采技术实践，开采效率提高了70%，资源回收率提高了25%以上，颠覆了原有开采理论认知。发明了超大采高液压支架与围岩自适应支护及协同控制技术。首创了液压支架三维动态优化设计方法，发明了增容缓冲抗冲击立柱、三级协动护帮装置、初撑力自动补偿与快速移架系统、液压支护群组自适应协同控制技术，解决了原有支架刚性支撑结构无法适应动载冲击工况、支护群组难以实时协同控制等难题，建立了全新的超大采高综采支护理念及技术实现途径。构建了以高强度支护为基础、以控制煤壁稳定和顶煤可放性为约束、以协调采放空间为核心的近场增裂、远场破碎顶煤相结合的综放开采理论体系。首次提出并应用了超大采高综放“马鞍形”开采工艺，揭示了超大采高综放顶煤瀑布式运移规律。研制了以首套7 m超大采高放顶煤液压支架为核心的超大采高综放开采成套装备。发明了基于高精度国产化惯性导航系统的装备群组自组织协同控制方法；实现以时序控制为主、人工干预为辅的常态化自动放煤。
在世界上首创了综合解决6~13 m特厚硬煤层高效高回收率开采技术装备体系，创造了采高、效率、智能化控制等多项技术指标的世界最高纪录，为世界提供了特厚煤层超大采高开采的中国模式、中国经验和中国装备。8 m超大采高成套装备如图13所示。
图13 8 m超大采高成套装备
金鸡滩煤矿8 m超大采高工作面日产6.16万t，月产153万t，年产1 500万t，工效1 247 t/工，回收率98%以上，综采高度、产量及效率创世界最高纪录。
5.3 张家峁智能化矿井建设
陕煤集团张家峁智能化矿井建设于2018年启动，按照顶层设计、基础先行、重点突破、全面接入的整体规划，遵循打通信息壁垒、铲除信息烟囱、消除信息孤岛、避免重复建设的原则，布局全面感知与高速传输网络、矿山地理信息系统、安全生产管控一体化平台、统一计算存储管理、统一数据接口与编码标准，以及诸多智能化子系统的“六个一”工程，实现安全生产的统一管控；并通过建立智慧矿山运营管理中心，实现全面生产经营决策管理，开发部署矿山云服务平台，实现面向不同业务部门的上云服务。张家峁智能化煤矿总体架构如图14所示。
张家峁煤矿复杂巨系统示范矿井建设项目，涵盖了井下、地面、安全生产等10个大系统，49个子系统。基于“全局优化、区域分级、多点协同”控制模式，建设“运营一大脑，矿山一张网，数据一片云，资源一视图”和八大应用系统。截至2020年10月初，已建成云数据中心、综合管控平台、井下5G网络、3个智能化工作面、1个智能化快速掘进工作面、全矿井主煤流智能运输系统、全矿井智能通风管控系统等28个智能化子系统，取得了
图14 张家峁智能化煤矿总体架构
阶段性成果，为企业提升安全保障能力、生产经营水平和降本增效起到了重要推动作用。通过煤矿工业互联网平台搭建、智能综合管控、高速信息传输与人员设备高精度定位、智能化开采与快速掘进，煤矿机器人应用，实现了全矿井92个在用系统的集成和优化，矿井数据利用率提升50%以上，井下人员、车辆静态30 cm、动态1 m的精确定位，综采工作面人员减少至9人，效率提升30%，掘进月进尺突破2 000 m，井上下23个机房硐室，66个操作岗位的“有人巡检、无人值守”。
5.4 巴拉素智慧煤矿建设
延长石油巴拉素煤矿于2019年1月启动“巴拉素智慧煤矿建设”项目，全力打造的新建矿井智能化样板工程。构建了10大系统、48个子系统，共计156个建设项目。在矿井设计、建设初期就植入智能化“基因”，全面考虑智能化技术应用，充分利用多学科交叉融合，探索破解煤炭行业高质量发展难题的途径和模式。
融合5G通信、大数据、智能控制等技术，全力打造综合管控系统及大数据平台、5G通信网络及精准位置服务系统、地质保障及4D-GIS动态信息系统、采掘工作面智能协同控制系统、井下环境感知及安全管控系统、固定场所无人值守智能管理系统等十大智能化系统和“统一平台框架、双层数据融合、全程闭环反馈、两级协同管控”的“1212”智能化运行平台。目前，项目总体方案进入实施阶段，已在井下590 m处开通了5G网络，实现了基于5G网络的4k高清视频回传和井上、井下指挥互动。整个项目将在2021年12月全面建成并投入运行，巴拉素煤矿智能化管控平台接入点将增加5万个以上，数据传输率提升50%以上，端到端数据延迟小于5 ms，全面实现矿山多专业、多部门系统作业和信息化管理。
6 结 语
智能化矿山建设是新时期矿业转型升级的必由之路，智能化矿山建设的总体战略和分类分级建设目标已明确，技术路径已规划。目前，煤矿智能化建设仍处于培育示范阶段，发展还不充分、不平衡，总体水平还不高，离全面智能化还有很大的差距。煤矿智能化是一个不断发展的过程，煤矿智能化程度是一个不断提高的过程，要进一步统一认识，改变因循守旧、片面强调智能化建设投入大、技术难、要求高，甚至是面子工程的错误思想，充分认识煤矿智能化发展的大势，克服畏难情绪和消极心理，主动作为。智能化建设是一个多系统、多专业、多领域相互关联、相互融合的复杂系统工程，企业集团应依据智能化煤矿分类分级建设标准，做好顶层规划，制定符合企业实际和发展要求的智能化矿山
建设方案。培育协同共享的产业生态，在煤矿大数据融合、复杂条件下的智能高效掘进、基于精准地质探测和数字地质模型动态修正的地质保障、工作面设备自动找直和采煤机智能调高、高可靠智能传感器、井下高清视频图像识别、智能耦合自动控制、井下5G通信与精准定位一体化设备及应用场景、井下机器人集群管控与电源管理等方面开展协同攻关，加快破解制约瓶颈，提高煤矿智能装备和系统的可靠性保障水平，加快培育智能化高端人才和专业技能人员，创新智能化煤矿管理新模式和新体系。
