在世界范围内，采矿都属于艰苦的传统行业。由于煤层属于沉积矿床，其开采技术条件更加复杂，不仅作业条件恶劣，而且重大安全生产事故时有发生。为了使相关生产活动与习近平主席“人民对美好生活的向往就是我们的奋斗目标”相适应，通过信息化、智能化手段改造传统生产方式就是煤炭行业未来发展的必由之路，也是实现高科技少人或无人采矿的必然选择。
近年来，国家高度重视煤矿的信息化、智能化建设。2020年2月25日，国家八部委（国家发展和改革委员会、国家能源局、应急管理部、国家煤矿安全监察局、工业和信息化部、财政部、科学技术部、教育部）印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》。相关产煤大省也陆续颁布了煤矿智能化建设实施方案或意见，煤矿的智能化建设正在蓬勃发展。
包括综采工作面在内的井工煤矿智能化建设是一个复杂的高科技系统工程，必须基于标准等5大体系进行科技攻关和工程实践，才可能成功。智能化煤矿与传统煤矿相比，上述5大体系的建设必须是本质革命，而不能只是简单的改良。
1 智能化综采工作面研究和工程进展
智能化煤矿的建设起步于智能化综采工作面的建设。目前，智能化综采工作面的建设和应用仍然是智能化煤矿技术攻关及建设的主战场。归纳起来，智能化综采工作面的建设可以分为4个阶段，即智能化综采1.0～智能化综采4.0，如图1所示。
图1 智能化煤矿的分类
2014年5月8日,黄陵矿业一号煤矿1001工作面首次实现了智能化无人开采，成为中国煤炭开采史上具有里程碑意义的一次革命，形成了煤炭工业“一键启停，记忆割煤”的黄陵模式（煤矿智能化综采1.0）。这种模式以采煤机记忆截割、液压支架自动跟机及可视化远程监控为基础，在巷道综合监控中心对综采设备进行智能监测和集中控制。经过多年的发展和进步，技术成熟度较高，目前各省市正在推广这种模式。这种“一键启停、记忆割煤”的采煤模式，能够满足开采技术条件相对简单的矿井，但具有工作面生产环境状态不透明、成套装备与空间位置耦合困难，难以应对煤层的起伏变化等特点，无法适应所有开采技术条件类型的矿井。
智能化综采2.0中的惯性导航系统主要是指澳大利亚的LASC系统，是澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）推出的基于惯性导航的自动化采煤方法。兖矿集团和国家能源集团等单位已经引进了LASC系统，取得了阶段性的显著应用效果，为探索国产化技术奠定了基础。由于惯导长航时漂移、生产环境震动大、工作环境温度变化大导致惯导和编码器的组合定位系统无法保证长时间稳定的高精度定位。所以，在条件允许情况下，还需要对惯导和编码器的组合定位系统进行校正，以满足实际应用需求。
为突破相关难题，自2019年起，山东能源集团临沂矿业集团菏泽煤电公司郭屯煤矿联合北京龙软科技股份有限公司、北京大学、中国矿业大学等多家单位，按照基于建立大地坐标中继传导系统、建立高精度透明化三维动态地质模型、构建透明化工作面和基于时态地理信息系统（TGIS）“一张图”可视化管控系统、智能化开采与透明化工作面融合5个实施步骤，全面开展采煤机基于透明化地质模型、透明化工作面的自适应截割研究。目前，已掌握透明化工作面系统建立、测量机器人和导航精确定位、透明化三维地质模型动态修正、5G通信技术、基于时态地理信息系统（TGIS）的“一张图”二三维一体化管控平台等多项关键技术，初步建成基于TGIS的矿井智能管控平台和3301一次采全高透明化智能综采工作面、2305透明化智能综放工作面，基本实现了较为复杂地质条件下的自适应割煤，形成了智能化开采3.0模式。惯导系统已实现国产化，其他精确测量装备正在国产化过程中。
2 智能化矿山建设存在的问题
井工煤矿从数字化到智能化，其已经经历了数十年的发展历程，促进了技术和矿山安全生产管控的快速进步，目前智能化综采、掘进、通风等子系统的建设更是如火如荼。但在数字化基础之上发展起来的智能化建设热潮，很多共性的问题仍然存在，需要引起管理、技术、工程和应用部门的高度重视。
2.1 管理层面的问题探讨
1）顶层设计还处于起步阶段。2018年前，从技术到装备，我国智能煤矿建设都未形成体系。近2年来，在国家有关部门和中国煤炭工业协会的强力领导下，开始逐步引导全行业进行顶层设计、标准制定和发布，取得了阶段性得成果，有力促进了智能化矿山建设的进程。由于五大体系的复杂性和高科技发展的快速性，顶层设计需要与时俱进，不断完善。实际上，目前的顶层设计与智能矿山建设“装备智能化，分析在线化，控制协同化”的最终要求还有不少距离，需要进一步解决平台统一性、设备先进性、数据共享性、系统协同性等问题，否则，将事倍功半。
2）专职队伍建设需加快步伐。科研离散、公司单打独斗，缺乏技术和装备完整、专注服务于智能开采的科研团队、公司等。智能开采涉及通信、控制、物联网、地理信息系统、大数据，以及“采、掘、机、运、通”、“水、火、瓦斯、顶板”等，是一个一体化的系统工程，必须基于5大体系进行一体化集成设计和攻关，包括工程施工。目前从事智能矿山的公司越来越多，但核心技术和高技术人员严重缺乏，近几年国家刚开始进行战略规划。
3）示范工程需加强技术的长期连续验证。与数字煤矿相比，智能煤矿技术和工程实践更加复杂，对设备的远程智能操作和管控更为精密，五大体系更为协同，这就需要在井下进行长期的技术验证和不断的技术改进。所以，需要在国家或行业层面，分别拿出部分有代表性的“薄煤层、在中厚煤层、厚煤层”、“采全高、放顶煤”工作面进行专门的示范攻关，这些工作面的日常生产不是目的，是配合科技攻关，有条不紊进行技术验证和工程实践。目前也有示范，但示范主要是辅助或临时性的安排，还是以完成生产计划和既定任务为目标。显然，这对智能化矿山建设的技术攻关以确保实用性是不利的。我国高铁就采用先行在北京-天津进行统一设计的工业性试验，并示范成功后，再在全国推广，这种推行模式值得煤炭行业借鉴。
4）专项资金投入得继续加大力度。我国高铁和歼20的成功，国家不仅投入了巨资，也经历了集团作战式的长期攻关。由于煤矿开采技术条件的特殊性，其智能开采技术和工程的复杂性不次于高铁和歼20，如果要达到全面的无人开采矿山，甚至更复杂，对高科技复合型人才（精通通信、控制等新技术，对煤矿专业也熟悉或精通）的吸纳很重要，而且要愿意为较为艰苦的煤炭工业长期奋斗。现代通信和信息技术已经渗透到人类生活和工作的方方面面，高科技人才薪资高，就职机会多，煤炭行业相比其他行业更为艰苦，因此，煤炭行业要留住高科技人才或团队，就需要提供更高的收入，要让煤炭行业高科技企业或效益受到社会的尊重、仰慕和资本市场的追捧，以形成良性循环的局面！目前，有限的资金和技术形不成合力，结果，高科技队伍的稳定性受到威胁。
5）人才培养方式有待进一步改进。无论是高等院校还是职业技术学院，其科研、教材、教学体系与传统没有本质区别。应该基于5大体系，梳理新型的人才培养方式，如“临床医学”的本硕、本硕博连读方式一样，这样，才有可能培养出既有深厚理论技术，也有丰富工程实践的复合型高科技人才。
2.2 技术、装备和工程层面的问题探讨
1）装备和地测并重。如果不能实现地测信息的透明化，装备无论多高端，智能开采的最终目标还是很难实现。因为，开采的对象是煤层，煤层的空间形态和属性都满足不了智能化的要求，对设备的远程智能控制就很难实现。2020年的八部委文件已经强调了地质保障系统的重要性，为智能煤矿建设从政策层面提供了保障，开启了传统地质与高科技采矿结合的新纪元。这里问题的关键是政策的落地，即如何实现地测信息透明化相关工程和预算的合理化、规范化。
2）硬件和软件并重。机械化、信息化、自动化、智能化，“四化”缺一不可，是一个有机的整体。硬件可以投资几千万甚至上亿，软件（也包括几十个子系统）几百万都很难，而且开采技术条件多变，不断的修改完善，很难形成标准化、商品化的系统，成本居高不下，软件公司效益一般。因此，与其他高科技或互联网公司相比，相关高科技复合型人才家庭的幸福感，自己的成就感不高，对人才的吸引力弱。
3）继续破除数据孤岛。近年来，国家和行业主管部门高度重视信息共享标准的建立，已经取得了长足的进步，但在具体操作层面还需政策的进一步引导，各部门的密切配合，如目前无论在生产矿井还是矿业集团总部，都缺乏基于GIS“一张图”的统一管控平台；相关子系统单独招标和建设，不是基于智能开采完整系统的总包和交钥匙工程模式，缺乏基于统一标准的约束，其结果是又人为制造数据孤岛，不利于智能化煤矿“分析在线化，控制协同化”的建设目标。所以，破除数据孤岛，任重而道远。
4）强化空间信息处理专门技术和软件系统的应用。煤矿信息属于空间信息，与坐标(x,y,z)有关。国内外科技和产业界的高度共识，管理空间信息的最佳工具是地理信息系统(GIS)；CAD是计算机辅助设计系统，无论数据模型和数据结构与GIS都有本质区别，不适合管理空间信息，但适合处理建筑和机械设计。与GIS拓扑数据模型相比，CAD采用的是意大利面条模型，即Spaghetti模型，不仅数据模型简单，而且缺乏空间关系的表达，对属性的管理也不强（图2）。目前，大量生产矿井还继续使用AutoCAD系统，一些软件公司甚至走回头路，把CAD或AutoCAD包装成为GIS系统。此外，AutoCAD平台是美国软件，也不符合国家自主可控的国策。
图2 矢量数据模型
5）继续提升装备的稳定性和可靠性。如液压支架的行程传感器，可靠性和精度还无法完全满足智能开采的要求。装备的稳定性和可靠性是制约智能开采无法真正实现的重要原因，也是每天检修并无法有效减员的重要原因，要引起高度重视加以重点攻关解决。
3 可行性建议
1）集中财力大投入。如高铁和歼20等国之重器一样，不仅投入大，而且集中相关资源，统一顶层设计，形成统一、完整、协同的技术攻关和工程实施队伍。
2）集中人力干专事。项目组所有成员全身心投入到项目的各自工作中，不允许干与项目无关的事情。
3）集中资源做示范。在充分分析国内外现状的基础上，在现有成果的基础上，先行示范工程科技联合攻关（薄煤层、中厚煤层、厚煤层；采全高、放顶煤），再全面推广，如高铁先行在北京-天津做示范一样。另外，示范工作面不以完成生产任务为唯一目的，需随时密切配合技术验证和工程实践。
4）实事求是做预算。在国家层面，按智能开采需求进行示范投资和生产矿井吨煤成本核算，确保合理的投入。
5）在招标层面。在保证质量和安全的情况下，优先支持国产化软硬件系统。实行总承包模式，交钥匙工程，既是对甲方负责，也是培养真正的高科技集团。如果国内最终形成3个左右的大型智能煤矿建设高科技集团，将会对全国煤矿智能化建设大有裨益。通过合法合规的竞争，国家的科技才能够良性发展和进步。
6）在市场准入层面。严格按照国家法律办事。智能开采涉及大量的地理信息，这些信息不少是国家秘密，所以，涉及地理信息的相关工程施工单位必须具有地理信息测绘资质，否则违反2017年7月1日颁布的新版国家《测绘法》。
