我国矿山资源开发规模位居世界第一，煤炭年产量40亿t左右，约占一次能源消费总量的60%。当前，世界形势错综复杂，能源安全面临严峻挑战，主要工业大国之间对战略性矿产资源的竞争不断加剧。受资源禀赋条件制约，今后很长一段时期我国能源消费仍需立足以煤为主的基本国情，煤炭仍将发挥能源兜底保障作用。
在新技术革命的推动下，矿山开发方式正在加快向绿色、安全、智能、高效转变。5G、大数据、人工智能、区块链、物联网、遥感探测等新技术与矿业开发深度融合，加速矿山向数字化、智能化发展，彻底改变传统的生产方式。作为新兴交叉领域，煤矿智能化从理论、技术研究到装备研制、工程示范，仍处于起步加速发展阶段。国内和国际的知名信息技术企业、相关科研机构、高等院校纷纷进入该领域，信息系统平台、数据感知、核心控制装置、成套装备等煤矿智能化关键核心技术与装备不断取得突破，研究热点不断涌现。
国际上，以德国PSI公司、澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）等为代表，依靠先进可靠的自动化控制技术，开发了自动化控制系统，在澳洲英美煤业公司率先实现了生产流程的精细化和标准化管控（图1）。神东矿区通过引入使用PSI区域自动化控制系统，实现了“五矿六井”生产集中管控。大型露天矿山已实现在办公室即可自动生成矿山模型，制定生产计划，并与矿山开采设备相连，形成矿山动态管理与指挥遥控系统。
在国内，中国煤炭科工集团有限公司（以下简称中国煤科）作为煤炭及矿业领域科技领军企业，在地质信息探测、数字化矿山建模、生产自动化、安全监控、智能采掘、电液控制、采煤机、快掘系统、智能主辅运输系统、智能选煤厂煤炭工业互联网平台、大数据分析技术、井下5G等方面开展了大量的理论、技术和装备研发，与国家能源集团、陕煤集团等所属的多座煤矿联合示范应用（图2），在智能矿山技术发展及工程实践过程中发挥了重要的推动和引领作用。
2014年12月，原国家安全生产监督管理总局发布了《关于印发陕煤化集团黄陵公司一号煤矿智能化无人开采技术经验材料的通知》（安监总厅煤行函〔2014〕191号），随后国家有关部门相继出台了一系列关于煤矿智能化建设的政策措施，推动新一代信息技术与煤炭产业深度融合。2020年2月，由国家发展改革委等八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，进一步加速了煤矿智能化建设进程和“卡脖子”技术攻关。智能化作为我国煤炭行业发展的第四次革命，已成为煤炭产业结构调整的重要抓手，煤矿智能化建设呈现出重点突破、全面推进的态势。
当前，中国煤科正聚焦煤矿智能化建设迫切的技术需求，以新一代信息技术融合煤炭开发技术，全面开展煤矿系统智能化关键核心技术与成套装备研发，支撑煤矿中高级智能化建设，推动行业高质量发展。
智能煤矿建设一体化解决方案
我国煤矿地质条件复杂，生产条件动态多变，实现煤矿智能化的程度及难度也不相同。晋陕蒙等西部矿区开采条件普遍较好，千万吨级的大型现代化矿井主要分布在该地区。这些矿区的煤矿实现智能化的基础好、难度小，技术装备水平提升快，智能化吨煤成本投入小，见效快，效益也最为显著；而我国煤炭资源更为广泛的东部矿区、东北矿区、中部矿区和西南矿区的各类矿井条件复杂，开采难度较大，虽然智能化需求更为迫切，但受基础装备、采矿技术、投入产出、员工队伍等因素影响，实现智能化的难度反而较大。
结合国内外相关行业、专业、先进技术的发展及煤矿智能化建设情况，中国煤科率先研究发布了智能矿山一体化解决方案（图3），包括统一云、网、边、端智能矿山数字底座，统一管控一体化平台，统一知识模型服务组件库，多级边缘计算装备与协同可定义控制系统，智能、协同、可靠的生产装备群，覆盖煤矿安全生产经营管理全流程的智能化应用场景，涵盖了煤矿的采、掘、机、运、通等全部系统。
图1 澳洲英美煤业公司自动化控制系统
（a）国家能源集团榆家梁煤矿
（b）陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿
（c）陕煤集团神木张家峁矿业有限公司
图2 中国煤科智慧矿山建设案例
图3 中国煤科智能煤矿建设一体化解决方案
图4 智能煤矿总体架构体系建立维度
图5 中国煤科智能煤矿建设体系模型
智能煤矿总体架构及体系模型
从价值链、资产链、技术链3个维度创新性搭建了煤矿智能化总体架构（图4），厘定了煤矿智能化建设的方法和准则，构建了中国煤科从技术、产品、服务全过程、全链条的煤矿智能化的支撑体系，形成了从地质勘探、规划设计、建设投运、煤炭生产、生态治理到洗选加工、储装运销、客户市场等为一体的全产业链服务体系模型。中国煤科智能矿山体系模型如图5所示，纵向为智能矿山建设资产链，横向为煤矿安全生产经营管理价值链，以中国煤科全产业链研发制造为基础，为行业提供智能煤矿建设一体化解决方案。通过中国煤科理论、技术、装备和示范验证的全专业布局、全产链覆盖，并结合信息技术、多学科融合技术，形成煤矿智能化建设运行的体系化服务能力，围绕煤炭开发和煤矿安全绿色智能生产的价值创造过程，构建覆盖勘探、设计、生产、洗选、储运、市场等全过程价值链。
煤矿智能化系统关键技术与装备
煤矿智能化系统信息基础设施
（1）多网融合
研发出以超高速5G光网络为核心的煤矿井下智能化通信网络，协同合作伙伴成立了地下空间5G技术创新应用联合实验室。研究开发应用多网融合技术，实现了4G、5G、WiFi6、NB-IoT及井下10G/100G工业环网、F5G等多种网络融合组网，网络性能先进，广泛适用于大型矿井。
（2）700 MHz与2.6 GHz融合组网
黄金频段，穿透性能强、覆盖广，井下测试结果为3.5 GHz的4~6倍。拥有（上行703~748 MHz，下行758~803 MHz）的带宽，可以用较低成本实现井下全井覆盖，更高效地实现语音和视频等物联装置的接入，以及对井下车辆、装备的远程控制；2.6 GHz频段有连续的160MHz带宽，覆盖能力较差，其大频宽优势明显，结合3U1D等灵活帧结构大幅提升上行速率，在综采工作面、变电所等大业务量、大数据量区域满足密集摄像头回传、视频融合调度等业务需求。
（3）三级弹性算力体系架构
云网融合是基于业务需求和技术创新并行驱动，使得云和网高度协同，互为支撑和借鉴。边缘算力控制器是将控制处理过程在边缘计算层实现端侧实时数据分析和智能化处理，减轻云端负荷，提升处理效率。云网融合+边缘计算顺应未来算力向边缘侧下沉发展的新趋势，是打造智能矿山数据传输高速公路和整体网络+算力赋能体系的基础。基于新型云网架构，打造出云、雾、边三级弹性算力体系架构（图6），持续助力煤矿井上/井下“5G、WiFi6、IoT、工业以太环网”等形成一网管控。
图6 三级弹性算力体系架构
煤矿智能综合管控平台
研发出基于“煤科云”的煤矿智能化工业互联网平台，能够解决80%的智能煤矿综合管理平台建设基本需求，包含生产集中控制系统、安全集中监控系统、矿山数字模型系统、大数据中心、智能音视频分析系统、智能物联网平台、设备健康管理系统等。同时，依托“煤科云”开放式强大的二次开发能力，满足其他20%的特殊业务定制化需求，如采掘工作面管控、主运输管控、辅助运输管控、供配电管控、供排水管控、机器人管控、边缘计算等，能够实现智能煤矿数据集成、协同控制、业务管理等“云边协同、管控一体”的系统智能化应用模式，“煤科云”工业互联网智能综合管控平台架构如图7所示，该平台已在全国10余座大型智能化煤矿示范应用。
图7 “煤科云”工业互联网智能综合管控平台架构
煤矿透明地质保障系统
研发的煤矿透明地质保障系统是中国煤科智能矿山一体化解决方案的基础系统，能够提升地质保障数据的实时性、共享性、标准性及可靠性。通过全生命周期地质信息、工程信息共享和协同处理机制以及三维交互可视化分析，为煤矿智能化提供全方位透明地质保障支撑。透明地质保障系统具有高精度数据采集、多源异构数据融合、动态多属性地质建模、透明工作面规划截割、地质信息同步映射等功能，为采掘生产系统提供地质保障服务。煤矿透明地质保障系统如图8所示。
图8 煤矿透明地质保障系统
图9 掘进工作面数字孪生系统
煤矿智能掘进系统
掘进是煤炭安全绿色高效开采的短板，掘进速度慢、用人多、安全性差以及采掘失衡等是煤矿高质量发展过程中面临的主要问题。中国煤科经过多年的科技创新和工程实践，在掘进工艺、装备和智能化技术等方面取得了一批原创性成果，有效提高了我国煤矿掘进效率和智能化水平。
（1）掘进工艺创新方面
构建了基于围岩判识与状态监测的多维度协同支护体系。在围岩时效自稳前提下，掘进工作面采用低密度强力锚杆支护控制顶板，后部同步实施增强永久支护，形成“前安后全，快速推进”的同步支护工艺，释放了支护作业空间，实现了掘进、支护、运输三大工序平行作业，显著提升了掘进效率。
（2）智能掘进关键核心技术方面
攻克了自适应截割、智能支护、掘进定位定向、多机协同控制、远程集中控制、主动安全防护和工作面数字孪生等关键技术，成功研制了锚索支护机器人、锚杆支护机器人、高精度惯导+全站仪组合导航系统、基于地质透明化技术的掘进工作面数字孪生系统（图9）和远程集中控制系统（图10、图11）等，实现了掘进一键启停，高效协同智能掘进。
图10 调度室集控中心
图11 井下集控中心
图12 掘支运一体化快速掘进成套装备
图13 全断面矩形掘进机
图14 薄煤层开采大落差柔性过渡模式
（3）掘进装备方面
成功研制了以掘锚一体机、连续采煤机、全断面矩形掘进机、悬臂式掘进机为核心的4类快速掘进成套装备，形成了适应我国各种地质条件的快速掘进作业线（图12、图13）。掘锚一体机快速掘进成套装备，具备了稳定围岩月进3 000 m级、中等稳定围岩月进2 000 m级、复杂围岩月进级、“三软”煤层月进400 m级等4种快掘进尺水平，掘进速度平均提高了2～3倍。目前，中国煤科正在开展基于钻锚一体化的快速掘进系统、大型矿井综合掘进机器人等项目，持续提升掘进工作面智能化水平。
煤矿智能开采系统
智能采煤是实现煤矿安全高效开采的关键，近年来，智能开采发展速度快、技术提升快。煤炭智能化开采受限于井下特殊作业环境，中国煤科围绕安全、高效开采两大目标，攻关智能化开采关键核心技术，突破环境智能感知、装备智能决策控制执行等难题，形成了智能化采煤系统，建立了薄煤层到特厚煤层成套智能化开采技术体系。
（1）综采成套装备领域
综合机械化采煤方法包括特厚煤层综采/综放、大采高煤层综采、中厚煤层综采、薄煤层综采等。
1）在薄煤层综采方面，通过高能积比配套模式、大落差配套方式和大落差柔性调节系统进行总体配套创新，解决了工艺与配套方式不适应问题；针对坚硬煤层快速截割，自主研制了半悬结构高可靠采煤机、高刚度耦合薄煤层液压支架、矮槽帮重叠侧卸输送机等成套装备，解决了煤层群联合开采围岩控制难度大，刮板输送机配套高度高、运力低及运输距离短等问题；研发突破了动态更新三维地质建模、图像监测与直线度控制、走向路径规划、跟机移架与协同控制等关键技术，解决了薄煤层智能设备安装布置困难、可靠性低的问题。薄煤层开采大落差柔性过渡模式如图14所示。
2 ）在中厚煤层综采方面，中国煤科通过自主创新并结合多年的技术积淀，研制出超长工作面智能刮板输送机，如图15所示。通过基于链条变形补偿技术的链条预紧力动态管理技术、多电机驱动功率分时段多参数协同控制技术，采用具有减磨降阻特性的轻量化刮板组件、低矮型高精度加强型易铲装中部槽，解决了传统设备用于超长工作面时存在的产量难以达到要求、压溜后带载启动困难、链轮磨损过快、断链事故频发等问题，设备运输能力3 000 t/h、最大铺设长度480 m，能够满足高产高效千万吨矿井中厚煤层工作面的生产需求。超长工作面智能刮板输送装备已向鄂尔多斯市转龙湾煤炭有限公司、陕西小保当矿业有限公司用户供货，是国内目前唯一已供货的超长工作面刮板输送装备。
图15 超长工作面智能刮板输送装备
图16 MG1100/3050-WD系列采煤机
图17 山东能源集团金鸡滩煤矿8 m超大采高工作面设备
图18 顶煤运移规律监测技术
3）在大采高煤层综采方面，中国煤科研发的系列采煤机（图16），最大总装机功率可达3 450 kW，整机质量220～230 t，可实现最大厚度9 m煤层的一次采全高智能化高效开采，年生产能力达到1 500万t以上。
创新大采高工作智能支护系统，研发了高压自动补偿系统，提高了液压支架的初撑力；创新研制超大流量供液系统，实现了大采高工作面的围岩压力有效控制；发明了端头大梯度过渡的阶梯式协同作业工艺方法及超长工作面高效采煤作业系统，解决了超大采高工作面连续作业难题。山东能源集团金鸡滩煤矿8 m超大采高工作面设备如图17所示。
4）在特厚煤层综放方面，创新智能放煤方法和工艺，基于惯性元件的顶煤运移规律监测技术（图18），优化综放工作面大块度顶煤放煤工艺参数，实现了顶煤放出率、含矸率、开采效率最优。研发基于原子辐射类的灰分监测技术和基于多传感器融合的煤矸落识别技术，实现了煤矸识别。
建立工作面三维地质模型，以地质条件、矿压显现、顶煤冒放性、顶煤运移与放出数据等为先决条件，以顶煤采出率与含矸率最优为约束条件，建立不同场景条件下的放煤工艺控制模式，组成了基于人-机-环境系统的放煤工艺决策系统，实现了放煤自动控制技术。
（2）综采智能控制领域
图19 井下中控室
图20 液压支架位姿自适应控制示意
图21 采煤机智能截割
中国煤科经过10余年的不懈努力和技术攻关，在采煤工作面的装备感知、信息传输、动态决策、协调执行、高可靠性等方面突破了系列关键技术，研制出了具有自主知识产权的综采成套装备智能系统，提出了“无人操作、有人巡视”的智能化开采生产模式，实现了综采成套装备巷道及地面远程控制的智能化采煤，引领了我国煤炭科学开采的发展方向。
1）在工作面远程智能控制方面，以实现综采工作面常态化无人作业为目标，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，以生产系统智能化控制软件为核心，实现了在巷道监控中心或地面对综采设备的智能监测与集中控制，确保了工作面割煤、推移刮板输送机、移架、运输、消尘等智能化运行，达到工作面连续、安全、高效开采。在巷道列车上或地面打造一个井下中控室（图19），按下“一键启停”按钮，工作面的设备依次顺序自动启动。
2）在液压支架自适应控制方面，攻克了液压支架跟机自动化技术，将整个生产过程划分为不同的阶段，自动决策并控制液压支架中部跟机、斜切进刀、端头清浮煤、转载机自动推进等动作，实现了工作面连续生产。液压支架位姿自适应控制示意如图20所示。
3）在采煤机智能控制方面，按照示范刀所记录的工作参数、姿态参数、滚筒高度轨迹，进行智能化运算，形成记忆截割模板，在采煤机自动截割过程中不断修正误差，实现自动调高、挖底、加速和减速等功能（图21）。研发工作面安装摄像仪，可实时跟踪采煤机，自动完成视频跟机推送、视频拼接等功能，为工作面可视化远程监控提供了“身临其境”的视觉感受，指导远程生产。
4）在工作面直线度控制方面，采用航空级的惯导陀螺仪，研发了工作面高精度惯性导航系统，液压支架直线度控制效果如图22所示；通过“零速率修正”等算法有效解决了惯性导航仪的累积误差。
（a）控制前 （b）控制后
图22 液压支架直线度控制效果
图23 基于FCS架构的智能主煤流协同控制系统
5）在工作面通信协议方面，创新回采工作面复杂工况条件下千兆工业以太网通信平台及标准协议。工作面以太网具备1 000 M带宽通信能力，可实现视频、数据高速传输；建立了覆盖工作面的无线通信网络平台，可实现工作面内移动终端设备快速、稳定无线接入。中国煤科编制了国内首个针对矿山机电设备的标准化协议EtherNet/IP协议，涵盖采煤机、液压支架、刮板输送机、泵站、开关等11个标准，其中2个通用标准，9种设备标准，实现了工作面“一网到底”，解决了工作面高速高可靠性通信难题。
煤矿智能主运输
近年来，主运输系统逐步采用永磁驱动、煤流智能控制、煤量检测等技术，智能化水平大幅提升，但仍存在电控装置受恶劣的井下工况环境、电磁环境影响，导致可靠性低；带式输送机沿线保护和传感器感知信息不足和不准确，井下无人值守运行模式不安全；系统管控水平低，运行能耗高、故障停机时间长等问题，还不能完全满足主运输系统无人化的要求。
中国煤科研发的智能主运输系统具备智能调速、全线测温、集中维护、机器人巡检等功能，并将信息实时上传到矿井综合智能一体化生产监控平台，与全矿生产系统实现协同联动和应急预警。开发了国内首套基于FCS架构的智能主煤流协同控制系统，如图23所示，基于“人、机、环”全面感知，采用自主研发的全数字化“KTC199矿用通信控制装置”，实现了主运输系统带式输送机单机监控系统数字化与自动控制、多机协同联动、远程集中控制、IP扩播、智能视频联动、运行工况检测及故障智能预警等功能；基于A I煤量智能识别、人员违规作业智能监测、大块煤/堆煤/异物识别与预警、全煤流载荷分布检测等功能，实现主煤流与综采输送带运输系统顺煤流一键启停、协同经济运行。为实现主运输系统精准维护，中国煤科提出了基于云平台的带式输送机故障诊断系统，科学布设振动、温度等传感器对设备状态进行在线监测，结合产品结构、维护保养和故障特征库信息，可快速诊断设备存在的隐患，预测设备的劣化趋势和维护需求，实现按需保养、提前维护。
煤矿智能辅助运输
井下无轨辅助运输机动灵活，全矿井使用可大幅提高搬运效率，降低劳动强度。煤矿井下无轨辅助运输仍然存在用人多、自动化程度低，车辆与定位网络和智能仓储融合度低、调度运输缺乏统一管理、车辆智能化水平低、井下驾驶存在安全隐患等一系列问题。
中国煤科在国内率先开展无轨辅助运输研究，制定了70%的行业标准，攻克了80～200 kW低污染柴油机系统、矿用蓄电池、车载智能监控系统等33个关键子系统和元部件，研发了综采成套搬家装备、运人车、运料车3大类7种系列50余款产品，动力形式有防爆电喷柴油机、防爆蓄电池2类，载重从1 t到100 t，其中载重80 t蓄电池铲板式搬运车如图24所示，引领了我国矿用无轨辅助运输技术的进步。当前，正全面布局斜井/立井辅助运输智能化体系（图25），研究有轨/无轨辅助运输系统关键技术，实现井下车辆精确定位、物料无人配送、安全辅助驾驶，全面兼容专业化服务，提供更优质、高效体验。
图24 载重80 t蓄电池铲板式搬运车
图25 煤矿辅助运输智能化体系
图26 智能通风系统架构
图27 通风设施远程调节与智能 联动控制
车辆智能调度系统具有自动规划车辆运行路线、自动调度车辆运行时间和会车地、生产物资物联网电子化管理、自动道岔变换、转换红绿灯信号等功能。在辅助驾驶技术方面，开发了防疲劳驾驶预警、360全景环视监控、预防撞、交通标志识别、下坡行车辅助控制、自适应照明等系统，有效提高辅运车辆安全水平。在无人驾驶技术方面，基于车辆精确定位系统、智能导航系统和驾驶辅助系统，实现了无轨胶轮车在导航环境下的区域内遥控驾驶，可借助地面集控中心平台，实现基于数字孪生的地面远程控制遥控驾驶。
中国煤科正积极探索在矿井物联网环境下，解决地面仓储和井下使用场景间的无缝衔接问题，以实现物资的全流程无人配送及无轨胶轮车常态化无人驾驶。
煤矿智能通风
实现矿井智能通风面临诸多技术难题，如开采条件复杂，矿井巷道网络布局、通风条件和工况环境动态多变，通风参数无法自动调整，安全态势感知能力不足，缺乏智能优化调控手段，通风系统抗灾能力差等，亟需提升定量化制定防灾、减灾方案能力。
中国煤科首次研发了矿井智能通风体系化技术及装备，包括智能感知、智能平台和控制装备，系统化解决通风存在的各类问题，其中，智能感知与安全态势异常辨识准确率达到90%，能够与开采、掘进系统联动，实现动态的调风控风，自动生成最优方案，智能通风系统架构如图26所示；能够实现通风调节设施的远程自动调控，如图27所示；具备多种灾变下通风系统全周期、多条件参数解算等功能。
煤矿智能供电
中国煤科提出基于终端物联的智能柔性供电系统方案，实现了基于供电系统专用光网，延伸供电局部范围的“配电+馈电开关”无线自组网、信息双向传输，形成柔性配电网；依托柔性配电网实现了供电系统柔性闭环控制，实现了无缝切换、智能告警、智能调度、电网质量自优化等智能柔性供电高级功能；实现了配电、馈电开关至系统的全线自诊断功能；实现了变电所机器人智能巡视、无人值守。智能供电系统架构如图28所示。
图28 智能供电系统架构
煤矿智能排水
中国煤科构建了固定水泵房和离散排水点的“地面集中管控+现场机器人辅助巡视、无人值守”的作业模式，具备2种可靠的引水装置及水位冗余、水仓进水量监测报警功能；闸阀具备开度连续监测和故障自诊断功能，具有数字化传输接口；泵体具备抽真空系统故障自诊断功能；固定泵房具备火灾监测和自灭火系统；具备远程、就地自动、手动3种控制方式；最终实现了“地面集中管控，现场机器人巡视、无人值守”常态化运行模式。智能排水系统架构如图29所示。
图29 智能排水系统架构
煤矿安全智能监控与预警
以煤矿重大风险防控为核心，中国煤科构建了智能煤矿安全预测预警防控体系，提升了安全保障水平，实现安全工程减员提效。煤矿灾害精准预警系统（图30）实现了瓦斯、水、火、顶板、冲击地压、粉尘等灾害致灾因素全面监测、风险和隐患智能判识、灾害精准预警，预警准确率不低于90%；全面提升了打钻、卸压、抽采、防灭火、隔抑爆、防尘等技术装备的信息化、智能化水平，实现了灾害防控的设计智能化、决策自主化、井下无人化、工程过程可溯化；构建了采集数据可信、态势预判精准、现场监管透明的煤矿安全监管新体系，实现了传统监管向数据驱动、目标导向模式的升级。
图30 煤矿灾害预警系统架构
煤矿机器人
中国煤科围绕煤矿井下机器人的迫切需求，研发了面向不同场景的巡检、辅助作业类煤矿机器人30余款，在国家能源集团、陕煤集团等多家煤炭企业成功应用，在部分场合初步实现了无人少人，解决了煤矿辅助人员多、效率低、风险大、工作环境恶劣等问题；突破了煤矿井下GPS拒止、空间受限、多粉尘、低照度、场景退化等特殊环境及防爆要求下煤矿机器人一体化设计方法、井下固定区域寻迹导航等10余项制约机器人井下实用化的关键技术；构建了机器人集群指挥调度系统，实现了同种、异构机器人协同调度及一体化管控，开创了机器人井下应用的新突破；布局了轻型防爆材料、高容量密度锂离子电源等制约煤矿机器人深层次全方位应用的核心元件及关键技术，为煤矿机器人行业可持续发展打造底层支撑；初步打通了传统煤矿学科与机器人技术间的桥梁，规范了煤矿机器人行业的发展，在煤矿智能化装备发展中具有重要的里程碑意义。研发的井下机器人和无人机分别如图31、图32所示。
轨道式巡检机器人和甲烷巡检机器人
图31 井下机器人
图32 井下无人机
煤矿智慧园区
中国煤科研究提出了集调度指挥、设施管理、无纸办公会议、协同安防、清洁绿色生态等为一体的煤矿智慧园区综合解决方案，重点开发出了智能仓储物资取送系统、矿区空天地一体化监测系统等。
（1）智能仓储物资取送系统
应用基于定位系统的地面 AGV 小车（图33），结合定位寻迹方式，通过综合分析优化，提出了适合煤矿的地面工业厂区的AGV取送小车方案，开发出物资取送机器人；开发出无人清扫机器人、配送机器人，并在园区内广泛应用；研发了码垛机器人，实现了智能物资中转。从而实现仓库内物资从入库、盘点、摆放、出库等全部环节的无人化操作。
图33 AGV小车的物资取送
图34 空天地一体化监测系统
图35 生产调度协同管控
（2）矿区空天地一体化监测系统
开发出干涉合成孔径雷达（InSAR）沉降监测技术，形成矿区空天地一体化监测系统（图34），结合无人机应用，实现了基于地表二维、三维建模的地表沉陷及生态环境监测，对重点场景采用小型无人机、地面测量等手段互为补充，进行地表和构筑物二维、三维重建，实现精度达到厘米级的监测，为矿区资源开发生态保护提供技术手段。
智慧生产经营管理
煤矿生产经营管理主要包含生产调度协同管控、经营管理与设备全生命周期管理等方面，以实现煤矿生产经营的精细化管理。
（1）生产调度协同管控
以矿井生产调度业务应用为核心，实现煤矿综采、综掘、主运、辅运、生产保障与供配电等的融合监视与集中协同调度，并融合岗位标准作业流程、班组管理等模块，实现矿领导、调度指挥中心、业务部分、区队与班组之间的高效协同，构建“横向贯通、纵向融合”的智能矿山安全生产管理体系，如图35所示。
（2）煤矿经营管理
煤矿经营管理包括人、财、物、项目、销售、客户、档案等管理，智能化的经营管控平台是订单式生产流程的发起者，也是流程闭环管理、任务绩效考核的执行者。集成煤炭企业集团或煤矿自建的经营管理信息系统，打通安全生产管控与经营管理数据链路，实现了安全生产实时过程管控与经营业务的数据互联互通。形成安全生产与经营管理业务一体化融合，安全生产支撑经营决策分析，经营决策分析指导安全生产过程管控，实现了“管控一体化、柔性生产”模式。智能经营管控架构如图36所示。
图36 智能经营管控架构
图37 大型设备在线监测与故障智能诊断界面
（3）设备全生命周期管理
包括设备运行状态实时监测、故障诊断分析以及从规划、设计、制造、选型、购置、安装、使用、维护、维修、改造、更新的全生命周期闭环管理，有效实现煤矿重资产下的计划维修与事后维修向状态、预知维修模式的转变，实现设备的精益化管理，有效拉长设备使用寿命，提高设备安全可靠性，如图37所示。
露天煤矿智能化
中国煤科提供了露天煤矿智能化建设整体解决方案设计实施服务，具备构建全周期、全环节、全要素、自我“进化”的数字孪生矿山建设能力，实现露天煤矿绿色、安全、高效（效率、效益）、智能发展。露天煤矿智能化架构如图38所示。中国煤科同时致力于露天智能装备的研究，成功开发了我国首套露天边帮智能化绿色开采系统，如图39所示，该系统集高精度定向定位、智能掘进、协同转载、远程交互式操作于一体，人员远离边帮操作，高效回收露天煤矿的边帮压煤，实现边帮压煤安全、高效、绿色、智能开采，为解决我国露天煤矿边帮压覆资源回收难题提供了可靠的技术路径。
图38 露天煤矿智能化架构
图39 露天边帮智能化绿色开采场景
图40 红柳林煤矿智能选煤厂管理座仓
智能洗选
煤炭洗选过程具备复杂性、模糊性、检测及控制的滞后性、变量多等特点，其中重选（跳汰）、重介选、加药、浮选、煤泥水处理等环节在数据分析、智能控制模型等方面仍存在技术瓶颈。
中国煤科提出了“煤炭智能洗选+定制化生产”模式，在选煤工艺、洗选装备、检测仪表、控制算法、MES系统等方面开展了全方位的研究及技术装备服务，并开展了一系列应用实践。红柳林煤矿智能选煤厂管理座仓如图40所示。
煤矿智能化系统建设工程实践
张家峁煤矿巨系统
陕煤集团张家峁煤矿从全矿井系统智能化入手，分析研究其单元数量巨大、信息多元异构、关系错综复杂等特点，研究基于新一代信息技术的数据融合方法，重构和规范各智能化子系统，突破了智能化工艺和关键技术装备，构建了智能化煤矿复杂巨系统；形成了“1+3+8”的智能化煤矿总体架构，建设了统一的综合管控平台，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了50%以上，综采工作面人员减少至9人，效率提升了30%，掘进月进尺2 000 m，实现了井上井下23个机房硐室、66个操作岗位的“有人巡检、无人值守”。张家峁煤矿巨系统建设演进阶段如图41所示。
榆家梁煤矿自主智能精准割煤
通过研发应用三维地质建模、井下激光扫描、井下绝对定位等技术，在全国首次建设了基于三维地质模型的自主智能精准割煤综采工作面。通过应用智能精准开采技术，单月最高生产达15万t。榆家梁煤矿自主精准割煤远程控制中心如图42所示。
图41 张家峁煤矿巨系统建设演进阶段
图42 榆家梁煤矿自主精准割煤远程控制中心
小保当煤矿“一场两矿”
在陕煤集团小保当煤矿提出了煤矿智能管控“四统一”的应用模式。
（1）统一平台支撑
提供了面向矿井的一体化集成数字平台底座，包含实时数据采集平台、云组态工具、大数据管理、数据融合共享、矿山信息模型、云边协同等。
（2）统一数据模型
通过定义煤矿子系统及设备的EIP对象模型，实现了基于统一对象模型的数据采集，并构建了系列行业算法模型。
（3）统一系统管理
实现了矿井主数据管理、统一认证和权限管理、审计日志等。
（4）统一设计风格
实现手机APP、PC Web浏览器、大屏等多种展示方式的统一风格及应用模式。
构建了小保当煤矿数据融合共享平台，有效打通了矿井各安全生产监测监控（OT）与安全生产管理（IT）的数据通道，实现了数据标准化治理、数据质量评估、交换共享，形成数据资产，为智能化应用提供了数据支撑，如图43所示。
图43 小保当煤矿数据融合共享平台
图44 柠条塔煤矿机器人集群管控平台架构
图45 巴拉素煤矿智慧矿山架构
柠条塔煤矿机器人群研发及管控平台
以智能化煤矿机器人集群建设为核心，以大数据为支撑，以煤科云智能化矿山一体化平台软件为底座，构建了“1+N”智能化煤矿机器人集群建设模式，建立了陕煤集团柠条塔煤矿统一标准、全面感知、实时互联、高效集成、开放共享的煤矿机器人集群管控平台，在开采、掘进等多机协同系统及煤流、物流、风流等作业线智能化的基础上，在关键工艺、高风险、非连续线作业岗位应用机器人，图43 小保当煤矿数据融合共享平台图44 柠条塔煤矿机器人集群管控平台架构通过实时监控、任务规划、集群调度、远程控制等应用，实现煤矿部分固定场景与危险作业场景的机器人“无人化”应用，推动全矿井实现智能化。柠条塔煤矿机器人集群管控平台架构如图44所示。
巴拉素新建煤矿智能化建设
针对生产能力1 000万t/a矿井智能化建设，构建了10大系统、48个子系统，共计156个建设子项；已在井下590 m处开通了5G网络，平台接入点将增加到10万个以上，数据传输率提升了50%以上。陕西延长石油集团巴拉素煤矿智慧矿山架构如图45所示。
上湾煤矿
国家能源集团上湾煤矿建成基于5 G网络与UWB(超宽带)精确定位的智能矿山基础平台，标志着该矿成为煤炭行业首个实现5G+UWB信号全覆盖的矿井。针对12402工作面采高8.8 m、推进长度5 272 m的基本情况，采用融合超大采高工作面开采工艺集控系统，对各设备进行协同联动控制，采用统一的矿山机电设备EIP通信规约和通信协议，各系统间通信实时性由秒级提升至毫秒级，通过设备集群联动规则、专家辅助决策平台，实现了“两层三地”多终端智能化协同控制。上湾煤矿基于EIP的协同控制架构如图46所示。
图46 上湾煤矿基于EIP的协同控制架构
图47 保德煤矿无人化放煤系统架构
保德煤矿
国家能源集团保德煤矿率先开展了“5G+工业互联网无人化矿井关键技术研发与工程示范”研究，采用5G、工业互联网、边缘计算、人工智能等技术与煤矿生产系统进行深度融合研发，突破了矿区级、矿井级、系统级和边缘端等一系列智能化关键技术，探索构建了“云边协同、管控一体化”的智能化无人矿井建设创新范式。其中，无人放煤系统架构如图47所示。
王坡煤矿
构建山西天地王坡煤矿“一云、一网、一中心，一体化综合管控+全煤流协同运行+多点智能应用”智能联动模式，实现了基于透明工作面的数字孪生规划截割与人机互馈，智能掘进远程控制，智能通风一键启动、反风、倒机，风门远程控制，智能巡检机器人，灾害精准预警，智能洗选装运等多场景智能应用。王坡煤矿智能综合管控平台如图48所示。
图48 王坡煤矿智能综合管控平台
煤矿智能化产业链生态服务
为更好地服务于全国煤炭矿智能化建设，打造科技创新新生态，构建安全稳定、自主可控的现代产业链，2021年11月，中国煤科联合行业内外优势资源，牵头建设了“煤智云”煤炭行业大数据中心。面向煤矿智能化建设涉及的核心业务，聚焦煤矿/矿区生产运营的数据采集、传输、存储、建模、分析、可视化等全过程、全生命周期、全要素的数据价值利用，构建数据产业结构，建立行业标准体系，打通信息交互链条，为实现全行业全面数字化转型升级提供信息基础设施保障。
“煤智云”主要业务是通过构建行业云基础设施，搭建煤炭行业工业互联网平台和煤炭工业大数据中心，汇聚煤炭行业全产业链数据资源，通过感知、互联、分析、自学习、预测、决策、控制技术集成，提供面向行业上下游企业、政府、协会、高校、科研院所等综合数据、模型、知识服务，从而促进煤炭产业数字化能力提升。
“煤智云”的建设，将为煤炭企业提供先进的基础设施环境和成熟的业务支撑平台，统一平台架构、运营体系和安全管理体系，为构建煤炭行业数据生态体系，支撑全行业协同特别是煤炭柔性产供运提供支撑，助力全行业高质量发展。
总结与展望
总结
（1）智能化是我国煤炭工业的发展方向，是煤炭行业转型发展的根本路径。我国的煤矿智能化建设当前尚处在示范建设阶段。
（2）中国煤科担当使命，充分发挥科技型中央企业人才、基础条件、产业链优势，提出了煤矿智能化总体构架、一体化解决方案，牵头形成了煤矿智能化产业链生态圈。
（3）中国煤科加快创新研发新一代煤炭开采关键技术及装备，突破了智能地质保障系统、智能掘进系统、智能采煤系统等16个环节的煤矿智能化关键技术与装备。
（4）中国煤科已完成煤矿巨系统、智能精准割煤、智能管控、机器人群管控等系统示范运行，承担和完成了国家能源集团、陕煤集团、山东能源集团等20余座大型煤矿智能化建设示范和推广应用，积累了丰富的煤矿智能化建设与运行经验。
展望
展望智能化煤矿发展，中国煤科还亟需突破解决以下三大难题。
（1）智能化新技术融入滞后
采掘等领域的关键装备、零部件、材料、高精度传感器等方面与实际需求差距明显，严重影响了全局全系统的智能化、全业务流程再造以及产业链协同应用。5G、大数据、云计算、人工智能技术等融入煤矿智能化建设相对滞后，制约了煤矿智能化建设的发展。
（2）智能化标准体系尚待完善
完整的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。缺乏针对煤矿智能化系统的技术标准，尚未形成煤矿智能设计、建设、运营及管理的标准体系，尤其是现有各子系统建设内容标准相互独立，制约了大数据、工业互联网等技术应用。
（3）煤矿生产组织管理方式面临转型改革
煤矿生产专业性强、安全要求高，煤矿系统庞大复杂，井下人员多，传统煤矿管理是以“业务”为中心的流程式管理，管理过程中经常会出现重要信息或时效信息被错过，容易形成信息孤岛。智能化煤矿运行要求以“数据”为中心，井下人员数量逐步减少，人员设置、组织架构、商业模式都需要转型创新。与此同时，智能手机等移动终端的普及应用，井下仪器设备的远程智能管理与控制，将倒逼矿井管理体制的变革。
中国煤科将继续以“1245”总体发展思路为引领，协同行业科技资源，发挥自身整体优势，强化煤矿智能化关键核心技术创新，赋能煤炭行业高质量发展，持续引领煤炭行业智能化发展方向。
