矿业是人类经济社会发展中不可替代的基础产业，矿山开发建设是矿业发展的中心任务，现代矿山建设是需要高科技支撑的产业，建设智能矿山是世界矿业发展的大趋势。 新技术革命促进矿业向绿色、安全、智能、高效转型，推动全球矿业价值链转变，倒逼矿业领域改变传统的高强度作业方式，从业人员不足也倒逼矿业实现少人化无人化生产。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技术进行深度融合，为矿山数字化、智能化运行奠定了坚实基础。我国是世界采矿大国，矿山开发建设与工程技术水平已处于世界前列，矿山智能化建设已成为新时期我国矿业高质量发展的主题，近年来我国煤矿智能化建设取得了显著成效， 为全面推进矿山智能化建设提供了可借鉴的经验。
当前，错综复杂的国际环境和新形势，对我国矿山智能化建设提出了更高要求，由于受到技术、装备、人才、理念、制度等多方面因素制约，我国矿山智能化建设面临多重挑战，必须认真思考如何应对这些挑战，才能更好地推动矿山智能化建设实现高质量发展。
挑战与思考之一：新形势下能源安全与矿山智能化建设面临着新要求和新挑战
矿产资源是工业的粮食，能源矿产则是工业的动能。当今世界92%以上的一次性能源、80%以上的工业原材料和70%以上的农业生产资料都取自矿产资源。在人类消耗的自然资源中，矿产资源占80%，能源占70%左右。目前，国际形势错综复杂，乌克兰危机的长期化、复杂化，对全球能源与矿业体系产生深远影响，中美战略博弈持续，新冠肺炎疫情影响深远，国际地缘政治冲突不断，矿产资源战略竞争加剧，矿物产品作为大宗战略资源的作用更加重要，我国矿产资源供应链安全受到严峻挑战，严重威胁到国家经济安全。
自乌克兰危机以来，美国和欧盟对俄罗斯实施全面制裁，导致国际煤、油、气供需错位价格飙升，全球“抢煤潮”频现，欧洲三大港7月平均煤炭价格为380美元/t左右，同比增长超350%（图1）。全球能源贸易流向改变，欧洲的能源进口转向美国，俄罗斯向以中国、印度为主的亚太地区国家扩大能源出口；美国和欧盟对俄罗斯的制裁加大了俄罗斯能源产量的不确定性，供给缺口短期内难以找到稳定的替代资源。
乌克兰危机导致的能源危机使欧洲许多国家重启煤电，欧洲能源转型面临安全底线与加速推进的悖论。美国能源获利与欧洲能源窘境，警示我们能源安全的重要性。美国从危机中牟利，成功抢夺欧洲能源市场，并将能源安全与地缘政治绑定，谋求强化能源统治。
我国经济的中高速发展将带来能源需求的持续增长。保守预计2022—2025年期间，全国能源消费总量年均增速约为3.3%，2025年能源消费量达到59.4亿t标准煤，其中，煤炭消费量将保持年均2.07%的增长，天然气消费量年均消费增速在5.2%～6.7%，石油的消费量也将进一步增大。 油气进口保供面临多重挑战，2021年，我国石油产量1.99亿t，石油对外依存度72.05%；我国天然气产量2 053亿m³，天然气对外依存度44.9%。究其原因，一是国际能源价格暴涨，进口成本大增；二是我国油气进口来源地主要集中在地缘政治不稳定地区，海上运输通道必经赫尔木兹海峡和马六甲海峡，在大国博弈背景下，我国获取境外油气资源的外部环境可能恶化，海上通道存在被封锁的风险，这将对我国经济社会发展造成不可估量的影响。
新形势下煤炭的战略属性与“压舱石”作用更加突出。为有效应对煤炭供应的区域性和时段性紧张局面，灵活应对煤炭消费需求的不确定性，保障能源安全稳定供应，亟需加快煤矿智能化建设，充分发挥智能化煤矿安全、高效、调节速度快、少人等特点与优势，建立一个以数字化为基础、智能化赋能的多层次网状煤炭开发供应链，以柔性工作流程在多种运营模式之间灵活切换，构建煤炭安全、高效、低成本、稳健供给的柔性开发供应体系。
由于我国社会经济高速发展与资源消耗量逐年增加，近年来，我国矿产资源的对外依存度居高不下，绝大多数紧缺战略性矿产对外依存度高达60%～ 99%，已成为我国重大潜在安全风险，尤其在极端条件下，美国和西方集团如果对我国实施全面封锁打压，能源和战略矿产资源供应链将面临严峻挑战。
新时期，市场多种不确定因素增加，市场对各类矿产资源需求的弹性要求提高，国内矿物产品市场供需结构将发生重大改变，矿业现有生产和供给模式无法适应新发展要求；亟需加快推动新一代信息技术与矿业融合发展，把智能化作为矿业结构调整的重要抓手，提高矿产资源开发规模化、智能化水平，加快智能矿山建设。
图1 国际煤炭价格变化
挑战与思考之二：重大技术变革中认识和理念的冲突
煤矿智能化是煤炭工业的新一轮重大技术变革，从历史上看，每次技术创新与装备的重大变革均是在争议、质疑声中逐渐发展成熟的。 以上一轮煤矿综合机械化发展为例，20世纪80年代我国从国外引进百套综采装备分配给各统配煤矿，部分煤矿很长时间不肯投入井下使用，一些人认为综采设备笨重复杂、难以管理；同时由于引进国外的综采装备对我国复杂的煤层赋存条件适应性不好，导致一些综采工作面推进困难，使很多人对发展综采技术与装备产生抵触心理。特别是发展厚煤层综放开采时争议更大，争议持续时间达10多年。在大采高综采发展中，也同样伴随着认识冲突，由于国外综采工
作面的最大一次开采高度均未超过6 m， 因此，业内曾一度认为6 m是一次采全高的极限开采高度，但通过对综采技术与装备的持续创新，我国大采高综采采高纪录不断刷新，一次最大机采高度已经突破了8 m，并且正在研发10 m大采高综采装备，单个采煤工作面的年产量已经突破1 500万t。近年来，随着5G、大数据、人工智能等新一代信息技术与煤炭开采技术的融合发展，煤炭开采技术逐渐向智能化、无人化方向迈进（图2），煤矿智能化已成为我国煤炭工业实现高质量发展的核心技术支撑。
图2 基于动态精准地质保障的智能化采煤
在煤矿智能化建设的重大技术变革中，尤其是当前智能化发展尚处于初级阶段，存在认识和理念的冲突是必然的。 近3年来，煤矿智能化的快速发展和成效使全行业基本统一了对煤矿智能化发展大方向的认同，争议与理念冲突主要在于煤矿智能化技术创新与实用主义的冲突，建设内容、技术路径、质量要求、效益评价等认识的分歧，有人认为液压支架采用电液控制系统就是智能化了，或者认为建成智能化工作面就等于建成了智能化煤矿；也有人过于纠缠“智能化”字眼，否定现阶段煤矿智能化发展成绩。煤矿智能化建设应当以国家八部委《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》和《智能化煤矿建设指南（2021版）》等文件为基础，统一认识，特别是要充分发挥“一把手工程”的定盘作用。
煤矿智能化是一个迭代发展进步的过程，不是一次性工程。煤矿智能化建设不是点、线的建设，而是一个复杂的系统工程，应大力推进矿山智能化建设由单个系统智能化向全面智能化、全生命周期、全产业链智能化迈进，推进系统智能与人文智慧的融合。
挑战与思考之三： 智能矿山数字化生态脆弱
矿山智能化建设需要构建矿山全生命周期、全产业链、全要素的数字化生态，打通从矿山智能化建设到全产业数字化转型发展路径，形成以“数据驱动”为核心的系统智能化柔性生产供给运行模式。但目前矿山行业数字化生态体系尚在形成雏形阶段，数字化生态环境十分脆弱，总体呈现出产业链不完整、技术链片面性、资源投入不平衡、标准体系难统一、机制体制不协同、利益分配不合理等现状，如图3所示。
图3 智能矿山数字化生态脆弱
（1） 产业链不完整
智能矿山数字化现状偏重于矿山生产运营阶段，对设计建设阶段、运销市场两端融合不够，正向设计缺失，导致矿山全生命周期数字化不连续、不一致、不充分，全生命周期数据积累不足。
（2） 技术链片面性
现有智能矿山数字化主要按业务域条块分割、系统“各自为政”，未从矿山智能化建设全要素技术链、技术发展图谱进行系统布局，导致智能矿山建设中重硬件轻软件、重系统轻数据、持续规划和迭代进化后劲不足等问题。
（3） 资源投入不平衡
矿山数字化建设过程中，不同业务领域资源投入不平衡，为追求建设效果，形成了复杂场景问题难解决但资源投入少，简单场景问题易解决却资源投入大，导致智能矿山数字化短板效应明显。
（4） 标准体系难统一
矿山数字化、智能化标准体系建设存在组织机构不健全，企业标准、团体标准、地方标准、行业标准、国家标准缺乏有效协调，导致数字化标准体系覆盖范围、分级分类、重点内容、规范细则等存在不统一、不明确、不适用等问题，有些企业和机构抢标准立项主导权，但基础能力差、社会责任和公益理念不强，出台的标准未经验证，文本质量差，脱离智能矿山建设实际。
（5） 机制体制不协同
智能矿山建设未构建起以“数据”为核心的组织架构和安全共享机制，从矿山企业到行业供应链普遍存在信息壁垒、数据孤岛，数据鉴权、数据安全缺乏保障，导致数据无法流动、知识不能共享、矿山智能化和产业链数字化水平不高。行业国资可信公有云平台建设滞后，数字化增值服务缺失，无法形成行业智能柔性生产供应链。
（6） 利益分配不合理
智能矿山数字化创新成果知识产权难保护，智能矿山原创数字经济价值、知识成果结晶得不到合理的评估和保护，不公平竞争破坏行业生态。
挑战与思考之四：技术装备短板和产业链瓶颈
煤矿智能化技术及装备是实现智能化系统建设及高质量发展的前提和基础。针对薄及中厚煤层、大采高煤层、复杂条件煤层及特厚煤层等不同煤层条件，研发了智能耦合人工协同高效开采、智能化操控与人工干预辅助放煤、机械化＋智能化开采等不同的开采模式。工作面实现了可视化远程干预开采，掘进实现了掘、支、锚、运一体化自动连续作业，辅运实现了井下车辆的智能调度管理等。然而，煤矿井下地质条件复杂多变，装备受到多种外部持续性渐变扰动或突变扰动，真正做到自主感知、决策和执行的智能生产还有很多短板和瓶颈。
（1） 煤矿井下环境的复杂性导致井下高精度传感、通信（GPS、高精度传感器）、充电等技术存在短板。煤矿井下封闭空间、爆炸环境与井上开放空间完全不同，地质体及物理场空间分布动态、非连续，感知难、预测难、决策难。井上开放空间传感、通信（GPS、高精度传感器）等技术无法直接应用，很多都需要进行原理性的变革和创新。井下高精度导航定位装置，粉尘环境毫米波成像雷达、低功耗集成控制器、防爆无线充电器等，尚无可应用的技术产品，研究试验的样机产品在定位误差、扫描范围、识别精度、充电功率及效率等方面均无法满足设备定位、目标识别、大功率设备（机器人）充电的应用需求，成为需继续突破的技术瓶颈。
（2） 煤矿智能化技术装备需具有高精度、高功率、高集成的特点，如高压交流伺服电机、 MEMS倾角传感器、矿用电液伺服阀与控制器、 5G通信模组、边缘数据处理器、井下无人机等，这些核心元器件及装置为了满足精度、动力或通信距离等要求，内部电气结构及参数往往都会突破现有标准，从而难以进行本安或防爆处理。防爆设计大幅增加了装置的几何尺寸和质量，无法满足轻量化和节能的要求。
（3） 大数据、区块链等技术未得到有效应用，知识交叉及数据融合不足，难以实现准确有效决策和高度智能化。煤矿已有独立子系统超过100个，每天产生的各类数据（不包括视频数据） 超过 5G。这些数据在设备边缘数据处理单元、数字孪生与平行控制决策系统、地面集控中心等不同层级进行展示、处理、融合及分析应用。然而， 煤矿数据的多源性、非同步性及不稳定性给数据处理带来了较大难度，大数据、区块链等技术的应用面临着非完备特征数据的考验。无论是井下恶劣环境视觉检测算法，还是自主导航算法等，都需要结合井下特殊环境及数据源特征，开发专门的模型和决策模块，从而在地质条件渐变或随机突变的干扰下实现准确决策，保障智能化系统运行的长期稳定性、可靠性和收敛性。
（4） 煤矿智能化巨系统复杂多样，协同运行难度大、综合可靠性保障难度大。智能化技术的发展使得各种先进的测量、控制技术不断融入到原有系统中。例如，综采工作面就有矿压监测、直线度测量、巡检机器人、煤流量监测等10多个子系统融入到原有工作面“三机”控制系统中，使得集成和协调运行需要衔接的硬件、软件接口越来越多， 整体稳定性降低。新加入的子系统不但没有起到应有的作用，反而干扰了原有系统的运行。因此，迫切需要统一系统的接口及性能指标要求等，形成模块化、系统化、标准化的智能化系统模式。
（5） 采掘装备是煤矿核心装备，但仍存在关键元部件和整机可靠性的短板，对复杂条件煤矿的适应性差。例如，液压支架的全位姿监测就很难实现，需采用位移传感器、倾角传感器、摄像头、压力传感器等多种测量手段，很难在同一支架上全面布置。同时，传感器精度、可靠性也很难保证，导致自动控制系统稳定运行难度极大，难以在复杂煤层条件下自适应运行。
（6） 技术装备科技创新对外依存度高。矿山智能化先进技术装备需要高端芯片、高性能检测设备、关键材料、工业基础设计软件等先进科技支撑，95%的高端芯片依赖于进口，我国自主研发的高端芯片制造工艺落后于国际先进水平2代以上， 人工智能、大数据等高算力需求的GPU、NPU芯片，高吞吐量的网络通信芯片，高精度的模拟前端和模数转换芯片都无法自主制造，有些芯片制造技术因受限制而无法设计；即使是算力要求不高且国内完全能掌握制造工艺的液压支架控制器和采煤机控制器核心芯片，在国外限芯政策出台后，采购成本上升10倍之多，且货源不稳定，货期长达21～280天，而国产化的替代芯片从选型设计开发试制试验到最终批量替代应用，周期至少需要2年左右；高性能检测设备、关键材料与国外差距较大；工业软件、设计软件等长期被国外厂商垄断， 有自主知识产权的CAD/CAE软件与美欧老牌工业软件相比差距还很大，无法满足设计开发和模拟仿真要求。核心技术产品缺乏，产品附加值低，原始创新不足，现阶段我国矿山智能化核心装备仍然存在产业链供应链被国外 “卡脖子”的风险。
政府应强化对产业链补链强链固链工作的主导作用，组织开展集中攻关，突破瓶颈，补齐短板； 加大产业链薄弱环节扶持力度，培育一批“专精特新”企业补短板、强弱项；提升基础研究能力， 突破关键核心技术，促进国家创新体系建设；坚持企业主体，充分发挥市场在资源配置中的决定性作用；鼓励引进国外先进技术，巩固与以色列、欧盟国家等发达经济体的合作，拓展国际合作空间，为煤矿智能化建设提供坚实的技术装备基础。
挑战与思考之五： 智能化效率和效益问题
煤矿智能化的直接目标是减人、增安、提效， 减人是增安的重要条件，也是提效的重要途径。从企业生产角度更关注智能化采掘工作面建设能否提高单产水平。目前，一些智能化示范煤矿建设取得很好的综合效果，不断刷新各种采掘效率水平， 形成了显著的比较优势，促进了生产力的进步。但是，也有不少煤矿虽然装备了智能化采掘工作面， 却没有明显地提高单产水平和效益，因此认为智能化不能提高效率和效益，成为影响智能化建设积极性的主要因素。的确，由于目前煤矿智能化的一些关键技术装备短板和瓶颈尚未突破，例如综采全时空作业环境和作业状态的感知、随动空间重载精准控制、采掘工作面超前探测、井下导航拒止空间定位导航、掘支平衡作业装备等，导致采掘系统尚无法在复杂多变煤层条件下形成连续稳定的智能化作业，仍需较多的人工介入和干预，整体智能化能力得不到有效发挥，使一些自适应决策控制时间节拍加长，效率甚至低于人工操作。这是智能化发展转变过程中必然经历的正常阶段和正常现象，正如煤矿综合机械化发展初期出现的质疑综合机械化效率的情况一样，随着采掘智能化短板的不断补齐，采掘智能化的效能提升才会全面显现。
露天矿运输是制约生产效率的主要环节，“矿用卡车无人驾驶比有人驾驶效率减低了”这是目前矿用卡车无人驾驶的一大痛点。目前，影响露天开采效率的主要因素一是装载区的多车作业协同（图4），二是作业区的多车调度（图5）。在装载作业区变单车作业为多车协同作业，减少车辆等待时间，装载效率能够提升近60%；在运输作业区通过卸载调度、路间通行调度、路口竞争调度等的路权管理和调度优化，能够实现运输效率上和有人驾驶的持平甚至超越。我国露天煤矿大多分布在内蒙古、新疆等地区，冬季高原高寒气候恶劣，通过以上2项关键技术突破能够实现露天开采整体开采效率的大幅提升，并将工人从严酷的驾驶环境中解放出来。
（a）装车区交叉布置 （b）协同连续装车
图4 露天开采装载区多车协同方案
图5 露天开采多车调度方案
无论是井工开采还是露天开采，智能化系统效率都卡在了端侧、链路侧和协同决策侧的其中一侧或几侧。端侧效率主要卡在设备智能化能力不足上，以综采装备为例，其全时空感知能力的不足和执行机构的不精准导致实际的远程操控处于“双盲”状态。链路主要包括物理链路和信息链路，物理链路效率的提升主要通过全流程路径规划来实现（如物流系统和无人驾驶系统等），信息链路效率的提升主要通过端边智能、信息主动推送等新技术实现；除了链路优化之外，随着智能化系统的完善和提升，可通过融智关联分析进行链路的重组，重构智能化系统，进一步提升系统的效率和质量。协同决策侧效率建立在链路高效和信息共享基础之上，通过信息的高效应用建立基于掘支平衡、采掘平衡、采运平衡、运选平衡、选储平衡、储销平衡的柔性生产系统，打通智能化系统的卡点使之高效、柔性运行。
随着智能化系统关键理论、技术和装备的不断突破和智能化短板的不断补齐，智能化建设步入新阶段，必须建立新的科学评价标准。上一阶段把搭建智能化系统总体架构，系统建设是否全面、功能是否具备作为主要评价指标，而新阶段的挑战是在已有基础之上解决发挥智能化系统价值的难题，因此新的评价标准不仅要以是否建设了哪个系统、具备了哪些功能为评判标准，而且要增加系统建设质量、实施效果、开采效率和效益等评价指标体系。智能化建设效益评价不仅要计算直接效益，还要考虑安全效益，为职工创造福祉，以及社会效益，因此亟待制定新的评价标准。
挑战与思考之六： 发展不平衡问题
由于我国不同区域煤层赋存条件存在较大差异，受制于现阶段煤矿智能化技术与装备发展水平，不同煤炭生产企业的智能化建设基础、理念、技术路径等均不相同，导致我国煤矿智能化发展不平衡问题凸显。
（1） 煤矿智能化区域发展不平衡
西部晋陕蒙大型煤炭基地煤层赋存条件较好， 矿井经济效益好，煤矿智能化投入较大，智能化开采技术与装备相对成熟，智能化建设标准高、效果也较好；西南云贵川矿区的煤层赋存条件复杂，矿井产量低，智能化开采技术与装备适应性较差，高端技术人才匮乏，智能化建设基础薄弱，建设效果与西部地区相比存在差距。
（2） 煤矿生产各系统之间智能化水平发展不平衡
由于综采工作面是煤矿生产系统的主要组成部分，各煤矿普遍重视综采工作面的智能化建设，巷道掘进的智能化水平较低，部分矿井巷道掘进尚未实现机械化，大部分矿井巷道掘进没有实现快速掘进，不同系统之间的智能化水平存在较大差异；普遍重视单个系统的自动化、智能化建设，不同系统之间尚未实现互联、互通，导致矿井的整体智能化水平较低。
（3） 智能化技术需求与技术装备保障能力不平衡
现有煤矿智能化技术与装备主要适用于煤层赋存条件简单的矿井，使用效果较好；但煤层赋存条件复杂、灾害严重的矿井，更需要采用自动化、智能化技术，实现减人提效、安全智能开采，目前适用于复杂条件的智能化技术与装备发展速度较慢， 难以满足工程实际需求。
（4） 硬件与软件投入不平衡
为提高煤矿智能化水平，决策层更倾向于采购高性能计算机、布设万兆以太网环网、购置进口采掘装备等硬件设施，但对智能化相关软件的开发、大数据中心建设、智能化综合管控平台建设等投入相对不足，导致软件开发速度明显滞后于硬件功能的实现，造成设备性能难以发挥、计算资源与网络资源浪费等，制约了煤矿智能化发展。
（5） 煤矿智能化投入整体强度仍偏低，企业间智能化投入差距较大
国家能源投资集团有限责任公司计划“十四五”期间投入800亿元左右，但与电力行业相比，投入总体水平仍然偏低，国家电网有限公司计划“十四五”期间投入超过6万亿元；由于智能化建设资金投入较大和管理技术要求高，与央企和国有企业相比，民营企业推进智能化的积极性不高，这一突出问题亟需解决。针对上述问题，应适时、适宜地推动矿山智能化平衡发展。通过建立准入标准与鼓励性政策相结合，解决矿山数字化智能化发展面临的行业、区域和企业之间发展不平衡的问题；加快推进矿山智能化装备和系统的标准化工作，破除企业和行业壁垒，实现各子系统数据的无缝对接和系统功能的联动控制，改变矿山生产系统整体数字化智能化水平不高的局面；针对矿山数字化智能化薄弱环节和短板，加快技术攻关和装备研发，全面提升矿山生产经营管理全流程的智能系统化水平。
挑战与思考之七：数字通信标准统一与市场公平竞争问题
新一代数字通信技术进步促生了一批矿山智能化技术、装备、系统，推动了智能矿山建设产业蓬勃发展，同时也导致了矿山智能化系统多层耦合、业务复杂交织、协议“七国八制”等问题更加凸显（图6）。为应对这些挑战，矿山企业、科研企业、国家政府部门、行业协会及联盟机构等积极推进构建行业生态、统一标准体系、规范竞争秩序， 取得了一定进展，但仍存在一系列深层次问题难以解决，分析其原因主要有以下4点：
图6 数字通信标准统一与利益市场公平竞争关系
（1）设备供应商维护自身利益导致通信协议难统一
通信协议难统一虽然是技术问题，但更是利益问题。长久以来，工业控制、装备制造等通信协议的主导权都在设备厂商一方，虽然国家、行业推行了一系列协议标准，但在进行设备系统集成时，仍然依托于设备厂商开放其私有协议、语义规范，矿山企业虽然作为设备采购方、使用方，但对设备统一协议的话语权、把控力较差。设备厂商往往采取低价策略进入市场，通过控制通信协议、语义“绑架”客户持续采购其配件、维修服务等，甚至为了排除竞争对手，对国家已经要求的标准化通信协议进行非标化、加密等手段处理，以达到持续赚取利润的目的，导致通信协议难统一。
（2） 技术生态缺乏积累导致智能化产品可靠性差
受国际环境影响，为解决传统数字通信领域、工业控制领域一些技术被断供、禁止商用等问题， 我国开始加强培育国产自主开源、开放技术生态， 出现了以开放原子开源基金会为代表的一系列机构，但由于存在成立时间短、参与单位不多、技术积累不足等问题，一些技术从开源到基本商用、成熟商用还需较长迭代周期，使用这些技术进行商业化、产品化的单位更是滞后。目前，一些设备厂家为了尽快推行技术商业化和变现，违背了技术发展客观规律，在技术不成熟、未经充分工业试验情况下进行推广，这会导致产品不可靠，对矿山工业现场带来较大风险和安全隐患。建议以可信中介联盟为基础，以认证机构信誉作背书，建立“6S”智能矿山高端产品认证体系，对产品和系统的功能安全性、可靠性、可持续性、柔性（灵敏性）、智能决策和服务体系进行认证，供用户参考采信。
（3） 缺乏统一的标准体系顶层设计导致通信协议难统一
智能矿山建设出现了不同发起单位依托工信部、矿山局、协会/学会、联盟组织等进行标准体系设计，这些标准体系分别以信息化、数字化、智能化、通信基础设施等不同维度进行组织构建，形成了一个个“标准体系孤岛”，各体系之间未进行有效协同和组织论证，甚至体系分类之间存在交叉、冲突，导致行业客户不知以哪个标准体系为主。因此，智能矿山标准体系建设亟需组建一个以行业生态为支撑，各归口管理部门、各企业及机构深度参与的行业标准体系实施团队，进行总体规划、体系顶层设计。按照标准体系顶层架构，对重点数字通信标准进行统筹规划，以需求牵引、立足实际、开放共享的原则，制定和实施统一标准，不断迭代更新，实现智能矿山数字通信标准统一。
此外，要加强与德国、美国、澳大利亚等先进采煤大国的多方位交流，积极参与国际标准的制定，争取在我国设立智慧矿山领域IEC等国际标准化组织新TC, 争取国际标准话语权，助力提高我国煤矿智能化自主产品和技术的国际竞争力。
（4） 不尊重市场规律导致恶性竞争
操作系统、工业软件和芯片等是矿山智能化建设中“卡脖子”关键技术。一些优势企业为实现其商业目的，试图借助其特殊地位、政府支持、市场营销优势等构建市场支配能力，形成以自身产品为核心的“行业唯一”的垄断格局，造成本来是为解决国际关键技术断供问题，但却被“国内唯一”关键技术卡脖子的现状，违背了市场竞争规律，破坏了智能矿山良性发展生态，导致了行业市场秩序混乱，损害了矿山企业利益。资本及技术的垄断导致市场机制失灵，不公平竞争问题凸显，不利于智能矿山产业链的稳定可持续发展。政府主管部门应依法管理，反对垄断，鼓励有序良性竞争，支持在操作系统、大数据平台、人工智能开发平台等基础技术领域各有2~3家可选择的技术品牌与开发平台， 通过充分的市场竞争提升行业的总体技术水平。
挑战与思考之八：煤矿智能化建设如何实现高质量上水平
目前，国家首批70处智能化示范煤矿已超过30 处通过验收，大部分是Ⅰ类和Ⅱ类煤矿，多数煤矿的验收结果达到中级智能化水平，这基本反映了我国煤矿智能化建设的现状。首批70处智能化煤矿建设示范企业是走在全国煤矿智能化建设的第一方队，验收过程中发现智能化建设任务中的“送分题”基本已经完成，但关键共性难题仍未解决， “加分题（难题）”啃不下来。通过验收的智能化建设示范煤矿要继续开展上水平、提质量的建设工作，攻克关键共性难题，啃下“加分题”，应充分总结示范煤矿建设经验，形成可复制、可推广的技术经验加快推广。建议开展第二批智能化示范煤矿建设，扩大示范范围和影响力，带动全国煤矿加快智能化发展。持续开展技术创新、管理创新和顶层推进，激发企业的内生动力。
（1） 加快制定煤矿智能化建设质量和效益评价规范标准
目前，国家层面已经出台了《煤矿智能化建设指南（2021年版）》《智能化示范煤矿验收管理办法（试行）》等相关技术文件，为煤矿智能化建设与验收管理提供了依据，但尚缺少从技术效益、经济效益、社会效益等多维度对智能化煤矿的建设质量与效益进行综合评价的相关标准规范，对智能化煤矿建设效果进行定量评价，发现智能化煤矿建设中存在的问题，并寻找解决途径。
（2） 推进系统智能与人文智慧融合的智慧生态建设
煤矿智能化建设不仅指矿井采掘机运通各业务系统的智能化运行，还应包括采前的智能地质探测，以及采后的智能洗选加工与增值利用、智慧循环经济园区等，应将矿区、社区、景区三大要素进行有机融合，统一协调矿区智能化发展、工业园区智能低碳发展及社区人文智慧融合，构建矿-景-镇一体的多能融合智慧生态系统。
（3） 勾画智能化煤矿高质量建设范式和支撑技术体系
基于煤矿智能化建设现状及存在的问题，分阶段（2025、2030、2035年）勾画未来智能化煤矿高质量建设范式，构建未来煤矿（井工）采掘运智能柔性生产技术体系、煤矿安全智能闭环管控技术体系、智能化露天煤矿技术体系、煤矿智慧管理体系与标准规范、煤炭智能洗选与增值利用技术体系、煤矿智能绿色低碳生态技术体系等，分析多目标驱动下煤炭资源需求变化与能源安全战略，提出未来煤矿智能、绿色、高效开发与低碳高效综合利用建设范式及技术路径，为煤矿智能化建设与迭代升级奠定基础。
挑战与思考之九： 环保硬约束问题
矿山开发在给予人类不可或缺的物质财富同时， 必然形成与生态环境的矛盾。长时期、高强度、大规模的矿产资源开发，采空区、塌陷区损毁土地， 产生大量固体废物堆放侵占土地的同时容易引发滑塌、泥石流灾害，还会造成水土污染，特别是过去的粗放式开发以及监管机制不健全等因素给生态环境带来巨大压力，产生了一定的环境负效应。
在“双碳”目标下，坚持生态环保优先已经成为国家制定各项重大发展战略的重要原则。2018 年，《中华人民共和国宪法修正案》中，首次将生态文明写入宪法，绿色矿山建设已上升为国家战略，是实现矿业高质量发展的必然要求，也是我国实现由矿业大国向矿业强国转变的必由之路!
因此，如何平衡发展与生态环境保护之间的关系，成为矿山企业关注的一个重点问题，环保硬约束成为矿山智能化建设面临的挑战之一。生态环境保护的硬约束倒逼矿山企业改变传统生产方式，实现智能绿色发展，加快推进矿山智能化相关技术与装备的研发和应用。同时，生态硬约束使开采成本大幅度增加。生态保护的红线要求煤炭必须绿色开发，建设绿色矿山，而充填开采、矸石处理、保水开采、塌陷区治理等现有煤炭资源绿色开发技术普遍存在效率低、效益差等问题，煤炭资源绿色开发势必将大幅增加煤炭开发利用成本，煤炭资源绿色高效开发技术体系亟待完善。
煤炭智能化技术的快速发展，为绿色矿山建设提供了技术基础，加快推进智能绿色矿业高质量发展。截至2020年底，全国1 254家矿山企业纳入全国绿色矿山名录库，其中煤炭矿山284个，占比22%。煤炭行业建成了一批开采方式科学化、资源利用高效化、企业管理规范化、生产工艺环保化、矿山环境生态化的先进典型。采矿虽然与生态环境存在矛盾，但也可以是协调友好的。智慧绿色矿山开发注重与生态的协调发展，在采矿的同时进行生态保护和修复，实现开矿与社会生态协调发展。鄂尔多斯和陕北榆林煤田开发30多年来，生态环境明显向好变化，就是最有力的证明。
鄂尔多斯盆地是中国的第二大沉积盆地，煤炭资源量达到2.4万亿t。30多年前“神府东胜煤田” 开发初期，这些地区到处是寸草不生的沙丘，生态极其脆弱、交通闭塞，经过多年的矿区开发和生态治理，矿区生态不仅未因大规模开发造成环境破坏，且原有的脆弱生态环境得到了改善，矿区植物种群由原来的16种增加到了现在的100多种，矿区植被覆盖率由原来的11%增加到了80%。在煤炭开发中实现了经济发展，经济发展回馈了生态治理和区域经济社会建设，形成了健康良性的循环。如今的鄂尔多斯盆地、毛乌素沙漠变成了绿树成荫，鸟语花香，人与自然和谐相处的绿洲。
智能矿山建设必须坚持开发与生态保护并重， 加强采前（勘探）、采中和采后3个阶段的主动生态保护和修复，通过矿山开发为资源型地区社会发展和生态治理提供强大支撑，实现智能矿山与社会协调发展。建立健全智能煤炭绿色矿山建设标准体系，构建矿山生态修复监测监管大数据平台（图7）等智能化体系是智能矿山应对环保硬约束问题的重要技术途径。
挑战与思考之十： 智能化无人化与就业悖论
有很多人质疑，煤矿智能化无人化是不是要大幅减少煤炭产业的就业岗位，给社会就业造成压力？实际上这并不是新问题，自第一次工业革命开始就提出了这样的悖论，即每次重大技术进步都导致生产力大幅提高，减少用工人数，但同时又会催生出许多新岗位、新职业、新产业，提高工人的幸福感。据不完全统计，目前全球已有近30%的重复性劳动岗位由机器人替代，但并没有因此导致严重失业问题。
图7 矿山生态修复监测监管大数据平台构建
图8 智能化采煤工作面远程操作
现阶段煤矿智能化不仅不会大幅减少就业岗位，而且亟需大批既懂煤炭开采技术，又懂智能化技术的复合型人才，煤矿智能化开采技术将大幅减少井下作业人员数量，但同时需要补充大量地面远程操控运维人员。煤矿智能化通过将大数据、物联网、云计算、人工智能等新一代信息技术与煤炭开采技术装备进行深度融合，从而可以大幅提高单机设备的智能化水平及多机设备的协同联动水平（图8），使煤矿井下实现少人化、无人化开采。
煤矿智能化、无人化发展目标是实现井下作业的智能化与无人化，减少井下作业人员数量，一些技术含量低、重复性高的岗位将被智能化技术装备替代，从而实现井下少人或无人，将工人从井下繁重的体力劳动中解脱出来，在地面智慧中心或分控中心远程监控运维井下作业设备，真正实现安全高效实现，使采煤工作成为体面而有尊严的职业。
智能化煤矿需要大量的智能装备、机器人等进行井下作业，装备的可靠性及运行维护水平将直接影响煤矿的智能化水平，因此，对设备检修、维护人员的需求将大幅提高，部分工人也将由一线作业人员转为设备检修运维人员，因此，煤矿智能化、无人化发展并不会大幅减少煤矿就业岗位。
此外，随着智能化煤矿建设水平的提高，煤矿必需设置数据分析师、软件工程师、机器人工程师等新岗位，这些岗位对于人才的需求将不再局限于传统的采矿技术人才，而是软件、采矿、控制等复合型人员，因此，煤矿智能化对于高科技人才的需求将大幅增加。
挑战与思考之十一： 高端人才匮乏问题
近年来，煤炭行业去产能和产业转型，导致从业人员数量呈现大幅下降趋势，据不完全统计，近10年来我国煤炭开采与洗选行业的从业人员数量减少了近一半，且从业人员的老龄化问题突出，企业高端人才严重匮乏。
（1）煤炭行业从业人员年龄大、文化水平较低。据不完全统计，煤矿井下一半以上的一线作业人员年龄超过40岁，煤矿采掘生产一线超过80%的工人学历为专科及以下，具有高级技术职称的人员占比不超过3％，上述情况在老旧矿区更加凸显。
传统煤炭生产企业对新一代大学生的吸引力不足，矿业类院校毕业生到煤矿工作的很少。由于煤矿一般位于偏远地区，工作、生活环境相对较差，且煤矿一线从业人员薪酬较低，近年来我国第三产业发展迅猛，部分大学生宁愿在一线城市送外卖、送快递也不愿去煤矿生产一线，导致煤矿智能化人才储备严重不足。智能化建设水平较高的大型煤矿人员结构明显好于行业普遍水平，以陕煤集团红柳林矿业公司为例，矿井生产规模2 800万t， 员工总人数1 735人，其中，大专学历442人，占员工总数的25.48%；本科学历428人，占员工总数的24.67%；研究生50人，占员工总数的2.88%，大专及以上占全体在册职工总数的53.3%。陕煤集团神木红柳林矿业有限公司从业人员结构如图9所示。
图9 陕煤红柳林矿业公司从业人员结构
煤矿智能化建设亟需具备采矿与机电信息等专业融合的复合型人才。煤矿智能化需要高科技支撑，煤矿一线从业人员必须具备煤炭开采相关专业知识，而煤炭开采相关技术具有较强的专业性和复杂性，煤矿智能化人才需要高素质、善学习、能创新。虽然部分高校已经开设智能采矿专业，但普遍缺少深刻理解煤矿智能化的师资力量，专业教学体系等都在探索阶段，短期内还难以向煤炭企业输送适应智能化煤矿急需的高端复合型人才。煤矿智能化相关技术人才晋升通道不畅，受重视程度有待提高。受传统观念及岗位设置影响，煤矿企业主要领导多为煤炭开采或矿山机电相关专业，部分矿井尚未设置煤矿智能化专职岗位，信息化、智能化相关技术人才缺乏配套的专业岗位，职位晋升天花板较低，且缺乏有效的职位晋升通道。
针对煤矿智能化高端人才匮乏的问题，应鼓励高校加快采矿工程等传统矿业类专业与数字化智能化的深度融合，大力推进智能采矿等新工科专业建设，拓展高校与科研机构和矿山企业联合培养途径，开展高级研究班等培训，加快培育一批理论基础扎实，实践能力强，具有创新能力的矿山智能化高级人才。优化煤炭企业人才环境，加强宣传和就业引导，吸引优秀人才到矿山智能化行业工作。实施矿山企业员工职业发展助推计划，建立健全矿山智能化专业人才培训与考核评价体系，探索设立智能装备工程师、智能装备运维技师等专业型、技能型人才晋升通道，建立高水平矿山数字化智能化运维队伍。
挑战与思考之十二： 政策与机制问题
国家和地方政府已发布了多项支持煤矿智能化发展的文件和政策，指导和鼓励煤矿智能化建设， 2020年9月在山东省召开的全国煤矿智能化现场会起到了重要推动作用，“央企要带头、国有大企业要带头”落到实处，但煤矿智能化建设在政策、机制等方面仍然需要进一步完善：
强化智能化煤矿柔性核增产能支持。对传统煤炭开发方式进行智能化升级改造，提升煤矿生产系统的柔性度，对改造后的智能化煤矿柔性增产潜能进行动态评估，准予核增备案。构建全国煤炭供需监测预警平台/中心，设立专业数据分析服务机构，对煤炭产- 运- 储- 销- 用全流程进行全方位信息分析、预测、预警，确定合理的供应链柔性度。
加快制修订煤矿智能化相关政策、法规、标准条款，健全煤炭产业法律法规体系。及时修订完善《煤矿安全规程》《煤炭工业矿井设计规范》《煤矿安全生产标准化基本要求及评分方法《煤矿矿用产品安全标志管理暂行办法》《爆炸性环境》（GB 3836系列标准）等不适应煤矿智能化技术进步的相关规定，例如“大容量锂电池电源井下安全应用”“低瓦斯矿井防爆区域划分”“非金属隔爆外壳不允许超过2 000 cm3”“煤矿井下无线发射设备的射频阀功率不得大于6 W”等，与煤矿智能化建设相矛盾，且上述条款缺乏实验与实践支撑，解决现有法律法规标准部分条款制约煤矿智能化发展的问题，营造煤矿智能化发展的创新生态环境。可首先在条件较好的低瓦斯矿井开展防爆分区管理试点。
制定完善智能化示范煤矿建设奖惩机制。对首批建设完成的70家国家智能化示范煤矿落实优先开展生产能力核定、环境影响评价、矿井产能核增等激励政策，凝练可推广复制的技术经验进行推广应用，对验收通过的矿井享受高新技术企业等相关政策，关键技术和管理人员享受高层次专业人才等政策，鼓励地方政府配套相关激励、奖惩机制，进一步激发智能化示范煤矿的积极性。企业应把智能化工作纳入绩效考核的中心指标。
加强适用于复杂地质条件的智能化技术装备研发和实践，落实和完善使用首台(套)技术装备等鼓励政策，鼓励企业建立智能化建设专项资金，落实技术研发费用加计扣除、高新技术企业等税收优惠政策，积极研究完善煤矿智能化建设企业孵化器税收政策。建议设立国家支持煤矿智能化建设专项资金，重点支持老矿区和三类煤矿智能化升级改造。
建议设立智能绿色矿业与社会协调发展国家级综合试验区。在西部资源富集区设立智能绿色矿业与社会协调发展国家级综合试验区，建设智能绿色开发技术实验中心与实践基地，开展国家级智能绿色标杆矿井、智慧矿区建设，将西部资源优势转化为经济优势，引领西部地区产业转型升级。
建议建设智能绿色矿山示范基地。建议设立智能绿色矿山开发重大专项，依托西部大型矿山企业，建设智能绿色矿山示范基地，突破智慧矿山、矿区生态环境修复、矿山井下空间利用等关键核心技术，形成风、光、电、热、气多元协同的清洁能源系统，建设国家级智能绿色矿山样板工程， 形成全面智能运行、科学绿色开发、低碳清洁利用的新型矿业产业生态。
创新培育矿产资源型地区（城市）数字化产业新业态。鼓励利用特许经营、投资补助、政府购买服务等方式，支持资源型地区（城市）培育新一代信息技术、高端装备、新能源、绿色环保等产业。加强对综合试验区“5G+工业互联网”基础建设的支持力度，建设智慧矿区公共信息服务平台，发展以数字化为核心的智能制造、智慧物流、机器人等产业，形成一批战略性新兴产业集群， 支持在示范区建设数字产业急需应用型人才培养基地。
开展矿区-城市智慧绿色小镇建设示范。遵循生态、融合、智慧、休闲、文化五大理念， 在综合示范区打造集矿业科技研发、能源与技术交易、数字产业技术孵化、技术交流培训、工业文化展示、地域风情旅游和绿色智慧生活等为一体的矿区- 城市智慧绿色小镇，深化矿区与城市双向互动，为建设资源型地区矿业与社会协调发展新型城镇提供样板。
