煤炭是我國的主體能源，也是最經濟和可清潔高效利用的能源。基于當前世界能源格局和我國資源稟賦以及現實經濟社會需求，未來相當長時間內，煤炭仍將在世界能源結構中占較大比例，仍將是我國主體能源。在當前第 3 次工業革命與第 4 次工業革命的歷史交匯期，應用信息技術、智能制造技術和人工智能技術發展的成果，實現煤炭安全高效綠色開采和清潔高效利用，發展智慧煤礦成為煤炭工業發展的必由之路[1-2]。我國煤炭以井工開采為主，經過多年發展，我國煤炭綜采技術裝備已從依賴進口到全部國產化。近 10 年來，通過智能化開采技術與裝備的創新研發，突破多項關鍵技術，在薄和較薄煤層智能化綜采，大采高和超大采高智能化綜采以及特厚煤層綜放開采智能化技術與裝備方面實現領跑。建成了如黃陵智能化開采示范礦井、兗礦金雞灘煤礦世界首套 8.2 m 超大采高綜采成套技術與裝備等標志性成果[3-4]。已建成一批現代化特大型安全高效煤礦，為全面推進智慧煤礦建設和智能化開采發展奠定了基礎。圍繞智慧煤礦及智能化無人開采的重大技術需求，突破行業共性核心問題，加快智能、安全、高效現代煤炭生產體系建設成為主要目標。

　　1 智慧煤礦技術架構

　　做好智慧煤礦頂層設計是保證智慧煤礦建設沿著正確方向的首要條件。智慧煤礦應基于一套標準體系、構建一張全面感知網絡、建設一條高速數據傳輸通道、形成一個大數據應用中心、開發一個業務云服務平臺，面向不同業務部門實現按需服務。其總體架構包括 8 大智慧系統: ①地下精準定位導航系統; ②隨掘隨采精準探測地質信息系統; ③智能快速掘進和采準系統，礦井通風、供排水、主副運智能系統; ④工作面智能開采系統; ⑤危險源智能預警與災害防控系統; ⑥礦井全工位設備設施健康智能管理系統; ⑦煤礦地面分選運銷與生態建設智能系統; ⑧煤礦物聯網綜合智能管理系統[10]。智慧煤礦總體架構如圖 1 所示。

　　2 智慧煤礦關鍵核心技術研究方向

　　煤礦智能化開采和煤礦物聯網技術目前已取得了重要進展，已建成一批以工作面智能化開采和數字化信息化管理系統為標志的先進煤礦。但是，由于煤礦開采條件的復雜性和多樣性，大多數智能化工作面還遠沒有達到理想效果，智慧煤礦建設還處于初級起步階段。目前，需要重點進行以下 5 個方向的攻關研發: ①精準地質信息系統及隨掘隨采探測技術與裝備。②智慧 煤礦物聯網技術與裝備。 ③巷道智能化快速掘進技術與裝備。④智能化無人開采關鍵技術與裝備。⑤煤礦機器人技術及產品研發。

　　除上述這 5 大核心技術攻關外，還需要不斷發展完善上述 8 大智慧系統。

　　2.1 精準地質信息系統及隨掘隨采探測技術裝備煤礦地質信息是一種隨著采掘活動在時間與空間不斷發生變化的四維動態信息。精準地質信息作為掘進與開采的基礎，是智能化決策的前提條件。因此開發工作面隨掘隨采探測關鍵技術及裝備，實現地球物理數據和隨掘隨采數據的自動采集、處理和解釋，建立精準四維動態地質-巷道模型，搭建多源、全方位信息透明的礦井 4DGIS 云平臺，實現地質、測量及生產動態信息的一張三維電子圖管理[14]，是實現智慧煤礦的先決條件。

　　2.2 智慧煤礦物聯網技術與裝備環境、設備狀態的感知是實現智能決策、控制的先決條件。現有煤礦各類監控系統已實現飛躍式發展，實現了對于煤礦生產關鍵信息的基本感知。然而不同廠家的產品基于本企業標準生產，其數據接口與平臺各異，數據獨立進行處理，相互之間缺乏通信與融合，數據孤島與數據碎片化現象嚴重，因而難以形成有效的數據分析模型與算法，分析結構也就缺乏準確性，難以指導生產。物聯網技術旨在打破數據壁壘，實現設備之間、設備與環境之間、設備與人員之間的數據互聯，最終實現萬物互聯[15-16]。因而，物聯網技術與裝備是實現智慧煤礦的關鍵核心技術。

　　2.3 巷道智能化快速掘進技術與裝備作為煤礦生產的重要前端環節，巷道掘進的主要難題是采掘失調。目前綜掘支護以單體錨桿鉆機為主，鉆孔效率低; 工序復雜，錨護時間長; 機載鉆機高精度定位困難。錨桿支護時間占巷道掘進時間的 60%，支護人員也占 60%以上。掘進工序及裝備分散，輔助裝備落后、工藝復雜，掘、錨工序在掘進工作面有限空間交替作業成巷效率低，制約了掘進作業的快速化、機械化、智能化。目前巷道快速掘進亟需解決的關鍵技術問題包括: 快速支護及掘支平行作業技術; 自主導航與自主連續截割技術; 遠程智能管控平臺技術; 適應各類條件的高效無人掘進成套裝備。

　　2.4 智能化無人開采關鍵技術與裝備隨著智能化無人開采的深入發展，更多的機械化、信息化的短板被補充完善，煤礦井下精準定位導航、圖像智能識別、智能化控制等關鍵核心技術的應用將會越來越成熟。在地質條件日益復雜、生產環境要求日益提高、安全要求日益嚴格的大趨勢下，智能化無人開采的需求將會越來越迫切。

　　2.5 煤礦機器人煤礦生產系統龐大復雜，作業環境惡劣，靠人工操作機械的方式，無法有效減少井下一線作業人員，實現無人則安。用機器人替代井下作業、安控和應急救援人工作業是建設智慧煤礦的新要求。煤礦作業類機器人屬于重載防爆機器人，其他領域尚無可借鑒的技術和產品。煤礦安控和應急救援類機器人屬于極端復雜環境機器人，不單要有必備的感知檢控功能，還要求有可靠的防爆、運移、導航、避障、路徑規劃和抗顛覆及自救等功能。因此針對煤礦機器人，以下共性的關鍵技術成為重點研究方向: ①井下機器人自適應變阻抗; 力跟蹤控制方法; ②井下機器人自我狀態識別、避障和自主平衡; ③井下長時可靠供電及自主尋徑無線快速充電技術; ④井下多機器人聯合通信及協同控制平臺。

　　3 智慧煤礦巨系統綜合管理系統平臺

　　煤礦生產職能部門眾多，礦用設備又千差萬別，存在各設備系統數據標準不一致、融合困難、無法聯動、網絡傳輸可管可控性差以及缺乏大數據分析手段等問題，無法實現數據的充分利用和智能化管控。因此在上述核心技術研究的基礎上，其核心模塊必須統一于智慧煤礦綜合管理系統軟件及操作平臺。

　　4 智慧煤礦與智能化開采發展目標

　　作為煤炭產業轉型升級和技術革命的戰略目標，智慧煤礦和智能化開采核心技術的研發已成為采礦行業升級發展的強大推動力。然而，建設智慧煤礦不是簡單技術改造就能建成的，其中包含的系列關鍵技術需要進行不斷的探索和攻關，并借助新一代信息技術帶來的發展機遇，借助第 4 次工業革命和新技術發展的成果，與煤炭開發技術深度融合，開創綠色、安全、高效的煤礦發展新模式。

　　5 結 論

　　1) 智慧煤礦與智能化開采是煤炭工業現代化的必然趨勢，做好頂層設計是智慧煤礦與智能化開采健康發展的重要保證基礎，堅持正確的原則，科學規劃智慧煤礦的總體架構，建立完善的標準體系，是智慧煤礦與智能化開采技術發展的重要保證。 2) 精準地質信息探測，物聯網技術與裝備，智能化快速掘進技術與裝備，無人開采關鍵技術與裝備以及煤礦機器人，是當前智慧煤礦建設中的重點研發方向。 3) 智慧煤礦與智能化開采是一個復雜巨系統，應遵循系統工程理論，開發智慧煤礦巨系統開放的綜合管理操作平臺，實現感知、分析、決策、管理、開采、運輸全生產周期的智慧化一體化管理，從而建成煤礦智能生態體系。 4) 智慧煤礦與智能化開采是一個不斷發展的過程，需要不斷探索和攻關，逐步解決關鍵核心技術難題，實現智慧煤礦與智能化開采分階段發展目標。

　　參考文獻( References) :

　　[1] 王國法，龐義輝，任懷偉，等.煤炭安全高效綜采理論、技術與裝備的創新和實踐[J].煤炭學報，2018，43( 4) : 903-913. WANG Guofa，PANG Yihui，REN Huaiwei，et al.Coal safe and efficient mining theory，technology and equipment innovation practice[J]. Journal of China Coal Society，2018，43 ( 4) : 903 - 913.

　　[2] 袁 亮. 煤炭精準開采科學構 想[J]. 煤 炭 學 報，2017，42 ( 1) : 1-7. YUAN Liang. Scientific conception of precision coal mining[J]. Journal of China Coal Society，2017，42( 1) : 1-7.

　　《智慧煤礦與智能化開采技術的發展方向》來源：《煤炭科學技術》，作者：王國法1，2，3 ，杜毅博1，3