面向未來煤炭精準開采的一些思考

轉(zhuǎn)載自《華為技術(shù)》

實現(xiàn)中國煤礦全面智能化，必須在實踐基礎(chǔ)上，圍繞著面向未來的精準開采理念，即依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)為基礎(chǔ)的智能煤礦體系，從傳感、通信、平臺、云、應(yīng)用等層面去思考。

中國工程院院士、安徽理工大學(xué)校長 袁亮

眼下，新一代信息技術(shù)正不斷取得突破，新一輪科技和產(chǎn)業(yè)變革不斷縱深。數(shù)字技術(shù)成為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的核心力量，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)從勞動力等要素投入轉(zhuǎn)向創(chuàng)新驅(qū)動，為煤炭工業(yè)由傳統(tǒng)的定性經(jīng)驗向智能精準的轉(zhuǎn)變帶來了創(chuàng)新發(fā)展的機遇，為實現(xiàn)智能少人（無人）的煤炭科學(xué)開采提供了可能。

我國能源結(jié)構(gòu)的基本特征是“貧油、少氣、相對富煤”，作為能源供應(yīng)的壓艙石，我國煤炭資源稟賦復(fù)雜、煤礦安全問題突出。要從根本上破解煤礦安全高效的生產(chǎn)難題，須借助物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云、AI等信息科技，將煤炭工業(yè)由勞動密集型升級為技術(shù)密集型，實現(xiàn)面向未來的互聯(lián)網(wǎng)+煤炭資源的智能精準開采。

在信息科技的全面介入下，智能化煤礦要達到全生產(chǎn)要素、全生產(chǎn)全過程的互聯(lián)互通，完成“感知、通信、分析、預(yù)測、決策、執(zhí)行”的閉環(huán)管理，實現(xiàn)“智能感知、智能決策、自動執(zhí)行”的建設(shè)目標，必須在前期的實踐基礎(chǔ)上，圍繞著面向未來的精準開采理念，即依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)為基礎(chǔ)的智能煤礦體系，從傳感、通信、平臺、云、應(yīng)用等不同層面著眼思考。

我國煤炭開采面臨的挑戰(zhàn)

綠色資源量是指能夠滿足煤礦安全、技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境等綜合約束條件，能夠支撐煤炭科學(xué)產(chǎn)能和科學(xué)開發(fā)的煤炭資源量。中國工程院重點咨詢項目研究結(jié)果表明，我國綠色煤炭資源量只有5743億噸，按國家能源需求，綠色煤炭資源量僅可開采40～50年。在煤炭作為我國主要能源的地位和作用沒有發(fā)生根本改變前，大面積進入非綠色煤炭資源賦存區(qū)開采將造成安全、技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境等面臨巨大難題。

我國煤礦開采正在以平均10～25m/年的速度快速向深部延伸，深部煤巖體處于高地應(yīng)力、高瓦斯、高溫與高滲透壓的惡劣環(huán)境中，煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力災(zāi)害更嚴重，并且有多重災(zāi)害耦合出現(xiàn)的趨勢。提高煤礦安全精準開采地質(zhì)保障水平、研究應(yīng)力場-裂隙場-滲流場-溫度場等耦合作用下的煤炭開采和致災(zāi)機理勢在必行。

要解決當前煤炭開采所面臨的上述難題，煤炭工業(yè)必須由勞動密集型升級為技術(shù)密集型。煤炭精準開采將運用現(xiàn)代化信息技術(shù)改造傳統(tǒng)采礦，對于推動煤炭產(chǎn)業(yè)變革，實現(xiàn)煤炭開采顛覆性技術(shù)創(chuàng)新意義重大，是未來采礦必由之路。

煤炭精準開采的科學(xué)內(nèi)涵

煤炭精準開采是針對當前煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)的現(xiàn)實難題，以及未來深部開采將面臨的技術(shù)瓶頸提出的科學(xué)構(gòu)想，以最終實現(xiàn)“安全、少人無人、綠色高效”的煤炭開采為目標。

煤炭精準開采的科學(xué)內(nèi)涵是基于透明空間地球物理和多物理場耦合，以智能感知、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云、人工智能等作支撐，具有風(fēng)險判識、監(jiān)控預(yù)警等處置功能，能夠?qū)崿F(xiàn)時空上準確安全可靠的智能少人（無人）安全精準開采的新模式新方法，其科學(xué)內(nèi)涵如圖1所示。精準開采支撐科學(xué)開采，是科學(xué)開采的重中之重。

圖1 煤炭精準開采的科學(xué)內(nèi)涵

煤炭精準開采從資源評估與決策、礦山規(guī)劃和設(shè)計到煤礦生產(chǎn)與安全管理等全過程都始終貫徹和融入了現(xiàn)代科技成果，真正實現(xiàn)現(xiàn)代化煤炭開采，其框架如圖2所示。煤炭精準開采最終將實現(xiàn)地面遠程控制的智能化、自動化、信息化和可視化，實現(xiàn)煤炭開采的少人（無人）、精確、智能感知和災(zāi)害智能監(jiān)控預(yù)警與防治。

圖2 煤炭精準開采框架

煤炭精準開采的主要研究方向包括以下八個方面：創(chuàng)新具有透視功能的地球物理科學(xué)；智能新型感知與多網(wǎng)融合傳輸方法與技術(shù)裝備；動態(tài)復(fù)雜多場多參量信息挖掘分析與融合處理技術(shù)；基于大數(shù)據(jù)云技術(shù)的精準開采理論模型；多場耦合復(fù)合災(zāi)害預(yù)警；遠程可控的少人（無人）精準開采技術(shù)與裝備；救災(zāi)通信、人員定位及災(zāi)情偵測技術(shù)與裝備；基于云技術(shù)的智能礦山建設(shè)。

煤炭精準開采的層級架構(gòu)

煤炭精準開采要最大化地利用信息科技的成果，實現(xiàn)對煤炭開發(fā)全過程數(shù)字化或智能化，即通過對資源勘查與評估、礦區(qū)總體規(guī)劃、礦井設(shè)計建設(shè)、生產(chǎn)與管理等與現(xiàn)代信息技術(shù)的深度跨界融合，實現(xiàn)煤炭開采由傳統(tǒng)的高危勞動密集型向高精尖技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變。它主要依托于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，并由感知層、傳輸層、云（數(shù)字平臺）和應(yīng)用層組成，如圖3所示。

圖3 面向煤炭精準開采的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架

最基礎(chǔ)的感知層，利用新型靈敏度高、可靠性好的傳感器等對“人機環(huán)”參數(shù)信息全面采集。傳統(tǒng)采礦多依賴經(jīng)驗、憑借定性分析開采，精準開采是傳統(tǒng)采礦與定量化智能化的高度結(jié)合，泛在實時的傳感技術(shù)和設(shè)備是煤礦智能化的基礎(chǔ)。通過基于統(tǒng)一操作系統(tǒng)的上位機，為數(shù)據(jù)的交互、上傳、入湖，提供統(tǒng)一標準的接口和數(shù)據(jù)格式，避免協(xié)議的不統(tǒng)一，形成信息孤島。

在傳輸層，精準開采的理念是充分利用最先進的通信技術(shù)，實現(xiàn)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的礦山融合網(wǎng)、多源信息的實時可靠流動。因為煤炭井下開采涉及應(yīng)力場、裂隙場、滲流場等諸多問題，采場及開采擾動區(qū)地應(yīng)力、瓦斯壓力、瓦斯涌出量、裂隙發(fā)育區(qū)等信息準確獲取至關(guān)重要。精準開采涉及采場及開采擾動區(qū)多源信息采集傳感、礦井復(fù)雜環(huán)境下多源信息、多網(wǎng)融合傳輸以及人機環(huán)參數(shù)全面采集、共網(wǎng)傳輸?shù)汝P(guān)鍵問題的研究。

在云端和數(shù)據(jù)平臺層面，精準開采意味著將多維度、質(zhì)量參差不齊、存在大量不確定因素的海量信息入湖，利用大數(shù)據(jù)和人工智能，對多源海量的動態(tài)感知數(shù)據(jù)和信息進行深度挖掘分析與融合處理，在這基礎(chǔ)上才能實現(xiàn)可視化、交互式、定量化、快速化、智能化的各種應(yīng)用系統(tǒng)的搭建，實現(xiàn)遠程智能采煤、災(zāi)害超前動態(tài)預(yù)警、救災(zāi)通信、井下人員精準定位等功能。

精準開采初見成效但任重而道遠

結(jié)合我國煤礦智能化的實施目標，煤礦精準開采的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用應(yīng)分兩步走：第一步，現(xiàn)在至2025年，依據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，通過各種信息技術(shù)，打通各子系統(tǒng)信息壁壘，實現(xiàn)“采-掘-運-通-排”等子系統(tǒng)的互通互聯(lián)，讓生產(chǎn)物流系統(tǒng)智能化決策和協(xié)同運行。第二步，即2026年至2035年，通信技術(shù)與煤礦技術(shù)深度融合，達到煤礦生產(chǎn)的智能感知、智能決策、自動執(zhí)行，全面實現(xiàn)煤炭資源的智能安全精準開采。

自2020年底，八部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》通知以來，我們在煤炭智能安全精準開采方面已積累了一定的實踐經(jīng)驗。

2021年9月，國家能源集團與華為共同發(fā)布了礦鴻操作系統(tǒng)。礦鴻物聯(lián)協(xié)同感知技術(shù)將從數(shù)據(jù)源頭確保數(shù)據(jù)標準一致，并實現(xiàn)多系統(tǒng)之間的協(xié)同，為各種礦山裝備和海量傳感器提供統(tǒng)一的接入標準和規(guī)范。

在陜煤紅柳林礦業(yè)公司，華為搭建了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的數(shù)字平臺。建成了覆蓋智能綜采、智能掘進、智能輔運、智能主煤流、智能選洗等多個場景的應(yīng)用，形成了貫穿煤礦物流全鏈條、全業(yè)務(wù)、全過程的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系。

在內(nèi)蒙古麻地梁煤礦，安徽理工大學(xué)聯(lián)合華為等企業(yè)構(gòu)建了“5G+多網(wǎng)融合、產(chǎn)銷協(xié)同、智能管控、數(shù)據(jù)驅(qū)動、綠色低碳”的煤礦安全精準開采和智能管控系統(tǒng)。煤礦生產(chǎn)能力由5Mt/a核準提升至8Mt/a；井下5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，實測時延小于20ms，實現(xiàn)了采煤、掘進、運輸?shù)戎饕a(chǎn)物流系統(tǒng)的遠程集控、有人巡視、無人值守，實現(xiàn)了“管設(shè)備就是管生產(chǎn)、管數(shù)據(jù)就是管設(shè)備”管理理念的變革，取消了檢修班和夜班，大幅提高了員工的安全感和幸福感。麻地梁煤礦率先實現(xiàn)了國家2025年智能煤礦建設(shè)目標，被國家能源局、國家煤礦安全監(jiān)察局列入首批新（改擴）建智能煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)第一批試點示范智慧園區(qū)。

在陜煤彬長礦業(yè)公司，安徽理工大學(xué)聯(lián)合華為等企業(yè)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)五層架構(gòu)，通過5G技術(shù)對微震動、時空強與地音等多維信息收集，對綜合指標進行大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)了在沖擊災(zāi)害事件發(fā)生前1~3天發(fā)布危險預(yù)警，大幅提升了井下生產(chǎn)的安全性。

事實證明，充分發(fā)揮海量數(shù)據(jù)和豐富應(yīng)用場景優(yōu)勢，促進信息技術(shù)與煤礦生產(chǎn)的深度融合，能有效推動煤炭產(chǎn)業(yè)的持續(xù)轉(zhuǎn)型升級。

智能精準開采是我國煤炭工業(yè)的必由之路

我國煤礦智能化發(fā)展進程正在不斷加速，但礦井依然缺乏整體設(shè)計方案、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息孤島突出、設(shè)備運維數(shù)據(jù)流動性低、節(jié)能降耗高效轉(zhuǎn)型困難。基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的煤炭精準開采是實現(xiàn)煤礦“安全、少人無人、綠色高效”的必由之路，符合國家面向2035年的煤炭戰(zhàn)略發(fā)展目標。

從技術(shù)層面，應(yīng)該繼續(xù)加大力度研發(fā)礦井智能感知技術(shù)，利用海量數(shù)據(jù)實現(xiàn)井下多機智能聯(lián)動與災(zāi)害預(yù)警等，開發(fā)適用于各種場景的“人-機-環(huán)-管”多維度的系統(tǒng)應(yīng)用，逐步實現(xiàn)整個礦井、礦區(qū)的少人化乃至無人化，提升整體的安全生產(chǎn)能力。

從行業(yè)層面，需對煤礦的整體架構(gòu)設(shè)計、開拓布局、工業(yè)環(huán)網(wǎng)、數(shù)據(jù)利用、綠色低碳等技術(shù)難題，展開更廣泛的院校、信息科技企業(yè)、煤炭生產(chǎn)企業(yè)以及行業(yè)各界協(xié)同創(chuàng)新，共同構(gòu)建基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智能礦山，以煤炭開采全面實現(xiàn)高科技產(chǎn)業(yè)改造升級，點亮中國能源科技強國夢。

更多《華為技術(shù)》智能礦山?？恼?，訪問華為技術(shù)電子刊頁面

原文：

https://www.huawei.com/cn/publications/huawei-tech/202204#reflections-precision-coal-mining-future