毛善君教授：高級智能化煤礦建設(shè)發(fā)展思考

高級智能化煤礦建設(shè)發(fā)展思考

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毛善君,陳華州,劉海濱,等.高級智能化煤礦建設(shè)發(fā)展思考[J].中國煤炭,2025,51(1):165-180.DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2025.01.018

MAO Shanjun，CHEN Huazhou，LIU Haibin，et al.Thoughts on the development of advanced intelligent coal mine construction[J].China Coal,2025,51(1):165-180.DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2025.01.018

論文概要

目前，煤礦智能化建設(shè)已經(jīng)取得了階段性重大應用成果，但仍處于初級或中級智能化水平，存在系統(tǒng)性和實用性等問題，智能化礦山建設(shè)步入深水區(qū)，高級智能化礦井建設(shè)勢在必行。本文在分析智能化煤礦建設(shè)存在問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合科學采礦、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、時空智能、大數(shù)據(jù)分析、智能制造和工業(yè)控制等技術(shù)，詳細闡述了高級智能化礦井建設(shè)“六體系、六化、兩模式或平臺、六鏈流”的“6626工程”，并對高級智能化礦井建設(shè)分類、建設(shè)思路、經(jīng)濟與社會效益和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行了論述?！傲w系”包括標準體系、技術(shù)體系、裝備體系、管理體系、培訓體系和服務體系；“六化”包括裝備智能化、地測透明化、分析在線化、控制協(xié)同化、智能系統(tǒng)化、生產(chǎn)綠色化；“兩模式”包括基于透明化地測保障的智能化協(xié)同管控平臺及應用系統(tǒng)和基于精確時空信息的礦井采掘工作面少人或無人自適應截割協(xié)同管控平臺及應用系統(tǒng)；“六鏈流”包括煤鏈流、電鏈流、風鏈流、水鏈流、物鏈流和綠色循環(huán)經(jīng)濟鏈流。高級智能化礦井建設(shè)的“6626工程”為智能化煤礦建設(shè)成功涉過深水區(qū)和可持續(xù)發(fā)展提供一種可行的路徑和技術(shù)支撐。

作者簡介

毛善君，男，1964年8月生，北京大學地球與空間科學學院教授、博士生導師，北京大學鄂爾多斯能源研究院首席科學家，北京龍軟科技股份有限公司董事長，國家科技部2018年度科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才，北京市安全生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)W科帶頭人，主要從事地理信息系統(tǒng)教學及智能化煤礦科研及應用工作?，F(xiàn)為國際數(shù)字地球?qū)W會（ISDE）中國國家委員會數(shù)字能源專業(yè)委員會副主任、國家礦山安全監(jiān)察局智能化建設(shè)專家委員會科技攻關(guān)分委會委員、智能采礦裝備技術(shù)全國重點實驗室咨詢委員、中國煤炭工業(yè)協(xié)會信息化分會第五屆理事會副會長和中國地質(zhì)學會數(shù)學地質(zhì)與地學信息專業(yè)委員會副主任委員。負責或參與國家級課題7項（十二五、十三五、十四五），在國內(nèi)外重要刊物或會議發(fā)表論文180多篇，授權(quán)國內(nèi)外發(fā)明專利60多項，出版專著5部，獲國家科技進步二等獎2項、行業(yè)協(xié)會或省部級一等獎13項，多篇論文獲“領(lǐng)跑者5000——中國精品科技期刊頂尖學術(shù)論文”（F5000）。

主要內(nèi)容

我國智能化煤礦建設(shè)成果豐碩,極大地促進了煤炭工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展,也為更高層次的智能化煤礦建設(shè)奠定了堅實的基礎(chǔ)。目前，已建成的智能化礦井仍然處于初級或中級水平,其系統(tǒng)性、集成性、實用性與行業(yè)或生產(chǎn)礦井管理及技術(shù)人員的預期存在一定的差距。

首先，詳細分析了初級或中級智能化礦井存在的問題。主要問題包括：裝備智能化整體功能弱；地測系統(tǒng)透明化、實用化程度低；分析在線化實時性不強;控制協(xié)同化關(guān)聯(lián)性少；人才高科技化比例太低；智能系統(tǒng)化還未形成；綠色低碳開采技術(shù)尚未與智能化系統(tǒng)深度融合。基于此，提出了建設(shè)高級智能化煤礦（Advanced Intelligent Coal Mine，簡稱AIC）的目標，并對其內(nèi)涵進行了定義：將時空智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)控制、機器人化裝備等與現(xiàn)代礦山開發(fā)技術(shù)深度融合，形成全面感知、實時互聯(lián)、自主學習、超前預測、動態(tài)決策、協(xié)同控制的集成智能化系統(tǒng)，實現(xiàn)礦井探測、開拓、采掘、運通、分選、安全、生態(tài)、生產(chǎn)經(jīng)營管理等全過程軟硬件系統(tǒng)的智能化、常態(tài)化自主運行。

其次，提出了解決目前智能化煤礦建設(shè)和應用存在問題的路徑，即“北大-龍軟”高級智能化礦井建設(shè)模式（簡稱“6626工程”），并對6626工程結(jié)構(gòu)、管控總體架構(gòu)以及“六體系”“六化”“兩模式或兩平臺”和“六鏈流”的具體內(nèi)容進行了闡述。其中，“兩模式或兩平臺”是高級智能化管控的重要基礎(chǔ)，涉及的部分技術(shù)具有原創(chuàng)性和實用性：（1）基于透明化地測保障的智能化綜合協(xié)同管控模式或平臺：通過實現(xiàn)精細化高精度三維透明地測模型與“六鏈流”管控、災害防治、安全決策的深度實時融合和應用，提高管控效率和預測精度，確保安全生產(chǎn)；（2）基于精確時空信息的礦井采掘工作面少人或無人自適應截割管控模式或平臺：包括“透明化地測模型+自動調(diào)平陀螺全站儀精確定位+數(shù)字孿生管控+矢量空間視頻流”四大關(guān)鍵技術(shù)，為實現(xiàn)煤礦采掘工作面的精準遠程控制、沉浸式巡檢及無人化生產(chǎn)目標提供了高科技保障。數(shù)字孿生和矢量空間視頻流，將實現(xiàn)對采掘工作面實時安全生產(chǎn)信息的遠程相互印證和相互補充。

再次，對高級智能化煤礦進行了分級分類。（1）初等級高級智能化礦井（AIC1），主要特點包括：有氧生產(chǎn)場所；裝備智能化，主要是對現(xiàn)有設(shè)備的改造，部分創(chuàng)新性設(shè)備；地測透明化，地質(zhì)數(shù)據(jù)整體精度在60%~90%之間；分析在線化，大數(shù)據(jù)和簡單智能分析；控制協(xié)同化，自適應協(xié)同控制比例為60%~90%；智能系統(tǒng)化，智能化程度在50%左右；生產(chǎn)綠色化，整體在50%左右；實現(xiàn)部分生產(chǎn)場所無人，采掘面少人或無人，人的交互式作用很關(guān)鍵，部分機器人發(fā)揮作用。（2）中等級高級智能化礦井(AIC2)，主要特點包括：有氧生產(chǎn)場所；裝備智能化，主要是新設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)，部分老舊設(shè)備的改造；地測透明化，地質(zhì)數(shù)據(jù)整體精度在90%以上；分析在線化，系統(tǒng)性的智能分析；控制協(xié)同化，自適應協(xié)同控制比例為100%；智能系統(tǒng)化，智能化程度大于90%；生產(chǎn)綠色化，整體在90%左右；實現(xiàn)包括采掘面在內(nèi)的主要生產(chǎn)場所少人或無人，人和機器人的作用同等重要。（3）高等級高級智能化礦井(AIC3)，主要特點包括：無氧生產(chǎn)場所；主要是機器人和少量的穿戴采礦服的采礦員；裝備智能化，主要是創(chuàng)新性設(shè)備；地測透明化，地質(zhì)數(shù)據(jù)整體精度為95%以上；分析在線化，系統(tǒng)性智能分析；控制協(xié)同化，自適應協(xié)同控制比例為100%；智能系統(tǒng)化，智能化程度達100%；生產(chǎn)綠色化，整體達100%；實現(xiàn)包括采掘面在內(nèi)的主要生產(chǎn)場所無人，機器人巡檢和操控為主、采礦員為輔。

最后，對高級智能化煤礦的建設(shè)思路、技術(shù)路線以及經(jīng)濟與社會效益進行了闡述和分析。基于“科技引領(lǐng)、政府主導、頂層設(shè)計、分類謀劃、典型示范、以點帶面”的行動路線，著力建設(shè)“六化、六體系”，推動試點示范工程，高級智能化煤礦將實現(xiàn)安全、經(jīng)濟和社會效益“三豐收”。不分成果已在生產(chǎn)礦井和系統(tǒng)研發(fā)過程中得到初步應用和驗證，為我國能源領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標和煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要的意義。

主要圖表

圖1 6626工程結(jié)構(gòu)

圖2 6626工程總體架構(gòu)

圖3 基于6626工程的井工煤礦標準體系框架

圖4 基于透明化地測保障的智能化協(xié)同管控模式或平臺

圖5 基于精確時空信息的綜采工作面少人或無人自適應截割系統(tǒng)

圖6 風鏈流功能時空分布

圖7 “六鏈流”網(wǎng)狀耦合關(guān)系

圖8 “六鏈流”協(xié)同管控及可視化巡視

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