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第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 特约综述 移动扫码阅读 王国法煤矿智能化最新技术进展与问题探讨煤炭科学技术，，（） ，，（） 煤矿智能化最新技术进展与问题探讨 王 国 法，， （中国煤炭科工集团有限公司，北京 ；中煤科工开采研究院有限公司，北京 ；煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 ） 摘 要煤炭是我国一次能源中最经济、可靠的资源，煤矿智能化是实现煤炭工业高质量发展的核心 技术支撑。 国家发展改革委、国家能源局等八部委联合发布关于加快煤矿智能化发展的指导意见 后，煤炭行业供给侧结构改革和高质量发展脚步逐步加快，人工智能、大数据、云计算、工业物联网等 新一代信息技术与传统采矿专业深度融合，推动了整个煤炭行业科技发展与工程应用至新的阶段。 全面阐述我国自 年以来智能化煤矿建设最新情况，分析了成功的典型技术与应用案例；详细阐 述了煤矿智能化建设顶层架构全方位推动、指引技术进步与实践，构建了煤矿智能化基础理论体系， 提出了分类分级智能化煤矿建设路径，基于不同地质煤层条件开展智能化煤矿建设示范工程，并取得 了较好的成效。 在煤矿智能化基础理论架构方面，提出了智能化煤矿数字逻辑模型与数据推送策略， 构建了煤矿巨系统智能化子系统多种类、复杂关联架构与协同机制。 通过梳理现有生产系统和生产 关系，研发了基于 新一代智能化系统、坚硬薄煤层大功率高效智能化开采成套技术与装备、“掘锚 一体机锚运破大跨距转载”远程控制智能快速掘进系统成套技术与装备、智能通风系统、井下锂电池 驱动人车无人驾驶系统及智能调度系统、固定岗位无人值守系统等。 分析了我国煤矿智能化技术发展 面临的瓶颈，提出了井下车辆和机器人电动化、井下无线发射功率、 煤矿应用场景与生态、透明地质 模型、智能巨系统兼容协同、连续自动掘进与掘支平行、采煤工作自动调高与调直、无人操作系统常态化 运行可靠性、（即人工智能、区块链、云计算、大数据）煤矿技术体系、柔性煤炭生产供给体系等 个煤矿智能化技术发展方向及建设路径。 关键词煤矿智能化；；智能化基础理论；巨系统；体系架构 中图分类号 文献标志码 文章编号（） ，， （ ， ， ， ； ， ，； ， ， ，） 收稿日期；责任编辑周子博 基金项目国家自然科学基金重点资助项目（）；天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项重点资助项目（） 作者简介王国法（），男，山东文登人，中国工程院院士，中国煤炭科工集团首席科学家，博士生导师。 ， “ ” ， ， ， ， ， ， ， 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 ， ， ， ， ； ， ， ， ， ， ， “ ” ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ； ； ； ； 引 言 煤矿智能化是我国煤炭工业高质量发展的核心 技术支撑已成为行业广泛共识，这与技术发展、政策 顶层设计及全行业协同推进密不可分。 年 月，国家发展改革委、国家能源局等八部委联合印发 了关于加快煤矿智能化发展的指导意见，指出要 加快推进煤炭行业供给侧结构改革和高质量发展，这 对于我国煤炭工业发展具有里程碑意义。 年 月，中国煤炭工业协会、中国煤炭科工集团及煤矿 智能化创新联盟共同发布了中国煤矿智能化发展报 告，系统总结了中国煤矿发展及信息化建设的基 本情况，阐述了煤矿智能化基础理论及关键技术研究 进展，详细介绍了智能化示范煤矿的建设实践情况， 布局了煤矿智能化建设标准体系。 年底，国家 发展改革委、国家能源局启动了首批 处国家智能 化煤矿建设示范项目，全力推动智能化建设的示范培 育，加速行业智能化水平提升。 年 月，为科 学规范有序开展煤矿智能化建设，统一衡量智能化建 设质量，加快建成一批多种类型、不同模式的智能化 煤矿，国家能源局发布了煤矿智能化建设指南， 起草制定了智能化煤矿验收办法。 同时，为推进产业链与创新链融合，组织行业各 方力量推动煤矿智能化建设， 年 月由国家能 源局等政府部门支持，中国煤炭学会和中国煤炭科 工集团发起成立煤矿智能化创新联盟； 年 月，成立了中国自动化学会智慧矿山专业委员会；创 刊了智能矿山杂志，从政策制定、技术指引到技 术研究实践，全方位推动煤矿智能化发展。 我国智能化煤矿建设最新进展情况 建立了煤矿智能化基础理论体系 在 年国家自然科学基金重点项目“数字煤 矿及智能化开采基础理论研究”的支持下，相关学 者开展了煤矿智能化基础理论的研究。 通过构建煤 矿数字逻辑模型、多源异构数据处理理论方法、复杂 系统智能控制基础理论、智能化煤矿系统性维护及 智能化开采基础理论体系，为煤矿智能决策、精 确控制、可靠性保障奠定了理论基础。 ）针对煤矿智能化系统信息多元异构、关系错 综复杂、描述表达不统一、虚实映射困难等问题，抽 象煤矿各类数据的特征，采用与物理实体同样的描 述方法，建立信息实体，包括结构信息、属性信息和 功能信息，如图 所示。 图 信息实体单元组成 ）提出了信息虚实映射机理。 煤炭开采尚难 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 王国法煤矿智能化最新技术进展与问题探讨 年第 期 实现数字孪生，但可将实体之间的物理逻辑、功能逻 辑、事件逻辑以“投影信息实体”的形式融入三维虚 拟仿真系统中，驱动仿真对象表征物理实体的关联 关系，从而映射出主要的开采工艺过程。 ）提出了信息实体智能匹配、推送及动态更新 方法。 基于工作流引擎分解开采行为，构建开采过 程知识需求模型，基于开采信息匹配度计算方法，构 建基于粗糙集及模糊综合决策的知识推送规则，给 出信息实体的时变动态因子，提出大数据驱动的信 息实体更新进化策略。 ）提出了复杂地质条件下智能开采技术路径。 通过准确获取开采系统空间状态信息，并利用三维 仿真系统对复杂地质条件干扰因素介入后的状况提 前进行仿真计算，从而决策后续生产工艺和参数。 ）提出了数据驱动的开采系统设备群健康状 态评价方法。 建立了基于 的采煤机健康状 态智能评估模型，实现自学习、自寻优和自主判断采 煤机的健康状态。 ）提出了开采系统双层机会维修决策模型。 研究煤矿综采设备群维护调度优化，引入了机会维 护思想，确定不同设备的故障分布规律，建立设备维 护效果模型；以人与管理为影响因素建立煤矿设备 维护不安全耦合模型，以设备维护费用建立维护费 用最低模型；基于维护顺序编码的交叉算子 的 改进遗传算法进行案例求解。 初步建立煤矿智能化标准体系 煤矿智能化建设是一个多系统、多层次、多领域相 互匹配融合的复杂系统工程，建立完整的煤矿智能化 技术标准体系是建设智能化煤矿的基础与指南。 年初，煤矿智能化创新联盟发布了煤矿智能化顶 层架构与标准体系框架白皮书，建立了体系性、继承 性和前瞻性的煤矿智能化标准体系，有助于开展 煤矿智能化顶层设计和总体布局，对于明确煤矿智能 化的发展方向和重点任务，确保智能化相关技术在煤 矿得到有效应用具有非常重要的意义。 煤矿智能化标 准体系总体框架包括通用基础、支撑技术与平台、煤矿 信息互联网、智能控制系统及装备、安全监控及防控装 备、生产保障 类标准组成，如图 所示。 图 煤矿智能化标准体系 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 年 月，制订发布了智能化煤矿（井工） 分类、分级技术条件与评价 和智能化采煤工 作面分类、分级技术条件与评价指标体系 项 最为重要的标准。 年完成了 项煤矿智能化 标准的立项工作。 提出和实施分类分级智能化煤矿建设路径 我国煤层赋存条件复杂多样，不同煤矿的开采 技术与装备水平、工程基础、技术路径、建设目标等 均存在较大差异，且受制于智能化开采技术与装备 发展水平，使得不同煤层赋存条件矿井进行智能化 建设的难易程度与最终效果也存在一定差异。 例如，陕蒙大型煤炭基地煤层赋存条件较好，煤矿智 能化投入较大，建设基础好，应用效果较好，智能化 建设速度就快；而东部部分老矿区开采条件复杂，经 济效益差，智能化建设基础薄弱，开采技术装备适应 性差，智能化建设则相对缓慢。 煤矿智能化建设应结合煤矿具体建设基础、开 采条件等制定切实可行的智能化建设方案，通过分 类建设和科学顶层规划建设开发可迭代发展的系统 架构，不断完善系统智能化，推进智能系统化，分阶 段实现智能化煤矿初、中、高级建设目标，如图 所示。 图 智能化煤矿分类、分级 形成较为成熟的智能化高效开采模式 ）薄煤层和中厚煤层工作面内无人操作远程 控制采煤。 薄煤层赋存条件相对复杂，煤层在三维 空间起伏频繁、厚度变化大；设备运行空间狭窄，系 统尺寸和能力受到限制，实现自动化、无人化控制难 度大。 中厚煤层地质条件一般较好，易于实现自动 化。 因而，这 类煤层共同的要求是实现工作面内 的无人操作。 为此，需要解决全工作面跟机、煤层变 化适应性、设备状态（采煤机姿态、支架姿态等）远 程干预、采煤机滚筒高度自动调节等技术难题。 经 过多年的研究实践，目前能够实现工人在集控中心 远程监控，工作面内无人操作，自动完成双向割煤； 中部实现自动控制跟机移架，机头、机尾自动斜切进 刀割三角煤后返刀扫底清浮煤；研发了超大伸缩比、 大功率成套装备。 年陕煤黄陵一矿在厚 煤层实现巷道监控中心 人可视化远程干预 控制，工作面内 人巡视的常态化连续运行，月产量 达到 万 ，年生产能力 万 以上，近年来又 进一步升级完善了超前智能支护、工作面地质模型 构建和采煤机智能调高等功能，薄煤层开采工作面 如图 所示。 国家能源神东榆家梁煤矿在厚 以上煤层实现高质量智能化开采，在山东临沂、枣矿 滨湖、新汶翟镇、伊泰宝山矿、淄博双欣等煤矿推广 应用，取得了良好效果。 图 薄煤层开采工作面 ）厚煤层大采高和超大采高智能化开采。 厚 煤层大采高和超大采高智能化开采面临着围岩控 制、装备姿态控制、端头过渡方式、粉尘等问题。 针对上述问题，发明了基于煤壁“拉裂滑移”模型 的临界护帮参数确定方法，揭示了煤壁破坏深 度、宽度与煤体强度、护帮力及开采高度的关系，发 明了综合考虑顶板和煤壁稳定的支护强度“双因 素”确定方法，获得了大采高和超大采高围岩控 制的关键参数；研发了工作面高精度惯性导航系统、 液压支架位姿监测系统等，实现了工作面装备整体 姿态的实时测量及精准控制；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； 通过在工作面安装摄像仪，将人的视听感官延伸到工 作面，实时追踪采煤机位置，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“身 临其境”的视觉感受，指导远程生产。 金鸡滩煤矿自 年起研发应用 超大采高液压支架及综采 技术，实现工作面日产 万 ，月产 万 ，年产 万，工效为 工，采出率以上。 神 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 王国法煤矿智能化最新技术进展与问题探讨 年第 期 东上湾煤矿自 年起研发应用 超大采高液 压支架及成套装备取得成功。 陕煤榆北煤业有限公 司与天地科技股份有限公司等合作研发出 超大 采高液压支架样机，目前正在推进 超大采高综 采成套装备和技术应用。 ）特厚煤层智能化综放开采。 特厚煤层大采高 综放工作面开采面临 大难题顶煤厚度大幅增 加，在矿山压力一定的条件下，顶煤不易破碎，形成的 煤体块度大，难以放出；放煤时间长、回收率下降， 普通综放配套方式及人工控制放煤，难以提高资源采 出率及开采效率。 为解决上述难题，系统分析了坚 硬、特厚煤层工作面开采高度、顶煤破碎块度、放煤步 距等对顶煤放出率、含矸率、开采效率的影响，提出提 高大采高综放工作面机采高度、采用三刀一放可以实 现放出率、含矸率、放出效率最优。 研究了基于多传 感器融合的煤矸放落识别技术及自动控制放煤技术， 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，在金鸡滩煤矿 超 大采高综放开采工作面应用，最高月产达到 万 ， 最高日产 万 ，具备年产 万 能力， 超大采高综放开采工作面成套装备如图 所示。 图 超大采高综放开采工作面成套装备 智能化煤矿建设示范取得成效 年以来智能化煤矿建设进入了快速发展 阶段，各大煤炭企业全力推动先进技术落地应用。 目前，全国生产煤矿共计 多座，其中 万 以上的煤矿 余处，千万吨级煤矿 处。 处 国家首批智能化示范建设煤矿中，井工矿 处，露 天矿 处，智能化升级改造煤矿 处，新（改扩）建 智能化煤矿 处，已建成 多个智能化工作面。 形成了黄陵智能化煤矿建设模式，老矿区复杂条件 智能煤矿建设模式，蒙、陕、晋千万吨级高强开采智 能化煤矿建设模式等。 陕西陕煤黄陵矿业有限公司针对黄陵含油型气 复杂煤层条件，发明了油型气不均匀涌出条件下工 作面连续高效开采方法，研发了超前预测多级联动 智能控制采煤系统和成套装备。 实现常态化工作面 无人操作的地面控制采煤，创造智能化开采的黄陵 模式。 黄陵矿业在“智能矿井，智慧矿区”建设 中，率先实现薄、中、厚煤层智能化开采全覆盖，发布 煤炭行业智能化开采技术标准，建立了“透明地质” 精准开采工作面，提出了“”智能风险管控 体系，引领了煤炭生产方式变革。 陕西陕煤陕北矿业张家峁煤矿 年全面启 动“智能化煤矿巨系统关键技术与装备研发”和智 能化煤矿建设，并被列入国家首批智能化煤矿示范 建设项目。 经过 的联合攻关，取得十大创新 成果，包括 ）开发和应用了基于工业互联网的智能综合 管控平台及大数据系统，实现了全矿井 个在用系 统的集成和优化，“井上地面”一键式全流程管控， 彻底打通数据壁垒，数据利用率整体提升了 以上。 ）建立了矿井级 高速信息传输网络及高精 度人员、设备定位系统，开启了井下信息高速公路， 为设备实时精准控制、无人驾驶、人员安全防控提供 了坚实基础。 ）研发了基于透明地质模型的 地理信 息系统系统，突破 融合与虚拟仿真的井下 信息实时动态更新技术，实现采掘过程、人员、地质 等动态信息的自动更新和实时显示，全面掌控井下 生产状况。 ）建成了 个 厚煤层、 个中厚煤层、 个 薄煤层智能化综采工作面，工作面内无人操作、设备 运行数据自动化监测及远程集控，设备开机率提升 ，整体生产效率提高 。 ）突破了掘锚一体机高精度导航、关键位置自 主检测、远程多机协同控制等难题，研发了掘锚一体 机锚破运一体机过渡运输的智能化快速掘进系 统，最高日进尺 ，月进尺达到 。 ）研发了具备多点移动式测风、风量远程定量化 调节、主运巷外因火灾局部反风控制、灾变分析与智能 决策功能的智能通风综合管控系统，实现了 内智 能辅助决策控风，主要井巷控风精度。 ）研发了辅助燃油物料车和锂电池驱动无人 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 驾驶系统及智能调度系统，实现了车辆转向、制动和 驱动智能化控制及地面到井下的全程无人调度运 行，已累计运行 多千米。 ）建设了全煤流智能运输监测、矿井水资源智 能管理、回风巷巡检机器人等固定岗位和场所自动 监控系统，实现了井上井下 个机房硐室， 个操 作岗位的“有人巡检、无人值守”，全面实现了井下 作业的智能化、少人化。 ）建设了支撑全矿智能化的大数据中心和智 慧指挥中心，集生产调度、安全运行、企业管理于一 体，实现矿井各环节工作流程的纵向贯通与横向关 联融合，支撑智能化系统的高效应用与优化升级。 ）构建了安全管理双重预防机制，形成了企 业财务、人资、党建等多数据融合的企业信息化管理 模式，逐步完善智能化煤矿最优劳动组织和人员岗 位架构，实现了煤矿全方位高质量发展。 陕西延长石油矿业公司巴拉素煤矿是一个规划 年产 万的新建矿井，从建设之初就确定了智 能化煤矿建设目标，全面按照智能化进行建设，秉承 “高起点、高标准、高效率、高效益”的原则，遵循“设 计一流、装备一流、管理一流、效率一流”的建设理 念，采用人工智能、大数据、互联网等新技术改变传 统生产、生活方式而形成的全新工业模式和运行体 系。 根据顶层设计，全矿构建基于 的高效信息 网络和精准位置服务系统，并连接 透明地 质模型及动态信息系统，实现全矿控制、管理、经营 的一体化。 基于“云边端”数据架构和三层递阶控 制策略构建一体化云数据中心和区域控制核心，实 现边云协同，分布式控制。 建设过程中对智能化管 理体系进行研究，确定智能化煤矿生产运营管理的 具体要求和管理流程，建立与智能化煤矿生产方式 相适应的管理模式，提高管理效率，最大限度发挥煤 矿智能化能力。 建设了智能化工作面系统、快速掘 进系统、固定场所无人值守系统等 个智能系统及 综合管控平台，实现监测全时空、作业自动化、决策 智能化、控制实时化、知识模型化、管理信息化、业务 流转数字化以及煤矿的数据集成、能力集成和应用 集成。 陕煤神木柠条塔煤矿正在开展机器人集群技术 的研发与工程示范，目前已经部署、应用 余种井 下机器人，正在开发煤矿机器人集群调度指挥平台； 陕西延长石油榆林煤化有限公司可可盖煤矿正在开 展智能化建井技术研发与工程示范，采用全矿井机 械破岩智能化建井模式，竖井采用直径 一钻 成井智能化竖井钻机及配套装备，创新西部复杂地 层斜井全断面硬岩隧道掘进机（ ， ）掘进破岩、排渣、支护、控水、通风等智 能化施工工艺，形成新的建井工法和标准体系，推动 智能化建井发展进程；此外，国家能源神东煤炭集 团、山东能源集团、华能煤业等都在全力推进煤矿智 能化建设。 煤矿智能化建设是一个迭代发展，不断进步的 过程，不是一次性结果，更不是“基建交钥匙工程”， 智能化煤矿建设开启了煤炭行业全面创新和技术变 革的新时代，是高质量发展的核心技术支撑。 煤 矿智能化发展的目标是实现煤矿全时空多源信息实 时感知，安全风险双重预防闭环管控，全流程人机 环管数字互联高效协同运行，生产现场全自动化 作业，让煤矿职工有更多幸福获得，煤炭企业实 现更大价值创造。 煤矿智能化技术最新研发成果 智能化煤矿数字逻辑模型与数据推送策略 ）智能化煤矿信息模型研究。 智能化煤矿系 统数据离散，因此需从煤矿系统关联与数据特征出 发，对煤矿数字信息实现特征与语义提取，从而构建 数据快速汇聚于关联分析。 因此，首先构建了基 于时空分布的煤矿数据描述模型，提出了基于“分 级抽取关联分析虚实映射”的数字煤矿智慧逻辑 模型，形成多源异构数据处理理论方法，在此基础上 构建基于 的统一架构明确信息模型映射、 数据存储及交互规则，进而构建煤矿数据资源全信 息模型，如图 所示。 ）智能化煤矿数据标准体系构建。 数据标准 是指保障数据的内外部使用和交换的一致性和准确 性的规范性约束，包括数据业务属性、技术属性和管 理属性的表达、格式及定义的约定统一定义；可作为 数据质量控制的准则、数据模型设计以及信息系统 设计的参考依据。 通过梳理国际标准、国家标准、 行业标准，结合智能化煤矿生产经营活动涉及的 数据资源特点，构建了智能化煤矿数据标准体系 （图 ）。 该体系将全部标准规范划分为基础标准、技术 标准、业务标准 大类。 其中，基础标准规定了整个 体系的框架、术语定义、技术参考模型和数据分类标 准。 技术标准规定了智能化煤矿大数据资源从数据 生产、管理到服务全生命周期关键节点的标准化，包 括元数据、数据管理、数据质量和数据安全。 业务标 准结合了技术标准中的元数据标准内容，包括主数 据标准和业务数据标准。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 王国法煤矿智能化最新技术进展与问题探讨 年第 期 图 智能化煤矿信息模型构建 图 智能化煤矿数据标准体系 ）煤矿数据推送策略与自动更新机制。 智能 化煤矿数据资源的共享与交互同其数据资源需求密 切相关，一方面依据自身需要通过数据资源共享服 务平台提出数据请求，通过对需求进行匹配优选，提 供最优数据服务方案；另一方面根据以往数据共享 服务历史以及知识库中的逻辑规则，挖掘需求者的 隐性需求从而进行主动推送。 这些信息来自数字煤 矿智能感知的大数据，包括环境数据、周围设备状态 数据、控制要求、人员信息等。 基于数据信息构建知 识需求模型首先需要建立基本控制任务集，随后针 对每一物理实体（控制对象）的控制任务定义所需 的知识信息。 分析控制任务集的触发数据及其二阶 行为模式得到相关参数变动趋势，构建需求匹配模 型。 需求模型匹配并推送的信息包含物理对象的空 间状态、变动触发事件及其对开采生产环节的影响。 最终在诸多匹配数据中得出需要的数据，并从操作 功能库推送给控制对象，由其自身智能控制系统给 出最佳的控制方式和参数。 煤矿巨系统智能化架构与协同机制 智能化煤矿是一个开放的复杂巨系统，应具有 个要素具有对外部信息的实时感知与获取的 能力；具有对感知信息的存储、分析、联想、自学 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 习、自决策的能力；具备自动执行能力。 对于智能 化煤矿复杂巨系统，具有单元数量巨大、信息多元异 构、关系错综复杂等特点，因此，建设煤矿巨系统 智能化，需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，突破智能化工 艺和 关 键 技 术 装 备， 构 建 智 能 化 煤 矿 复 杂 巨 系统。 智能化矿井建设结合煤炭行业特点、信息化应 用与发展趋势，以矿井一体化管控平台为载体，综合 集成信息基础设施、矿井生产系统、矿井管理系统 大板块内容，打通安全监测监控、人员定位、融合通 信、工业视频、矿压监测、电力监控等多个子系统间 的数据传输壁垒，实现各子系统间的资源共享、信息 融合与互通。 同时从煤矿安全生产管理的角度，充 分利用计算机和网络技术手段，实现对煤矿安全防 范的集中管理、专家决策与大数据分析等应用，从根 本上提升煤矿安全生产的全方位防范能力和煤矿安 全防范的整体联动响应水平，为智能矿井深层数据 挖掘应用提供信息资源。 整体架构从低到高分别为 感知层、传输层、计算资源层、平台层、应用层和展现 层 部分，总体架构符合新一代信息系统云边端的 特点，如图 所示。 图 煤矿巨系统智能化云边端架构 对于煤矿智能化的关键核心 智能综合管控 平台，以煤炭工业大数据为支撑，以智能化矿山基础 软件平台为统一基础平台，以智能生产装备集群协 同控制为核心，开发机器人集群协同控制应用中心、 生产调度协同管控中心、安全保障管理协同应用中 心、专业业务应用中心、决策分析综合管控应用中 心、运维监测管理中心等 个业务应用中心，形成 “一支撑一平台六中心”智能化综合管控的应用架 构，并预留与企业经营管理中心的数据集成融合接 口，形成以数据资产运营为核心驱动力的矿山科技 创新与管理转型，达成以数据为支撑的企业安全生 产科学决策思维变革，最终达到实现全矿集中管控 与协同调度的目的。 智能综合管控平台各业务中心需面向全矿各业 务部分，与管理流程相适应，各业务中心各司其职， 高效协同。 ）机器人集群协同控制应用中心。 实现矿用 掘进机、采煤机、液压支架、无人驾驶车辆、机器人等 智能装备、移动设备和特种车辆的状态监测、运维管 理、协同作业等远程可视化运行状态与参数的监测 与远程协同控制。 ）煤矿生产调度协同管控应用中心。 围绕煤 矿安全生产调度，实现煤矿、科室及班组的调度协同 管理，实现煤矿重点作业区域和固定场所包括综采、 综掘、主运输、辅助运输、生产保障、供配电等场所下 的集中监视与协同调度，在现场条件满足且可控的 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 王国法煤矿智能化最新技术进展与问题探讨 年第 期 情况下，实现远程协同控制。 ）煤矿安全保障管理协同应用中心。 以煤矿 风险为核心，基于风险状态链的风险分级管控、风险 监视、隐患排查治理、风险异常分级预警及联动处置 的煤矿风险多重防护机制，包括风险分级管控、安全 巡检、领导带班及人员履职、风险融合监视、安全培 训、隐患排查治理等功能。 ）煤矿专业业务应用中心。 建立煤矿诸如计 划管理、一通三防、地测防治水、生产技术、设备全生 命周期管理的专业业务应用，并提取安全生产要素 信息，以支撑煤矿安全保障管理协同与生产调度协 同管控应用。 ）煤矿决策分析综合管控应用中心。 研究煤 矿安全、生产、运营指标管理体系，定义煤矿安全生 产关键指标及管理流程。 融合安全生产过程数据进 行指标综合分析及管理跟踪，包括风险专题分析、安 全指数评价、生产指标分析等；研究煤矿综合、安全、 生产、机电等主题大数据看板。 ）煤矿智能化管控平台运维管理中心。 基于 平台运行探针检测信息的集成，以大数据看板提供 整个平台运行的资源、状态的监测与统计，对异常情 况及时进行预警提醒及分级处置。 通过梳理智能化变革下的部门管理业务主线， 对作业流程标准化，部门间实现共享共建共创，实现 管理数字化与智能化；以信息化、自动化、智能化带 动矿井行业的改造和发展，构建与智能化煤矿相适 应的煤矿管理新模式，从而实现基于数据的业务驱 动与协同。 智能化煤矿系统及应用场景 智能化煤矿系统是指充分运用新一代信息 系统带来的技术变革和优势，重新梳理现有生产系 统和生产关系，通过新技术、新要素、新管理研发新 一代智能化系统，而非现有系统的简单升级改造。 在这一过程中起到的是关键工具的作用，其 大带宽、低延时和广连接的技术特点改变了现有技 术架构，进而推动思维逻辑、思维方式和技术体系的 变革。 从思维逻辑上看， 低延时和广连接的特性 会推动线性思维向网状思维变革，比如由单一的通 风控制系统向通风感知解算控制救灾规划协 同调动方向发展；从思维方式上看，其大带宽、广连 接的特点和算力的延伸将推动中心化向去中心化转 变，比如传统的集中控制模式会逐渐向分散控制转 变，终端智能化程度会越来越高，上层会逐渐向提供 服务转变；从技术体系上看，现有的各种控制系统、 智能终端、控制流程和模式等会随着思维逻辑和思 维方式的转变而转变，不仅现有终端形态会发生改 变，还会产生更多的新型终端，包括新型传感、新型 传输、新型控制和新型执行器等。 由此， 的应用场景不仅限于传统的远程控 制、高清视频传输、固定硐室巡检等，更是基于新一 代信息技术的融合变革，比如与虚拟现实技术结合 的远程开采，专家支持的运维，与物联网技术结合的 多传感并发接入与底层协同决策，与定位导航系统 结合的移动巡检与多终端协同等，如图 所示。 图 在煤矿的应用场景 矿井 地理信息系统系统 四维地理信息系统平台（）是煤矿数字 化、智能化、智慧化的支撑平台之一。 基于 平台，采用透明化的高精度动态地质模型、先进 的煤矿机电及一体化技术、物联网和云计算技术，以 及与信息化相适应的现代企业管理制度为基础，以 网络技术为纽带，以煤矿安全生产、高产高效、绿色 开采、可持续发展为目标，实现多源煤矿信息的采 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 集、输入、存储、检索、查询、动态修正与专业空间分 析，并实现多源信息的多方式输出、实时联机分析处 理与决策、专家会诊煤矿安全事故与调度指挥等，从 而为智能化煤矿建设提供支撑。 基于智能化煤矿空间数据标准框架，按照“统 一标准”“统一平台”“统一数据库”“统一可视化管 控”的技术路线，研究 地理信息系统时空数据结 构、数据模型，解决矿井采掘机运通图形数据动态、 协同处理难点问题，实现“一张图”模式的煤矿安全 生产统一业务管控系统，从横向打通矿井内部、从纵 向打通矿井到上级管理部门的信息流，解决智能化 煤矿建设中的数据孤岛、数据时效性差、共享应用困 难等痛点问题，为煤矿智能开采、大数据分析决策等 综合型、智能型应用提供必需的时空支撑。 建设完善的地理信息系统，将矿井各类地理信 息按时空数据模型的组织方式统一存储在空间数据 库中，提供矿山 “一张图”分布式协同一体化平 台，实现“采、掘、机、运、通”及相关的图形数据、属 性数据处理与应用，实现采掘信息实时更新上图，利 用 和建筑信息模型 （ ）三维建模技术，以三维透明化矿山的形式 实现主要采掘设备与地质环境信息的综合集成、三 维应急演练多人协同交互等应用，实现地理信息、工 程信息的高精度建模与有效融合，并基于 与 技术实现设备的全生命周期管理，为矿井其他 应用系统提供精准的资源视图。 ）研发应用智能钻探、智能物探、智能遥感探 测等探测技术，对矿井地质信息进行智能探测、自动 数据采集与自动分类处理，实现矿井不同种类地质 数据的智能获取、智能分类与智能存储，构建矿井地 理信息四维时空数据库，为实现地质数据的统一分 析与调用奠定基础。 ）进行地质数据与工程数据的关联分析与融合， 构建矿井的四维时空地理信息服务引擎，建立矿井三 维地质模型、采煤工作面与掘进工作面高精度三维地 质模型，为其他各个应用系统提供地质模型服务。 ）将 与 进行有效融合形成 矿井 时空“一张图”，对矿井空间对象数据、业务属性数 据以及安全生产实时数据、历史数据等进行综合集 成，建设矿井 分布式协同系统，为其他各系统 提供地质数据与工程数据服务。 薄煤层硬煤大功率高效智能化开采成 套技术与装备 晋陕蒙地区煤层埋深普遍较浅、近水平，赋存条 件相对简单，易于应用自动化成套装备；但煤层硬度 普遍较高，必须采用大功率、高可靠性设备开采。 陕北区有 层可采煤层，其中 以下薄煤层资 源约占总储量的 ，硬度 。 为充分采出资 源、保障煤矿正常生产接续及可持续发展，需将薄煤 层与其他近距离煤层联合开采。 由于薄煤层空间有 限，煤机功率受到限制，现有薄煤层装备在坚硬煤层 中无法达到厚煤层中的开采速度，不能满足矿区协 调开采和生产接续的需要。 因而很多薄煤层资源不 得不弃采，造成了巨大的资源浪费。 浅埋深 坚硬薄煤层大功率高效智能化开采成套技术与装备攻 克了高速截割长壁开采工艺、高能积比柔性配套系统、 大功率半悬机身采煤机及电缆自动拖拽装置、截割线 预测生成方法等关键核心技术，解决了低效开采工艺、 功率空间约束及无人干预控制的“卡脖子”难题，实现 了 薄煤层的安全高效开采，有效支撑了晋陕蒙大 型煤炭基地的科学、合理、协调开发。 ）创新了工作面设备高能积比时空协同及端 头大落差柔性配套系统，发明了一种薄和中厚煤层 高速截割长壁开采方法。 工作面能积比（采煤机 装机功率 液压支架断面面积）达到 （为常规薄 煤层工作面 倍以上）；端头采用大落差下卧式布 置，配套高度柔性调节控制系统，无过渡支架，适应 工作面与巷道 以上大落差及其动态变化需 求，解决了机头、机尾设备布置难题，实现了机头、机 尾自动化割“三角煤”，如图 所示。 图 薄煤层成套装备及端头大落差柔性配套系统 上述工艺创新实现了薄煤层全工作面整体平行 布置、装备高差变化自适应和快速截割“三角煤”工 艺，解决了薄煤层快速推进开采生产配套难题，整体 生产效率提高了 以上，满足了矿区协调开采、 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 王国法煤矿智能化最新技术进展与问题探讨 年第 期 生产接续需求。 ）创新研发了高速、高可靠、高适应性薄煤层 开采成套装备及多机、全工艺流程自主协同运行技 术。 包括半悬机身、全悬截割部结构采煤机，有效 解决了机面高度、过煤空间和装机功率之间的矛盾， 滚筒装载率提高到 以上，如图 所示；高刚 度快速移动液压支架支护高度 ，工作阻 力 ；高强度、重叠侧卸机头与反卧式自动伸 缩机尾的刮板输送机，采用 型超扁平 链。 创新研发出采煤机电缆自动拖拽装置，使电 缆始终保持拉紧状态，避免多次折弯而损坏，如图 所示。 图 半悬机身、全悬截割部结构薄煤层采煤机 ， 图 采煤机自动拖缆装置 上述技术创新实现了薄煤层煤机装备的高 速、高适应性、高可靠性运行，采煤机截割滚筒装 载率提高了 以上，支架抗冲击能力提升了 ，刮板输送机功率是原来的 倍，有效解决 了薄煤层开采空间与煤机装备功率体积矛盾的 难题。 ）构建了基于地质建模、图像识别和路径规 划决策控制的坚硬薄煤层“预测修正执行”智 能化开采技术路径。 基于动态更新的三维地质模 型发明了回采工作面智能开采预测截割线生成方 法及装置，实现截割路径自主规划；基于图像煤岩 识别、工作面惯导系统，实现沿顶割底的煤层跟随 性开采；通过全工作面跟机移架及基于煤流平衡 的“三机”协同联动，实现工作面内无人操作，如图 所示。 研发的技术及装备实现了陕北侏罗纪 浅埋深、坚硬薄煤层安全高效开采，生产效 率提高了 ，实现了工作面内无人操作，年生产 能力达到 。 保证了煤层群联合开采时上、下煤 层的空间关系，实现了矿区协调开采，如图 所示。 “掘锚一体机锚运破大跨距转载”远程控 制智能快速掘进系统成套技术与装备 张家峁煤矿位于陕北侏罗纪煤田，条件相 对较好，支护简单，易于实现快速掘进。 基于装 备成套化、监测数字化和控制自动化的“ 三化” 发展理念， 提 出 “ 掘 锚 一 体 机 锚 杆 转 载 机 组 （锚运破） 双跨过渡运输” “ 三机” 集约化配套 模式，攻克了掘锚机组高精度自主导航技术，建 立基于 系统的掘进工作面“ 透明化” 地质环 境，开发掘进作业装备数字化孪生驱动模型和 三维可视化远程集控平台，实现掘进工作面“ 全 息” 感知与场景再现，达到人机协同智能掘进 模式 。 为保障连续可靠掘进，掘锚一体机采用 机型，其高可靠性及掘锚并行作业能力，保证了 快速连续截割，单循环时间降到 以内；锚杆 转载机组起到煤流转运、大块破碎和锚杆（索）支护 的多重作用，也称为锚运破一体机，配套 个顶锚， 个帮锚钻臂，