张东海
鄂尔多斯市国源矿业开发有限责任公司 内蒙古鄂尔多斯 010300
摘要：智能化时代背景下，智能化技术的应用愈来愈广泛，将智能化技术和煤矿开采相结合，有助于创新煤矿开采方式，提高煤矿开采质量和效率。基于此，本文首先就煤矿智能化开采的需求以及智能化开采关键技术进行详细探究，希望能从理论层面进一步完善煤矿智能化开采技术，提高其在煤矿开采中的推广应用。
关键词：煤矿；智能化；开采；关键；核心技术
1 发展煤矿智能化开采技术的重要性
1.1 是产业发展的必然需求
最近几年，根据全球发展状态来看，能源革命在向纵深发展的同时，也加快了横向发展步伐，能源形式、种类更加丰富，核能、风能、水电、光伏产业发展速度加快，这些清洁能源消费比例在快速上升。但是对于我国而言，煤炭资源在能源结构中的主导地位仍未改变。根据国家“十四五”规划，2060年以前，煤炭仍将是我国能源结构的主力军。为推动传统煤炭产业现代化转型升级，适应新时代发展要求，推行采矿技术革新，加快推动煤矿智能化建设势在必行。
1.2 有利于提高煤矿资源的开采效率
发展智能化开采技术，能够推动采矿业由传统劳动密集型向现代化、智能化、综合集成化发展，有利于煤矿开采规模化的实现，对于煤炭产业实现资源整合，提高开采效率具有非常重要的意义。
1.3 有利于改善产业现状，保证一线生产作业人员生命安全
我国煤炭开采多以井工开采方式为主，许多煤矿内部条件复杂，存在着地下水、瓦斯、煤尘、顶板等诸多自然灾害因素，这些问题不仅影响着煤矿开采的效率，也严重威胁着煤矿工人的生命安全。近年来，随着煤矿开采装备水平的提升和开采技术的深入发展，我国煤矿行业纷纷提出了“少人则安、无人则安”的理念。因此，推动煤矿机械化换人、自动化减人，探索研究智能化开采技术装备已经成为行业发展的必然趋势。目前，我国部分煤矿已经初步实现智能化开采，就龙王沟煤矿而言，智能化模式下采煤工作面生产作业人员数量减幅达到50%以上，在保证开采效率和质量的同时，更多的作业人员从相对危险的采掘作业面解放出来，煤矿开产的安全性能得到进一步提升。
2 实现煤矿智能化开采的关键技术
2.1 开采装备需要具备精确的定位和导航功能
在当前的井工煤矿开采过程中，一般通过GIS地理信息系统导航功能来实现设备定位和导航，但是受限于井下空间和煤岩特性，该技术在实际应用中还存在许多问题。比如井下复杂磁场干扰、煤炭吸附作用下电磁波等无线信号衰减等，导致设备通讯受限、定位不准，加上我国核心芯片的研发与制作技术不够成熟，设备的稳定性和可靠性较低，井下5G高速无线通信技术还未取得突破，采掘设备无法实现精确定位与精准导航，设备执行自动化动作指令时存在较大偏差，如动作延时、动作不到位甚至误动作等情况时有发生，更无法实现更高级的自主避障和自适应巡航功能。特别是对于掘进工作面而言，掘进机还无法实现精确制导，设备自动化程序不够完善，辅助无人驾驶系统还未开发成熟，自动化模式下，无法实现快速、准确、高效率的人机交互和辅助干预。这些问题均需要研究人员进行更深层次的技术分析探索。
2.2 智能探测技术
（1）煤岩分界技术。煤岩分界技术主要是借助单天线等装置发送和接收信号。无线信号在煤矿井下空气中传播时，遇到煤岩层会出现信号减弱现象，甚至信号会直接返回到发射区域。系统能够根据收到的反射波频率、波长等判断煤、岩层界面，实现煤岩识别和分界，然而反射波的频率、波长等会受到发射波、煤岩体、粉尘、采掘设备等诸多因素的干扰和影响，进而严重影响煤岩识别和层位划分的准确性。
（2）超前探测技术。该技术在煤矿井下使用较为成熟，精度较高，但往往需要超前实施探测工程，并且系统和数据相对独立，需要和智能采掘控制系统进行深度融合。
（3）放顶煤工作面煤矸放落自动识别技术。该技术实际上是利用飞秒脉冲产生的电场来对矿层的物质结构进行分析和鉴定。但是在实际操作中，受工作面支架尾梁摆动、煤矸垮落冲击、煤流运动、粉尘、放煤喷雾、信号发射与反馈时间限制等因素干扰，该技术仍然面临诸多难题，短期内无法成功用于实践。
2.3 井下数据综合分析技术
煤矿开采实现智慧化的前提条件是数字化和设备智能化控制。首先，工控平台需要接入井下各系统、各环节，包括四维地理信息、设备运行参数等在内的所有数据，然后从海量数据中快速提取关键数据进行数字建模和精准综合分析。因此数据分析是煤矿实现智能化开采和智慧决策的关键。只有保障数据分析的质量，才能帮助煤矿实现科学精准决策、智慧开采。分析认为，井下数据综合分析技术的主要突破点在于以下3个方面：
（1）海量数据获取和实时传输
煤矿实现智能化的基本前提是将采掘现场情况精准数字化。在智能化煤矿生产过程中，系统会产生海量的数据信息，如采掘工作面四维地理信息、作业现场环境信息、设备运行参数信息等。从当前煤矿智能化工作面建设经验看，海量数据获取主要采取的手段是人工录入配合装备升级，加配各类通讯传感器。
目前国内外传感器性能相对单一，还未实现综合集成化，而相对复杂的扫描识别技术和视频识别技术仍不成熟，存在明显的数据失真问题，并且视频传输数据量大，海量数据的获取受限于传感器的布置和传感装置的稳定性和可靠性，海量数据的实时传输则受限于井下通讯技术和装备。因此，末端综合集成型传感装置技术研发和5G甚至6G高质量通讯技术和装备研发是推动煤矿快速实现高效智能化的基础课题。
（2）海量数据精准、快速提取
随着我国采矿业的快速发展，矿山装备制造行业也得以高速发展，呈现出百家争鸣的局面。而现代化煤矿，综合机械化程度高，涉及数以千计的不同企业。各大生产商在产品研发、制作过程中执行的标准各不相同，煤矿装备发展还缺乏更加统一、规范的标准。智慧矿山在数据分析中，逻辑模块需要从诸多传感器中获取煤矿井下的详细数据信息，而出于核心技术产权问题，不同厂家设备的开放性、兼容性不一，致使煤矿在智能化建设中难以实现海量数据的大融合，给数据精准、快速提取带来了一定难度。因此，推进我国智慧矿山体系建设，非常有必要推动采矿装备制造行业产业联盟，构建统一标准，促进系统开放兼容和互联互通。龙王沟煤矿在智慧矿山建设过程中，组建成立了智慧矿山联盟，主要负责沟通协调不同设备厂家，搭建统一综合数据分析和工控平台。笔者认为，联盟模式，可以向国内采矿装备制造行业进行推广。
（3）关键数据组态建模和精准分析
系统进行数据分析的准确性和可靠性，主要依赖于软件工程师所编制的程序和算法。当前采矿装备制造企业特别是软件开发工程人员，缺乏和煤矿企业深层次沟通交流，软件程序的编写往往容易出现偏差，无法达到理想效果。特别是在系统在关键数据组态建模和综合分析方面，数据提取的种类、方向直接影响到分析效果。只有快速、准确提取相应数据，才能做到精准、科学分析。当前的数据分析关键技术还需要突破多种类、多层次、多特征数据信息的分析难点，需要程序语言、AI智能算法等方面结合煤矿生产经验进一步优化，进而提高生产过程中的数据分析效率。
2.4 智慧综合管理关键技术
煤矿智能化开采、智慧矿山建设的核心中枢是多系统、综合集成的智慧化综合管理平台，是一个集系统信息感知、展示和应用的一体化工控平台，包括若干个子系统，以终端智能设备为支撑，系统内置矿区一张图、智能监测、智慧决策等功能模块，通过多需求通讯以及云计算等技术的综合应用，来实现井上下一体化综合智能管控。基于此，王国法院士等专家团队提出了建设智慧煤矿MOS多系统综合管理操作平台的构想。分析认为，实现智慧综合管理的关键技术在于建立一个统一标准，使矿井全部数据实现统一表达、集中储存和标准化管理，使各大子系统包括智能终端设备能够实现数据实时高效互联互通。因此，煤矿及智慧矿山装备研发制造企业、国家相关机构亟需协商构建一个权威的智慧矿山数据管理指标和技术体系。需要各大企业打破技术壁垒，共同推动统一化数据存储、集成化数据综合应用的智慧综合管理平台建设。
3 对于煤矿智能化开采建设的几点解决对策
（1）智能化综采装备研发升级，主动淘汰落后设备，选用更加先进的具备智能决策、控制等功能的新设备，提高设备的自主控制、自主学习能力。
（2）传感、遥感及精准定位装备研发。系统感知是实现智能化开采的基础要素。当前国内外采矿设备的感知元件还相对单一，集成化和可靠性程度有待进一步提升。
（3）井上下高速通讯技术和装备研发。构建智慧矿山，实现智能开采，需要煤矿企业、矿山设备、通讯设备等装备制造业、研究院跨界互动，进行产业深度融合。只有解决了通讯问题，煤矿智能化开采才能更具保障。
（4）现代化智能采煤工艺升级。需要煤矿企业和设备制造企业、软件研发机构深层次沟通交流，进一步完善和优化系统算法，优化采煤工艺，优化控制程序，从而帮助智能化采煤技术实现常态化应用。
（5）加快构建统一标准体系，促进产业融合，
4结语
煤矿智能化开采是煤炭工业产业革新的必然趋势，是国家发展清洁能源战略，推动煤矿安全高效绿色开采的必然要求，是未来采矿业发展的主流方向。在新时代发展背景下，煤炭企业甚至是整个采矿产业链，需要进一步总结经验，积极验收研究和应用新技术，不断提高装备和核心技术水平，充分应用现代化通讯、5G大数据、云计算等技术手段，快速推动数字矿山、智慧矿山建设。这样才能加快推动煤矿企业智慧化转型升级，推动安全高效绿色发展，为我国社会经济发展提供更加有力的能源支持。
参考文献
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