李鑫
中煤天津设计工程有限责任公司矿山科技公司 天津市红桥区 300000
摘要：在国民经济发展的过程中，矿业取得了长足的进步，实现了从传统矿业向智能矿业的转变。传统的矿山开采是以劳动和机械为基础的，当前流行的智能矿山是以信息化和数字化为基础的，实现了自动化开采，大大降低了对矿工的依赖，并逐步向无人化开采方向发展。因此，本文主要分析了智能矿山建设的关键技术，为智能矿山的可持续发展提供了参考。
关键词：智能化矿山；架构体系；智能决策；人工智能
煤矿智能化的技术内涵是在数字化的基础上，实现矿山“人、机、环境”数据的精准适时采集、网络化传输、规范化集成、可视化展现、自动化运行和智能化服务；建立统一的煤矿智能化软件集成控制平台，实现生产全过程一体化智能控制、经营全流程一体化协同管理；建设基于大数据的安全、生产等分析系统，实现煤炭无人（少人）开采与灾害防控一体化的煤矿智能化；实现原煤运输、供电、排水、通风、压风等环节远程智能控制、少人/无人值守。
一、智能化矿山建设的背景
经过多年发展，煤矿开采经历了机械化、单机自动化、综合自动化、综合信息化等阶段，在“中国制造2025”的背景下煤炭行业正式拉开了智能化管理的序幕，迈进中国煤炭工业系统的新时代，煤矿智能化技术发展的时代潮流将深度改变中国煤炭工业的格局。
2020年2月25日，国家发展改革委、国家能源局、应急管理部、国家煤矿安监局、工业和信息化部、财政部、科技部、教育部联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》。明确了煤矿智能化发展的2021年、2025年、2050年阶段性目标。
目前，国家首批71家智能化示范煤矿建设正在加快推进，但仍处于起步和探索实践阶段。2020年12月24日，为贯彻落实《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》（发改能源〔2020〕283号），规范开展智能化煤矿建设管理工作，国家能源局、国家矿山安监局联合印发了《智能化示范煤矿建设管理暂行办法》《煤矿智能化专家库管理暂行办法》的通知（国能综通煤炭﹝2020﹞139号），既是落实“放管服”改革精神、规范管理智能化示范煤矿建设的具体举措，也是促使专家客观公正提出咨询意见、提升行政科学决策水平的有效保障。
二、智能化矿山建设的意义
智能矿山是在企业综合信息化系统建设及智能化应用之后的新型管理模式和组织形态，是先进信息技术、工业技术和管理技术的深度融合。随着智能矿山应用技术的不断发展，煤矿的生产和组织方式将会向“安全、高效、绿色、智能”的方向发展，通过信息技术、工业技术和企业管理技术的深度融合，建立最有效的生产、经营、管理系统及模式，逐步具备“自分析、自诊断、自趋优、自管理、自恢复、自学习、自适应、自组织、自提升”的能力，进一步提高效率，降低成本，实现管理最佳、效益最优、风险可控，使企业更安全、更高效、更环保、更智能。
三、智能化矿山建设架构
根据煤矿智能化建设的总体目标，结合现代化智能化煤矿的“五个层次”框架，将涉及煤矿信息化、智能化的系统模块进行框架性划分，各系统模块间相互关联，有序支撑，整体架构如下图：
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1、感知控制层
感知控制层既是智能化矿山的基础和数据来源，也是最终执行机构。通过智能传感设备、控制单元将矿井现场设备运行情况、环境情况、语音通信等信息集中采集，综合处理并给出相应反馈。设备感知层包括智能设备感知、智能环境感知和智能生产指挥信息交互系统。
智能控制包含智能综采工作面、主运输监控系统、排水监控系统、通风机监控系统、压风监控系统、煤矿电力监控系统、生活污水处理监控系统、井下水处理监控系统、生活、消防泵监控系统、灌浆监控、制氮监控系统等；
智能环境感知包含安全监控、无线通信、人员精确定位、矿山压力监控系统、水文监测系统、分布式光纤测温系统、防灭火束管监测、设备安全与可靠性管理系统等；
生产指挥交互包含工业电视、产量监测、行政通信、调度通信、矿灯房智能管理系统等。
2、物联互通层
采用物联网技术，搭建矿井的管理网络、工业网络及无线网络，作为各类数据传输的高速公路，将矿井各类信息进行横向和纵向连接，实现矿山从底层到顶层的互联互通。
3、数据中心
数据中心向感知控制层提供统一标准、统一接口，向运营管控、数据分析层提供基础数据服务，同时为上层管控平台提供基于工业互联网的组态、GIS、数据分析、视频分析等功能模块调用支持，在整个智能化矿山体系里面承上启下，是矿山智能化的数据核心。数据中心按云计算架构建设，所有设备满足在云环境下运行的要求，提升资源的利用率和稳定可靠性。
4、运营管控层
搭建智能矿山管控一体化平台，实现数据的一体化综合集成、应用及联动报警。建立覆盖全矿井安全、生产、监控、管理的智能管控平台，对上述信息进行监测、管控、融合、综合分析以及共享，实现数据的一体化综合集成、安全联动预案机制应用，为用户和社会带来持续的生产和安全效益。
5、数据分析层
利用大数据及云计算技术进行计算、处理、挖掘和预警，实现地面与井下、矿区与远程信息的交互和无缝连接，基于云计算平台以及决策支持系统，实现矿井的智能化和管理，包括：基于大数据可视化分析系统、基于大数据分析的安全决策分析系统、生产决策分析系统、经营决策分析系统、重大危险源预警预测系统等。
四、智能化矿山建设目标
1、主要生产系统实现远程操控下的自动化运行
主运输、排水、通风、压风、供配电等系统实现远程集中控制，减少值班人员。能实现领导及相关管理人员在任何时间和地点通过网络用标准化的、统一的图形界面了解企业的安全生产情况(包括工控实时信息)。
2、矿井安全保障水平得到大幅提升
通过建设先进的安全监控系统、工业电视系统、无线通信、应急广播、矿山压力监测等系统，使矿井安全生产得到保障。
3、矿井智能化管控水平得到提升
通过深度开发建设矿井的“智能化中枢”，即矿井智能管控系统，使矿井真正具备智能化功能。借助本矿井计算中心强大的分析计算能力，对矿井生产、安全、经营作出决策分析，为煤矿管理者的精准决策提供强大支撑。
4、矿井效益得到提升
实现综合监控集成化、过程控制自动化、数据信息网络化、安全管理信息化、生产管理和决策科学化，使信息与业务之间完全融合、达到提高资源的综合利用率，减低生产成本，实现利润最大化的目的。
五、智能化矿山建设难点分析
1、高效采掘条件下地质异常动态精准探测，当前采用的地质保障技术方法、数据存储方式难以为智能化提供基础数据。
2、“透明地质模型”构建与实时更新技术，目前缺乏一种行之有效的对工作面内部情况进行精准探查的手段。
3、5G技术在煤矿的推广应用还存在一些亟待解决问题：①适应煤矿井下安全运行要求的5G设备和工业模组还有待进一步研发。②5G场景设计和落地问题等。
4、矿用带式输送机巡检机器人研制，针对目前的矿用巡检机器人仅实现巡检现场图像、声音、温度、环境参数等数据的采集，不具备带式输送机带面损坏、托辊异常自动辨识功能。
5、煤与瓦斯突出等煤岩瓦斯动力灾害的发生机理和致灾机理目前尚未真正掌握。
6、井巷全断面风速监测技术误差大、井巷绝对风压测试误差大、井巷通风阻力测试误差大和测试速度慢。
六、结束语
智能化矿山是基于物联网、云 计 算、大数据、人工智能等技术，集成各类传感器、自动控制器、传输网络、组件式软件等，形成一套智慧体系，能够主动感知、自动分析，依据深度学习的知识库，形成最优决策模型并对各环节实施自动调控，实现设计、生产、运营管理等环节安全、高效、经济、绿色的矿山。