煤炭是我国的主体能源，也是最经济和可清洁高效利用的能源。基于当前世界能源格局和我国资源禀赋以及现实经济社会需求，未来相当长时间内，煤炭仍将在世界能源结构中占较大比例，仍将是我国主体能源。在当前第 3 次工业革命与第 4 次工业革命的历史交汇期，应用信息技术、智能制造技术和人工智能技术发展的成果，实现煤炭安全高效绿色开采和清洁高效利用，发展智慧煤矿成为煤炭工业发展的必由之路[1-2]。我国煤炭以井工开采为主，经过多年发展，我国煤炭综采技术装备已从依赖进口到全部国产化。近 10 年来，通过智能化开采技术与装备的创新研发，突破多项关键技术，在薄和较薄煤层智能化综采，大采高和超大采高智能化综采以及特厚煤层综放开采智能化技术与装备方面实现领跑。建成了如黄陵智能化开采示范矿井、兖矿金鸡滩煤矿世界首套 8.2 m 超大采高综采成套技术与装备等标志性成果[3-4]。已建成一批现代化特大型安全高效煤矿，为全面推进智慧煤矿建设和智能化开采发展奠定了基础。围绕智慧煤矿及智能化无人开采的重大技术需求，突破行业共性核心问题，加快智能、安全、高效现代煤炭生产体系建设成为主要目标。
1 智慧煤矿技术架构
做好智慧煤矿顶层设计是保证智慧煤矿建设沿着正确方向的首要条件。智慧煤矿应基于一套标准体系、构建一张全面感知网络、建设一条高速数据传输通道、形成一个大数据应用中心、开发一个业务云服务平台，面向不同业务部门实现按需服务。其总体架构包括 8 大智慧系统: ①地下精准定位导航系统; ②随掘随采精准探测地质信息系统; ③智能快速掘进和采准系统，矿井通风、供排水、主副运智能系统; ④工作面智能开采系统; ⑤危险源智能预警与灾害防控系统; ⑥矿井全工位设备设施健康智能管理系统; ⑦煤矿地面分选运销与生态建设智能系统; ⑧煤矿物联网综合智能管理系统[10]。智慧煤矿总体架构如图 1 所示。
2 智慧煤矿关键核心技术研究方向
煤矿智能化开采和煤矿物联网技术目前已取得了重要进展，已建成一批以工作面智能化开采和数字化信息化管理系统为标志的先进煤矿。但是，由于煤矿开采条件的复杂性和多样性，大多数智能化工作面还远没有达到理想效果，智慧煤矿建设还处于初级起步阶段。目前，需要重点进行以下 5 个方向的攻关研发: ①精准地质信息系统及随掘随采探测技术与装备。②智慧 煤矿物联网技术与装备。 ③巷道智能化快速掘进技术与装备。④智能化无人开采关键技术与装备。⑤煤矿机器人技术及产品研发。
除上述这 5 大核心技术攻关外，还需要不断发展完善上述 8 大智慧系统。
2.1 精准地质信息系统及随掘随采探测技术装备煤矿地质信息是一种随着采掘活动在时间与空间不断发生变化的四维动态信息。精准地质信息作为掘进与开采的基础，是智能化决策的前提条件。因此开发工作面随掘随采探测关键技术及装备，实现地球物理数据和随掘随采数据的自动采集、处理和解释，建立精准四维动态地质-巷道模型，搭建多源、全方位信息透明的矿井 4DGIS 云平台，实现地质、测量及生产动态信息的一张三维电子图管理[14]，是实现智慧煤矿的先决条件。
2.2 智慧煤矿物联网技术与装备环境、设备状态的感知是实现智能决策、控制的先决条件。现有煤矿各类监控系统已实现飞跃式发展，实现了对于煤矿生产关键信息的基本感知。然而不同厂家的产品基于本企业标准生产，其数据接口与平台各异，数据独立进行处理，相互之间缺乏通信与融合，数据孤岛与数据碎片化现象严重，因而难以形成有效的数据分析模型与算法，分析结构也就缺乏准确性，难以指导生产。物联网技术旨在打破数据壁垒，实现设备之间、设备与环境之间、设备与人员之间的数据互联，最终实现万物互联[15-16]。因而，物联网技术与装备是实现智慧煤矿的关键核心技术。
2.3 巷道智能化快速掘进技术与装备作为煤矿生产的重要前端环节，巷道掘进的主要难题是采掘失调。目前综掘支护以单体锚杆钻机为主，钻孔效率低; 工序复杂，锚护时间长; 机载钻机高精度定位困难。锚杆支护时间占巷道掘进时间的 60%，支护人员也占 60%以上。掘进工序及装备分散，辅助装备落后、工艺复杂，掘、锚工序在掘进工作面有限空间交替作业成巷效率低，制约了掘进作业的快速化、机械化、智能化。目前巷道快速掘进亟需解决的关键技术问题包括: 快速支护及掘支平行作业技术; 自主导航与自主连续截割技术; 远程智能管控平台技术; 适应各类条件的高效无人掘进成套装备。
2.4 智能化无人开采关键技术与装备随着智能化无人开采的深入发展，更多的机械化、信息化的短板被补充完善，煤矿井下精准定位导航、图像智能识别、智能化控制等关键核心技术的应用将会越来越成熟。在地质条件日益复杂、生产环境要求日益提高、安全要求日益严格的大趋势下，智能化无人开采的需求将会越来越迫切。
2.5 煤矿机器人煤矿生产系统庞大复杂，作业环境恶劣，靠人工操作机械的方式，无法有效减少井下一线作业人员，实现无人则安。用机器人替代井下作业、安控和应急救援人工作业是建设智慧煤矿的新要求。煤矿作业类机器人属于重载防爆机器人，其他领域尚无可借鉴的技术和产品。煤矿安控和应急救援类机器人属于极端复杂环境机器人，不单要有必备的感知检控功能，还要求有可靠的防爆、运移、导航、避障、路径规划和抗颠覆及自救等功能。因此针对煤矿机器人，以下共性的关键技术成为重点研究方向: ①井下机器人自适应变阻抗; 力跟踪控制方法; ②井下机器人自我状态识别、避障和自主平衡; ③井下长时可靠供电及自主寻径无线快速充电技术; ④井下多机器人联合通信及协同控制平台。
3 智慧煤矿巨系统综合管理系统平台
煤矿生产职能部门众多，矿用设备又千差万别，存在各设备系统数据标准不一致、融合困难、无法联动、网络传输可管可控性差以及缺乏大数据分析手段等问题，无法实现数据的充分利用和智能化管控。因此在上述核心技术研究的基础上，其核心模块必须统一于智慧煤矿综合管理系统软件及操作平台。
4 智慧煤矿与智能化开采发展目标
作为煤炭产业转型升级和技术革命的战略目标，智慧煤矿和智能化开采核心技术的研发已成为采矿行业升级发展的强大推动力。然而，建设智慧煤矿不是简单技术改造就能建成的，其中包含的系列关键技术需要进行不断的探索和攻关，并借助新一代信息技术带来的发展机遇，借助第 4 次工业革命和新技术发展的成果，与煤炭开发技术深度融合，开创绿色、安全、高效的煤矿发展新模式。
5 结 论
1) 智慧煤矿与智能化开采是煤炭工业现代化的必然趋势，做好顶层设计是智慧煤矿与智能化开采健康发展的重要保证基础，坚持正确的原则，科学规划智慧煤矿的总体架构，建立完善的标准体系，是智慧煤矿与智能化开采技术发展的重要保证。 2) 精准地质信息探测，物联网技术与装备，智能化快速掘进技术与装备，无人开采关键技术与装备以及煤矿机器人，是当前智慧煤矿建设中的重点研发方向。 3) 智慧煤矿与智能化开采是一个复杂巨系统，应遵循系统工程理论，开发智慧煤矿巨系统开放的综合管理操作平台，实现感知、分析、决策、管理、开采、运输全生产周期的智慧化一体化管理，从而建成煤矿智能生态体系。 4) 智慧煤矿与智能化开采是一个不断发展的过程，需要不断探索和攻关，逐步解决关键核心技术难题，实现智慧煤矿与智能化开采分阶段发展目标。
参考文献( References) :
[1] 王国法，庞义辉，任怀伟，等.煤炭安全高效综采理论、技术与装备的创新和实践[J].煤炭学报，2018，43( 4) : 903-913. WANG Guofa，PANG Yihui，REN Huaiwei，et al.Coal safe and efficient mining theory，technology and equipment innovation practice[J]. Journal of China Coal Society，2018，43 ( 4) : 903 - 913.
[2] 袁 亮. 煤炭精准开采科学构 想[J]. 煤 炭 学 报，2017，42 ( 1) : 1-7. YUAN Liang. Scientific conception of precision coal mining[J]. Journal of China Coal Society，2017，42( 1) : 1-7.
《智慧煤矿与智能化开采技术的发展方向》来源：《煤炭科学技术》，作者：王国法1，2，3 ，杜毅博1，3
