“智能化煤矿建设关键技术”专题（《煤炭科学技术》）

来源：《煤炭科学技术》2020年第7期

2020年3月2日，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》，文件的发布实施对于加快推进智能化煤矿建设，构建智能+绿色煤炭工业新体系，实现煤炭资源的智能、安全、高效、绿色开发与低碳、清洁、高效利用，促进煤炭工业高质量发展具有重要意义。

为促进煤矿智能化技术成果交流与理论实践进步，推进我国煤矿智能化建设进程，进一步发挥《煤炭科学技术》的学术交流平台和桥梁纽带作用，组织策划了“智能化煤矿建设关键技术专题"，组约国内煤矿智能化技术研究与应用领域的专家、学者撰稿，报道了煤矿智能化技术体系研究与工程应用、智能化煤矿顶层架构设计、智能化煤矿建设路线、智能开采关键技术、5G关键技术、煤矿机器人技术等方面的研究与工程应用进展。本次专题收稿145篇，录用稿件49篇，限于版面，2020年第7期刊登28篇论文，其余稿件将择期在机电与智能化栏目中刊登。

在此衷心感谢各位专家为此专题撰稿，特别感谢《煤炭科学技术》杂志主编王国法院士、中国矿业大学校长葛世荣教授在专题策划、组稿方面给予的大力支持，同时感谢中国煤炭科工集团、中国矿业大学(北京)、陕西煤业化工集团、神东煤炭集团、兖矿集团、同煤集团、平煤集团、郑州煤矿机械集团、陕西延长石油集团等对专题给予的关注与支持!

为了保证专题论文的时效性，《煤炭科学技术》编辑部已将专题论文进行网络首发，点击如下链接可免费下载全文。

行业视野: 智能化
类别; 133个
关键词; 122位
专家; 33篇
论文; 45434IP
点击量; 65124次
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综采工作面智能开采关键技术实践

作者(Author)：罗开成, 常亚军, 高有进

摘要：目前国内智能化开采技术与装备迎来了重要的历史发展机遇期，国内已累计建成200百多个以“可视化远程干预智能化开采技术”为主的自动化工作面。通过分析智能开采应用现状，指出由于煤矿工作面开采条件的多样性与复杂性，智能开采发展必然是分阶段、逐步实现，同时智能开采常态化应用受限于综采装备与控制元件等基础可靠性的提高及从业人员素质与能力的提高，因此智能开采发展与应用是一个长期的过程；基于现阶段国内自动化工作面的应用技术现状，从系统感知技术能力与特征的角度将智能开采发展阶段划划分为4个阶段，并指出现阶段国内总体应用水平还处于智能开采的初级阶段，部分矿井正在试验第二、三阶段的关键技术，离智能开采技术的理想目标还有很长的路要走。并围绕智能开采第二阶段的关键技术，重点阐述了基于装备主体结构件机械模型的液压支架与采煤机姿态感知技术、基于国产惯性组合导航装置的刮板输送机弯曲度检测技术、采煤机行走轨迹、开采刀识别以及工作面自动校直等技术原理与实践情况。通过工业性实践验证了液压支架与采煤机姿态感知技术以及工作面矫直方法等理论与工程的可行性，为工作面的液压支架防倾斜、防咬架、快速移架，截割面的开采规划与采煤机滚筒姿态调整、煤机干涉预警以及刮板输送机直线度调整等功能的具体实施提供了技术支撑。

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智慧矿山顶层架构设计及其关键技术

作者(Author)：吴群英, 蒋林, 王国法, 叶鸥, 蒋泽军, 董立红, 郭建军, 符立梅, 史晓楠, 习晓, 薜忠新

摘要：智慧矿山建设目标是在工业互联网技术的基础上，能够完成对矿山“人、机、环”数据进行精准化采集、网络化传输、规范化集成，从而实现可视化展现、自动化操作和智能化服务的矿山智慧体。目前，智慧矿山的建设主要以单一的业务逻辑为基础，较少从数据运营、技术服务和业务逻辑等多方面，深入研究智慧矿山的体系架构问题，难以实现通用性和扩展性较强的智慧矿山建设目标。为解决上述问题，基于已有智慧矿山的基本概念及内涵，在对国内外智慧矿山研究现状分析的基础上，首先提出智慧矿山的基本内涵及其建设原则，并引入数据标准化、网络协同化、系统一体化和技术智能化的建设理念。其次，提出智慧矿山顶层架构体系及其关键技术。该顶层架构体系主要包括智慧矿山总体架构、业务逻辑架构、技术架构和数据架构4个部分，从总体设计、业务分析、技术实现和数据流转的不同角度，可以较为综合和全面的构建智慧矿山。之后，探讨和研究了智慧矿山顶层架构体系建设过程中涉及到的智能控制技术、通信网络技术、三维可视化技术、空间信息技术、大数据分析与挖掘技术、物联网技术、机器学习理论方法、媒体智能技术等关键智能技术。最后，在总结智慧矿山顶层架构设计及关键技术内容的基础上，指出了未来智慧矿山建设过程中需要解决的一些关键理论问题及系统设计、优化问题，为不断完善智慧矿山顶层架构的设计和智慧矿山的深入发展明确了研究方向和实现目标。

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煤炭工业互联网及其关键技术

作者(Author)：李首滨

摘要：煤炭工业互联网（Coal Industry Internet，CII)拥有快速、安全、绿色等优点，是煤炭行业向智能化转型的重要支撑。我国煤炭工业互联网尚处在初级阶段，存在技术体系不明晰、信息交互时延高、信息安全保障难等问题。针对以上问题，首先分析了煤炭工业互联网对煤炭行业发展及保障国民经济的重要意义；总结了煤炭工业互联网的国内外研究现状，归纳出国内外研究人员在煤炭工业互联网领域进行的探索及取得的研究成果。根据我国智慧矿山建设实际需求，构建了煤炭工业互联网体系架构，分为设备感知层、IaaS层、PaaS层、SaaS层和云边端协同5个层次，推动形成涵盖煤炭生产、物流、消费等领域的工业生产制造和服务体系；进一步明确煤炭工业互联网信息安全、技术体系、信息传输、生态环境等重点发展领域，指出了我国煤炭工业互联网在上述领域中存在的问题，并总结分析了解决上述问题的发展方向。最后，提出了煤炭工业互联网安全防护、数字矿山基础信息平台、煤炭工业互联网数据中台、矿山中央控制系统、5G+煤炭工业互联网等关键技术及其发展思路，以推动矿山智能化建设，促进煤炭行业高质量发展。

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智能煤矿建设路线与工程实践

作者(Author)：钱建生, 胡青松

摘要：针对我国智能煤矿发展“三步走”战略，指出智能煤矿建设不但包括基础设施、生产监控系统、安全监测系统、生产经营管理系统等系统的建设，更包括基于大数据和人工智能的智能决策系统建设。从工程实践的角度提出了智能煤矿建设“3115”建设路线，煤矿企业可根据自身需求和信息化现状，按照该建设路线有选择、分步骤的进行智能煤矿建设。阐述了“3115”建设路线中的实施方法：通过“3个网络”建设企业管理网、工业网络和通信联络网，它们构成智能煤矿的基础，形成覆盖全矿井的统一传输网络平台；通过“1个平台”构建统一的智能集成控制平台，实现“六全”信息智能；通过“1个系统”建设煤矿大数据及云服务系统，实现数据和模型的统一存储，为智能决策提供数据和算力支持；通过“5个中心”建设数据中心、调度指挥中心、智能控制中心、安全监测中心和生产运营管理中心，为智能煤矿提供业务与决策支撑。以所完成的多个智能煤矿建设为例介绍了“3115”建设路线的工程实践。智能煤矿建设大幅提高了实施企业的生产效率和安全水平，特别是大幅降低了危险岗位和重复性岗位的员工数量，为企业创造了巨大的经济效益和社会效益。

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三维可视化技术在智慧矿山领域的研究进展

作者(Author)：李梅, 姜展, 姜龙飞, 孙振明

摘要：三维可视化系统是智慧矿山建设的空间信息基础支撑平台（4DGIS）的有机组成部分。首先介绍了三维可视化发展历程；其次，结合当前三维可视化技术发展趋势，从三维数据获取与建模、三维软硬件技术、三维专业应用3个层次开展全方位的技术归纳与总结。重点介绍了透明工作面勘探技术及三维建模方法，介绍了三维巷道数据获取的激光LiDAR、全景图像和全景视频、立体视觉和深度相机等新技术，介绍了WebGL、云渲染等前沿网络可视化开发技术，介绍了虚拟现实、增强现实硬件技术进展。在应用方面，剖析了三维可视化系统在矿山领域应用的难点问题，指出一个通用的三维可视化或者三维地理信息系统是远远不够的，三维可视化系统应该从可视化展示局限性，逐渐深入到透明化勘探、智能化采矿设计、智慧通风、安全生产综合管理、工业智能管控、地表环境监测、灾害事故反演、虚拟仿真培训等领域形成各具特色的专题应用。此外，论文还介绍了最新的CityGML、Geo3DML、三维瓦片等国际三维数据标准。

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智能开采透明工作面地质模型梯级优化试验研究

作者(Author)：程建远, 刘文明, 朱梦博, 余北建, 王一, 张泽宇

摘要：煤矿智能开采工艺与装备对于地质条件适应性不足，急需在各种复杂地质条件下构建高精度透明化的煤层地质模型。以山西某地质条件复杂的矿井为例，选择陷落柱、断层、褶曲等较为发育的XY-S工作面，通过利用不同勘查、生产阶段获取的地质数据，递进式构建了设计阶段的黑箱模型、掘进阶段的灰箱模型、回采前的白箱模型和开采中的透明模型；以XY-S工作面7 400 m掘进巷道、1 470 m推采范围的实测数据作为统计依据，对不同模型的地质建模精度进行实证分析。试验结果表明：①煤层底板的建模误差：黑箱模型10~20 m（仅有钻探数据时）、5~10 m（钻探+三维地震），灰箱模型和白箱模型0~5 m，透明模型0~1.0 m；②断层、陷落柱的控制程度：槽波解释的3条落差1.5 m以上断层验证可靠，直径20 m以上陷落柱的解释准确率平均75%，但是槽波探测的陷落柱范围明显偏大、推断的异常区偏多；③煤厚预测误差：主采煤层平均厚度2.70 m，黑箱、灰箱、白箱模型煤厚预测最大误差1.5 m、均方误差0.5 m左右，透明模型的煤厚预测误差小于0.30 m，但是可统计的实证点偏少。按照智能开采工作面地质模型梯级构建的思路，智能开采前白箱模型的建模精度只能满足自适应截割模拟开采的需求，急需研发随采智能探测、孔中地质雷达、视频煤岩识别等新技术新装备，实现工作面高精度三维地质建模，为煤矿智能开采提供可靠的地质保障。

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矿山物联网的泛在特征分析与泛在能力建设

作者(Author)：王海波

摘要：煤矿智能化是推动煤炭行业高质量发展，促进煤炭产业转型升级的核心技术支撑，矿山物联网技术的深入应用是提升煤矿数字化、实现煤矿智能化的重要基础条件。以煤矿监测监控系统为例，从传感技术与设备、子系统建设、信息化集成等方面分析了煤矿数字化建设的现状，提出了矿山物联网实现“万物感知、万物连接、万物智能”所面临的困难，包括：传感设备功耗大、稳定性不高、维护工作量大，标准规范滞后，子系统建设相对封闭、信息化集成应用受限等。结合智慧矿山的整体目标，概括了矿山物联网泛在感知、泛在连接和泛在智能的技术特性；以矿山物联网的泛在特征为主题，分析了感知的必要元素和能力、连接的必要标准和服务、智能的必要层面。以提升矿山物联网的泛在能力、实现煤矿智慧体系为总体目标，对实现大样本感知、互联互通和应用智能等层面所需关键技术的国内外现状进行分析，指出：泛在感知的实现需要通过超低功耗的传感技术、位置服务技术和能量捕获技术的结合，形成无源无线、免标校的感知终端；泛在连接的实现应基于能够与位置服务结合的无线传输方式，应推进标准体系建设、形成D2D的互联和D4D的服务；泛在智能的实现是以泛在感知和泛在连接形成的大样本、多参量信息为基础的终端智能和区域智能。作为一种技术支撑体系，矿山物联网技术的深入应用体现在煤矿各个业务中，需要材料、微电子、机械制造、信息与通信等多种学科的前端整合。

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煤矿智能化连续运输系统关键技术研究

作者(Author)：蒋卫良, 王兴茹, 刘冰

摘要：针对煤流系统存在逆煤流启车及始终全速的非最优运行状态，造成电能无效消耗及煤流系统传动部件无效磨损的现状，为提高煤流系统的运行效率，提出了煤流系统智能化调速无人化系统运行关键技术，主要涉及4个方面：煤量检测技术、智能控制策略、智能监控预警和煤流系统大数据远程监控云平台。煤量检测技术通过视频图像分析处理，检测出煤流输送线上煤料的宽度、截面积或体积，从而计算出瞬时煤量，作为煤流系统智能化调速的数据来源。智能控制策略通过改进煤流系统控制和运行工艺，即顺逆煤流自适应启动控制、煤量自适应调速和多级设备协同控制，提高煤流系统的运行效率和智能化水平，节能降耗，延长设备使用寿命。巡检机器人，搭载高清摄像装置、热成像仪及多种有害气体传感器，可执行煤流系统井下巡检任务，取代人工巡检，实现智能监控预警。煤流系统大数据远程监控云平台通过对煤流系统运行状态数据的采集、存储、分析和展示，解决了煤流系统生产故障排查耗时、滞后等问题，实现了煤流系统生产作业过程的少人化、数据化、远程实时监控。

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