“煤矿智能化关键技术”专题（《煤炭学报》）

来源：《煤炭学报》2020年第6期

煤炭是人类生存的主要能源物质，在2019年的一次能源消费中，我国煤炭能源占比57.7%，世界煤炭能源占比约27%。在相当一段时期，我国仍要依靠煤炭能源作为经济社会发展的“工业粮食”，但其生产方式和利用将发生重大转变，必须走“智能安全开采，清洁高效利用”的高质量煤炭工业发展之路。

当前，煤矿智能化开采技术研发与应用积极性之高、各界行动响应之快、成果涌现数量之多、实践探索范围之大，在我国煤炭工业创新发展历史上是少有的。为了展示目前我国煤矿生产智能化技术成果，《煤炭学报》汇集了这期专题论文，征集各方面在煤矿智能化技术创新与应用的成果和经验。

在征文通知发出之后，广大作者投稿十分踊跃，展现出对本期专题的广泛关注，但受限于期刊版面，本期只能刊出36篇论文。在这36篇论文中，涉及到智能化架构论文4篇（占比11.1%），智能化生产论文17篇（占比47.2%，开采5篇、掘进4篇、支护3篇、运输5篇），智能化安全控制论文15篇（41.6%，煤矿机器人6篇、安全监测9篇）。在此，向为本期专题奉献佳作的论文作者表示感谢！

煤矿智能化技术发展不是一蹴而就的，它是站在机械化、数字化、自动化的扎实基础之上，这其中凝聚着几代煤炭人的辛勤奉献，向他们致敬！它是依靠绿色开采、安全开采、科学开采、精准开采的理论模型支撑，这其中凝聚着煤炭行业院士、学者的智慧结晶，向他们学习！它是融合机器人、人工智能、大数据、工业互联网等技术架构，这其中召唤着青年一代科技工作者的创新攻关，为他们加油！

行业视野: 智能化
类别; 164个
关键词; 178位
专家; 40篇
论文; 78518IP
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矿井通风智能化理论与技术

作者(Author)：卢新明, 尹红

摘要：矿井通风系统是矿井的呼吸系统,它源源不断地将地面新鲜空气输送到井下各作业地点,稀释和排除井下各种有毒、有害的气体和矿尘,也是防治煤与瓦斯爆炸、降温、除尘、灭火的重要技术手段。实现矿井通风智能化是实现智能开采、建设智慧矿山的主要技术保障。通风智能化不仅涉及到空间科学、采矿技术和流体力学理论,更需要数学、自动化、计算机和信息科学的底层支持,由于缺乏完善的理论和技术支撑,长期以来矿井通风作业都停留在人工和半人工状态。为了彻底解决矿井通风智能化,本文从风网的拓扑结构和状态方程入手,逐一对自然分风算法、按需分风计算和风阻调节优化等理论疑点进行了深入讨论,对按需调风优化、均压调节优化、风向调节优化、联合调节优化、在线闭环调控、监控点优化布局、通风系统状态估计、需风量超前预测、反风风道识别、可靠性调节优化、通风系统初始化、通风系统故障诊断、智能调控风门风窗、通风智能化软件系统等关键技术进行了深入研究。针对这些问题,给出理论上比较完善的、技术上比较可行的、能够付诸实施的解决方案,最后,以计算机软件技术为主线,设计了 4 层体系架构,并定义了每层架构的技术内涵和主要功能模块,简要说明了应用场景,为打造全程智能化的矿井通风系统提供借鉴。

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冲击矿压风险智能判识与监测预警云平台

作者(Author)：窦林名, 王盛川, 巩思园, 蔡武, 李小林

摘要：针对制约煤矿安全高效生产愈发严重的冲击矿压问题,为提高冲击矿压监测预警的准确性及针对性,紧跟监测预警技术朝着区域化、连续在线化、智能网络化的发展趋势,基于 GIS 技术、云技术、采矿地球物理等技术,搭建了集成微震、应力、钻屑等多种监测手段的冲击矿压风险智能判识与多参量监测预警云平台。该平台由硬件、平台支持软件及云技术 3 个部分组成,采集并以标准化格式存储上传至云服务器,利用内嵌于平台的风险判识模式及危险等级预警准则,判定所评价区域危险状态,通过选取冲击变形能、时序集中度、时空扩散性等 13 个监测预警指标并利用 F-score 法对不同冲击危险程度的指标赋予动态权重,根据各指标与震动、应力、能量间的关系,建立了多场多参量综合预警体系,克服了单一监测指标预警效能较低弊端,实现了由点、局部、单参量监测至区域多场多参量综合预警的转变;同时通过监测数据的信息化与防治措施信息化的融合,将现场监测、防治信息通过“一张图”的形式实时预警,在预警冲击危险性的同时指导现场对高危区域加强卸压解危,同时根据解危效果反馈预警信息准确性,做到了监防互馈,该平台在山东古城煤矿等 13 个矿井成功运用。

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煤层底板水害三维监测与智能预警系统研究

作者(Author)：靳德武, 赵春虎, 段建华, 乔伟, 鲁晶津, 李鹏, 周振方, 李德山

摘要：针对华北型煤田煤层底板突水监测点覆盖不全、智能化水平不高等问题，以底板“下三带”理论为基础，提出集多频连续电法充水水源监测、“井-地-孔”联合微震采动底板破坏带监测以及监测大数据智能预警为一体的煤层底板突水三维监测与智能预警技术思路。其中多频连续电法监测系统以伪随机多频序列为人工场源，利用伪随机相关辨识技术提取强噪声背景中的弱信号，采用拟高斯-牛顿法对预处理数据进行三维电阻率反演，实现对煤层底板充水水源变化过程的自动化三维监测;“井-地-孔”联合微震监测系统主要通过研制带推靠的孔中传感器及回收装置，实现微震传感器“井-地-孔”三维立体布署，采用井下有线( IEEE1588)和地面无线(GPS)时钟同步方式解决地面与井下采集设备的时钟同步问题，建立起“井-地-孔”监测数据的实时传输网络，基于偏振分析联合反演的三分量定位算法，实现采动底板破坏深度时空精细定位与实时监测;智能预警系统利用时序大数据挖掘技术与计算机深度学习技术对电法、微震多元时序监测数据进行分析和处理，采用指标预警和模型预警方法对监测数据空间展布和预警级别以三视热力图形式输出，实时显示煤层底板各网格的预警等级，从而形成煤矿底板水害三维监测与智能预警技术体系。最后，以葛泉矿东井 11916 采煤工作面为应用对象，采用多频连续电法监测系统、“井-地-孔”联合微震监测系统，以及基于时空监测数据的智能预警系统对煤层底板岩溶水害进行三维监测与智能预警，为我国华北型煤田煤层底板水害监测预警提供了新的技术与装备支撑。

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天-空-地协同的露天矿边坡智能监测技术及典型应用

作者(Author)：刘善军, 吴立新, 毛亚纯, 贺黎明, 王植, 许志华, 魏恋欢, 杨泽发

摘要：露天开采是我国矿产资源开采的主要形式之一，长期高强度、大规模开采形成了众多高陡边坡，由此带来的边坡失稳及灾害现象十分严重，对其进行有效监测和灾害预警，是边坡治理、安全保障和绿色矿山的关键。由于大型露天矿山地形复杂、观测条件困难、影响因素众多，传统的、单一的监测手段均难以奏效。在讨论智能监测相关概念的基础上，介绍了露天矿边坡智能监测的思想、内容和内涵;指出大型露天矿边坡智能监测的核心是天-空-地多平台多模式协同观测，包括时间协同、空间协同、参数协同和智能分析;介绍了目前大型露天矿边坡智能监测的 7 项关键技术，即导航卫星 GNSS 在线监测技术、雷达卫星InSAR 监测技术、光学卫星高分影像监测技术、无人机与TLS 联合监测技术、地基红外热像监测技术、顾及大气折光的测量机器人监测技术、基于 WiFi 的监测信息多终端显示技术。这些手段不仅要强调监测仪器的先进性、鲁棒性和精度，更要发挥多手段的时空互补性和过程协同性，而稳定可靠的通讯网络、快速自动的数据处理和智能综合的分析模块，是实现矿山滑坡智能监测和智能应急的关键。最后，以辽宁抚顺西露天煤矿特大滑坡、鞍钢鞍千铁矿大型排土场和鞍钢弓长岭铁矿滑坡的天-空-地协同观测为典型案例，介绍了适合不同矿山特点和任务需求的露天矿边坡智能监测技术方案及其取得的实效。

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露天矿边坡稳定性智能评价研究现状、存在问题及对策

作者(Author)：杨天鸿, 王赫, 董鑫, 刘飞跃, 张鹏海, 邓文学

摘要：在收集整理国内外相关资料的基础上，从露天矿边坡稳定性智能感知手段、智能评价预测方法、智能决策技术等方面总结了露天矿边坡稳定性智能评价研究现状，分析露天矿边坡工程的特点，指出当前露天矿边坡稳定性智能评价研究存在的问题，提出“位移时间序列阈值、力学机理分析、案例分析及专家系统诊断”三位一体的边坡稳定性智能评价的学术思路，认为露天矿边坡稳定性智能评价研究发展趋势为:首先，建立边坡灾害案例和多因素多模式智能识别数学模型，采用深度学习和大数据分析方法进行案例类型聚类、要素识别和模式匹配;其次，通过力学机理计算评价，识别隐患区确定滑坡隐患触发因素和条件;然后，基于案例模式匹配结果建立监测预警指标体系和预警阈值，构建案例库知识库和专家系统并实现智能决策;最后以大孤山铁矿西北帮滑坡为例，基于力学计算给出边坡安全系数变化规律，同时结合滑坡案例库的匹配结果，确定现场数据时序曲线指标阈值(位移累积量、位移速率)，从而科学合理的给出预警警情判别结果，通过云平台实现数据分析、现场模型可视化和预警发布及滑坡诊断。该案例初步验证了三位一体边坡稳性智能评价学术思路，为实现露天矿边坡稳定性智能评价提供了有效手段。

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煤矿坚强智能电网建设理论与技术探讨

作者(Author)：刘扬, 刘建功, 王毅颖, 史艳楠

摘要：介绍了国内外智能电网的发展状况，针对中国煤炭企业智能煤矿建设的需求和现在煤矿井下电网存在的问题，提出建设具有煤矿特点和优势的坚强安全、智能控制的“煤矿坚强智能电网”的思路。分析了井下用电负荷集中化的趋势和事故多发的原因，指出了煤矿电网结构、监测和保护、电能质量、信息系统等方面存在的不足;提出“坚强与智能同行，智能和坚强共进”的煤矿智能电网建设理念，给出了煤矿坚强智能电网的拓扑结构。建设煤矿坚强智能电网主要有:用先进材料、先进装备和先进工艺建设主干坚强、科学冗余的坚强电网架构;对电网安全参数和动态运行状况进行连续大数据监测的感知系统、基于深度学习的分析判断智能控制系统和基于 5G 网络的智能电网通信系统，实现煤矿电网的预先感知、智能控制、互联互通。描述了煤矿坚强智能电网的自感知、自强安全、自愈和自储备分布式电源 4 个基本预期优势。利用煤矿得天独厚的优势，建设水蓄能发电和压缩空气蓄能发电为核心的自储备电源。并提出建立我国煤矿智能电网技术体系，研究攻关克服多种技术组合的煤矿电网应用技术，深入研究煤矿智能电网高性能传感技术、高端技术装备和智能控制系统;制定煤矿坚强智能电网的技术标准，并敢为人先，创新实践，加快煤矿坚强智能电网的发展步伐。

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基于物联网的矿山机械设备状态智能感知与诊断

作者(Author)：丁恩杰, 俞啸, 廖玉波, 吴传龙, 陈伟, 郁万里, 王威

摘要：矿山生产机电设备是机械、电气、液压、控制等多形式系统的复杂耦合结构,工作过程中环境和工况条件变化多样,缺乏有效的技术手段解决矿山设备运行健康状态的实时感知问题。借助物联网、工业互联网、人工智能和大数据挖掘技术,研究矿山设备状态知识建模与在线诊断方法,将传统的“人-机”交互监控模式提升为“传感—机器认知—机器决策”的智能化监控模式。分析了基于物联网的矿山设备状态感知系统架构,定义了多源信息感知层、边缘智能层、大数据分析层和数据与知识共享迁移层的 4 个层次的作用,提出了设备状态知识共享与迁移模式;结合本体语义、置信规则库和数字孪生技术,设计了面向矿山机械设备系统状态知识建模的信息描述、知识表示、决策融合方法,提出了面向矿山设备运行全过程的实时感知、演化分析与智能交互的“虚实融合”感知模型,实现虚、实系统运行过程的“精准映射、信息对偶、融合交互、协同演进”。分析了数据驱动的矿山机械设备状态诊断方法研究现状、技术架构、存在问题和研究趋势,提出结合数字孪生、深度学习、迁移学习等方法,构建机理模型、经验知识与数据深层特征相融合的矿山设备状态诊断模式,研究矿山设备状态大数据分析与应用技术,研发矿山设备状态诊断与全生命周期管理等智能化应用服务系统。形成了矿山设备运行信息感知、知识建模与状态在线判识方法体系,以实现矿山机械设备故障状态自诊断、早期隐患预知维护、智能调度与协同管控,为矿山生产智能化、无人化提供技术支撑。

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煤矿智能化安全保障体系及关键技术

作者(Author)：李爽, 薛广哲, 方新秋, 杨奇峰, 贺超, 韩世锋 , 康钰晴

摘要：煤矿智能化是新时代煤炭行业发展的必经之路，是支撑我国未来煤炭行业生产方式转型的核心技术支撑。鉴于煤炭生产的风险客观存在性，智能化条件下的煤矿安全保障体系应适应于煤矿的智能化水平。系统论述了煤矿智能化安全保障体系的定义、内涵及技术特点，指出了其核心在于精准的地测感知、全面的数据平台、实时的风险评估和智慧的灾害处置，形成数字式、一站式、智能式的煤矿风险辨识、预警、处理闭环。介绍了煤矿智能化安全保障体系在感知层面、风险层面、设备层面和管理层面的架构，提出了包涵煤矿精准的全维感知、精确的煤矿风险识别预警、技术密集型的煤矿安全管理理念和智慧化的自检自修设备系统 4 项技术内涵。首先，在实现技术层面，阐述了需重点解决的以透明地质保障技术为基础，以煤矿大数据共享平台为载体，以煤矿重大风险评估预警技术为核心的关键技术体系，并初步给出了解决路径。然后，论述了系统软件平台的系统架构和核心技术，其要旨是实现系统数据“集成化”、要素展现“可视化”、风险评估“智能化”、操作软件“平台化”。最后，开发了面向煤矿智能化安全保障的煤矿智慧安全管控平台系统，实现了煤矿综合可视化操作平台、煤矿大数据分析平台、煤矿安全风险智能评估、多系统联动控制和移动可持式终端展示功能，为建设完整的煤矿智能化安全保障体系探索了一条可行的技术路径。

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