目前全国煤炭安全生产任务重，招工难的问题日益突出；土地塌陷、生态破坏严重；打造煤矿“绿水青山”的目标任重道远等问题。要改变上述局面，煤矿智能化建设是煤炭行业高质量发展的必然要求，是世界煤炭技术革命的新方向。“十四五”时期以及未来更长一段时期，5G、大数据、人工智能、区块链等先进信息技术将加速对传统产业的融合与渗透，各种能源的比较优势从根本上取决于其技术创新的进展程度，以煤矿智能化为标志的煤炭技术革命、技术创新成为行业发展的核心驱动力，煤炭智能绿色开发与清洁低碳利用是发展主题，煤炭低碳利用技术的颠覆性创新将使煤炭成为最有竞争力的能源和原材料资源。

陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿，核定产能600万吨/年，可采煤层为2号煤层，井田面积184平方公里，地质储量3.59亿吨，可采储量2.81亿吨，矿井采用平硐开拓，单水平开采，分区抽出式通风，综合机械化长壁后退式采煤；主运输采用带式输送机，辅助运输采用无轨胶轮车，煤层自燃倾向性为Ⅱ类，属水文地质类型复杂的高瓦斯矿井。2020年，该矿井被列为国家首批智能化示范煤矿建设名单。

1 黄陵一号煤矿智能化煤矿建设内容

近年来，一号煤矿遵循“健全系统、完善功能、改造升级、确保一流”的总体思路，2021年至2022年投资6.3亿元，累计投资15亿元，组建了11个智能化工作专班，建设了28个子项目，全面提升了矿井智能化水平。

1.1信息基础设施

一号煤矿信息基础建设包含通信网络、数据中心与服务、综合管控平台三大板块。

1.1.1通信网络

通过采用华为、中兴等国产一线品牌自主可控技术与装备全面升级通信网络。矿井主干网络采用冗余环形结构井下、地面分别布设十万兆、万兆、千兆三组环网，形成控制千兆、监测万兆、视频十万兆分链路组网传输模式，实现网络流量及网络拓扑自动生成功能的智能网络管理，全面提升机器视觉、语音识别、高采样频率大体量数据上行带宽；与中兴、联通、智引公司研究建设5G通信技术矿井应用，融合4G、WIFI 形成井上下泛在感知网络全覆盖, 数据传输形成立体式综合性网络架构，综合承载井下语音通信、数据传输、视频监测、人员定位信息等共网传输，不断推动5G+矿山物联系统建设。

1.1.2数据中心与服务

与华为公司合作建成以智能矿井数据中心为主、AI+NOSA数据中心为辅的智能煤矿大数据服务中心，利用超融合设备组成私有云及华为云形成智能矿井混合云，具备非结构化和结构化数据存储能力，结合公司云端形成异地灾备配置功能；数据服务端建设数据中台，形成数据资产管控体系和数据治理系统，通过建立统一标准规范的数据体系，规范主数据、数据索引格式、元数据格式、数据表结构等，完善的数据质量管理组织架构，制定规范的数据质量改善流程，形成数据应用场景的数据质量管理闭环，实现矿井业务过程数字化；通过数据平台沉淀，不断丰富矿井模型和知识库，形成矿井顶层平台应用综合承载。

1.1.3综合管控平台

根据公司“2+2+N”智能化建设整体架构，一号煤矿与龙软公司合作建立煤矿智能化综合管控平台，基于大数据服务中心综合承载，通过统一主数据标准、统一数据接口标准、统一系统入口标准、统一GIS图形标准“四统一”，利用云计算、协同GIS、数字孪生、智能识别、大数据等信息化前沿技术，对煤矿监测、控制、通信等系统的统一管理，实现煤矿地质勘探、巷道掘进、煤炭开采、通风排水、供水供电、安全防控等系统数据融合、分析决策和联动控制；业务系统实现了多部门、多专业、多管理层面的数据集中应用、交互共享和决策支持；融合安全生产、经营管理、生态环保、智慧民生等管理系统，实现全要素集中共享分析、智慧决策，达到矿井从检修模式向生产模式的一键切换，生产全过程协同控制，真正实现“智能化系统、系统智能化”。

1.2地质保障系统

建立矿井地质保障系统，通过无人机遥感影像及倾斜摄影数据，构建矿区地表三维实景模型;开展掘进工作面随掘超前探测，布设阵列式检波传感器，利用深度域绕射扫描偏移叠加成像技术对巷道前方三维地质体解析、超前探查、动态预报；基于GIS地质测量空间数据库，结合安全生产信息管理平台协同管理，利用数字孪生、多源异构数据融合分析构建二三维一体化地质保障系统，对矿井地层、钻孔、地质构造、积水区等地质属性可视化查询，实现井田储量计算、地质数据叠置分析、隐蔽致灾因素预测预警、三维地质剖切绘图及危险源信息查询应用等功能，为矿井安全生产和智能化开采提供业务支撑和决策支持。

1.3掘进系统

基于“掘锚一体机+锚运转载机+智能快速自移机尾”的半煤岩巷道智能快速掘进机器人系统，通过遥控机身装配的双臂钻机对迎头处巷道顶板、侧帮锚杆进行快速机械化支护；锚运转载机可同时进行锚固、受料和原煤转载运输，机身搭载4臂钻机，对帮锚杆、顶锚杆及锚索进行永久支护；智能快速自移机尾自动跟进掘进过程中皮带机不停机连续运输。智能快速掘进机器人系统配备惯性导航、数字式全站仪、激光测距等高精尖传感器，融合应用5G网络、电液控制、自动化控制等技术，实现了实时红外高清视屏监控、数据高速传输、设备状态感知、姿态调整、故障自诊断等功能，达到了自主定位截割、高效协同作业的目标，在地面调度室可对井下所有设备进行一键启动和远程操作，实现了掘、支、运平行作业，全面提高了巷道掘进速度和智能化水平。

1.4采煤系统

在基于记忆截割的智能化开采技术基础上，一号煤矿联合国家煤矿智能化开采技术创新中心及各产、学、研单位，积极探索应用“基于动态地质模型大数据融合迭代规划控制策略的智能开采技术”。该技术通过巷道测量、槽波勘探、瞬变电法等综合探测技术获取工作面煤层地质信息，建立高精度三维地质模型；融合应用隐式迭代、惯性导航和激光雷达等技术实时动态修正模型；大数据智能分析决策中心根据采煤机截深自动对地质模型进行CT切片，形成具有煤层顶底板曲线和生产工艺等信息的规划截割模型；智能控制系统按照模型数据精准控制采煤机、液压支架等开采设备，实现了从传统的记忆截割、远程干预的“智能开采1.0”模式向“三维空间感知”和“自主规划截割”“无人干预”的“智能开采3.0”模式的技术跨越。该项目于2020年9月15日通过中国煤炭工业协会科技成果鉴定，达到国际领先水平。目前该技术已在一号煤矿采煤工作面全面推广应用。

1.5主煤流运输系统

通过建设远程集控系统和主煤流监测系统，实现对井下11部胶带运行数据监测、重点部位视频监控、顺煤流启动、逆煤流停机、智能调速和故障预警等功能；配备巡检机器人系统能够实时采集巡检现场的图像、声音、温度、气体、异物识别等数据，并将数据进行智能筛选、分析，实现设备运行实时监视和故障超前预判、预警等功能；融合应用AI+NOSA智能风险管控系统，在胶带运输机机头、机尾装设电子警戒围栏，对人员跨越皮带、靠近和接近旋转部位等违规行为进行实时语音报警、实时记录和联动停机等功能。

1.6辅助运输系统

建设基于UWB技术的人员精准定位及智能车辆辅助运输系统，实现人员静态0.3米、动态1米，车辆静态0.3m、动态7.3m的高精度定位。智能车辆辅助运输系统深度融合GIS地理信息、AI 违章识别、语音广播等数据，构建车辆调度管理、车辆全生命周期管理、行车安全管理、人员及物料运输管理四大业务模块。车辆运行通过智能车载终端实现了行车导航、手机预约“打车”、全过程语音提醒，超速、防撞、防疲劳预警、路径偏移、闯红灯违章抓拍报警等功能，车辆调度管理系统实现运输车辆、交通状态的实时监测，车辆检修等动态化管理，保障了辅助运输系统的安全、智能、高效运行。

1.7通风与压风系统

建立矿井智能通风系统，安装超声波风速传感器、多环境参数传感器、智能风门、智能风窗等设备设施，实现对井下瓦斯浓度、风压、风速等参数实时监测和分析，实时解算通风网络，给出调风方案，并自动建立通风系统三维动态可视化立体图，自主规划避灾路线。主通风机和局部通风机实现了数据监测、远程控制、一键倒机、不停风切换等功能，有效提高了矿井“一通三防”安全管理与应急处置能力，实现通风系统的无人值守。建设智能压风系统，实现对地面压风机数据监测、远程控制、自动变频调整风量和超限预警等功能。

1.8供电与供排水系统

建设智能供电系统，实现实时监控与电力调度、高压系统防越级跳闸、光纤测温火灾自动监测与预警、智能门禁、电能质量监测、电量与能耗统计分析、故障分析预警等功能。建设智能排水系统，实现了主排水泵远程启停控制、智能抽排和自动匹配、避峰填谷、能耗监测、故障分析预警等功能，同时可与矿井水文监测系统智能联动；建设智能供水系统，实现了水量、水压、水位的智能监测与控制。在变电所、水泵房配备机器人巡检系统，实时采集现场的图像、声音、温度、气体等数据，替代人工自动巡查设备运行状况，实现了“无人值守、无人巡检”的目的。

1.9安全监控系统

建立完善的瓦斯监测系统，实现瓦斯数据的实时在线监测和智能断电等功能；引进ZYWL-4000Y型煤矿用履带式全液压智能钻机，建设智能可视化打钻系统，实现钻机自动上下钻杆、无线遥控操作、一键启动钻机、数据自动记录、智能防卡钻、钻孔轨迹测量和参数采集上传及远程专家故障诊断分析等功能。在地面调度室可对井下钻机进行一键启动和远程操作，全面提升了打钻效率和智能化水平。

建设矿井水文在线监测系统，实时采集地表水文长观孔水位、水温，井下主要出水点、防水闸墙、水泵房、水沟明渠等重点部位水文数据，实现对矿井含水层、涌水点等水文数据的统计分析、预测预警；基于水文地质模型建立矿井水害仿真系统，实现了顶底板突水条件预测、三维导水裂隙带计算与分析、灾害超前预测预报、井下水淹模拟、避灾路线规划、智能排水联动控制及探放水信息化管理等功能，为水害防治和应急救援决策提供依据。

构建矿井火灾智能监测预警系统，融合应用防灭火束管、光纤测温、火灾变量监测等在线监测装置，通过大数据智能分析建立适用于矿井煤自燃分级预警模型，结合工作面推采速度、回采率、采空区气体数据等关键参量，构建采空区“动态三带”判定模型，实现内因火灾分析报警、外因火灾分析报警、煤自燃分级预警、煤自燃防控辅助决策等功能，为矿井火灾防治的有效性和科学性提供依据。

建立顶板灾害防治系统，通过安装顶板离层仪、矿压分机等设备，实现采煤、掘进工作面矿山压力监测数据的实时上传、分析、预测与预警等功能。

建立矿井粉尘灾害防治系统，在井下综采工作面、掘进工作面、主运输系统等主要产尘点安装智能喷雾装置，研发智能喷雾系统，实现粉尘在线监测、智能喷雾降尘、无线遥控、地面远程控制、定时和自适应感知开停喷雾等功能。

创新研发建设煤矿智能安全风险综合一体化防控平台，通过构建涵盖人、机、环、管的科学评价体系，采集、处理安全生产全过程数据，推送、落实岗位作业全流程标准，多层级、分类别实时呈现安全风险动态，达到了分析智能化、状态可视化、预警超前化、管控精准化，有效管控系统风险和岗位风险。

研发应用AI+NOSA智能风险管控系统，将煤矿风险管控的现实“需求”和AI技术“供给”融合匹配，按照AI模型创建规则进行风险辨识，通过智能安全帽、手机APP、声光报警装置、PC端和电子大屏等技术装备，对人的不安全行为、设备的不安全状态、环境的不安全因素、管理上的缺陷等进行24小时不间断监管，实时发出报警提醒现场作业人员，同时将画面第一时间传送至地面集控中心和“四员两长”防爆手机APP上进行留档保存，实现了“智能预警、实时记录、现场制止、联动闭锁”功能，突破了传统单一人工管控风险的格局，开创了人工和AI智能系统双重管控风险的先河。《AI赋能下NOSA风险管理在煤矿的探索与实践》荣获2021年煤炭企业管理创新成果一等奖；黄陵矿业安全生产管理体系企业标准已列入国家能源局2021年行业标准制订计划，为全国煤矿安全管理贡献了重要标准。

1.10智能化园区与经营管理系统

2020年以来，一号煤矿对调度指挥中心进行多次优化升级，不断融合智能子系统，按照主调、分控布局形成矿井智能调度指挥控制“一张网”；结合智能综合管控平台，建设智能调度坐席系统，形成综合决策、智能采掘、安全管理、灾害防治、智能巡检、园区安防等个9功能区，集智能化指挥、调度、管控、办公、培训、展示等功能为一体，实现对井上下各系统的统一协调管控。

完善了智慧路灯、智能安防、智慧灌溉，增加了矿区LED大屏；二是建设智能化会议室，实现会议预约、无纸化会议等功能；三是为职工配备了智能单兵装备（智能矿帽），完善了矿工健康管理体系，实现了矿工入井生命信息实时监测；四是通过集团西煤云仓平台实现了智能仓储管理；五是通过综合管控平台实现智能信息发布及个人移动终端管理，实现工业设施保障系统的智能决策和数据共享。

以“三网一平台”（即安全生产网、经营销售网、物流供应网及安全生产信息共享平台）、OA办公系统、财务系统、人力资源管理系统、岗位价值核算等智能系统融合一体化集成，依托数据中心，打通管理孤岛、数据孤岛，构建了覆盖管理决策、财务、生产、人力、物资、机电、计划预算、调度、项目管理等领域的智能化经营管理平台，实现经营数据、生产数据、绩效数据、管理分析数据等实时展现，为经营决策提供参考、经营管理提供依据、生产提供数据、绩效提供指导。

2 智能化矿井建设实施效果

1.1随着矿井在智能领域的不断探索与实践，“智能矿井、智慧矿区”建设成果全面惠及安全、生产、经营、管理等各个方面，实现了“一减一增两提升”的目标。

减人：通过研发智能化采掘系统技术、应用巡检机器人等，每天可减少岗位用工202人，实现了“少人则安、无人则安”。

增安：创新研发建设AI+NOSA智能风险管控系统和智能风险综合一体化防控平台，以智能化手段确保风险“可控、在控”，防止风险向隐患、事故演变，破解煤矿安全管理的痛点、难点和堵点，增强了安全保障能力。

提效：综采工作面人工工效平均达到141吨/工，掘进工作面综合单进水平由350米提高到650米，全员工效由11.32吨提升至18.55吨，生产效率提升30％，每年可多生产煤炭90万吨，产生直接经济效益近7亿元。

提升可持续发展能力：为灾害治理和生态修复提供了空间与时间保障，形成了“安全、高效、绿色、智能”的可持续发展格局。

1.2建设亮点

核心技术自主化

在“智能矿井、智慧矿区”建设推进过程中，先后申报专利67项，完成五小创新成果309项、科技项目20余项，攻克井下各类技术难题1108个，12项达到国际领先、5项达到国内领先水平。

综合效益多元化

通过“基于动态地质模型大数据融合迭代规划控制策略的智能开采技术+110工法+沿空留巷尾巷搬运机器人系统”深度融合，1009综采工作面沿空留巷可多回收煤炭资源25.14万吨；研发应用半煤岩巷道智能快速掘进机器人系统，巷道月最高掘进进尺达650米；实施智能可视化打钻系统，打钻效率提升30%以上；建设智能装车系统，单车装运时间缩短至2分钟，效率提高54%。

综合决策智能化

建设智能管控云平台，采用云计算、协同GIS、数字孪生、智能识别、大数据等先进技术，对矿井安全生产、经营管理、生态环保、智慧民生等管理全要素进行集中共享分析、智慧决策，全面构建了数字孪生体，打造了“可视、可控、可算”的智慧云大脑，首创矿井的远程智能巡检和矿井检修模式到生产模式的一键切换，并将所有的智能化子系统全部接入该平台，实现了“系统智能化”到“智能系统化”的技术跨越。

风险管控系统化

开发应用AI+NOSA智能风险管控系统，利用人工智能技术实时监管井下“三违”、非标准作业，实现“智能预警、实时记录、现场制止、联动闭锁”四项重点功能，消除了安全管理中的人为因素，突破了传统的由人工管控风险的格局。目前，AI+NOSA智能风险管控系统覆盖了一号煤矿“两采、五掘、两系统”（2个采煤工作面、5个掘进工作面、皮带巷和进风巷），实现了对51种违规情形的智能管控和8项作业的标准指引。

建标立标品牌化

在国内率先编制发布“智能化无人综采工作面”系列企业标准。2021年12月，《智能化无人综采工作面设计规范》《智能化无人综采工作面验收规范》两项行业标准通过国家能源局批准和发布，填补了国内煤炭行业智能化无人开采工作面标准的空白；2022年1月，基于动态地质模型与自主规划开采的采煤工作面设计规范、验收规范等5项团体标准通过中国煤炭工业协会批准并公告；目前，黄陵矿业公司《煤矿安全风险智能管控系统建设规范》正在申报行业标准，可为煤炭行业提供智能风险管控“黄陵模式”。

智能洗选常态化

研发高级智能化选煤厂独立私有云及数据库，打造全域感知、全局协同、全线智能的“选煤AI超脑平台”，为选煤厂智能化控制及运行提供了可靠的大数据支持。投用TDS智能矸选机、智能火车装运系统、智能管控平台与3D可视化、采制样化验自动化等多个智能化系统，实现了设备状态智能监测、生产系统智能调整、工艺参数智能设定等功能，实现了煤炭“洗、选、配、售”智能一体化。

3 智能矿井建设下一步计划

3.1继续加大动态地质模型智能化开采技术的推广力度，不断优化地质模型精度，提升惯导系统、雷达测距系统、智能决策平台等模型与算法的深度开发与相互融合，解决推广应用中出现的技术空白。

3.2结合矿井地质条件，不断强化智能快速掘进机器人项目的技术攻关，解决掘、支、运智能化平行作业中钻臂智能装卸钻杆、智能铺网、定位智能修正等壁垒，提升智能化水平和掘进工效。

3.3持续深挖AI+NOSA智能风险管控系统，不断扩大煤矿风险监管范围，丰富人的不安全行为、设备的不安全状态、环境的不安全因素、管理上的缺陷等内容，做到矿井实时预警全覆盖，提升现场风险管控水平。

3.4根据矿井机器人应用情况，结合国家煤矿安监局《煤矿机器人重点研发目录》（其中包含5类、38种机器人）等指导方针，在主运输、变电所成功应用的基础上，聚焦关键岗位、危险岗位，在全矿范围内推广应用巡检机器人，达到减员增效的目的。

3.5完善设备全生命周期管理系统，实现设备从计划、选型、采购、库存、安装、验收、使用、维护、修理、改造、更新直至报废的全过程智能化管理；同时结合设备日常维修和库存，指导人员对设备进行强制性检修，提高设备开机率，延长设备使用寿命。

3.6拓宽智能矿井建设范围，加大在矿井经营、矿井办公、党建宣传、纪委监察、民主公开等方面建设，丰富智能矿井建设内涵。

3.7需探索研究掘进工作面地质信息三维建模功能，能够基于巷道掘进过程中常态化自动探测及采集的地质信息进行模型自动更新；研究无轨胶轮车常态化无人驾驶；研究智能安防、智能车辆管理、智能门禁闸机管理系统；研究智能仓储系统；研究基于地质模型与工程数据模型对煤矿地层、地质构造、煤层、煤质、瓦斯、水文地质和其它地质条件、地质特征及变化规律进行展示功能；研究智能地质探测设备，最大程度降低人工劳动强度，提高勘探数据的精度与广度；研究矿井经营管理系统应包括办公自动化管理、企业管理信息化系统等系统，使各系统之间应能交互数据。

4 结论

煤矿智能化是“十四五”乃至今后一个时期国家煤炭科技发展的主要支撑领域，是煤炭工业技术进步必然要求，加快煤矿生产经验和数字经济融合，推动人工智能、大数据、互联网同煤矿智能化建设深度融合，持续做好两化深度融合，推动煤矿智能化快速发展，发挥数据的基础资源作用，研发并投用一批关键核心技术，突破环境的智能感知、采掘作业的自主导航、采掘装备的智能调控等一批行业重大难题，支撑煤炭由劳动密集型向技术密集型行业转变，并加快智能、安全、高效的现代智能煤炭生产体系建设，对提高煤矿企业技术革新具有重要意义。