煤炭是我国的主要能源和工业原料，但同时也是不可再生资源，我国煤层赋存条件十分复杂、开采环境比较恶劣、开采作业的安全形势较为严峻，要实现安全、高效、低耗、绿色开采，特别是高采出率的无损失开采和提高矿工工作与生活的幸福指数，必须采用新理念、新技术和新工艺，实现少人化和无人化采矿，数字化和智慧化开采已成为采矿工业发展的必由之路。在王国法院士的倡导和带领下，我国采矿领域的专家、学者和工程技术人员围绕“机械化换人、自动化减人”专项行动，进行了大量的技术研究和应用实践。
2020年2月，国家发展改革委、国家能源局等八部门联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》（简称《指导意见》）要求加快生产煤矿智能化改造，提升新建煤矿智能化水平，鼓励具有严重灾害威胁的矿井加快智能化建设，率先提升智能化水平；并规划了到2021年、2025年和2035年各类煤矿的智能化建设目标。2020年12月，国家能源局、国家矿山安全监察局公布了首批智能化示范建设煤矿，并于2021年6月发布了《煤矿智能化建设指南（2021年版）》（简称《建设指南》）。目前大部分首批智能化示范建设煤矿已通过验收，但大多数智能系统仅解决了从无到有的问题，离《指导意见》《建设指南》的目标要求还有很大差距。2023年11月，全国矿山智能化建设工作会指出全国矿山智能化建设在顶层设计、科技创新、示范引领、减人增安等方面取得了一定成效，但仍存在总体水平不高、整体进展缓慢、部分地区和单位理念不俱进、思想不重视、责任不落实、发展不平衡、难题未攻克等问题，要加快完善煤矿智能化建设的时间表、路线图，摸清底数，建立台账，做到“能上尽上、能上快上”，攻克关键难题，加速智能化实用装备研发应用，推进数据融合共享，引进和培养专业人才。
笔者以智慧矿山的定义及内涵、智慧矿山核心平台、透明地质与地质保障系统、重大灾害精准预警系统、矿井智能通风系统、智能采掘建模和定位、透明矿山管控平台等关键技术为主线，简要介绍近年来笔者团队在智慧矿山领域取得的突破性成果和研究进展，为进行智慧矿山建设的企业和技术人员提供参考。
文章来源：《智能矿山》2024年第2期“视角·观点”专栏
作者简介：卢新明，教授，现任山东蓝光软件有限公司董事长、《智能矿山》理事，主要从事智慧矿山信息技术的研发工作
作者单位：山东蓝光软件有限公司 ●
引用格式：卢新明.智慧矿山技术内涵与进展[J].智能矿山，2024，5（2）：13-20.
早在2010年，笔者就在《煤炭科学技术》发文提出了智慧矿山的概念，并概括了“利用四维地理信息系统（4DGIS）、虚拟现实、模拟仿真、多媒体和可视化分析展现等技术，实现矿山地上地下所有对象的透明管理和虚拟现实系统仿真”的建设路线；笔者团队还牵头编制并发布了山东省地方标准《智慧矿山建设规范》（DB37/T2322—2013）和国家标准《智慧矿山信息系统通用技术规范》（GB/T34679—2017）。GB/T34679—2017进一步明确了智慧矿山的定义和技术特征：基于空间和时间的四维地理信息、泛在网、云计算、大数据、虚拟化、计算机软件及各种网络，集成应用各类传感感知、数据通信、自动控制、智能决策等技术，对矿山信息化、工业自动化深度融合，能够完成矿山企业所有信息的精准实时采集、高可靠网络化传输、规范化信息集成、实时可视化展现、生产环节自动化运行，能为各类决策提供智能化服务的数字化智慧体，并对“人、机、环”的隐患、故障和危险源提前预知和防治，使整个矿山具有自我学习、分析和决策能力。GB/T34679—2017把智慧矿山划分为基础设施（L1）、软件平台层（L2）、安全保障层（L3）、生产执行层（L4）、经营管理层（L5）和调度指挥层（L6），从L1到L6说明了从基础到高级应用的依赖关系，也指明了智慧矿山的建筑施工顺序、各阶段的标志成果内容和里程碑。并规定了基础网络、基础设施、通信平台、矿山数据仓库基本技术要求，描述了安全监测、人员及车辆定位、冲击地压监测和水文监测等20个监测系统，综掘工作面、回采工作面、带式运输、矿井提升、矿井通风自动监控、矿井排水和供水等25个工业自动化监控系统，以及数据仓库管理与实时数据交换平台、三维建模与可视化平台、四维地理信息系统平台、地质保障类软件系统、安全保障类软件系统、生产执行类软件系统、矿山ERP类软件系统、综合调度指挥类和辅助管理类软件的技术内涵和技术要求。
为确保智慧矿山各应用软件系统安全、自主、可控，笔者团队从底层算法和代码做起，先后研发出“三维建模与可视化平台”“三维工程设计CAD系统”“四维地理信息系统”“真三维监测监控组态平台”4款核心工业软件平台，支撑了整个智慧矿山各个专业软件的开发、应用和持续发展。
国内外大多数三维建模软件直接或间接使用了ACIS（法国）、Parasolid（德国）和Granitc（美国）造型内核，一旦被限制使用，将会给安全生产造成重大损失。三维建模与可视化平台未借用上述内核，直接用自己的算法和编程语言从最底层开发，包括基本实体建模、曲线曲面建模和三维布尔运算等，不仅能够交互各类建模需要，更重要的是可以在采矿领域实现面向特征的自动建模，即根据勘探、测量、监测监视数据，自动建立真实感的地形、建筑物、道路、水体、矿体、煤岩层、断层、陷落柱、巷道、硐室、采掘工作面、设备、管路、任意复杂地质体及富水区、高温区、高应力区、易燃区、岩爆区、矿震区、煤与瓦斯突出区等地面地下所有对象的三维模型。可以根据地形等高线、道路、河流、水域、平坦区域边界点和倾斜摄影测量成果，自动建立不同分辨率和精度要求的三维数字地面模型，地面建模和三维管线建模效果如图1、图2所示。三维建模与可视化平台还可以实现采矿设备的参数化建模，掘进机和液压支架建模效果如图3、图4所示，这些模型可以生产自动化系统的姿态调控。
图1 地面建模效果
图2 三维管线建模效果
图3 掘进机建模效果
图4 液压支架建模效果
四维地理信息系统在统一时空四维坐标系统下能够管理矿山全部的图视内容、拓扑结构和属性信息，且提供明码文件格式，具备以下功能要求：完备的绘图功能；由数据自动成图；由图自动建库；图库双向查询；由二维GIS可以自动建立三维GIS；通过集成动态探测、生产和监控信息可以自动变成4DGIS；可以和常用格式进行转换；能够自动计算长度、面积和体积；能够进行二/三维空间的网络分析、缓冲区分析、叠加分析、拓扑分析和布尔运算；可连接监测设备和定位信息，进行二/三维模拟；提供二次开发接口，实现横向和纵向扩展；为其他应用软件提供所有图层、要素等空间信息、属性信息、拓扑信息和面向地理空间的各种计算服务。除了具有通用GIS功能之外，四维地理信息系统面向采矿、市政、人防、隧道等地下工程建设与管理开发了一些特殊功能，如地质模型、地质构造和地下工程等空间对象的属性管理（图5）。
图5 地质模型和地下工程属性管理
四维地理信息系统提供矿井水害、火灾、瓦斯、突出等灾害的虚拟仿真功能，利用该功能可预先模拟出灾害的影响范围和对环境的破坏程度，为避灾路线和救灾预案的生成，以及灾变快速响应和指挥调度提供决策支持。矿井突水淹井过程三维仿真效果如图6所示。
图6 矿井突水淹井过程三维仿真效果
地理信息系统均应具备缓冲区分析功能，但三维缓冲区精确计算一直是一个技术难题，以至于矿山复杂空间实体的缓冲区大都用一个椭球体代替，严重影响了危险源探测和灾害预警的精度。而四维地理信息系统可以有效地解决空间点、线、面和体4种三维目标的缓冲区生成问题。
笔者团队研发的三维缓冲区分析技术可以为保护煤柱的生成，地表沉陷的影响范围分析，富水区、高应力区等危险区域的预警范围分析，以及任何危险体的影响范围和预警区域分析等提供支持。
透明地质和地质保障系统利用先进的装备和软件技术实现煤炭开采前、开采中和开采后全矿井地质体和隐蔽属性精准化、透明化和可视化，并能对地质灾害和危险源实现超前预知和防治，从地质层面确保精准开采工作的顺利进行。其技术内涵如下：
（1）精准的几何建模
精准开采首先要有精准的几何模型，包括地质体、工作面、采空区和井巷工程等。在探测参数和探测精度有限的情况下，要适时建立煤层、岩层、断层、陷落柱等地质体以及采空区、塌陷区和岩层运动等开采影响范围的几何模型，并满足精准开采中采掘接替、生产过程控制的精度要求。
（2）透明的隐蔽属性
精准开采要实现煤质、地应力、瓦斯含量和瓦斯压力、温度、富水区和水压分布，以及煤层和围岩力学参数等隐蔽属性的透明化和可视化。
（3）灾害的超前感知
地质保障技术要实现瓦斯聚集区、富水区、导水通道等危险源的精准探测，以及煤与瓦斯突出、冲击地压、突水透水、煤炭自燃等地质灾害的超前感知和实时预警。
（4）采掘的智能决策
精准开采不但包括各采掘工作面的精准采掘，也包括采掘工作面的精准布局、采掘关系的精准接替和地质灾害的有效防治；对于已探明的短期内无法有效防治的突水、透水等地质灾害，应采用有效避让措施。这类决策都与地质因素密切相关，属于地质保障的关键技术之一。
针对上述技术问题，笔者团队研发了地质测量历史资料智能分析和处理工具，其全息数字化地质建模系统可有效融合钻探、物探、化探、力学测试、激光扫描、地质素描和工程测量等数据，快速生成高度耦合的连续地质体模型，这种连续地质模型在地质分析和应用中优势明显高于只有煤层、关键层和标志层的不连续底层模型（图7）。
图7 连续耦合地质体模型
在三维地质体几何模型的基础上，通过岩性力学测试数据、抽水性试验数据库、瓦斯吸附性分析，可以建立地质体任意一点对应的隐蔽属性，为各种决策提供直观透明的数字信息，如含水层属性查询（图8）。此外，笔者团队研发的地质保障系统还可通过各种剖切运算，查看地质体内部任何一点的力学、物理和化学参数等隐蔽信息（图9）。
图8 含水层属性查询
图9 地质体内部点的属性查询
由于煤矿的地层结构错综复杂，如果利用实体方式显示，由于相互遮挡，很难看清空间的相互关系。笔者团队研发的地质保障系统可以提供透明显示模式，通过设置不同地质的透明度可以直观地显示地层及地质体等之间的空间关系，也可为后台空间分析提供数字化信息（图10）。
图10 地质体的透明显示
为克服一般预警方法准确率和可信度低的问题，笔者团队以四维地理信息系统为基础，以导致煤矿动力灾害的本源因素为监测和反演对象，充分利用数学力学模型针对致灾因素时空连续分布的计算能力和传感感知技术对特定时空点的精准探测优势，开发了“全息−本源−模态”预警系统，其工作原理如下：
（1）通过推导广适性计算模型，使得包括地应力、瓦斯压力、水压等的全局时空分布解析计算成为可能。
（2）通过利用现代传感感知技术，使得地应力、矿压、水压、瓦斯涌出量、涌水量、微震、位移、离层等局部时空点的精准感知成为可能。
（3）通过局部精准感知结果对计算模型中的相关参数进行反演，从而可以实现整个采掘空间重大灾害本源参数分布的实时计算。
（4）利用灾害发生机理和本源参数变化模态进行在线预警，形成煤矿动力灾害的本源预警方法，为动力灾害的精准预警和科学防治奠定技术基础。以煤矿动力灾害为例，“全息−本源−模态”预警过程如图11所示，最左侧是煤矿动力灾害全息数据库，包含四维空间、各种测试化验、生产及监测监控信息，利用全息数据挖掘技术和反演技术实时计算出中间框中的32个本源参数，根据本源参数的时空演化模态，利用人工智能方法预测出煤与瓦斯突出、冲击地压和突水透水等煤矿灾害发生的可能性，从而实现煤矿动力灾害多灾种的耦合预警。
图11 全息−本源−模态预警
由笔者团队研发的灾害预警系统应用效果可知，利用多灾种“全息−本源−模态”预警方法可大幅提高预警的准确率。除了多灾种耦合预警外，灾害预警系统针对不同矿井的地质环境和生产工艺提供了单灾种预警系统，可以集成任何安全监测系统，但无论单灾种还是多灾种所有的传感器在灾害预警系统中都要求准确的三维坐标，也可以在三维场景中看到可视化效果，如水仓水位显示效果。灾害预警系统并不是对监测数据的直接引用，而是经过滤波、识别、反漂移和反演计算得到本源参数，再应用到预警模型中，如根据微震事件发生的层位反演得到的围岩和顶底板力学参数（图12），图13为工作面矿山压力、巷道锚杆应力、顶板位移传感器的位置和监测数据。此外，笔者团队研发了多个单一灾种的预警系统。
图12 微震震源的层位和围岩力学参数
图13 传感器位置和监测数据
（1）顶底板灾害预警系统
基于矿山四维空间地理信息和采掘生产信息，对采掘位置监测、矿压监测、应力监测、微震监测、岩移监测、离层监测、位移监测、沉陷监测等数据进行融合分析，实时计算和预报回采工作面的来压步距、来压位置和来压强度，实现对工作面来压状态的判断、周期来压步距的计算，以及当前工作面比上个来压周期结束后推进距离的计算，最后根据当前状态进行下一步的预测功能，若当前工作面为来压状态时，程序会预测工作面的剩余持续时间，当工作面的状态为未来压状态时，程序会预测工作面至下次来压的剩余推进距离。对工作面异常的周期来压情况进行预警，避免发生压架、冒顶和底板突水事故。
（2）瓦斯涌出量异常预警
对于回采工作面，AQ1029—2019给出了T1、T2和T3号瓦斯浓度传感器的位置，而这些瓦斯浓度与采掘落煤量、供风量均有密切的关系。因此，只有实时计算和超前预测出各工作面的瓦斯涌出量，才能比较有效地解决瓦斯灾害的预警问题。为此，可在T1、T2和T3所在巷道断面安装精准的风速或风量传感器，实时计算出流过T1、T2和T3所在断面的瓦斯流量W1、W2和W3。用公式W=0.5×（W1+W2）－W3计算出工作面的瓦斯涌出量。针对各工作面的瓦斯涌出量的短时历史数据W序列，可利用指数平滑、灰色系统或人工神经网络方法进行预测和预报。
矿井通风系统需要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气体和粉尘，是防治煤与瓦斯爆炸、降温、除尘、灭火的重要技术手段，也是实现智能开采的主要技术保障。由于缺乏完善的理论、技术和装备支撑，长期以来，矿井通风作业都停留在人工和半人工状态，严重影响了控风效果，制约了“机械化换人、自动化减人”专项行动的实施，也无法为精准智能化开采提供“一通三防”技术保障。经过近40年的深入研究，笔者团队较完整地解决了矿井通风领域中数学模型不科学、求解算法不收敛、优化计算非最优、监测装置不灵敏、调控技术不精准和决策手段不智能6大问题。建立了以矿山4DGIS为基础，利用工业互联网和矿山物联网技术，通过智能感知仪器、自动化装备、智能化软件系统和通风系统初始化技术的矿井智能通风系统，实现了正常时期的通风系统状态估计和故障诊断、需风量超前预测、按需优调优控的全程自动化，在无需人工干预的条件下实现了灾变时期的自动实时均压、风量风向调度智能决策、联合优化调节和在线闭环控制，满足低功耗的实时按需供风和应急最优控风，为智能精准开采和智慧矿山建设打好“一通三防”的智能化和少人化基础。矿井智能通风系统架构如图14所示。
图14 矿井智能通风系统架构
笔者团队研发的智能通风大数据平台（图15）利用后台的人工智能和大数据分析功能，实现了通风系统的各种信息查询、分析、评价，以及实时解算、需风量预计、状态识别、故障诊断、系统预警、正常时期最优调节、灾变时期智能决策、辅助管理和三维可视化等功能。
图15 智能通风大数据平台
在智能通风大数据平台三维可视化场景中，井巷工程、硐室、工作面、通风设施都是真实尺寸、真实状态，无论是正常时期还是灾变时期，既可以利用智能调控系统进行自动控制，也可以对任意一台或多台设备进行交互式控制，三维可视化场景效果如图16所示。
图16 智能通风大数据平台三维可视化场景
总之，只要矿井测风装置和调风设备的数量达标、安装位置合理、精度满足要求，利用智能通风大数据平台就可以实现通风全程无人化。
智能采掘建模和定位技术
2013年，笔者团队提出了基于动态精准地质建模的智能采矿方法，并于2015年申报了“用于无人化采掘工作面的适时精准建模方法”发明专利。该方法充分获取并利用顶底板高程、煤厚、岩性、硬度、抗压及抗拉强度、取芯长度、取样率等煤体（矿体）、地质体的各种开采参数信息，通过创建自适应地质体插值、复杂地质体初始建模、多次适时逼真建模等技术，适时建立采掘对象的多参数、多属性三维精准模型，并对采掘对象三维模型的精度进行可信性分析与评价，使无人化采掘工作始终处于煤体（矿体）、岩体精准模型已知的前提下进行，从而实现采掘工作面安全、可靠、高效、透明、低成本的无人化开采。后又申报了“用于无人化采掘工作面的三维模型自动更新方法”“用于无人化采煤工作面的截割路径规划方法”“用于无人化采掘工作面的远程可视化监控方法”发明专利，奠定了现在的基于地理信息和透明工作面的智能采矿基础。近些年，笔者团队提出面向智能精准开采的工作面优化建模技术，通过优化算法结合给定的数据，使模型对开采的适合度达到最高；并提出高精度建模系统的评价方法，即对于一般的地质条件，相对精度达到0.1m时，就认为属于高精度建模系统。利用该优化建模技术，通过多个回采工作面试验，在不进行补探的情况下，仅利用已有的钻孔数据和巷道掲露数据，煤层的三维建模精度几乎可以达到0.1m，不仅可以预测工作面前方的煤层顶底板位置，有时还可以预测工作面前方构造的存在；利用该优化建模技术可以自动生成工作面前方N刀满足截割精度要求的煤层顶底板曲线，N的取值与煤层的赋存条件和截割精度要求有关。
要实现真正的无人化自动割煤，需要解决工作面设备群的全局精确测量和定位问题。大多数回采工作面的当前绝对位置都需要测量人员定期标定，不仅影响开采效率，也因为不能及时知道工作面的准确位置而严重影响灾害预警和灾害防治的精准性。通过在巷道中悬挂一组测量定位装置和平差算法，可以较好地解决工作面设备群的测量和定位问题，不需要人工监视和干预就能实现工作面全程自动推进和精准截割，直至终采线，并可实现回采工作面的可视化。
对于掘进工作面，笔者团队发明了一种掘进机的精确测量和定位方法，通过设置在后方的定位装置对掘进机进行实时测量和定位，再根据掘进机上安装的各类传感器推导出掘进机各部件的精确位置，将掘进机、巷道和地质模型融入到一个空间地理坐标系中，通过实时监测掘进机的姿态、空间位置等参数，采用数字孪生技术实时模拟掘进机、截割头的空间位置及断面的变化情况，按照设计巷道监控掘进机的掘进过程，最终实现掘进机的全自动控制。
笔者团队研发的透明矿山管控平台可以通过计算机屏幕快速漫游定位到想要看的场景和要观测的视角，可远程操作目标设备和部件，并快速反馈执行结果到可视化平台。例如：通过局部定位功能可以比较清楚地看到煤矿广场的地面、道路、建筑、植被和其他景观，打开地质模型图层就能看到所有的地层、煤层、断层等地质体；定位到绞车房就能看到绞车的三维模型和运行状态，通过视频监控可以看到实时数据和操控按钮；定位到排水泵房、带式输送机头硐室、回采工作面端头部位和掘进机工作位置，就可看到相应场景（图17）。总之，透明矿山管控平台解决了复杂大场景的快速漫游、导航和局部定位，实现了海量监控信息的快速交换和可视化集成，设备位姿和运行状态同步协同展现，奠定了无人化采矿的技术基础。
图17 透明矿山部分场景
笔者团队把数学、力学、地质、地理、采矿、信息化和计算机软件技术相融合，经过多年的持续研发，在解决地质保障、灾害预警、智能通风、智能采掘和透明矿山等科学难题和关键技术方面取得了突破性进展，相关成果在国家能源投资集团有限责任公司、山东能源集团有限公司、中国中煤能源集团有限公司、河南能源集团有限公司、中国大唐集团有限公司、淮北矿业（集团）有限责任公司、贵州能源集团有限公司等智能化矿井建设中进行了广泛应用，效果显著。
责编 | 李金松
编辑丨李雅楠
审核丨赵瑞
