文章来源：《智能矿山》2024年第7期 “学术园地”专栏

作者简介：张飞超，工程师，现任北京天玛智控科技股份有限公司营销总公司副总经理，主要从事智能化开采发展研究工作

作者单位：北京天玛智控科技股份有限公司

引用格式：张飞超. 我国煤矿智能化发展及技术创新[J].智能矿山，2024，5（7）：55-61.

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煤矿智能化技术的发展及应用正在逐步改变着传统的生产和管理模式，为煤矿的数字化转型和高质量发展提供了强大的支持。智能化煤矿将人工智能、工业互联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等现代信息通信技术与煤炭开发技术进行深度融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习的智能系统。这些技术的应用不仅可以提高生产效率，还可提升安全性和管理能力。

近年来，政府相继出台了一系列政策和措施来推动智能化在煤矿行业的应用。2016年，国家发改委、国家能源局印发了《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》，提出2030年重点矿区基本实现工作面无人化；2020年2月，国家八部委发布的《关于加快推进煤矿智能化发展的指导意见》明确提出煤矿智能化是实现煤炭工业高质量发展的核心技术支撑；2023年3月，能源局印发的《关于加快推进能源数字化智能化发展的若干意见》指出采煤工作面加快实现采−支−运智能协同运行、地面远程控制及井下无人/少人操作。2023年9月，中国煤炭工业协会组织开展2023年煤矿采煤工作面智能创新大赛，进一步推进工作面智能化、少人化、无人化常态化运行。

此外，一些地方政府也出台了相应的政策，鼓励和支持煤矿企业进行智能化建设，以及进行智能化技术创新探索及应用。山东、山西、内蒙古、陕西等省（自治区）分别因地制宜制定并发布试行了《山西省煤矿智能化建设基本要求及评分方法（试行）》《陕西省煤矿智能化建设指南（试行）》等符合自身建设和发展实际情况的智能化煤矿建设指导意见及验收办法。王国法院士制定并起草了《煤矿智能化建设分级分类标准》，该标准充分考虑了我国煤层赋存条件多样化，针对国内现有综采工作面智能化开采装备及技术基础条件，结合采煤工作面实际生产智能化需求，对智能化工作面进行了定义。在国家及行业政策的指引下，我国智能化建设取得了显著进步。

但我国煤矿智能化建设还面临着许多挑战，如设备老化、技术落后、人才短缺等问题。因此，如何推动我国煤矿的智能化发展，提高煤矿的生产效率和安全性，成为了当前亟待解决的问题。

美国、加拿大、澳大利亚等发达国家在煤矿智能化方面的研究起步较早，从20世纪90年代开始，加拿大和美国等国家制定“智能化矿山”和“无人化矿山”的发展规划，以取得在采矿工业中的竞争优势。其中，加拿大国际公司自20世纪90年代初便开启了对自动采矿技术的探索，旨在通过卫星操控实现2050年前某矿山的无人化作业，对远程操控与自动化技术在矿业领域进行了长远规划。英美资源集团于2018年启动了“未来智能矿山”计划，该计划深度融合了机器人技术、虚拟现实、智能传感等前沿科技，旨在通过高度自动化的作业系统全面替代传统人工操作。在2001年，澳大利亚联邦科学与工业研究组织首次提出长壁自动化控制技术，其后综采长壁工作面自动控制委员会（Longwall Automation Steering Committee，LASC）开展了煤矿综采自动化和智能化技术的研究，采用军用高精度光纤陀螺仪和定制的定位导航算法获知采煤机的三维坐标，实现了工作面自动找直等智能化控制。

美国则在地下煤矿的自动化领域取得了商业化突破，在自动化开采的关键传感器和设备研发上不断进步，聚焦于作业安全和粉尘与噪声防控，并且在矿用大数据、高速通信与可视化技术方面也有显著进展，优化了作业流程，提高了生产安全与效率。国际领先的煤炭机械设备制造商，包括整合至小松旗下的美国久益公司（JoyGlobal）与卡特彼勒公司（Caterpillar），通过深度融合先进技术与电液控制系统、工作面自动化控制系统，成功实现了在简单地质条件下采煤工作面的自动化开采。这一技术革新标志着煤炭开采向智能化、高效化转型的重要里程碑。JoyGlobal通过其自动化长壁采煤系统实现了智能化、自动化的采煤过程，能够实时监控煤矿设备的运行状态，并根据工作面的预警和故障信息，通过电话或邮件及时通知开采人员进行处理。

此外，该系统集成了采煤机记忆截割技术、液压支架自动跟机技术和远程干预控制技术等实践过程中已经相对成熟的先进技术。为进一步提升煤矿运营管理水平，JOYGlobal推出了智能开采服务中心，该中心集成了实时监控、数据分析与报告生成等功能，能够持续监测煤矿设备的运行状态，提供详尽的运行分析报告，为矿井管理者提供科学依据，优化生产计划与设备维护策略，确保生产活动的连续性与高效性。澳大利亚Anglo矿业公司采用IWSC系统构建了从布里斯班总部总调度室辐射至各下属矿井的远程监控网络，依托强大的数据监测与分析能力，实时分析生产过程中的设备运行参数，为矿井生产提供精准指导，有效促进了产能提升、人员精简与效率优化。

近年来，我国煤矿智能化的发展也取得了显著进步。一方面，国家层面高度重视煤矿智能化发展，相继出台了多项政策文件，并制定了相应的技术规范与标准体系。在国家相关部门的共同推动下，近年来，各产煤省区、煤炭企业大力实施煤矿智能化建设，通过机械化换人、自动化减人、智能化少人的措施，优化了煤矿生产和安全素质，为保障国家能源安全发挥了重要作用。截至2024年4月，全国累计建成1922个智能化采煤工作面、2154个智能化掘进工作面，国家能源局组织了《全国煤矿智能化建设典型案例汇编（2023年）》，涵盖80项智能化煤矿生产建设的典型案例，为煤矿智能化建设提供了可推广和可复制的经验。大型先进矿井的全面升级使得安全生产水平和生产效率得到了有效提升，国家能源集团、中国中煤等7家大型煤炭企业，已建成智能化产能13.93亿t/a，占其总产能比例的74.7%，综采工作面平均人员劳动工效提升27.7%，掘进综合单进平均水平提升32.8%，智能化煤矿为近2年煤炭增产保供发挥了关键作用。另一方面，科研机构和煤矿企业也在煤矿智能化建设方面进行了大量的研究和实践，取得了诸多成果。深度学习、激光/视觉SLAM技术、多模态融合的智能感知系统等被广泛应用于煤矿机器人中，使其能够在复杂环境下自主移动、精确定位和智能作业规划。通过引入物联网、机器学习和人工智能技术，煤矿自动化控制系统具备了更高的智能化水平，能够实现生产过程的自动调整和故障诊断。基于毫米波雷达探测技术的摇臂滚筒干涉预警装置和远程运维服务系统，提高了采煤机的自动化和智能化水平，减少了人为干预的风险。高精度光纤陀螺导航系统、自适应截割控制系统和远程协同控制系统等技术的应用，使得掘进作业更加精准和高效。新一代KTC199煤矿井下智能通信控制装置和纯电动铲板式搬运车等创新成果，为煤矿运输提供了高效、环保的解决方案。具有自主知识产权的透明矿井技术体系，通过智能监测传感器和工作面一体化生产系统，实现了对瓦斯灾害的自动分析和预测，并已在黄陵一号煤矿、山东能源集团东滩煤矿等全国多个煤矿成功应用。此外，依托5G、大数据、人工智能和工业互联网等新一代信息技术，构建智慧煤矿综合信息一体化管控平台。例如，国家能源集团老石旦煤矿5G系统与AI分析平台、平宝煤矿的5G+智能化采煤系统等。

然而，在我国煤矿智能化发展的过程中，也存在智能化技术装备水平参差不齐、设备更新换代速度较慢、人才短缺问题突出、数据共享和应用程度不高等问题，如图1所示，我国煤矿智能化发展优势及不足对比。首先，智能化装备发展不平衡，部分煤矿在设备更新换代上投入不足，缺乏对机械设备维护与管理方面的投入，设备更新换代的速度较慢、技术水平滞后；其次，煤矿智能化建设需要专业的技术人才，但国内煤矿行业普遍缺乏相关专业人才，这制约了煤矿智能化建设的进展，短期内智能化人才培养更多依靠企业内部自我提升、自主培养；然后，在目前的煤矿生产过程中，信息共享程度低，不利于对煤矿信息进行全面感知与深度挖掘，从而做出科学、有效的决策。尽管国家已经发布了《智能化矿山数据融合共享规范》，但实际应用中仍存在数据孤岛严重的问题。这些问题的存在使得我国煤矿智能化发展面临诸多挑战，亟需通过加强基础理论研发、完善技术标准与规范、提高平台支撑作用、增强技术装备保障力度、加强高端人才培养等措施来解决。

图 1　我国煤矿智能化发展优势及不足对比

大数据技术的应用，为煤矿智能化提供了新的可能性和方向。大数据技术能够实现对煤矿生产数据的全面收集和深度挖掘，从而为煤矿的决策提供科学依据，通过对大量数据的分析，可以发现生产过程中存在的问题，为优化生产过程提供参考；大数据技术还可以实现对煤矿设备的实时监控和预测性维护，提高设备的运行效率和使用寿命，基于大数据技术的泵站故障分析如图2所示；此外，大数据技术在煤矿安全领域的应用也日益显现，通过对大量的安全数据进行分析，可以预测和预防安全事故的发生，从而保证安全生产。大数据技术还可以实现对煤矿环境的实时监测和预警，为环境保护提供支持。

图 2　基于大数据技术的泵站故障分析

大数据在煤矿智能化建设中的应用也面临着一些挑战：①煤矿数据的采集和处理需要大量的硬件设备和软件技术支持，这对于许多小型煤矿来说是一个重要难题；②如何保证煤矿各项数据的安全存储和传输，防止数据被非法获取和使用；③如何将大数据技术与煤矿的实际生产相结合，实现数据的高效利用。

云计算作为一种新兴的信息技术，为煤矿智能化建设提供了强大的技术支持。首先，云计算技术为煤矿智能化提供了海量的数据存储和处理能力，在煤矿生产过程中，会产生大量的数据，包括生产数据、设备状态数据、环境监测数据等，这些数据的数量巨大，传统的数据处理方式无法满足需求。而云计算技术的出现，打破了这种限制，云计算技术可以将这些海量数据进行有效地存储和管理，为数据分析和决策提供便利；其次，云计算技术可为煤矿智能化提供高效的数据分析和处理能力，通过云计算平台，可以对煤矿的生产过程进行实时监控，对生产数据进行深度分析，从而实现对生产过程的优化控制；此外，云计算技术还可以实现数据的快速处理和分析，提高数据处理的效率。

目前，在矿井智能化建设中多采用云−边−端的三级控制系统。云端是整个控制系统的核心，负责管理和调度整个系统，提供数据存储、处理和分析等服务；边缘计算负责实时处理和传输数据，保障数据的及时性和准确性；终端设备则是矿井中的各种传感器和执行器，负责采集和执行各种操作。其中，云平台不仅可为生产调度人员提供生产过程管控的数据分析平台，而且还可实现开发者和设计人员保持统一平台，为后续平台的建设及优化提供基础。云边协同可以实现采、支、运一体的协同控制，以及统一的生产管控保障生产的连续性，记忆割煤、自主截割、工作面直线度控制及连续推进等智能化控制功能都是云边协同的边缘应用。开采设备及其子系统作为端设备，能够完成供电、供液、支架控制、煤机自动截割等单系统功能。基于云−边−端的智能化开采控制技术架构如图3所示。

图 3　基于云-边-端的智能化开采控制技术架构

物联网技术以其独特的优势正在逐渐渗透到煤矿生产的各个环节，成为推动我国煤矿智能化发展的重要力量。物联网技术在煤矿智能化发展中的作用主要体现在以下方面。

（1）物联网技术可以实现煤矿设备的远程监控和管理。通过将煤矿设备与互联网连接，可以实时收集设备的运行数据，也可以通过远程控制设备，实现设备的自动化管理，提高设备的运行效率。不仅大幅降低了数据传输的延迟，还提高了系统的响应速度。例如，中国移动的“E矿山”物联网技术使得部分生产岗位实现了无人值守和自动化控制，从而提高了劳动效率。

（2）物联网技术可以实现煤矿生产过程的智能优化。利用物联网技术和感控技术加强大数据服务，提高生产过程的可控性、减少采矿人工参与、优化生产排程。通过设备之间的实时数据交换、设备状态监控、故障预测等功能，优化设备管理。这种数据驱动的管理模式能够为优化运行、控制与管理提供科学依据。例如，徐州徐工矿业机械有限公司基于工业互联网的智慧矿山运营管控创新应用中，业务信息优化覆盖度达90%以上。

（3）物联网技术可以支撑远程控制、智能终端、移动巡检机器人等煤矿智能化应用，综合煤矿生产作业的各类实际信息需求，建立物、机、人三位一体的智能化安全监控系统。

综上所述，物联网技术通过实时监控、智能化管理、设备维护、数据分析、安全预警以及资源优化等多方面的应用，可以显著提升煤矿生产过程的效率和安全性，推动了煤矿行业的智能化和数字化转型。

针对煤矿物联网技术应用，华为技术有限公司开发了矿鸿系统，这是鸿蒙操作系统在煤矿生产领域的首次商用落地，基于矿鸿系统的支架控制系统如图4所示。矿鸿系统作为物联网操作平台，实现了煤矿领域的“万物互联”和自主可控。矿鸿系统不仅实现了工业互联网发展在操作系统上的新突破，而且开启了操作系统在行业深度应用的先河，具有明显的优势和特点。

图 4　基于矿鸿系统的支架控制系统

（1）统一标准，打破“信息孤岛”，实现数据共享

矿鸿系统支持煤矿行业统一协议，灵活部署，统一构建，可实现不同厂商各个设备下的统一管理，允许工业设备在对时间要求苛刻的环境中交换应用程序信息，在安全可靠的基础上有序控制、配置和收集网络中的海量数据，并且高速传输。

（2）智能协作，分布式数据管理，资源动态交互

通过革命性的分布式软总线技术，为煤矿设备智能协作提供业务基座；通过近场设备感知与互联、分布式数据库以及统一数据协议关键技术，重新定义煤矿设备交互方式，在提升作业人员安全的同时也提升作业效率。

（3）安全可信，保障数据安全，可靠

在矿鸿系统的构建过程中，针对安全可信能力做了增强，保障设备、应用、数据和服务安全。

矿用机器人是一种专为煤矿环境设计的智能设备，具备自主导航、数据处理、实时监测等功能，可代替人工在危险、恶劣的环境下进行作业，如冒顶处理、超前支护、安全探测等特殊场景机器人是实现智能开采的重要辅助手段。随着煤矿行业的智能化发展，矿用机器人在煤矿生产中的作用越来越重要，但也面临一些技术挑战，如机器人导航精度和稳定性、复杂环境下的适应能力、数据安全与隐私保护等问题仍需进一步研究和改进。未来，随着技术的进步和应用需求的不断提高，矿用机器人将在智能化煤矿建设中发挥更加重要的作用，例如，通过引入更先进的传感器和算法，机器人将能够实现更精确的环境感知和智能决策；通过与其他智能化设备的集成，机器人将能够更好地支持煤矿生产的各个环节；通过云计算和边缘计算技术的结合，机器人将能够实现更高效地数据处理和传输，提高其工作效率和响应速度。典型矿用机器人如图5所示。

图 5　典型矿用机器人

通过矿用机器人和人工智能技术，可以对煤矿进行全方位的安全监控。机器人可以深入矿井进行巡检，实时监测矿井环境、设备状态和人员情况，及时发现安全隐患，提高煤矿的安全生产水平。人工智能技术可以对煤矿生产过程中的各种数据进行分析和预测，为决策者提供智能化决策支持。通过数据分析和模拟，优化生产计划，降低生产成本，提高生产效率，推动煤矿的数字化转型和升级。

总结回顾了我国煤矿智能化的发展历程、技术创新及当前面临的挑战后，进一步分析了智能化技术在推动煤矿行业转型升级中的核心作用。通过对大数据、云计算、物联网、矿鸿系统以及矿用机器人等关键技术的深入分析，揭示了这些技术在提升煤矿生产效率、保障作业安全、优化资源配置以及促进环境可持续发展方面的潜力。同时，也指出了我国煤矿智能化发展过程中存在的若干问题，如技术装备的更新换代、专业人才的培养及数据共享机制的建立等，这些问题的解决对于智能化技术的进一步发展至关重要。

未来，随着5G、人工智能、工业互联网等新一代信息技术的深度融合与应用，煤矿智能化将迎来更加广阔的发展空间。智能化技术将继续推动煤矿行业向自动化、信息化、智能化方向转型，实现生产过程的优化、作业环境的改善、安全管理水平的提升。此外，智能化技术的创新与应用也将为煤矿行业的可持续发展提供新的思路和解决方案，为构建安全、高效、绿色的现代煤炭工业体系奠定坚实基础。因此，加强技术研发、人才培养、政策支持和行业协作，将是推动我国煤矿智能化持续健康发展的关键。