我国煤矿智能化技术十年发展与实践

范京道 ^1,2 ，黄克军 ^1,2,3 ，李川 ^1,2,3 ，杨明 ^1,3 ，黄晓俊 ² ，闫振国 ² ，宋岳 ⁴ ，曹宇 ⁴
（1. 河南理工大学 郑州高等研究院，河南 郑州 451464；2. 应急管理部 煤矿智能化开采技术创新中心，陕西 黄陵 727307；3. 煤矿灾害防治教育部重点实验室，河南 焦作 454003；4. 陕西延长石油矿业有限责任公司，陕西 西安 710065）

摘要：煤矿智能化建设是顺应技术革命和产业变革，新一代信息技术与煤炭开发利用技术的深度融合应用，是煤炭产业升级转型和优质发展的必然选择。自 2014 年黄陵矿业建成了我国首个地面远程智能采煤工作面以来，逐步形成了薄煤层、中厚煤层、厚煤层综采及放顶煤智能化开采技术，由黄陵矿业推广应用至全国主力生产矿区，并形成了煤矿智能化开采理论技术装备与标准体系；煤矿智能化开采技术的整体突破带动了我国煤矿智能化发展，自 2020 年国家发展改革委等八部委印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》以来，我国煤炭行业进入以智能化开采带动其他核心技术突破的煤矿智能化时代，并形成包括信息基础设施、地质保障、开采、掘进、运输、通风与压风、供电与供排水、安全监测监控、经营管理、资源综合利用等煤矿智能技术，使我国煤炭开发技术水平得到跨越提升，推动煤矿建设向安全、高效、绿色、智能方向发展。随着煤矿智能化建设发展，煤矿建井技术装备研发滞后，与煤矿智能化发展不匹配、不协调，严重制约了我国优质煤炭资源的安全高效开发。研究基于煤矿建井阶段的智能化发展需求，提出了 “智能化建井，建智能矿井” 的定义与科学内涵，分析了建井面临基础理论研究薄弱、智能化建井装备研发滞后及工程技术突破难等问题；构建了智能化建井系统总体架构，研发了基于斜井敞开式全断面掘进机和竖井钻机 “一钻完井” 的智能化建井技术装备体系，并建成国内首个智能化建井技术示范工程。近 10 年的发展时间表明，我国煤矿智能化建设带动了煤矿行业的整体技术跃迁与高质量发展。

关键词：智能化开采；智能化煤矿；智能化建井；煤炭产业升级；建井技术装备

煤炭是我国的主体能源，是重要的基础能源和工业原料，是我国一次能源 “稳定器” 和 “压舱石”。在 “十四五” 规划实施期间，我国煤炭的产量与消费量始终保持持续增长的态势 。2024 年，原煤产量 47.6 亿 t，同比增长 1.3%，创下历史新纪录。在我国，近 80% 的煤炭依靠地下煤矿进行开采。新中国成立以来，滚滚 “乌金” 在为经济社会发展和国计民生提供源源动力。同时，煤炭开采方式也发生了翻天覆地的变化，告别了 “肩挑背扛” 的原始人工生产模式。其开采技术历经了 4 次重大变革，从最初的原始人工开采起步，先后演进至炮采、普通（综合）机械化开采及智能化开采。近年来，核能、风能、太阳能等新能源行业蓬勃发展，我国能源结构正朝着多元化方向稳步迈进。然而，煤炭资源所具备的成熟可靠、成本低廉等显著优势，在未来较长一段时期内，仍将是我国能源结构中的主导性与基础性能源，以煤为主的能源结构在短期内难以发生根本性转变，因此，煤炭在我国国民经济中占据着至关重要的战略地位。

随着新一代信息技术的快速发展，煤矿智能化以及煤炭产业数字化转型，正是培育煤炭新质生产力、推动行业高质量发展的核心关键所在。全面推动智能化建设和数字化转型，在地面智能采煤、智能煤矿建设和智能化建井等技术领域，将人工智能、大数据、云计算等新一代信息技术与矿业工程技术学科和领域的深度融合，推动煤矿智能化技术实现从单点突破向系统全面提升转变，从单纯的量的积累迈向质的根本性飞跃。在理论研究和原始创新方面取得关键进展，大幅增强装备制造和技术创新的实力，最终达成从以往的跟踪、模仿，到如今并跑甚至领跑的跨越式发展。

总之，我国煤矿工业按照国家 “四个革命、一个合作” 能源安全新战略的发展要求，在煤矿智能化技术的有力支撑下，煤炭产量增加、结构优化、质量提升，兜住了国家能源安全底线。原煤年产量由 2014 年的 38.7 亿 t 增长到 2024 年 47.6 亿 t。如今，我国在世界煤矿智能化技术研究领域已处于领先位置。成功突破了一系列关键装备及技术工艺。智能化产能占煤炭总产能的比例提升至 50% 以上，打造出一批涵盖不同类型、多种模式的智能化示范煤矿。煤炭生产模式重大转变，从主要依赖工人劳动以及装备等物资资源投入，逐步转变为不断提高数字化和智能化技术在生产中的贡献率，持续提升生产、安全、管理、数据等多要素生产率，不仅极大增强了矿工的安全感、幸福感和获得感，还显著提升了煤炭安全兜底保障能力，推动煤炭行业高质量发展跃上新的高度。实现了煤矿开发在质量、效率、动力等多个维度的深刻变革，全方位推动煤炭产业迈向高质量发展新阶段。总之，以企业为主体、产学研用深度融合的科技创新体系整体效能持续提升，科技创新和产业创新融合步伐加快，煤炭科技创新基础不断夯实。

人工智能是第四次工业革命和产业变革的核心驱动力，人类社会逐步进入智能时代，并推动经济社会各领域从数字化、网络化向智能化加速跃升。煤炭开采的危险性、环境的恶劣性，对机器替代人有天然的需求。“让机器去做人做的事，更应该让机器去做人类做不到的事”，是我们发展人工智能技术的目的。智能开采将矿工从危险的环境中解放出来，从高强度劳动中解放出来，推动煤炭从高危行业向本质安全转变，推动煤炭开发向安全高效绿色方向转变。

1.1 开采技术发展历程

我国是世界上最早发现和利用煤炭的国家之一。早在距今约 3600 年的青铜时代，我国就已经开始使用煤炭。公元前 500 年的春秋战国，煤炭被称为石涅或涅石，魏晋时期被称为石墨，唐宋时期被称为石炭，明朝始被称煤炭。公元前一世纪，煤炭用于冶铁和炼钢。17 世纪中叶，明末宋应星编著的《天工开物》中，记载了我国古代煤炭地质、开拓、采煤、支护、通风、提升、瓦斯排放等技术。

新中国成立以来，我国煤炭开采技术为人力采煤，逐步发展到 20 世纪 60 年代的爆破采煤回采工艺，简称 “炮采”；20 世纪 70—80 年代开始的普通机械化采煤、综合机械化采煤；20 世纪 90 年代，在机械化基础上，引入自动化控制系统，实现采煤设备的自动控制，煤炭开采实现了部分自动化操作。21 世纪初，以信息化技术为支撑，建立采煤行业的信息化管理系统，实现生产、安全、管理等方面的信息化，进一步实现信息化管理；2010 年至今，运用物联网、大数据、人工智能等技术，实现煤炭开采的智能化管理，不仅实现高度自动化和信息化，更进一步实现了智能化决策和管理，极大提高了生产效率和安全性。2014 年 12 月，黄陵矿业公司一号煤矿建成我国首个智能化无人综采工作面，填补了井工煤矿智能开采的空白，开启了煤矿智能化开采的新篇章。

我国煤矿智能化开采主要经历了以下 3 个发展阶段：

未来智能化开采将迈入 “透明开采，面内无人” 阶段，依托三维地质建模、煤岩识别等核心技术，通过智能规划割煤路径，实现采煤机自适应调高和自主运行，推动煤炭行业向更加智能、高效、安全方向升级。

1.2 智能化开采基本理念

煤炭作为人类社会赖以生存与发展的重要能源资源和原料，在社会发展进程中扮演着关键角色。然而，人与煤的空间关系在很大程度上决定着煤炭能否实现安全高效生产。受传统二元空间关系的重重制约，在煤炭开采过程中，人始终处于煤中，导致产能优化 “下井苦”，增量提升 “入地难” 等问题一直得不到根本性解决。因此，人在煤中的这种空间关系，正是造成矿工工作环境脏、累、苦、险，以及煤矿事故频繁发生的根源所在。

笔者在长期煤炭开发技术创新与工程实践中，从改变生产空间关系的哲学思辨出发，按照 “机器替代” 的理念，借助新一代信息技术为煤炭行业带来的创新发展契机，积极推动人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等前沿技术与现代煤炭开发利用进行深度融合，突破传统煤炭开采二元空间关系。基于此，作者团队创新性的提出了 “人 - 信息 - 煤” 三元空间形态的理念，对煤矿生产的物理空间、人类社会空间以及信息空间进行了重新构建，创建了 HPC 三元空间技术体系、全新的生产模式、关键的发展要素以及完整的价值链（图1）。为新一代智能化煤矿建设构筑了牢固的理论基础，从根本上推动了煤炭开采模式从 “人在煤中” 向 “人在煤外” 的重大转变 。并先后黄陵矿业、延长石油矿业可可盖煤矿和巴拉素煤矿的智能化开采、智能化建井和智能化建设中进行应用实践。

图 1    二元向三元空间关系转换

1.3 智能化开采概念

智能化开采是在煤矿机械化、自动化开采发展基础上实现信息工业化的深度融合，是煤炭开采的重大技术变革。如图 2 所示，笔者团队在智能化开采技术装备创新与工程实践的基础上 ，开创性提出地下煤矿地面远程智能采煤方法及 “环境预处理 - 工艺自决策 - 装备自组织” 智能开采控制原理，并给出了智能化无人综采技术的基本概念，即指采用具有感知能力、记忆能力、学习能力和决策能力的液压支架、采煤机、刮板输送机等综采装备，以自动化控制系统为核心，以可视化远程监控为手段，实现综采工作面采煤全过程 “有人安全巡视、无人跟机作业” 的安全高效开采技术。

图 2    智能化无人综采技术构架

同时，建立了工作面多源信息监测感知系统，实现环境、围岩及装备实时感知；创建了 18 个装备工艺参数的开采自决策模型，实现装备群组实时动态协同组织；研发首套实现作业流程自动化、地面远程可视化、自主决策数据化的国产智能化无人开采技术装备和控制系统。

总之，煤矿智能开采系统通过地质勘探与数字仿真构建三维地质模型，依托 5G 网络实时采集并传输采煤机、支架等设备运行数据，运用大数据技术融合多元异构信息，通过智能决策系统驱动采运装备协同作业，实现全流程自动化开采。结合 AI 算法进行设备状态诊断与预测性维护，引入区块链技术保障数据可信存证与能源监管，构建安全、高效、智能、绿色的现代化开采体系。智能化开采基本原理如图 3 所示。

图 3    智能化开采基本原理

1.4 智能化开采技术路径

采煤工艺变革是实现智能化开采的核心，核心技术的突破必将带动煤矿生产建设关键技术及相关技术的进步。煤矿开采涉及十数个系统之间的数据兼容、网络兼容、业务兼容和控制兼容，实现设备群组自主感知运行和智能控制是重大技术难题。

如图 4 所示，基于可视化的远程干预型智能化无人综采技术路径是以网络通讯和技术装备为基础，以采煤机记忆截割、液压支架跟机移架、远程集中控制、视频监控为手段，以自动化控制系统为核心，实现 “工作面自动控制为主，监控中心远程干预为辅” 的智能化生产模式。

图 4    智能化无人综采技术路径

开采工艺流程变革是智能化开采的前提，主要包括割煤 — 装煤 — 移架支护 — 推移刮板输送机等。黄陵矿业公司在首创智能化无人综采工作面实践时采用机头、机尾双向自动化记忆割煤工艺。

同时，针对开采未实现三角煤的自动截割、电缆脱槽严重、转载机与端头支架无法协调实现自动控制等难题。笔者团队开发复杂条件工作面围岩智能控制方法、采煤机端头割三角煤新工艺、液压支架软底自适应跟机拉架工艺和侧护板自主调斜控制技术；针对采煤机与支架移架不协同，严重影响三角煤截割效果等工程问题，开发了 “机架协同控制” 割三角煤工艺，提升了三角煤自动化截割水平，液压支架自主调斜控制示意如图 5 所示。

图 5    液压支架自主调斜控制

随着我国智能化开采技术的广泛推广应用，面对复杂地质条件下无人化智能开采所面临的诸多难题，逐步形成了以自动化控制、液压支架电液控制、智能集成供液三大系统为基础，以可视化远程干预技术、新一代信息技术等作为核心驱动力，以全面感知作为重要保障的智能化开采技术路径。针对不同的开采条件，实现自主决策、自动控制以及智能运维。同时，系统还具备反馈机制，能够依据实际开采情况进行调整，从而实现自适应智能开采，为复杂地质条件下的开采作业提供了高效、精准且智能的解决方案。

1.5 智能化开采关键装备

智能化采煤工作面的生产过程以无人跟机作业为目标，其主要技术难点在于远程遥控生产环节，是自动化、检测、视频、通信以及控制计算机等多种技术的深度融合与综合应用。

1.5.1 综采技术装备研发

自 20 世纪 80 年代初从国外引进综合机械化开采装备以来，我国开始了以液压支架为核心的综采技术装备创新与研发，开展综合机械化开采。80—90 年代，我国通过引进吸收国外液压支架技术，自主研发中厚煤层综采成套装备，少数工作面实现年产百万吨。90 年代末，综采加快发展，初步建立起煤机装备制造技术和产业体系，但高端煤机市场受到国外垄断。2003 年，我国研发了大采高 ZY8640/25.5/55D 电液控制高端液压支架，在晋城寺河煤矿成功应用，日产达到 3 万 t。2005 年，研发 5m 大采高成套综采装备，在神华万利煤矿成功应用，达到国际水平。2006—2010 年，研发 ZY12000/28/64 型和 ZY18800/32.5/72D 型大采高液压支架，成功应用后实现采高和效率的双突破。

2019 年中国煤炭科工集团研制超大采高、超大功率智能化系列采煤机。2023 年我国突破 7~10m 特厚煤层智能采煤技术瓶颈，研制出大采高智能采煤机及自适应截割系统，融合 5G + 冗余通信网络实现高可靠低时延远程控制，构建温度 / 振动 / 油液多维度故障预测模型，率先实现采煤装备在线监测与远程智能运维闭环管理。

1.5.2 综放技术装备研发

我国自 20 世纪 90 年代开始放顶煤液压支架为主的技术装备研究，历经高位、中位、低位 3 代技术迭代，1993 年突破低位放煤机构与高效密封技术，推出低位放顶煤液压支架，较前代产品顶煤回收率提升 15%~20%，放煤效率提高 30%，奠定了综放开采装备自主化技术基础。

2001 年，研发世界首套两柱掩护式放顶煤液压支架，实现自动化控制，工作面最高月产达到 64 万 t 的高产高效新纪录。

2008 年，针对塔山煤矿 14~20m 特厚煤层，研制首套 5.2m 的大采高综放液压支架，解决了煤壁片帮等难题，单面年产量突破 1000 万 t。2012 年，针对蒙陕矿区坚硬特厚煤层，研发了两柱强力大采高放顶煤液压支架，顶煤破碎率提升至 85%，采出率较四柱式提高 25%。

2019 年，针对金鸡滩煤矿浅埋坚硬特厚煤层开采地质条件，研制 7m 超大采高两柱掩护式综放液压支架，最大割煤高度 6.5m，最高月产突破 200 万 t，采出率突破 92%，破解坚硬特厚煤层安全高效开采世界性难题。

1.6 智能化开采控制技术

智能化开采控制技术主要包括采煤机智能控制、超前支护自动控制、工作面集中控制、工作面设备自适应控制及机器视觉等技术。

1.6.1 液压支架支护系统

液压支架是煤矿工作面支护作业的核心，决定了井下工作面及巷道的稳定性。采煤机综采作业时需不断调整其支护位置和形态以提高支护安全性。根据采矿技术条件选合适开采方法、支架型号、控制系统等是实现有效支护的必要手段。

如图 6 所示，液压支架全工作面跟机自动化与远程人工干预技术是实现煤矿智能化开采的关键，在此基础上，结合电液控制系统数据与液压支架视频，通过监控中心远程操作台对液压支架进行人工干预，满足复杂环境下自动化控制，解决了人工调整效率低、安全性差问题。

图 6    液压支架自动化跟机

用于配备电液控制系统的液压支架须具备高度检测、姿态感知等智能感知与控制功能，以实现智能控制。大采高液压支架要有顶板状态实时感知等智能感知功能；放顶煤开采液压支架要通过智能化割煤、自动放煤或人工辅助干预进行放煤控制，超前液压支架应配电液控制系统，具备就地和远程遥控功能，以及状态智能感知和自主行走功能。

以黄陵智能化开采为例，其研制具有多个伸缩单元的交错迈步式电液控超前支架，在电液控制系统和视频监控的基础上，开发了以 “数据 + 视频 + 模型” 为技术支撑的远程控制系统，实现对超前支架的远程监控和自动化控制。

1.6.2 采煤工作面智能感知系统

综采工作面智能感知需借助各类传感器、摄像头等感知设备构建多维度数据采集系统，全方位获取工作面环境、设备状态、生产数据等信息，达成对综采工作面的实时感知与监测。

采集的数据经物联网技术传至数据中心，再运用大数据和人工智能等技术处理，为煤矿自主决策提供支撑。同时，运用传感器网络、机器视觉、激光扫描等传感技术，实现包括人员、设备、顶板、支架、煤壁等情况数据采集的综采工作面多维信息感知与监测。

1.6.3 采煤机智能控制系统

传统采煤机运行主要依靠人工操控，且井下能见度低、粉尘浓度高，人工控制模式存在劳动强度大、人员技术要求高、效率低等工程难题。

智能控制是利用采煤机安装的各种传感器、煤壁视频、监控中心远程操作等手段，实现以记忆割煤为主、远程控制为辅的采煤机工作模式，满足复杂环境下采煤机的自动化控制，实现采煤机进刀、扫底煤、割三角煤等自动化作业与智能化控制。

其中，采煤机摇臂高度感知是在采煤机的活动气缸、摇臂等位置设置角度和位移传感器，实时感知摇臂高度。为满足远程视频控制，在采煤机的前后和摇臂侧设置高清摄像头，分析截割位置及环境信息。并根据煤层赋存条件和煤壁视频监控实时调整摇臂高度及前后滚筒，实现自动割煤；记忆截割自动控制是基于满足地质条件的自动化工艺，依据上次割煤存储的煤层赋存曲线，以具备在线学习、修改参数功能的自动化控制系统为核心，自动调节采煤机前后滚筒等运行参数，完成全工序自动化割煤；采煤机远程控制是通过远程控制台实现启停、运行速度和前后滚简摇臂高度控制等。

1.6.4 工作面集中控制系统

工作面综合控制系统是实现智能化开采核心关键技术，将工业以太网、电液控制、集成供液、顺槽集中控制、数据通信、视频管理、数据集成等集成到统一平台，实现分布式集成控制。

如图 7 所示，通过构建智能协同控制系统，深度融合液压支架、采煤机等装备单机控制模块，基于设备互锁机制建立智能启停逻辑链，依托井地协同控制网络实现工作面全设备远程集控，形成 “一键启停−智能联动−异常闭锁” 的高效协同作业模式，开创了煤矿综采装备集群化智能控制新范式。

图 7    工作面集成控制

1.6.5 超前支护自动控制

如图 8 所示，工作面巷道超前支护控制主要由超前支架、姿态监控系统和控制装置组成。超前支架为具有多个伸缩单元的交错迈步式电液控超前支架。工作面巷道超前支护控制主要由超前支架、姿态监控系统和控制装置组。超前支架是具有多个伸缩单元的交错迈步式电液控超前支架；姿态监控系统基于电液控制系统数据和视频监测，以 “传感 + 视频 + 虚拟现实” 为技术支撑，是能实现对超前支架、转载机和自移机尾定向、定位、定姿等监控及自动化控制的远程控制系统；超前控制装置主要由超前支架内的油缸压力、位移传感器、热成像摄像头等，通过布置超前巷道或地面调度中心的上位机软件，将传感器和热成像摄像仪等数据传输至系统显示界面，为远程控制提供决策依据。

图 8    超前支架控制

1.6.6 工作面设备自适应控制

自适应控制主要包括自主截割控制、液压支架电液控制、高效动力机液压保障及惯性导航与激光雷达融合监测等技术。

1. 自主截割规划控制：依托三维地质模型实现全工作面透明化感知，通过地质数据 + 煤机位姿 + 支架姿态 + 工艺参数等多源异构数据融合，构建自主决策模型。采煤机基于地质透明化模型实现自适应截割路径规划，支架群组通过电液控制系统实时感知煤机运行状态，动态调整跟机移架时序，形成 “实时感知 — 自主决策 — 精准执行” 的动态闭环控制。系统以 0.1s 级响应速度实现采煤机与支架毫米级协同作业，工作面全流程自动化率达 95%，标志着煤炭开采进入地质透明化、装备自适应、工艺自优化的智能开采新阶段。随着 AI 技术发展及现场应用的深度融合，形成了基于全景视频拼接的自适用截割技术。借助工作面全景视频拼接，实现全面看清工作面整体、明晰细节、精准察觉异常；通过与三维地质模型进行深度融合，修正截割曲线，自动计算截割滚筒抬刀、挖底量，生成采煤机最佳截割曲线并下发给采煤机控制系统，实现采煤机精准干预的自适应截割。

2. 工作面自动找直技术：工作面找直主要有激光调直、移动巡检和直线度控制等技术。利用激光传感技术，分析相邻液压支架的位置状况，实现工作面设备找直控制；应用工作面固定移动巡检技术，集成惯性导航、高清摄像和热成像等功能，实现工作面自动找直，也为滚筒透尘可视化和高清全景视频监控奠定基础。随着智能编程技术的成功应用，形成基于智能编程的工作面直线度控制技术。通过工作面双惯性导航系统，实时采集数据，绘制工作面刮板输送机直线度曲线，计算支架拉架理论数据，并向液支架电液控系统下发指令；通过两端头直线度控制和工作面调斜控制，解决过渡段应力集中导致设备损伤问题。

3. 电液自动控制技术：液压支架电液控制技术呈现网络化升级趋势：当前主流方案中，基于 CAN 总线的分布式控制系统与基于工业以太网的集中式网络型系统形成技术代际差异。网络型系统通过协议融合实现电液控制与综采自动化系统深度集成，但在井下多源异构数据并发传输场景下面临单链路带宽瓶颈，且网络拓扑冗余度不足导致系统可靠性下降（图 9）。

图 9    液压支架控制

近年来，新一代信息技术为煤矿智能化开采提供技术支撑，采用 5G、WiFi6 等技术，构建井下一体化无线通信底座，实现液压支架电液控制系统关键数据的实时可靠传输。网络型电液控制系统逐步形成了包括工业以太网通信、多网融合、电源与功率平衡、推移精准位置控制、快速移架等关键技术。2017 年北京天玛智控科技推出国内首套综采工作面的两芯百兆网络型控制系统，基于工业以太网和多总线技术，搭载通用组态化开发平台，解决了综采工作面产品繁多、链路复杂、通信宽带低的难题，2019 年在新元煤矿成功示范应用并推广。近年来郑煤机、向明智控等推出了国产自主研发控制系统并占领国内主流市场。推动以自动找直为基础向以透明工作面为核心的智能化开采阶段发展，控制向系统联动、通用边缘计算控制单元发展，通信链路从工业控制总线向工业以太网发展。

1.6.7 机器视觉技术

煤矿井下环境复杂，对生产环境感知、视频提取等信息需求强烈。现有成熟机器视觉技术为双光谱热红外摄像机图像增强技术和多目全景视频拼接技术。

视觉感知技术通过云台摄像仪将实时图像转为以太网信号输出，配合采煤工作面智能控制系统，可实现视频跟机随动，掌握采煤机滚筒截割状态并监控，还能通过摇杆切换视角，达成地面监控中心对采煤机的远程控制。此外，红外成像、激光扫描等技术在工作面感知体系成功应用，为灾害检测监控和数字场景建模奠定基础。

1.7 智能开采工作面实践成果

自 2014 年 12 月，黄陵矿业公司一号煤矿 1001 工作面在国内率先实现了 “有人安全巡视，无人跟机作业” 智能化无人开采以来，我国开启了煤矿智能化开采时代。已在我国主要产煤矿区得到推广应用，截至 2024 年 6 月底，全国已累计建成智能化采煤工作面 2201 个。部分采煤工作面单班作业人员减少 6 人以上，劳动工效提高 20% 以上，减人增安提效成效显著。

1.7.1 智能化开采技术突破

黄陵矿业公司自 2008 年开始智能化综采技术研究，历经 8a 的科研攻关，通过调研论证、设计统一标准、设备选型与制造、地面调试、井下工业性试验及推广应用等阶段，实现了我国采煤技术的重大变革。国家安全生产监督管理总局于 2014 年 12 月发文指出：“黄陵一号煤矿在国内率先实现了地面远程操控采煤，填补了我国煤矿综采工作面智能化无人开采的空白，是我国煤炭工业史上的重大创举，是能源生产领域的技术革新，为建设本质安全型矿井、现代化煤矿企业探索出一条新路子、迈出一大步，具有重要的里程碑式意义”。

黄陵矿业公司以产学研相结合的创新模式，实现智能化无人开采国产综采成套技术与装备突破。

首先，提出了基于可视化的远程干预型智能化无人综采技术路线，以网络通讯和技术装备为基础，以采煤机记忆截割、液压支架跟机移架、远程集中控制、视频监控为手段，以自动化控制系统为核心，实现 “工作面自动控制为主，监控中心远程干预为辅” 的智能化生产模式。

同时，攻克了液压支架自动跟机与远程人工干预、采煤机记忆截割与远程人工干预、工作面视频监控、综采自动化集中控制、智能化集成供液控制、超前支护自动控制、工作面自动找直等智能化关键技术，实现地面远程操控采煤常态化运行。“1.4 ~ 2.2m” 煤层智能化工作面生产能力达 17 万 t / 月，回采工效由 79t / 工提升至 133t / 工，提升 68%；2015 年，完成中厚煤层智能化无人开采技术研究与应用，攻克了防片帮控制、工作面底软控制等关键技术，煤层智能化工作面生产能力达 23 万 t / 月，回采工效由 117t / 工提升至 149t / 工，提升 27%；2016—2017 年，二号煤矿开展了 5 ~ 6m 大采高智能化综采技术研究，实现厚煤层复杂地质条件下常态化应用，生产能力达 50 万 t / 月，回采工效从 136t / 工提至 216t / 工，提升 59%。整体生产效率提升平均超 15%。截至 2019 年 6 月底，公司 4 对矿井均实现智能化开采，覆盖薄、中厚、厚煤层。

1.7.2 薄煤层智能化开采技术

我国科研人员针极薄煤层开采环境复杂、空间受限，提出基于多源数据融合的分布式协同控制策略。分析了开采装备、通信网络等关键技术，构建极薄煤层智能开采管控平台，研发 0.7 ~ 1.0m 煤层开采的智能控制技术与智能装备，实现采煤系统可视化、小型化、精准化，保障极薄煤层安全智能高效开采。

国家能源集团神东煤炭公司提出工作面顶底板煤岩分界识别工程方法，采用 “采煤工艺编辑 + 截割模板” 远程操控模式及相关技术，实现较薄煤层综采工作面常态化无人生产，示范面生产能力涨幅达到 79.7%；四川嘉阳集团嘉阳煤矿创新规划截割、视频巡检等技术，生产效率增长 16.7%，支架与煤机自动化均率达 96% 以上；山东能源集团在薄煤层工作面配套高端装备，加强数字孪生、盘古大模型等多项技术，于杨村煤矿、滨湖煤矿薄煤层工作面实现常态化无人作业。

淮河能源集团创新灾害治理技术，研制国产采煤机，升级系统泵站与管路，研发自动化开采工艺、优化功能，实现薄煤层智能化安全高效开采；中煤装备研发多套不同采高成套设备，统筹推进薄煤层工作面智能化建设常态运行；中煤装备公司研发成套设备，推进薄煤层开采智能化建设常态运行。

此外，中国平煤神马集团、四川省煤炭产业集团、中国煤炭科工集团等薄煤层赋存企业及科研单位，在解决方案、设备研发、科研管理等方面也取得了较大进展。

1.7.3 厚煤层智能化开采技术

我国西部矿区优质厚−特厚煤层，大采高综采−综放开采技术保障了煤炭资源稳定性供给。在中厚及以上煤层高效智能开采方面，国能神东、中煤、陕煤、山东能源等大型煤炭企业多数主采矿井实现自动化、少人化开采，应用了采煤机器人等技术，已从落后迈向世界前列，在探索智能化开采过程中，形成以记忆割煤、自主跟机等一系列高无人化技术为核心的煤矿智能化开采技术。

例如，黄陵矿业公司一号煤矿采用 “一网到底” 网络型控制系统等关键技术，实现工作面常态化生产。黄陵一矿基于动态地质模型等实现多项功能，解决规划截割人工修正模板便捷性问题，截割模板功能规划截割 20 余刀，最佳匹配率 75%，最低匹配率 33%。国家能源集团神东公司榆家梁煤矿建立智能开采一体化平台，采用 “后端分析决策，前端交互操控” 模式，实现煤机装备协同调度与自动化作业。操控软件定制开发，实现多种人机操作交互并配置相关设备，在地面控制中心进行生产工艺决策与设备监控。金鸡滩煤矿针对 8.0m 坚硬煤层一次采全厚技术瓶颈，研制 ZY21000/38/82D 型两柱掩护式超大采高液压支架，攻克超大采高工作面围岩控制、设备稳定性等技术难题，推动我国厚煤层开采技术迈入 “全厚开采−智能控制−本质安全” 新阶段。陕煤集团小保当煤矿中厚煤层工作面倾向长 450m、平均厚 2.55m。在超长工作面支−采−运工艺装备上，采用 “高能积比” 配套模式等解决 “支”“运” 难题；智能化系统控制方面，研发工艺方法、控制程序，提出协同控制策略，确立高效开采工艺，研发监控、支护控制及供液系统；在长距离刮板运输方面，分析受力与强度，研制高精度长寿命刮板输送机。智能化 450m 超长工作面，最高日产 5.2 万 t，实现特定采高和长度的智能化开采及千万吨产能，较国内其他中厚煤层生产能力提升超 3 倍。曹家滩矿开采 2 - 2 煤层，平均厚 11.22m，为提升回收率与释放产能，建立开采装备三维参数化数字模型，搭建三维虚拟化数字孪生协同配套平台，创建适应 10m 超大采高综采的成套智能开采装备；基于 “空、天、地、井” 监测技术，融合多种监测系统形成协同监测融合分析技术体系，实现矿压等多方面精准监测，保障安全高效智能化开采。技术应用后，产量从 1300 万 t 提至 2000 万 t，产能提升超 15%，资源采出率增加超 10%。上湾煤矿大采高工作面，通过成功应用大流量泵站和快速升柱液压阀提升移架速度，将 longwall mind 集控软件升级到 5.0 版（具备矿压监测、故障诊断能力）。在平均采高 8.8m、长 300m 的工作面，生产班人数从 9 人减至 5 人，年生产能力提升至。大倾角工作面应用液压支架姿态监测与控制技术，避免倒架、咬架问题。在平均 26° 倾角的川煤大宝顶、平均 26° 倾角的宁煤梅花井等煤矿常态化应用支架跟机技术，实现减人提效。放顶煤工作面应用网络型控制系统精简单架配置，借助放煤口状态检测与控制技术实现远程放煤、记忆放煤。王家岭矿 12309 工作面，平均采高 3.1m，后部放煤 3.0m，综采队定员从 100 人减至 75 人，工效提升 24.8%。同煤矿区针对 14 ~ 20m 特厚煤层放顶煤技，研制世界首台套工作阻力 15000kN、最大高度 5.2m 的大采高放顶煤液压支架，分析智能化综采放顶煤技术特点，建立智能放煤决策系统与智能放煤控制系统，达成特厚煤层安全高效开采。

总之，通过提升设备可靠性，升级软件架构与稳定性，突破巡检机器人、测量机器人、导航定位、采煤机电缆拖拽等关键技术，在薄煤层、中厚煤层、厚煤层、大采高、大倾角、放顶煤等工作面均实现了 “少人巡视，无人操作” 模式常态化智能开采。

国内外煤炭行业持续探索高效智能采煤技术。曾经澳大利亚、德国、美国等国家在煤炭开采技术上领先我国。随着 2014 年黄陵矿业公司智能化开采的成功实践，2020 年 8 部委发文推进煤矿智能化建设，我国煤矿设备企业、高校、院所积极开展自主创新与科研。经过十年技术装备创新与工程实践，我国在煤矿智能建设方面取得重大进展，但整体智能化发展仍处于初级阶段。

2.1 智能化煤矿基本概念

自从我国煤矿智能化开采技术成功实践以来，煤矿智能化相关理论研究工作严重滞后于工程实践，为此，相关学者逐步开展了煤矿智能化基础理论的研究工作。基于智能化开采、智能通风等工程实践，通过构建数字逻辑模型、多源异构数据处理、智能控制、智能开采、智能建井、智能掘进等基础理论体系，为煤矿智能化自主决策、精确控制、安全监测监控奠定了理论基础。

智能化煤矿是一个典型的复杂巨系统，涉及数十个系统，上百个子系统间的交叉融合，实现从系统智能化到智能系统化的整体跃迁是新的挑战。2020 年，作者团队在取得智能化开采成功实践的基础上，分析制约煤矿智能化建设的井下高效通信、装备智能化、决策智能化等一系列技术问题，给出了智能煤矿的内涵与定义，提出了包括 5G + 技术生态圈、GIM 和混合云 3 部分的智能煤矿基础搭建，确定了智能煤矿的顶层设计方案及主要应用场景。

其中，智慧矿山的核心是基于矿山数字化信息，借助通信技术、人工智能、大数据、互联网 + 等现代技术，实现煤矿的全面智能感知、自我分析和智能决策，使得煤矿 “人、机、环、管” 能够在统一和谐的综合体中高度自主运行。无人矿山是智慧矿山的终极目标 。同时，王国法等专家学者也给出了智慧矿山建设理念、目标、内涵及关键问题，提出一系列机理、方法与模型。总之，煤炭智能化持续迭代升级，自动化、智能化程度及概念定义不断完善。

2.2 煤矿智能化发展历程

煤矿智能化的发展是煤炭工业与现代信息技术、自动化技术深度融合的过程，其演进大致可分为以下几个阶段。

1. 机械化、自动化阶段：该阶段主要包括机械化阶段、初级自动化阶段、信息化与单机自动化阶段，也是煤矿智能化的铺垫与探索过程。20 世纪中期以前，我国煤炭开采处于人力与半机械化阶段，以人工劳动为主，辅以镐、锹、马车等简单机械工具，其特点是效率低、安全风险高，依赖人力。20 世纪中后期，我国煤炭开采处于机械化与初级自动化阶段，该阶段开始引入液压支架、采煤机、带式输送机等电力驱动设备。如长壁采煤法的综采设备普及；风机、水泵的远程启停的局部自动化控制。但存在设备孤立运行，缺乏系统协同等难点。20 世纪末 —21 世纪初，我国煤炭开采处于信息化与单机自动化阶段，该阶段传感器技术、工业控制系统、计算机辅助管理等取得突破。瓦斯浓度、温度、压力等参数实现在线监测，部分设备实现自动调节，生产调度、安全监控实现计算机辅助管理。如 2000 年后推广 “数字化矿山” 概念，建立井下工业以太网通信网络，但存在数据孤岛问题突出，智能化水平有限等局限性。

2. 智能化探索阶段：2010—2014 年，我国部分煤炭企业进行了物联网、远程集中控制、初步数据分析等系统智能化的创新与实践。黄陵矿业公司的智能化开采工作面最具代表性，实现了 “工作面一人巡视，无人操作” 的常态化远程控制采煤模式。2015—2020 年，国家出台系列政策支持煤矿智能化建设，明确发展目标任务，推动企业加快改造步伐。2017 年国务院发布 “人工智能发展规划”，2019 年国家煤矿安全监察局发布《煤矿机器人重点研发目录》，2020 年八部委引发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，指出煤矿智能化是煤炭工业高质量发展核心支撑，提出了智能化建设目标。随着智能化开采 “黄陵模式” 逐步向全国推广应用，其煤矿智能技术不断突破。比如用于煤岩识别、地质预测、设备故障诊断的人工智能技术，5G 通信技术，巡检机器人等逐步应用实践。煤矿智能化工作面增多，如国内陕煤黄陵矿区、兖矿金鸡滩煤矿等建成多个智能化采煤工作面，国外德国、澳大利亚也推广自动化无人工作面，提升生产自动化、信息化水平、采煤效率与安全性。

3. 智能化全面发展阶段：2021 年至今，在国家前期出台系列政策的支持下，我国煤矿智能化技术取得快速发展。煤炭行业达成智能化建设共识，各企业认识到煤矿智能化是提升竞争力的关键，正从被动适应转向主动建设，推动行业迈向高效、安全与可持续发展新阶段。比如：构建了以数字孪生技术为基础的煤矿全生命周期虚拟模型，研发智能调度与灾害预警系统等。在智能化示范矿井建设上，一批先进企业成为示范矿井，在地质保障、采煤、运输、通风、洗选以及物流等方面成效显著，逐步形成较为完整的智能化生产体系。且 2024 年国家能源局发文要求推进数字化、智能化技术与煤炭产业进一步融合，提升煤矿智能化建设水平。

2.3 煤矿智能化顶层设计

智能化煤矿建设以泛在网络和大数据云平台为支撑，以智能装备为基础，以智能管控系统为核心，以技术创新为保障的可靠运行体系。涵盖综合管理、位置服务、地质保障等功能，打造覆盖生产、办公等全方位的煤矿综合生态圈。

智能化顶层设计是智能化建设的前提与保障，要从安全、高效、集约、智能及可持续发展角度统筹规划。通过顶层设计，统一规划建设综合智能管控平台、涵盖矿井多业务应用系统与大数据中心，实现多源异构感知数据的接入、集成、融合及双向交互，推动信息化与自动化在统一平台融合，包含生产管理和智慧园区两大核心功能平台。

煤矿智能化建设经过多年的发展，逐步形成了 “6+1+1” 模型，涵盖安全生产管控、经营管理及云服务三大层级。即智能采煤机、掘进机器人的一系列智能化设备；融合 5G、工业互联网、窄带物联网等的一张网；基于 GIS 系统构建数字孪生矿山的一张图；安全生产管控一体化平台；统一数据接口与智能化建设规范的一个标准；煤矿大数据中心的一个库；面向企业经营管理的一个运营管理中心；构建矿山私有云或公有云的一朵云等。

2.3.1 煤矿智能化系统构架

系统架构是一个多层次、多模块的集成体系，目的是通过先进的信息、自动化和人工智能等技术实现煤矿生产全流程的智能化管理。

煤矿智能化系统通常采用 “云−边−端” 协同架构，基本分为设备层、网络层、边缘计算层、平台层、应用层。

总之，智能化系统整体采用人工智能、自动化控制、精确定位、机器人等技术，构架安全监测智能综采、智能供配电、智能洗选等系统及经营管理平台，为煤矿智能化高质量运行提供平台支撑。

2.3.2 智能化综合管控平台

综合智能管控平台是矿井生产、运营的大脑中枢，统一管理工作面集中管控、通风等多子系统。

基于统一的信息化标准体系，通过数据集成、业务协同等形成煤矿综合性智能管控平台。此平台面向各应用场景，基于模块化、组件化业务组件集，实现高效运作。其应用架构分应用层、平台层，标准规范体系和运行维护安全保障支撑体系贯穿各层次，确保应用系统符合安全、标准、规范要求。

2.3.3 智能化安全监测监控平台

智能化建设需全面、全时空采集并智能化分析安全相关因素，在减轻员工劳动强度的同时，实现人员与危险因素的自动化数据采集、传输、推送、监控及处理。

1. 智能化双重预防：智能化双重预防机制依托监测监控、人员定位、工业视频等安全信息系统，融合智能软硬件技术，推动安全管理创新性发展。通过集成安全管理方法，实现从风险辨识到治理验收的全流程智能化，大幅提升安全治理效能。

2. 安全监测监控系统：智能化安全管理需全面掌握安全相关要素，全面感知井下人、机、环要素，借助三维 GIS、数字孪生等技术实现数据可视化，为管理决策和系统数据分析提供支持。系统具备人−机−环实时监测监控传感、数据传输与数据平台、数据孪生等基本功能。

3. 智能安全闭环管控系统：煤矿安全管理需对安全工作和危险因素实施有效控制，通过闭环管控确保隐患排查从计划、执行、上报、治理、督办、验收至销号的全过程高效落实，明确各环节责任，提升管理质量。

总之，煤矿安全监控系统智能化水平扔需大幅提升，比如：传输架构复杂，系统缺乏复杂功能、数据量较少、数据自主分析能力缺乏；设备多、传感器采集参数单一；多系统融合程度有待深入；系统自身排除故障、自评估、自诊断的能力差。

2.3.4 大数据中心平台

该平台的核心是大数据处理及分析系统，平台建设主要包括大数据基础平台、数据接入平台、数据资产管理平台等 3 部分。大数据基础平台为建立数据处理的基本构架，为数据提取、分析、筛选、接入、可视化等功能模块；数据接入平台为分析、去重、清晰、合并、分类等的数据预处理；数据资产管理平台负责数据的管理和数据关联分析。其中，数据治理的理论、技术与实践已取得初步进展，但仍是制约煤矿智能化发展的关键技术瓶颈。

2.3.5 新建顶层设计与实践

在国家首批智能化煤矿示范 — 巴拉素煤矿的工程实践中，作者提出了新建矿井智能化系统设计建设模式 (图 10)，构建了融合 5G 技术生态的智能煤矿总体架构及核心应用场景，设计了巴拉素煤矿智能矿井建设总体方案；

图 10    智能化煤矿总体架构

构建了首个煤矿 5G (无线)+F5G (有线)+WiFi6 井上下一体化网络通信系统 (图 11)，构建了 “统一编码−统一接口−统一平台” 的煤矿大数据框架体系，实现了井下 5G 网络的统一管控，灵活部署和数据的超级上行。

图 11    5G 无线通信调度融合基站

同时，开发了基于 GIS+BIM 的 “一个平台框架、两级协同管控、全程闭环反馈” 的煤矿智能化综合管控系统，实现井上下网络综合承载、数据融合与协同控制；创建新建矿井 5G + 工业互联网平台，实现安全生产多要素全流程协同控制和主要生产系统智能化；构建由安全生产智能化管控系统、综合自动化智能监控系统和煤矿大数据与数据管理系统构成的一体化综合智能管控平台 (图 12)。

图 12    5G 智能化管控平台

在实践中，建设的管控平台包括 22 个安全监测系统、27 个生产系统、16 个环境监测系统、65 处主要场景、706 个 BIM 模型，全矿区减少井下用工 40%，数据利用率提升 70%，降低能耗 20%。

2.4 煤矿智能化关键技术

2.4.1 网络化技术

1. 煤矿通信网络发展：煤矿通信网络因井下信号覆盖长、无线干扰多及危险气体存在，需具备强抗干扰能力和防爆设计，同时满足监控、音视频传输及上行资源需求。基于实际工况，建设安全高效的数据采集与信息传输系统，推动新一代信息技术与智能矿井深度融合，实现人、机、物全面互联。我国煤矿网络化技术经历起步、发展、成熟等几个阶段。① 起步阶段：2014 年前，煤矿网络建设起步，部分企业搭建简单的局域网用于内部信息传输和设备控制，但覆盖范围有限，带宽和稳定性有限。工业以太网等技术开始在井下试用，未推广广泛。随着煤矿逐渐加强网络基础设施建设，井下开始部署通信网络，但覆盖范围和传输速度有限，无法满足智能化设备的通信需求。2010 年左右，矿山物联网技术开始在煤矿应用。② 发展阶段：2015—2019 年，网络技术进步使煤矿网络带宽和稳定性提升，工业以太网在煤矿应用渐广，在同一网络平台传输数字、语音、视频信息，利于信息共享。为解决井下人员与移动设备信息采集和控制难题，无线网络技术开始探索及应用，但面临信号覆盖、安全性等挑战。③ 成熟阶段：2020 年以来，5G 网络在煤矿应用实现突破，尤其是 5G 融合一张网的应用，其融合多种接入方式，采用标准化传输，构建煤矿的泛在感知网络、光纤接入骨干网并针对应用场景切片。实现多场景感知的无缝接入与多场景承载需求，做到平台共享、数据共用、融合高效。

2. 煤矿 5G 网络及 F5G、WiFi6 等的应用：随着第四次工业革命的到来，包括移动通信技术、人工智能、机器人技术、大数据、云计算等新一代信息技术迅速发展。① 5G 网络技术：5G 作为新一代移动通信技术代表，以高速率、低延时、高可靠性支撑传统煤炭行业转型升级发展。在智能化煤矿中的应用包括网络通信、人工智能、自动化生产、安全监测监控等方面，生产与安全的典型应用场景有智能开采、掘进、运输、视频监控、智能巡检等。② F5G、WiFi6 技术：F5G 是第五代固定网络，以 10GPON、WiFi6、200G/400G 等技术为代表，有大带宽、低时延、高可靠、无源、易部署、易扩展的特点，在国内已广泛部署且高度产业化。与传统工业交换机环网相比，煤矿 F5G 有网络架构极简且无源、自生长网络、高保护、低时延、可靠性强、免熔纤、易运维、井下部 署简便的优势，主要应用于煤矿的视频、远程监控、安全监测监控、人员定位等网络。

3. 融合通信技术：针对煤矿信息传输存在多系统、多平台、多通道、信息采集速度慢、协议多、结构复杂、设备繁杂、传输无标准、不兼容等难题，采用 TCP/IP 协议架构，以千兆 / 万兆工业以太光纤环网为主干网，以 Zigbee 等无线低功耗传感器网络节点、RS-485 与 CAN 总线为延伸，建成一张网融合通信网络平台。进行煤矿融合通信管理，统一接入、管理和调度各子系统，建立一体化管控机制以实现矿山安全生产的标准化与精细化管理。例如华为推出矿鸿操作系统，构建物联网环境，助力产业数字化转型。

2.4.2 地质保障技术

地质保障技术贯穿于地质勘探、建井、掘进、开采等各阶段，是实现煤炭等固体资源开发的基础，在致灾探查与防治、智能建井、智能开采等至关重要。

“透明地质” 以综合探测为核心、地质可视化系统平台为保障，为煤矿智能化提供可视化分析、设计和决策的地质服务。如图 13 所示，综合地质模型是构建透明地质模型的基础，包括地层、构造、水文、瓦斯、火区、扰动等地质与力学模型及地质数据库，实现地质物理、化学特性的可视化，建立全息透明地质体，且具有透视、剖切等可视化操作，为灾害监测监控与预警提供数据支撑。

图 13    透明地质模型

总之，地质保障的勘查技术从传统描述、钻探、物探朝着透明地质模型转变；勘查方法从以地面为主转变为地面、井中和井下三维一体探查；服务目标从以资源评价为主扩展到资源评价、资源开发评价、矿井灾害隐患预测、采后生态环境预测与修复。

2.4.3 智能化掘进技术

井巷智能化掘进是煤矿智能化建设的重要部分，近十年来我国煤矿智能掘进技术水平大幅提升。智能化掘进成套技术装备创新与试验加快，减少了施工人员、提高掘进速度、降低安全风险。基于不同地质条件，形成悬臂式掘进机、连采机、掘锚一体机、全断面硬岩掘进机 4 类快速掘进智能化成套装备，在智能截割、掘进定位导航、智能支护钻锚、协同控制和远程集控等技术创新突破。截至 2024 年 6 月底，全国累计建成 2269 个掘进工作面，智能工作面数量显著增加。

快速掘进智能控制形成智能感知、精确定位导航、自主定型定向截割、远程自主截割控制、多机多工序智能协同等关键技术。感知技术包括环境、设备、地质感知。巷道掘进环境复杂，精准定位导航和自主截割是自动化与无人化掘进关键，前者包括多传感融合测绘等技术，后者涵盖定位姿态等技术。远程自主截割控制是掘进机智能化核心，掘进数字孪生系统为其远程控制与监测提供重要支持。

2.4.4 辅助智能运输技术

辅助智能运输技术是通过自动化、信息化和人工智能技术提升运输效率、降低安全风险、并减少劳动强度。其核心技术包括精准定位与导航、智能调度与管控、无人驾驶技术、驾驶辅助系统、自动化装卸与接驳、物资信息化管理等。

在辅助运输装备领域，重点研发并应用了 80t 分布式电驱动重型铲板式搬运车、快速掘进工作面搬运车、驾驶辅助运输、调度运输及无人驾驶等技术与系统。目前，井工煤矿仍以单机智能化为主，如无轨胶轮车的定位与调度系统。如山东能源榆树井煤矿已建成智慧调度系统，实现“一键绿灯”应急调度AI违章识别，减少岗位工 16 人。无人驾驶技术处于试验阶段，如张家峁煤矿研发多传感器融会的无人驾驶系统,实现了燃油车和锂电池人车的智能化运行。

2.5 煤矿智能化实践

十年来，我国智能化煤矿建设取得显著成效，建立了智能煤矿顶层架构，制定相关标准与规范，研发不同煤层条件智能化开采成套技术装备体系，形成新建矿井、改造矿井的智能化煤矿建设模式。

特别是 2020 年以来，逐步形成包括内涵、目标、组织架构、合作伙伴的煤矿智能化协同创新模式。建成 “煤智云” 大数据中心，形成井工煤矿、选煤厂等一体化解决方案，在智能化设计、地质保障、开采、掘进、运输等领域取得技术创新成果。

在数字化、智能化建设的推动下，煤炭行业数字的基础设施、经济、产业等协同发展。“十四五” 以来，煤炭数字产业的研发投入、收入、利润等约增长 30%；工业互联网、自动化技术等新一代信息技术走在工业行业的前列；数字化与智能化管理系统与平台在煤炭企业已普遍应用。2023 年智能化煤矿数量已达 758 处，产能已达 27.7t；2024 年 6 月，我国矿井数量由 1 万多处减少到 4200 处左右。矿井数量显著减少，智能化煤矿产能提升明显。

2024 年，我国在深部煤炭开发智能化装备、超大采高综采、综采装备精准推移与联动控制、辅助作业机器人集群、安全风险智能防控装备、运维标准体系、透明地质管控平台、全景视频自适应截割无人开采技术等煤矿智能化建设取得重要突破。上述成果推动煤矿智能化建设迈向新高度。但仍然存在建设进展不平衡、运行水平还需提高、核心技术装备支撑不足等难题。因此，还需加大煤矿智能化推进力度，提升煤矿安全高效智能建设水平。

智能建井不仅是煤矿行业高质量发展的内在需求，也是煤炭资源安全高效开发的迫切需要，更是保障国家能源安全、推动经济社会可持续发展的关键所在。2021 年《“十四五” 能源领域科技创新规划》中提出 “井筒机械破岩智能建设” 技术，尽管矿井建设深度已突破 1000m、逼近 1500m，大直径井筒机械破岩钻井深度已达 600m，但依然以钻爆法施工为主，西部煤系地层全断面敞开式掘进机施工斜井与钻井法施工立井仍为技术空白。

3.1 智能化建井的概念与特征

随着西部煤炭资源开发由浅部转入中深部，以钻爆法、综掘法为主的传统建井技术，工序复杂、作业环境恶劣、劳动强度大、建井工期长、自动化水平低、安全风险高，无法适应加快煤炭资源安全高效开发的需要。智能化建井主要面临三大难题：一是没有适应于西部煤系复杂地层智能建井的关键工艺技术；二是缺乏超长斜井和深大立井全断面机械破岩建设的智能化装备；三是亟待攻克井筒高效建设的智能化控制系统与安全保障技术。

3.1.1 基本概念

笔者针对我国西部富水弱胶结厚基岩地质条件建井工程面临的基础理论、技术装备、工程建设等难题，给出智能化建井的内涵、特征及顶层设计，并针对矿井建设面临的诸多挑战，提出了 “智能化建井，建智能矿井” 的技术理念与基本概念。智能化建井即以 5G 等最新通信技术生态为基础，以智能建井技术装备为核心，以智能控制系统为支撑，以安全保障技术为保障，实现施工过程 “机器决策为主、人工干预为辅” 的安全高效建井技术。

3.1.2 主要内涵

智能化建井的内涵主要体现在自主感知与决策、远程操控与无人 / 少人作业、绿色环保及管理等。
技术集成创新：智能化建井涉及物联网、大数据、云计算、人工智能等先进技术与传统建井技术的融合，通过创新建井方法、工艺和技术装备，实现建井过程的自动化、信息化和智能化。全过程管理：通过智能化手段优化各个建设环节，提高施工效率，降低成本，实现地质勘查、设计规划、施工建设到后期维护的建井全生命周期精准管控，确保工程质量和安全。自主感知与决策：构建实时感知施工环境和设备状态的智能感知系统，基于数据分析进行自主学习和决策，实现施工过程的自适应调整和优化。远程操控与无人 / 少人作业：利用远程控制技术，实现在地面控制中心对井下设备的远程操控，减少人员下井，提高作业安全性。绿色环保：建井过程中采用节能减排技术和绿色施工方法，减少对生态环境影响。

3.1.3 总体架构

如图 14 所示，智能化建井系统平台主要包括基础设施、支撑平台、生产系统、一体化协同管控系统等。总体架构设计是智能化建井系统平台研发的重要前提，其是一个动态的、不断优化的系统，围绕着智能化、信息化和自动化等三大核心技术，基于煤矿智能化建井的内涵、原则和基本特征，构建煤矿智能化建井 “4 系统平台 + 4 支撑 + 5 过程方法” 的总体架构。

图 14    智能化建井总体构架

3.2 智能化建井协同控制原理

智能化建井是一个典型的多智能体系统，其核心特征包括智能体的自主性、局部通信与感知能力、分布式协作、自适应性以及自主推理、决策和控制能力。通过环境感知、相互通信、协作与决策，各智能体将低阶智能整合为高阶智能，实现系统的整体目标。根据智能体结构的不同，该系统可分为同构多智能体与异构多智能体，或实体智能体与虚拟智能体，体现了多样化的组织与功能特性。

3.2.1 协同控制原理

煤矿智能化建井系统，无论是斜井全断面智能掘进还是立井 “一钻完井”，均包含感知智能体、装备智能体和工艺虚拟智能体，构成了典型的异构多智能体复杂系统。基于此，笔者提出了 “环境预处理−工艺自决策−装备自组织” 的智能建井控制原理，并构建了基于骨干网络的多智能体协同控制系统。通过该系统，单个智能体的简单智能组合涌现为高度智能的复杂综合系统，旨在实现多智能体间的作业均衡与多目标协作优化，推动智能化建井的高效实施。智能建井多智能体协同控制原理如图 15 所示。

图 15    智能建井多智能体协同控制原理

3.2.2 协同控制关键技术

协同控制是建井技术转型升级的关键驱动力，通过集成先进的信息技术、自动化技术与人工智能，实现对井下设备、环境及作业状态的实时监控与调控，可以极大地提高煤矿的生产效率和安全性，实现设备间的协同作业和资源优化配置。

智能化建井协同控制主要包括斜井掘进、立井钻井及综合保障等方面，通过信息化、自动化和智能化的技术手段，将建井的生产、资源、安全等各类信息接入到系统，实现对复杂施工环境的精准感知、智能决策与高效执行，从而为安全生产、高效协同作业、资源优化配置等提供有效支撑。协同控制技术逻辑如图 16 所示。

图 16    智能化建井协同控制关键技术

其核心关键技术包括如下。

3.2.3 协同控制系统

智能建井协同控制系统包括斜井全断面敞开式掘进机掘进、立井 “一钻完井” 钻进、综合安全保障等系统。斜井掘进机掘进系统主要包括掘进机掘进、协同支护、智能通风、带式运输等控制技术。立井钻井法控制系统主要包括钻机、泥浆循环、井壁预制、井壁沉降、壁后充填等控制技术。综合保障系统主要是以通信技术为基础，超前地质探测、安全监测监控为核心、物料协同为支撑，为安全建井提供保障服务。

3.3 斜井智能建井技术装备

全断面掘进机在煤矿巷道中的应用仍处于探索阶段，尤其是全断面敞开式掘进机在煤矿斜井中的应用尚属空白。因此，斜井全断面机械破岩掘进机智能掘进技术装备研发与工业试验，成为煤矿安全高效快速建井的关键技术支撑。

3.3.1 全断面掘进机施工工艺

通过揭示富水弱胶结地层工程力学特征，阐明不同基岩多滚刀协同破岩机理，建立斜井掘支同步−立体交叉−平行作业协同连续化建井工法，突破多滚刀搭配破岩、掘支协同、掘进机姿态控制等技术，形成 “探−掘−支−锚−运” 一体化工艺技术体系，实现多工序协同与全流程高效运行，具体施工工艺流程如图 17 所示。

图 17    全断面敞开式掘进机施工工艺流程

发明围岩控制、智能排渣、快速步进等技术，研发首套斜井全断面敞开式掘进机；攻克多滚刀搭配破岩、掘进机姿态控制等技术，研制合金滚刀、刮刀，优化刀盘结构；开发 “探−掘−支−锚−运” 协同施工工艺；解决突水溃沙、侧陷栽头、井壁坍塌等工程难题。

3.3.2 掘进机施工关键技术

创建以智能化装备为基础，以探−掘−支−锚−运为核心，以辅助系统为保障的斜井智能化建井技术体系，并制定完善的施工措施，实现掘进机一体化连续高效掘进。

1. 超前探测：井筒掘进的地质预测预报工作，不仅是对井筒周边地质资料的补充和完善，还为井筒运营阶段灾害的预防提供完整的工程地质资料。其核心方法是以地球物理勘探为主，辅以掘进机前方配备的地质钻机进行超前水平钻探。地质预测预报是以地质调查法为基础，以综合物探、钻孔为核心的超前地质预报方法，是将宏观−地质调查、中长距离−地震波反射法及 HSP 法、短期−超前钻探法及红外探测法相结合的综合预报工程技术体系 (图 18)。

   图 18    综合超前预测预报工艺

2. 高效掘进：高效破岩掘进是全断面敞开式掘进机智能化建井的核心技术之一，主要包括刀盘结构优化、刀具的选择与研发，根据建井地质条件确定合适的掘进参数，掘进机姿态控制等方面内容。

3. 协同支护：协同支护主要体现在掘进机正常掘进段，其锚网、锚杆、锚索、仰拱块、喷射混凝土的协同平行施工是是实现掘支平衡、高效建井的核心。

4. 长距离运输：为满足快速掘进与连续排渣的需求，研发了储带长 500m 的胶带储存仓，并开发了运输距离 5300m、提升高度 600m、运量 1000t/h 的主运输连续带式输送机系统。同时，形成了胶轮车多点会车连续循环辅助运输模式，实现了长距离斜井的高效连续运输。

3.3.3 掘进机成套技术装备

斜井全断面掘进机穿越地层复杂多变，需要解决井下突涌水、卡机栽头、瓦斯涌入、设备下滑等难题。因此，应根据井筒穿越地质条件，对掘进机结构与参数进行优化设计。

1. 掘进机主机：针对煤矿超长斜井地层复杂多变的赋存特性，需研发适应斜井井筒施工的掘进机，为斜井智能化建设奠定全机械作业的装备基础。以西部井田榆横矿区可可盖斜井井筒工程为例，研制了由掘进机主机和掘进机后配套系统组成的全断面敞开式掘进机。掘进机刀盘开挖直径为 7130mm，整机长 160m，总质量约 1300t，电压为 10kV，总装机功率 3800kW，其中刀盘电机功率 2100kW，脱困扭矩 11510kN・m。相比常规隧道掘进机，优化辅推油缸增加推力 6500kN，机头减重 50t，减少盾壳面积 20%，扩大撑靴面积 30%，如图 19 所示。同时，创新了数字靶精准导向、防卡机可伸缩高强护盾、自动喷混装置及长距离大风量下行通风等技术，开发了基于 5G 技术的设备姿态自感知、作业环境监控和可视化远程操控的掘进机智能控制系统。并配备锚网喷支护系统、钢拱架支护系统、仰拱吊机、带式输送机等系统装备。

   图 19    全断面敞开式掘进机研制

2. 配套装备：全断面掘进机的主要附属与配套设备包括电气与控制、液压及润滑、压缩空气、通风除尘、供排水等系统，与掘进机主机共同形成了全断面敞开式掘进机成套技术装置。

3.4 立井智能化建井技术装备

竖井钻机钻井法是实现井筒机械化、自动化和智能化建设的重要技术之一。该方法是从解决我国中东部冲积地层建井难题发展起来的建井方法，随着装备制造，新型材料研发，协同控制等技术的发展进步，为西部厚基岩地层采用钻井法施工立井提供了可能。

3.4.1 钻井法凿井工艺

为加快竖井钻机钻井速度，提高钻机作业安全性，对钻机基础稳定、钻头破岩钻进、泥浆洗井护壁、井壁下沉、壁后充填固井等工艺流程要进行设计，构建 “稳−钻−护−沉−固” 一体化高效协同施工工艺体系，实现安全、高效建井的目的。

基础稳定加固是利用板桩法、超前预注浆法、冻结法、高压旋喷法等技术，进行浅部松散不稳定地层的稳定加固，实现钻机基础的稳定性控制；钻头破岩钻进是通过揭示西部煤系地层多滚刀协同破岩机理，运用 “一扩成井” 和 “一钻完井” 的钻机装备，采用高效破岩钻头结构，实现基于多滚刀搭配、精准导向控制的高效破岩工艺；泥浆是洗井、排渣、井壁下沉、稳定井壁等的重要媒介；并利用洗井设备、沉降池等装备与构筑物，形成泥浆循环工艺技术；壁后充填固井是井壁沉底后，通过管路进行井壁外侧与钻井井帮间充填密度大于泥浆的胶结材料，由下向上逐步置换泥浆，注入料固化后，起到固结井壁和封闭的作用。

3.4.2 立井钻井法施工关键技术

钻井法施工关键技术包括松散地层加固、高效钻进、钻井智能协同控制、钻进导向控制、泥浆循环护壁与利用、钻井安全保障、井壁结构及质量管控、钻头打捞、大直径测井等。在可可盖煤矿立井建井过程中，通过对钻机动力、电气、机械等方面的升级改造，创建起下钻、钻进导向、偏斜控制、状态感知、起重机吊运等集中管控的智能高效控制系统，保障了竖井钻机安全提吊和稳定钻进；优化钻头导向器结构及配重方式，创建多变地层扫孔洗井和提钻测井技术，构建钻进压力、旋转扭矩、旋转转速的最优组合钻进模式，形成基岩地层钻进导向控制技术，实现多变地层精准钻进；针对胶结砂岩地层造浆能力弱、排渣能耗高和泥浆环保处置等难题，研发新型低固相泥浆材料，确定了不同岩性地层的泥浆参数，提出泥浆护壁性能优化控制方法。同时，研制了泥浆沉淀净化与补浆的泥浆循环系统，创建了富水弱胶结地层高效钻进泥浆控制技术。

同时，基于西部钻井法凿井井壁设计尚无先例，设计了富水弱胶结厚基岩地层钻井井壁结构，提出了预制井壁内预埋设传感器的监测方法，构建了预制井壁质量管控技术体系及井筒全生命周期安全监测系统，实现井壁结构优化设计及质量管控；针对多变地层井筒缩径、钻头重、钻杆损伤导致钻具掉落的难题，发明重型钻头打捞技术，研发了增加结构强度的新型套筒打捞器、四翼增强内胀式打捞器，实现钻具的整体打捞；综合应用陀螺仪和超声波测井技术，实现井筒高质量成井。综合建立立井钻进偏斜控制、围岩控制、井内风险防控、地面安全监控等安全保障技术体系，为西部煤系地层 “打井不下井” 提供了安全保障。

3.4.3 立井钻井法成套技术装备

不论是采用 “多级扩孔” 或 “一扩完井” 钻井工艺，还是采用 “一钻成井” 的钻井工艺，除了地层条件和工程条件影响以外，主要是由竖井钻机性能所决定。竖井钻机钻井法的智能化钻井装备，需要以智能化的高性能竖井钻机作为核心装备外，还包括空气压缩机、泥浆处理、废弃浆输送泵、沉淀池和储浆池等泥浆循环与净化设备配套，以及门式起重机、轨道基础、井壁预制设备、井壁下沉设备和现场施工配电等施工装备配套。在立井智能化建井过程中，各钻井工艺用的设备之间相互数据联系、协同配合，共同形成了智能化钻井装备体系。

为此，在可可盖煤矿立井智能化建井过程中，研发多用途动力头式 ZDZD - 100 工程钻机，钻头扭矩提高 67%，提升能力提高 30%; 研制耐高压、长寿命密封好的新型破岩滚刀，提出基于铣齿-镶齿-盘形等多刀联合的高效破岩方法，满足抗压强度≥50 MPa的基地层高效钻进：创新研发直径 8.5 m全断面一次钻进阶梯式钻头，优化钻头滚刀结构，实现破岩与排渣协同作业。构建了以钻机为核心的煤矿立井建设“一钻完井”技术装备体系，如图 20 所示。

图 20    智能化钻井“一钻完井”主要技术装备

3.5 智能化建井实践

在系统开展了基础理论、工艺优化、技术装备研制等基础上，创建了涵盖需求分析、技术攻关、装备选型、系统设计、模型开发、技术迭代、工程示范及应用推广等多阶段的工程建设过程方法，全面推动智能化建井的发展与实践。

陕北榆横矿区可可盖煤矿是西部新建矿井的典型代表，建设规模大，产能 1500 万 t/a，埋深超 500m，建井地层基岩占比达 80% 以上，尤其多层富水、岩性多变、软硬互层与风积沙等条件下，2 条长 5335m、直径 7.13m 的超长主副斜井和 3 口直径 8.5m、深 510m 立井的井筒群同时施工。

3.5.1 斜井建井成效

主斜井总长 5335m，掘进直径 7.13m，5.6° 缓坡下山，采用敞开式掘进机施工基岩段，断面形状为圆形，面积为 39.9 m² ，采用锚网喷联合支护。井筒内铺设混凝土底板，使用无轨胶轮车运料，带式输送机出渣。主斜井每隔 1000m 斜长和副斜井缓冲平段之间设置联络巷道。主斜井由 2021 年 5 月开始掘进，2022 年 9 月完成掘进工作，最高日进尺 45m，最高月进尺 812.6m，月平均进尺达 493.9m，主斜井施工日进尺与累计进尺如图 21 所示。

图 21    主斜井施工日进尺与累计进尺

副斜井总斜长 5185.36m，掘进直径 7.13m，6° 缓坡下山，每隔 1000m 设 50m 的缓冲平段。副斜井自 2021 年 5 月开始掘进，2023 年 1 月完成掘进工作，最高日进尺 31.5m，最高月进尺 521.6m，月平均进尺 350.0m，副斜井施工日进尺与累计进尺如图 22 所示。

图 22    副斜井施工日进尺与累计进尺

3.5.2 立井建井成效

在我国西部首次采用钻井法施工立井，创造了钻井法凿井直径 8.5m、厚基岩地层 416m、钻井深度 491m 的 “一钻完井” 世界纪录。

进风井立井 “一钻成井” 2021 年 8 月开工建设，施工纯钻进时间为 373d，钻井深度达到 491m，钻进断面 56.8 m² ，最高月进尺 62.3m，纯钻进速度达 39.5m / 月，纯钻进时间占比为 39.5%。进风井施工日进尺与累计进尺如图 23 所示。

图 23    进风井钻井施工情况

回风 “一扩成井” 立井 2021 年 6 月开钻，采用 ø4.2m 钻头超前钻纯钻进 160d，累计进尺 513.1m，钻进断面 13.85 m² 最高月进尺 110.4m；采用 ø8.5m 钻头扩孔钻进纯钻进 211d，钻进深度为 511.0m，钻进断面 42.89 m² 最高月进尺 171.3m；其纯钻进时间总体合计为 371d，纯钻进速度为 41.32m / 月，纯钻进时间占比 53.9%。回风井施工日进尺与累计进尺如图 24、图 25 所示。

图 24    回风井ø4.2 m 超前钻头钻井施工统计

图 25    回风井ø8.5 m 钻头钻井施工统计

与传统冻结钻爆法相比，可可盖煤矿中央进回风竖井采用钻井法，少排矸量少 2.5 万 m³ ，用电节约 1800 万 kWh。实现了我国矿井建设由传统技术到智能建井的突破性变革，井筒建设工期由 5a 缩至 13 个月，节约投资 70 亿元，创造效益 175 亿元。创新了 “打井不下井，智能化建井” 的高效安全绿色建井新模式，打造了行业智能化建井示范，形成了煤矿智能化建井 “延长模式”。在西部地区得到广泛推广应用，经济社会效益显著，为我国地下资源开采、地下工程开发和国防建设提供了技术支撑。

1. 系统总结了我国传统煤炭工业与新一代信息技术深度融合的煤矿理念、技术、装备、工程实践发展历程。重点阐述了井工矿井智能开采、智能建井及煤矿智能化建设等技术与装备取得的重要成果。总之，我国煤矿智能化建设带动了煤矿行业的整体技术跃迁与高质量发展。

2. 在黄陵集团智能化开采成果实践的基础上，凝练了我国井工煤矿智能化开采理论、工艺、技术装备及工程实践的发展成果，提出了智能化开采基本概念，总结了智能开采的技术装备体系，并总结了支架支护、采煤机控制、自动找直、工作面集中控制、协同控制等关键技术。

3. 分析了多年来煤矿智能化建设的诸多关键技术装备与系统平台，包括系统构架、综合管控平台、监测监控平台、大数据中心等顶层设计，总结了网络化、地质保障、机器人等煤矿智能化关键技术，并提炼了我国主要煤炭生产集团公司智能化发展最新成果。

4. 针对西部优质煤炭资源亟待开发的现实需求，提出智能化建井定义，系统梳理了，发明煤矿智能化连续施工建井方法，建立斜井−立井建井的理论、工艺、技术装备的智能建井理论体系，奠定技术研发、工程施工、智能管控的理论基础；构建了以智能化建井工法为基础、技术标准规范体系为核心、安全保障运行体系为支撑的技术体系与长效机制。建设世界首个智能建井工程，实现我国建井技术重大突破。