王国法院士2018年以来煤矿智能化学术思想

原创：张学亮绿色能源世界 2018年以来，共发表涉及煤矿智能化的文章和论文有13篇，其中第1作者10篇，第2作者2篇（第1篇第1作者为庞义辉，第2篇第1作者为康红普），第3作者1篇（第1作者为谢和平）。文后附论文信息。

发表于中国煤炭报的《如何正确认识并理解煤矿智能化》，主要阐述了煤矿智能化的内涵、目标（建设智慧煤矿）和应遵循的一些原则，文章指出煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。

经过改革开放40年的发展，我国煤矿实现了从普通机械化、综合机械化到自动化的跨越，并开始向智能化迈进。当前煤矿智能化发展尚处于起步阶段，存在发展理念不清晰、技术标准规范缺失、技术装备保障不足、研发平台不健全、高端人才匮乏等问题。煤矿智能化是指煤矿开拓设计、地测、采掘、运通、洗选、安全保障、生产管理等主要系统具有自感知、自学习、自决策与自执行的基本能力。煤矿智能化是一个不断发展的过程，智能化程度也是一个不断进步的过程。滥用智能化概念和以苛刻僵化的观点否定煤矿智能化技术进步的观点都是片面的、不可取的。

煤矿智能化发展的目标是建设智慧煤矿，智慧煤矿与智慧社会、智慧城市、智慧交通等具有类似的科学内涵，是指煤矿主体系统实现智能化，将物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、装备机器人化等与现代矿山开发技术相融合，开发矿山感知、互联、分析、自学习、预测、决策、控制的完整智能系统，建设开拓、采掘、运通、洗选、安全保障、生态保护、生产管理等全过程智能化运行的智慧煤矿，创建煤矿完整智慧系统、全面智能运行、科学绿色开发的全产业链运行新模式。煤矿智能化发展应围绕煤炭工业与物联网、大数据、人工智能等深度融合的关键环节，深入开展煤炭开采智能化、利用清洁化、管理信息化和人才战略研究，大力推进智能系统、智能装备的技术创新和应用。

煤矿智能化发展应遵循一些基本原则。坚持理念创新推动、技术创新支撑。坚持以网络融合安全、信息互联互通、数据共享交换、功能协同联动实现煤矿物联网的全部功能。坚持示范带动、分类发展。坚持政府引导、企业主体发展。

我国煤矿智能化发展的阶段目标应为：

到2020年，建成100个初级智能化示范煤矿，初步形成煤矿开拓设计、地质保障、采掘运通、洗选物流等主要环节的数字化传输、智能化决策、自动化运行，实现部分系统、部分岗位的无人值守、远程监控。

到2025年，基本实现全部大型煤矿智能化，构建多信息融合的智能化系统，形成煤矿智能化建设技术规范与标准体系，升级煤矿智能系统技术和装备，实现煤矿开拓设计、地质保障、采掘运通、洗选物流等多个系统的智能化决策和自动化协同运行，初步推广应用井下部分岗位作业、安控与应急救援的替代机器人。

到2035年，全面建成以智慧煤矿为支撑的煤炭工业体系，构建煤矿及矿区多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统，全面突破煤矿智能化核心关键技术，实现煤炭生产主要环节的智能决策和自动化运行，矿井主要作业岗位基本实现机器人化。

《智慧煤矿主体架构设计与系统平台建设关键技术》一文，针对煤矿建设过程中存在的信息孤岛、子系统割裂等问题，提出了以“自主感知与控制－信息传输系统一操作平台－井下系统平台－生产经营管控平台”为主线的智慧煤矿建设主体架构，通过底层的自主感知系统对井下的“人－机－环－管”信息进行全面感知，并对感知信息的数据格式、通信协议、存储方式等进行统一，构建了井下多源异构大数据共享平台，实现了井下各子系统之间的数据统一管理与信息共享。利用统一操作平台对井下生产系统、安全保障系统、综合保障系统进行统一管理，解决了信息孤岛、子系统割裂等问题。井下系统平台不仅为上层的生产经营管理平台提供数据支撑，而且为底层机械设备的智能操控提供决策依据，实现了井下信息感知、分析、决策、控制的智能化操控。将智慧煤矿智能生产系统细分为地质及矿井采掘运通信息动态管理平台、井下精准定位导航通信管理操作平台、智能化少人采掘系统综合管理平台，详细阐述了智能综采子系统间的组织架构与实现路径。按照井下危险源的种类对智慧煤矿智能安全保障系统进行了分类，搭建了智能安全保障系统的主体架构，分析了井下危险行为、危险区域识别系统的技术路径。基于井下采掘工程需求分析，对智慧煤矿智能综合保障系统进行了分类，构建了智能综合保障系统的主体架构，详细论述了井下设备在线诊断与远程运维系统的实施过程。从基础理论、信息感知、数据处理、高效传输、精准控制5个方面，对未来需要突破的智慧煤矿建设关键技术进行了展望。

《德国工业4.0与中国煤机装备智能制造的发展》一文，综述了工业革命发展背景和世界主要国家智能制造发展战略，指出以信息物理融合系统为核心的技术创新推动了全球制造产业变革。随着人口红利消失，知识红利凸显，制造业转型升级成为大势所趋。阐述了智能制造内涵、特征、智能制造关键技术与其核心内容。智能制造的基本属性是实现对于信息的深度自感知，实现精准控制的自执行，并在此基础上实现智能优化自决策。智能制造以数据为核心，以实现万物互联为特征，其关键技术包括人工智能技术、工业机器人技术、大数据技术、云计算技术、物联网技术以及整体的信息化系统。通过分析德国工业4．0、布局与发展现状，指出德国工业4．0的战略举措是将传统工业与信息化进行深度融合，将不同行业进行跨界合作，将创新科技与产业相结合，实现经济产业红海与蓝海的对接。之后分析了我国煤机装备智能制造的发展现状，介绍了智能焊接、柔性数字化车间等我国煤机装备智能制造关键技术的重要进展。在分析我国煤机装备制造业特点的基础上，指出了发展煤机智能制造的关键任务包括:产品与数据的标准化模块化;建设智能制造系统和工艺创新;建设智能制造信息化系统和基础网络活动;推进管理精益化及服务产业化;打造智能制造人才培养体系。最后提出了我国煤机装备制造业企业转型升级实现数字化，网络化智能化，发展智能制造的策略和路径。

《千米深井三软煤层智能开采关键技术与展望》一文，基于我国淮南矿区三软煤层赋存条件及综采自动化技术发展现状，分析了千米深井三软煤层综采工作面实现智能化、少人化开采的制约因素与技术瓶颈。针对三软煤层易发生煤壁片帮与顶板冒漏等问题，提出了基于多参量监测与融合分析的液压支架智能自适应控制策略;通过分析采煤机精准定位与智能调高存在的技术瓶颈，提出了基于地质信息模型和随掘随采探测动态修正的采煤机采高智能调控策略;分析了刮板输送机发生上窜、下滑等异常工况的原因，提出了基于刮板输送机三向姿态智能监测的异常工况预警与调控策略，并辅以刮板输送机推移工序进行调整;针对综采工作面超前支护区域难以实现智能化推进的难题，研发设计了单元式智能自适应超前液压支架及自动搬移装置，提高了对大变形巷道的适应性及智能化控制水平;分析了综采装备群智能协同推进控制策略，对综采工作面智能化开采技术的发展方向进行了展望。

《煤矿智能化——煤炭工业高质量发展的核心技术支撑》一文，提出了煤矿智能化是煤炭工业高质量发展核心技术支撑的科学思想，阐述了煤矿智能化的定义和总体要求，明确了煤矿智能化发展的目标是建设智慧煤矿，分析了煤矿智能、智慧、信息化、数字化等术语的内涵和关联关系，提出了我国煤矿智能化建设原则和阶段目标。进行了煤矿智能化顶层设计，提出了统筹规划煤矿智能化发展模式、科学设计智慧煤矿总体架构、建设100个智能化示范煤矿的发展思路。探讨了井工煤矿精准地质探测与4D－GIS系统、智能化开拓规划与工作面设计、智能化巷道快速掘进成套技术、智能化综采工作面成套技术、智能化主/辅运输技术、危险源智能感知与预警技术、智能化洗选系统、智能化综合保障技术、矿井物联网综合管控系统和操作平台等主要环节的发展路线。阐述了露天煤矿智能化发展方向，提出了建设露天煤矿信息化系统、开发露天煤矿智能化连续开采技术、建立露天煤矿空－天－地一体化安全预警系统、推进露天煤矿生态环境协调绿色发展的理念。大力发展煤机装备智能制造，提高煤机装备的可靠性与适应性，促进煤炭资源开发的机器人化替代，为煤矿智能化发展提供智能装备保障。提出了加大煤矿智能化发展政策支持、设立煤矿智能化标准体系建设专项、建立国家级煤矿智能化技术创新研发实验平台等政策建议。

《智慧煤矿与智能化开采技术的发展方向》一文，发展智慧煤矿是我国煤炭工业发展的必由之路，我国煤炭以井工开采为主，在薄煤层、大采高、超大采高、特厚煤层综放智能化开采方面取得重要进展。提出智慧煤矿应基于一套标准体系、构建一张全面感知网络、建设一条高速数据传输通道、形成一个大数据应用中心、开发一个业务云服务平台，面向不同业务部门实现按需服务，构建8大智慧系统，并对智慧煤矿智能系统设计建设的基本结构和原则进行分析。同时提出了智慧煤矿当前5大重点研发方向:精准地质信息系统及随掘随采探测技术与装备;智慧煤矿物联网技术与装备;巷道智能化快速掘进技术与装备;智能化无人开采关键技术与装备;煤矿机器人技术及产品研发，对各研发方向所涉及的关键核心技术问题进行了具体分析，并提出了研发的技术路线与关键装备。指出智慧煤矿与智能化开采是一个巨系统，应遵循系统工程理论和采矿规律，开发智慧煤矿巨系统综合管理开发式操作平台，智慧煤矿巨系统操作平台核心应包括:基于Ethernet/IP的生产过程控制数据交换标准化;基于Web Service的信息系统跨平台交互;煤矿大数据采集分析处理平台;开放式多系统管理软件及操作平台。根据智慧煤矿巨系统业务逻辑，提出建设“1+8智能操作平台”，实现各生产环节多信息融合和智能化协同生产。最后提出了智慧煤矿建设的总目标和阶段性实现目标及发展路径。

《智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析》一文，为解决煤炭开采面临的突出问题，找到煤炭开采未来发展方向和急需突破的关键核心技术，分析了国内外能源结构及煤炭的现状，指出利用科技进步实现安全高效绿色开采和清洁高效利用是煤炭的发展方向，建设智慧煤矿发展智能化开采是煤炭工业发展的必然选择。提出了智慧煤矿的内涵和3个基础理论问题及研究方向: ①数字煤矿多源异构数据的统一表达及信息动态关联关系; ②复杂围岩环境－开采系统作用机理及设备群全程路径和姿态智能控制的理论基础;③矿井设备群的系统健康状况预测、维护决策机制。提出了建设智慧煤矿MOS多系统综合管理、井下机器人群协同智慧和馈电管理、井下精确定位导航和5G通信管理、地质及矿井采掘运通信息动态管理、视频增强及实时数据驱动三维场景再现远程干预、环境及危险源感知与安全预警系统管理、智能化无人工作面系统管理和全矿井设备和设施健康管理八大智能系统管理操作平台的构想，分析了各平台的功能、特征和关键核心问题，提出了相应的建设路径和方法;分析了智慧煤矿的构成和建设目标，提出了智能化开采的八大核心技术短板和亟待攻破的关键技术，提出了技术层面从数据获取利用、智能决策和装备研发3个主要方向进行突破，管理层面从科学产能布局、专业化运行服务和建立新规范规程体系等促进发展的措施，指出了智慧煤矿和智能化开采技术发展的目标和实现路径。

《煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构想》一文，深地资源开发是我国未来科技发展的重要方向。在分析煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术现状和问题的基础上，围绕安全、高效开采这一主题，综合考虑巷道和采煤工作面相互影响，以合理加大工作面长度，实现生产集约化，降低掘进率、提高煤炭回收率为思路，提出要解决的关键科学问题与技术构想。关键科学问题有4个:千米深井巷道围岩大变形机理;巷道围岩支护―改性―卸压协同控制原理;350m超长工作面应力与覆岩结构演化机理;超长工作面多信息融合智能开采模式，为千米深井围岩控制及智能开采提供理论基础。针对千米深井巷道围岩高应力、强采动的特点，提出巷道支护―改性―卸压“三位一体”协同控制技术，实现高预应力、高强度、高冲击韧性锚杆主动支护，高压劈裂注浆主动改性及水力压裂主动卸压的“三主动”协同作用，解决千米深井巷道围岩控制难题。针对千米深井超长工作面开采过程中覆岩分区破断、矿压动态迁移的特点，以围岩控制为核心，研发液压支架抗冲击技术，开发超长工作面多信息融合的液压支架自适应群组协同控制技术与装备，并系统集成采煤机等其他工作面设备，最终形成千米深井超长工作面智能开采成套技术体系，为深部煤炭资源安全、高效、高回收率开采提供理论与技术保障。

《煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望》一文，为推动煤炭智能化开采发展、加快智慧煤矿建设，在简述国内外自动化、智能化综采技术发展过程基础上，提出了智能化综采的概念与内涵，介绍了近10a来在智能化综采技术和装备方面的创新实践，包括：黄陵一矿1.4m~2.2m较薄煤层工作面有人巡视、无人操作的智能化开采；金鸡滩煤矿8.2m超大采高工作面智能化开采以及特厚煤层智能化综放开采技术。上述实践表明：在地质条件简单的煤层中基本能够实现人工远程干预的智能开采模式，复杂地质条件下仍存在技术瓶颈，有限无人化是智能化开采的切实发展目标。展望了综采智能化发展的重点方向，指出了智慧煤矿是智能化开采发展升级的趋势。

《煤炭革命新理念与煤炭科技发展构想》一文，从重大科学发现对能源科技发展重大促进作用的视角，研究煤炭科技革命的科学基础与技术演进趋势，提出了煤炭开发利用一体化、矿井建设与地下空间利用一体化、煤基多元清洁能源协同开发和煤炭洁净低碳高效利用四大煤炭革命理念;提出了近零生态损害的科学开采、近零排放的清洁低碳利用、矿井建设与地下空间一体化利用、深部原位流态化开采四大领域的全产业链煤炭技术革命路线图。结合我国煤炭开发利用的现状、资源空间分布以及能源结构随时间的变化规律，提出了煤炭革命3.0，4.0和5.0三个发展阶段构想，给出了每个阶段的战略目标;系统阐述了不同阶段实现目标需要突破的重大理论和前沿技术，形成了我国未来30年煤炭革命的技术路线及战略蓝图。

《智慧煤矿2025情景目标和发展路径》一文，智慧矿山是煤炭行业转变发展方式、提升行业发展质量的核心驱动力，是矿山技术发展的最高形式。基于数字矿山技术发展现状，结合生产系统智慧化特征及要求，给出了智慧矿山概念及内涵:将物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、机器人化装备等与现代矿山开发技术融合，形成矿山感知、互联、分析、自学习、预测、决策、控制的完整智能系统;到2025年，实现煤矿单个系统智能化向多系统智慧化方向发展，建立智慧生产、智慧安全及智慧保障系统的基本运行框架，初步形成空间数字化、信息集成化、设备互联化、虚实一体化和控制网络化的智慧煤矿第二阶段目标。实现矿井开拓、采掘、运通、洗选、安全保障、生态保护、生产管理等全过程智能化运行。资源开发利用水平显著提高，煤矿职业健康和工作环境根本改善，矿山生态恢复和保护全面实施。

《特厚煤层大采高综放自动化开采技术与装备》一文，针对我国西部矿区坚硬特厚煤层综放自动化开采技术难题，研究了大采高综放工作面液压支架与围岩耦合作用关系，分析了坚硬特厚煤层顶煤冒放结构及液压支架合理工作阻力确定方法，研发了液压支架与围岩智能耦合控制系统及自动化放顶煤控制系统，实现了大采高综放工作面自动化开采。基于坚硬特厚煤层大采高综放液压支架与围岩耦合作用关系，建立了坚硬顶煤冒放的“悬臂梁”模型及顶板岩层结构失稳的“组合悬臂梁”模型，揭示了大采高综放工作面合理机采高度确定方法及合理液压支架工作阻力确定方法。通过分析两柱强力液压支架的承载特性，创新设计了大采高综放液压支架三级高效强扰动放煤机构，研发了综放液压支架智能耦合控制系统，实现了对液压支架姿态与受力状态的实时监测。基于大采高综放工作面分段多窗口多轮放煤工艺的时序控制自动化放煤逻辑关系，研发了自动化放煤控制装置，实现了坚硬特厚煤层大采高综放工作面安全、高效、高回采率自动化开采。

《煤炭智能化开采关键技术创新进展与展望》一文，全面总结了薄煤层和较薄煤层智能化开采、厚煤层大采高和超大采高智能化开采、特厚煤层综放开采智能化技术的创新与实践，分析了存在的不足；提出了综采装备适应围岩活动及环境动态变化所需攻克的采煤机智能调高控制、液压支架群组与围岩的智能耦合自适应控制、工作面直线度智能控制、基于系统多信息融合的协同控制、超前支护及辅助作业的智能化控制5项关键技术，为将智能开采由目前的初级阶段升级为自学习、自决策、自修正的高级阶段奠定技术基础；对煤炭行业近期、中期和远期提出了智能化、有限无人化和流态化的技术发展方向和目标，展望了可能的发展路径及需要突破的关键技术和发展方向。

附参考论文信息：

[1]王国法. 如何正确认识并理解煤矿智能化[N]. 中国煤炭报,2019-03-19(004).

[2]庞义辉,王国法,任怀伟.智慧煤矿主体架构设计与系统平台建设关键技术[J].煤炭科学技术,2019,47(03):35-42.

[3]王国法,杜毅博.德国工业4.0与中国煤机装备智能制造的发展[J].煤炭科学技术,2019,47(03):1-9.

[4]王国法,庞义辉,任怀伟.千米深井三软煤层智能开采关键技术与展望[J].煤炭工程,2019,51(01):1-6.

[5]王国法,刘峰,庞义辉,任怀伟,马英.煤矿智能化——煤炭工业高质量发展的核心技术支撑[J].煤炭学报,2019,44(02):349-357.

[6]王国法,杜毅博.智慧煤矿与智能化开采技术的发展方向[J].煤炭科学技术,2019,47(01):1-10.

[7]王国法,赵国瑞,任怀伟.智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析[J].煤炭学报,2019,44(01):34-41.

[8]康红普,王国法,姜鹏飞,王家臣,张农,靖洪文,黄炳香,杨宝贵,管学茂,王志根.煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构想[J].煤炭学报,2018,43(07):1789-1800.

[9]王国法,张德生.煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望[J].中国矿业大学学报,2018,47(03):459-467.

[10]谢和平,王金华,王国法,任怀伟,刘见中,葛世荣,周宏伟,吴刚,任世华.煤炭革命新理念与煤炭科技发展构想[J].煤炭学报,2018,43(05):1187-1197.

[11]王国法,王虹,任怀伟,赵国瑞,庞义辉,杜毅博,张金虎,侯刚.智慧煤矿2025情景目标和发展路径[J].煤炭学报,2018,43(02):295-305.