大海则煤矿董事长马冠超：特大型煤矿全矿井智能化关键技术与应用
文章来源：《智能矿山》2024年第3期重大进展特刊
作者简介：马冠超，高级工程师，硕士，从事安全、生产、技术等管理工作，现任中煤陕西榆林能源化工有限公司大海则煤矿党委书记、董事长、总经理
作者单位：中煤陕西榆林能源化工有限公司
引用格式：马冠超.大海则特大型煤矿全矿井智能化关键技术与应用[J].智能矿山，2024，5（3）：39-43.
项目研究背景、意义及主要内容
煤炭是我国能源安全稳定供应的压舱石，我国“富煤、贫油、少气”的能源资源禀赋特征，决定了在保障能源安全中，煤炭仍发挥着不可替代的作用。加快煤矿智能化建设是推动行业转型升级、高质量发展的核心支撑，是实现煤矿减人、提效、增安的有效手段。国家部委、中国煤炭工业协会等陆续颁布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》《智能化示范煤矿验收管理办法（试行）》《煤炭工业“十四五”高质量发展指导意见》等指导意见及管理办法，标志着智能化成为国内煤矿发展的必然趋势。推进煤矿智能化建设，一方面可不断提高资源回收率、原煤入选率，实现资源开发与生态文明建设协调发展；另一方面可以推动煤炭产业与新能源产业不断融合，加速建设能源绿色转型供应保障基地，有效带动人工智能、煤机装备制造以及新能源等产业快速发展。
中国中煤能源集团有限公司汇聚内外部科研资源，成立集团首个重大科技专项，推进煤矿智能化关键技术的研究与应用，努力打造行业标杆。中煤陕西榆林能源化工有限公司大海则煤矿（简称大海则煤矿）智能化建设，按照“总体规划、分步实施、因地制宜、效益优先”的总体要求，秉持安全、高效、绿色、智能的建设理念，强化顶层设计，矿井智能化建设与基建统一规划、同步实施，建成了以“本质安全、高产高效、绿色环保、智能科技”为代表的新型矿井，开创煤矿行业完整智能系统、全面智能运行、科学绿色发展的全产业链运行的新模式、新标杆。
大海则特大型煤矿全矿井智能化建设关键技术与应用项目将物联网、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，开发大海则煤矿感知、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、运输、通风、洗选、安全保障、生态保护、生产管理、经营决策等全过程智能化运行的智能煤矿。
关键技术突破与创新
融合“5G＋透明地质”的矿山工业互联网平台
大海则煤矿首次构建了全矿井5G—700M＋2.6Hz区域化覆盖实现矿井5G-VoNR通话，首次部署5G700M＋WiFi6＋UWB融合基站。基于融合5G系统构建了视频AI、语音AI、空间地质、建筑信息、数据能力中心等煤矿工业互联网平台，实现了全矿井安全生产、综合调度、集中管控、经营管理等多专业、多部门的协同应用。构建了统一的数据湖及标准的数据服务体系，实现煤炭多系统业务数据资源的汇聚共享。矿山工业互联网平台累计构建53个全业务应用，日均2亿条全数据入湖；AI为安全、生产等多业务提供统一服务，时刻提供213个数据服务；通过对地质与采掘动态数据的深度挖掘，构建了基于地质学数据融合的二维、三维一体化空间数据库。研发了复杂沉积条件矿井地质−水文−矿压−井巷环境耦合模型构建与动态更新技术（图1），实现地层内部的精细刻画和二维、三维联动更新。
图1 地质−水文−矿压−井巷环境耦合模型
复杂地质条件下综采工作面智能开采常态化应用技术
笔者参与研发了1套以集中控制系统为核心，三维地质、采煤、惯导、工作面设备“上窜下滑”监测等多系统联动的成套化透明开采技术，实现了复杂地质条件下综采工作面的透明开采。构建了工作面实时监测数据驱动的数字孪生模型，研发了融合煤层几何特征与采煤机调高控制精度的综采工作面俯仰采控制技术，形成了融合综采装备运行机理、机械约束、开采工艺和参数等多源异构信息的自适应控制系统。利用槽波、高密度地震波、钻孔数据和两巷绝对坐标数据，建立了综采工作面煤层地质模型，开发了基于编码−解码长短期记忆神经网络的煤层地质模型动态精细预测算法，建立了综采工作面高精度三维导航地图的生成系统及方法。综采工作面自适应控制系统如图2所示。
图2 综采工作面自适应控制系统
深埋藏片帮条件下智能快速掘进技术
笔者参与研究智能快速掘进技术项目，通过揭示巷道围岩“零位移圈−小位移圈−大位移圈”三圈两界面结构特征（图3），分析群锚组合效应，开发了柔性锚杆低密度高效能支护技术，形成了与智能高效掘进相匹配的多段并行、动态调整的掘支工艺。提出了融合群锚组合效应、层间锁定效应、掘支速度效应的深埋藏大断面厚顶煤巷道高效掘支协同控制对策及技术体系，基于掘进工艺建立了“三点三线”掘锚一体机运动学模型及位姿检测模型，开发了基于颜色分量峰值聚类约束的图像特征识别方法。
图3 基于围岩结构特征的锚岩协同支护技术
基于机器人的煤矿生产保障系统
基于人工智能、机器学习、高精度传感器、自主感知等技术，参与研制了辅助运输车辆无人驾驶和车路协同系统，提升了辅助运输系统的安全程度和运行效率；研制了井筒巡检、喷浆、接管、应急救援等辅助作业和巡检机器人，实现了高危环境下替代人工作业和人机协同作业。机器人生产保障系统如图4所示。
图4 机器人生产保障系统
难题攻克与解决方案
基于5G技术的透明地质工业互联网平台关键技术攻关
（1）技术难点
煤矿生产的设备、人员、地质、视频等海量信息是煤矿智能化建设的重要数据基础，如此海量信息的传输、汇聚、加工与利用，亟需建立统一的工业互联网技术平台和基于大数据技术的数据湖。
（2）关键技术攻关
笔者带领团队开展关键技术攻关，开发了融合5G、工业互联网、大数据、人工智能、高精度地质系统等的大海则煤矿智能化建设新模式，提出了企业级煤矿业务数据标准行业规范，构建了统一的数据湖及标准的数据服务体系；研发了5G多频段（700M＋2.6GHz）融合组网技术和5G—700M＋WiFi6＋UWB异构无线通信基站（图5）；实现了矿井生产、洗选全流程智能化控制联动以及管理重构和流程再造，建成了统一规划、统一标准、统一资源的大海则智能化矿山。
图5 多元异构无线基站
复杂地质条件综采工作面常态化智能开采关键技术攻关
（1）技术难点
综采工作面智能化开采受煤层地质、工作面直线度、工作面设备“上窜下滑”等异常工况条件的影响，仅以开采工艺流程为核心的综采工作面控制思路难以保障工作面常态化连续推进。
（2）关键技术攻关
笔者参与研发了融合采煤工艺与采煤机运动模型的采煤机惯性定位精度提升技术，利用采煤机惯性导航定位系统，根据采煤工艺建立了闭合路径的卡尔曼滤波最优估计模型，基于采煤机运动的非完整性约束特征建立了动态零速校正模型，提出了综采工作面煤层地质模型在线精细化预测与动态修正方法，研发了综采工作面上窜下滑监测技术，有效解决了煤层空间无法定位、无准确开采模型数据、地面无法急停等难题，实现了综采工作面自动调偏、调直、调高、调速等智能化开采模式常态应用。
深埋片帮条件下智能快速掘进关键技术攻关
（1）技术难点
掘进工作面智能化发展受限于煤层赋存条件、井下空间狭小、作业工序复杂等因素，“掘、支、锚、运”协同作业难度大，无法实现快速掘进。
（2）关键技术攻关
笔者提出了多激光线特征识别＋惯性导航＋数字全站仪多传感融合的掘锚一体机定位导航方法（图6），建立了地质、设备、环境、人员等多维信息的工作面协同监控平台，开发柔性锚杆低密度高效能支护技术，提高了掘锚运平行作业能力。实现了锚杆与围岩良性作用的“锚岩协同”，设备与支护良性匹配的“机锚协调”，单循环作业支护时间缩短了10min。
基于机器人的煤矿生产保障系统关键技术攻关
（1）技术难点
为适应煤矿智能化建设的需求，井下生产准备和服务工作需要配备各种辅助作业智能机械装备和机器人，以保障煤矿生产接续的安全顺利进行，在研发应用过程中存在防爆、复杂条件行走、精度、供电、通信等关键技术问题。
（2）关键技术攻关
笔者协同研制了辅助运输车辆无人驾驶和车路协同系统，开发了车辆智能调度运营平台，实现人员和物资的智能配送管理，提升了辅助运输系统的安全程度和运行效率；研制了辅助作业和巡检机器人，实现了高危环境下可替代人工作业和人机协同作业。
应用效果及推广前景
特大型煤矿全矿井智能化建设关键技术在大海则煤矿全面应用，实现了工业数据的全面感知、动态传输、实时分析、智慧决策，从运行情况来看，矿井“采、掘、运、洗、销”全流程实现了智能控制联动，“人、机、物、料、环”各系统实现了智能监测监控全覆盖，生产效率和安全管控水平得到显著提升。
综采工作面实现采煤机定位误差不超过15cm，煤层地质模型预测误差不超过15cm，刮板输送机推移距离和“上窜下滑”距离测量误差不超过15mm，单班智能化率最高达到98.76%，综采工作面生产单班由13人减少为5人；智能掘进工作面实现了工作面掘、锚、运等主要工序及除尘等辅助工序智能化运行，掘锚一体机三方向动态定位精度在30mm以内，姿态角检测精度为±0.03°，为掘锚一体机自主行走提供精确的位姿信息，实现“自动控制为主，集控中心远程干预为辅”的自动化掘进模式；井筒智能巡检机器人实现对提升机罐道梁、井壁线缆、管路和井底尾绳等装备的实时监控和智能视频分析；无人机巡检机器人实现对铁路、采空区、输电线路、输水管线等区域的全面巡护。机器人的应用替代了部分传统的人工检查，大幅提高了工作效率和质量（图7）。
图7 传统巡检作业变为机器人辅助巡检作业
大海则煤矿建设以来，笔者全方位参与智能化相关技术攻关，实现多项成果落地应用，实现煤矿向本质安全的转变，由规模产量向质量效益转变，由劳动密集向技术创新转变，由传统开采向智能开采转变，在大海则煤矿示范工程引领带动下，全部或部分技术成果在国能蒙西煤化股份有限公司、中天合创能源有限公司门克庆煤矿、准格尔旗荣祥煤焦化有限责任公司山不拉煤矿等10个煤矿实现了推广应用，使用效果良好，实现了减人提效，且具有显著的经济效益和社会效益。
来源：智能矿山杂志
