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                      袁亮院士:面向未來煤炭精準開采的一些思考
                      2022-11-10 12:41:58   來源: 華為技術

                      實現中國煤礦全面智能化,必須在實踐基礎上,圍繞著面向未來的精準開采理念,即依托工業互聯網架構為基礎的智能煤礦體系,從傳感、通信、平臺、云、應用等層面去思考。

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                      中國工程院院士、安徽理工大學校長 袁亮

                      眼下,新一代信息技術正不斷取得突破,新一輪科技和產業變革不斷縱深。數字技術成為傳統產業轉型升級的核心力量,推動傳統產業從勞動力等要素投入轉向創新驅動,為煤炭工業由傳統的定性經驗向智能精準的轉變帶來了創新發展的機遇,為實現智能少人(無人)的煤炭科學開采提供了可能。

                      我國能源結構的基本特征是“貧油、少氣、相對富煤”,作為能源供應的壓艙石,我國煤炭資源稟賦復雜、煤礦安全問題突出。要從根本上破解煤礦安全高效的生產難題,須借助物聯網、大數據、云、AI等信息科技,將煤炭工業由勞動密集型升級為技術密集型,實現面向未來的互聯網+煤炭資源的智能精準開采。

                      在信息科技的全面介入下,智能化煤礦要達到全生產要素、全生產全過程的互聯互通,完成“感知、通信、分析、預測、決策、執行”的閉環管理,實現“智能感知、智能決策、自動執行”的建設目標,必須在前期的實踐基礎上,圍繞著面向未來的精準開采理念,即依托工業互聯網架構為基礎的智能煤礦體系,從傳感、通信、平臺、云、應用等不同層面著眼思考。

                      我國煤炭開采面臨的挑戰

                      綠色資源量是指能夠滿足煤礦安全、技術、經濟、環境等綜合約束條件,能夠支撐煤炭科學產能和科學開發的煤炭資源量。中國工程院重點咨詢項目研究結果表明,我國綠色煤炭資源量只有5743億噸,按國家能源需求,綠色煤炭資源量僅可開采40~50年。在煤炭作為我國主要能源的地位和作用沒有發生根本改變前,大面積進入非綠色煤炭資源賦存區開采將造成安全、技術、經濟和環境等面臨巨大難題。

                      我國煤礦開采正在以平均10~25m/年的速度快速向深部延伸,深部煤巖體處于高地應力、高瓦斯、高溫與高滲透壓的惡劣環境中,煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力災害更嚴重,并且有多重災害耦合出現的趨勢。提高煤礦安全精準開采地質保障水平、研究應力場-裂隙場-滲流場-溫度場等耦合作用下的煤炭開采和致災機理勢在必行。

                      要解決當前煤炭開采所面臨的上述難題,煤炭工業必須由勞動密集型升級為技術密集型。煤炭精準開采將運用現代化信息技術改造傳統采礦,對于推動煤炭產業變革,實現煤炭開采顛覆性技術創新意義重大,是未來采礦必由之路。

                      煤炭精準開采的科學內涵

                      煤炭精準開采是針對當前煤炭生產系統的現實難題,以及未來深部開采將面臨的技術瓶頸提出的科學構想,以最終實現“安全、少人無人、綠色高效”的煤炭開采為目標。

                      煤炭精準開采的科學內涵是基于透明空間地球物理和多物理場耦合,以智能感知、智能控制、物聯網、大數據、云、人工智能等作支撐,具有風險判識、監控預警等處置功能,能夠實現時空上準確安全可靠的智能少人(無人)安全精準開采的新模式新方法,其科學內涵如圖1所示。精準開采支撐科學開采,是科學開采的重中之重。

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                      圖1 煤炭精準開采的科學內涵

                      煤炭精準開采從資源評估與決策、礦山規劃和設計到煤礦生產與安全管理等全過程都始終貫徹和融入了現代科技成果,真正實現現代化煤炭開采,其框架如圖2所示。煤炭精準開采最終將實現地面遠程控制的智能化、自動化、信息化和可視化,實現煤炭開采的少人(無人)、精確、智能感知和災害智能監控預警與防治。

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                      圖2 煤炭精準開采框架

                      煤炭精準開采的主要研究方向包括以下八個方面:創新具有透視功能的地球物理科學;智能新型感知與多網融合傳輸方法與技術裝備;動態復雜多場多參量信息挖掘分析與融合處理技術;基于大數據云技術的精準開采理論模型;多場耦合復合災害預警;遠程可控的少人(無人)精準開采技術與裝備;救災通信、人員定位及災情偵測技術與裝備;基于云技術的智能礦山建設。

                      煤炭精準開采的層級架構

                      煤炭精準開采要最大化地利用信息科技的成果,實現對煤炭開發全過程數字化或智能化,即通過對資源勘查與評估、礦區總體規劃、礦井設計建設、生產與管理等與現代信息技術的深度跨界融合,實現煤炭開采由傳統的高危勞動密集型向高精尖技術密集型轉變。它主要依托于工業互聯網架構,并由感知層、傳輸層、云(數字平臺)和應用層組成,如圖3所示。

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                      圖3 面向煤炭精準開采的物聯網構架

                      最基礎的感知層,利用新型靈敏度高、可靠性好的傳感器等對“人機環”參數信息全面采集。傳統采礦多依賴經驗、憑借定性分析開采,精準開采是傳統采礦與定量化智能化的高度結合,泛在實時的傳感技術和設備是煤礦智能化的基礎。通過基于統一操作系統的上位機,為數據的交互、上傳、入湖,提供統一標準的接口和數據格式,避免協議的不統一,形成信息孤島。

                      在傳輸層,精準開采的理念是充分利用最先進的通信技術,實現5G+工業互聯網的礦山融合網、多源信息的實時可靠流動。因為煤炭井下開采涉及應力場、裂隙場、滲流場等諸多問題,采場及開采擾動區地應力、瓦斯壓力、瓦斯涌出量、裂隙發育區等信息準確獲取至關重要。精準開采涉及采場及開采擾動區多源信息采集傳感、礦井復雜環境下多源信息、多網融合傳輸以及人機環參數全面采集、共網傳輸等關鍵問題的研究。

                      在云端和數據平臺層面,精準開采意味著將多維度、質量參差不齊、存在大量不確定因素的海量信息入湖,利用大數據和人工智能,對多源海量的動態感知數據和信息進行深度挖掘分析與融合處理,在這基礎上才能實現可視化、交互式、定量化、快速化、智能化的各種應用系統的搭建,實現遠程智能采煤、災害超前動態預警、救災通信、井下人員精準定位等功能。

                      精準開采初見成效但任重而道遠

                      結合我國煤礦智能化的實施目標,煤礦精準開采的物聯網關鍵技術研究和應用應分兩步走:第一步,現在至2025年,依據工業互聯網架構,通過各種信息技術,打通各子系統信息壁壘,實現“采-掘-運-通-排”等子系統的互通互聯,讓生產物流系統智能化決策和協同運行。第二步,即2026年至2035年,通信技術與煤礦技術深度融合,達到煤礦生產的智能感知、智能決策、自動執行,全面實現煤炭資源的智能安全精準開采。

                      自2020年底,八部委聯合發布《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》通知以來,我們在煤炭智能安全精準開采方面已積累了一定的實踐經驗。

                      2021年9月,國家能源集團與華為共同發布了礦鴻操作系統。礦鴻物聯協同感知技術將從數據源頭確保數據標準一致,并實現多系統之間的協同,為各種礦山裝備和海量傳感器提供統一的接入標準和規范。

                      在陜煤紅柳林礦業公司,華為搭建了基于工業互聯網架構的數字平臺。建成了覆蓋智能綜采、智能掘進、智能輔運、智能主煤流、智能選洗等多個場景的應用,形成了貫穿煤礦物流全鏈條、全業務、全過程的工業互聯網架構體系。

                      在內蒙古麻地梁煤礦,安徽理工大學聯合華為等企業構建了“5G+多網融合、產銷協同、智能管控、數據驅動、綠色低碳”的煤礦安全精準開采和智能管控系統。煤礦生產能力由5Mt/a核準提升至8Mt/a;井下5G網絡全覆蓋,實測時延小于20ms,實現了采煤、掘進、運輸等主要生產物流系統的遠程集控、有人巡視、無人值守,實現了“管設備就是管生產、管數據就是管設備”管理理念的變革,取消了檢修班和夜班,大幅提高了員工的安全感和幸福感。麻地梁煤礦率先實現了國家2025年智能煤礦建設目標,被國家能源局、國家煤礦安全監察局列入首批新(改擴)建智能煤礦,內蒙古自治區第一批試點示范智慧園區。

                      在陜煤彬長礦業公司,安徽理工大學聯合華為等企業基于工業互聯網五層架構,通過5G技術對微震動、時空強與地音等多維信息收集,對綜合指標進行大數據分析,實現了在沖擊災害事件發生前1~3天發布危險預警,大幅提升了井下生產的安全性。

                      事實證明,充分發揮海量數據和豐富應用場景優勢,促進信息技術與煤礦生產的深度融合,能有效推動煤炭產業的持續轉型升級。

                      智能精準開采是我國煤炭工業的必由之路

                      我國煤礦智能化發展進程正在不斷加速,但礦井依然缺乏整體設計方案、多源異構數據信息孤島突出、設備運維數據流動性低、節能降耗高效轉型困難;诠I互聯網的煤炭精準開采是實現煤礦“安全、少人無人、綠色高效”的必由之路,符合國家面向2035年的煤炭戰略發展目標。

                      從技術層面,應該繼續加大力度研發礦井智能感知技術,利用海量數據實現井下多機智能聯動與災害預警等,開發適用于各種場景的“人-機-環-管”多維度的系統應用,逐步實現整個礦井、礦區的少人化乃至無人化,提升整體的安全生產能力。

                      從行業層面,需對煤礦的整體架構設計、開拓布局、工業環網、數據利用、綠色低碳等技術難題,展開更廣泛的院校、信息科技企業、煤炭生產企業以及行業各界協同創新,共同構建基于工業互聯網架構的智能礦山,以煤炭開采全面實現高科技產業改造升級,點亮中國能源科技強國夢。


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