煤礦智能精準(zhǔn)開采：人工智能賦能關(guān)鍵技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)升級(jí)
中國(guó)能源資源的賦存條件與經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段，決定了煤炭未來較長(zhǎng)時(shí)期仍是主要能源。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，近年來中國(guó)煤炭年生產(chǎn)量持續(xù)增加，2024年煤炭生產(chǎn)總量約47.8億噸，煤炭消費(fèi)總量占能源消費(fèi)總量53.2%。隨著數(shù)字化、智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，煤炭智能精準(zhǔn)開采已成為推動(dòng)礦山安全發(fā)展、保障國(guó)家能源資源安全的重要舉措。
本文作者：袁亮中國(guó)工程院院士、安徽理工大學(xué)校長(zhǎng)
自2020年《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》發(fā)布以來，中國(guó)已建成66處國(guó)家級(jí)示范煤礦、超過200處省級(jí)示范煤礦，在透明礦山地質(zhì)保障、智能采掘成套技術(shù)裝備、煤礦災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)智能判識(shí)等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域均取得顯著進(jìn)展。
關(guān)鍵技術(shù)一：透明礦山地質(zhì)保障，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)信息精準(zhǔn)化、災(zāi)害因素“可見可預(yù)測(cè)”
開采地質(zhì)條件透明化旨在通過地質(zhì)信息的高精度探測(cè)與可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隱蔽致災(zāi)因素的實(shí)時(shí)更新與動(dòng)態(tài)預(yù)警，是保障煤炭資源安全、智能開采的先決條件。
目前已有部分礦區(qū)融合雷達(dá)、槽波、鉆孔勘探等多物理場(chǎng)數(shù)據(jù)，建立了工作面精確地質(zhì)模型，形成“透明地質(zhì)保障系統(tǒng)-采掘生產(chǎn)-災(zāi)害防控”的流程化作業(yè)新模式，有效指導(dǎo)了工作面的智能回采及災(zāi)害預(yù)警能力（見圖1）。
盡管如此，現(xiàn)有探測(cè)技術(shù)在精度、可靠性、時(shí)效性方面仍難以完全滿足無人化開采需求。
在綜采、掘進(jìn)面隨掘隨探場(chǎng)景中，傳統(tǒng)方法與透明化技術(shù)存在顯著差距，主要集中在數(shù)據(jù)采集、整合效率及勘探成本上，例如，傳統(tǒng)隨掘隨探依賴人工操作鉆探設(shè)備取樣，不僅數(shù)據(jù)采集周期長(zhǎng)（單孔鉆探常耗時(shí)數(shù)周），且受限于“無三維建模輔助”，各部門數(shù)據(jù)格式混亂形成“數(shù)據(jù)孤島”，整合難度極大；同時(shí)，因缺乏對(duì)地下結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)預(yù)判的技術(shù)，需靠大量鉆探驗(yàn)證，無效鉆孔占比高達(dá)30%，單礦年勘探成本超千萬(wàn)元。
因此，我們需重點(diǎn)研發(fā)高分辨率地震勘探、CT監(jiān)測(cè)、三維激光掃描、瞬變電磁等物探技術(shù)，以及適用于復(fù)雜地質(zhì)條件的智能鉆探裝備，從而加強(qiáng)多物理場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息的深度融合，構(gòu)建礦井整體及局部地質(zhì)信息的數(shù)字孿生模型，為智能采掘和災(zāi)害預(yù)警提供精準(zhǔn)、透明的地質(zhì)信息支持。
當(dāng)前，地質(zhì)透明化技術(shù)深度結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)、三維地質(zhì)空間與智能鉆探技術(shù)，以隨掘隨探實(shí)時(shí)性需求為核心，整合多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了效能躍升：一方面融合物探、鉆探、物聯(lián)網(wǎng)傳感器的多源數(shù)據(jù)，借助5G網(wǎng)絡(luò)保障數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，讓數(shù)據(jù)采集效率提升30%以上；另一方面，依托三維地質(zhì)空間技術(shù)構(gòu)建地下結(jié)構(gòu)模型，精準(zhǔn)預(yù)判煤巖結(jié)構(gòu)、隱蔽災(zāi)害構(gòu)造分布，結(jié)合智能算法優(yōu)化鉆孔布置，大幅減少無效鉆探。
關(guān)鍵技術(shù)二：智能采掘裝備技術(shù)體系初步建成，提升復(fù)雜條件適應(yīng)性和運(yùn)行效率
隨著智能技術(shù)的革新，我國(guó)綜采工作面智能裝備快速發(fā)展，已研發(fā)形成具備“智能感知、高速傳輸、智能決策、自主運(yùn)行”特點(diǎn)的成套采掘裝備與技術(shù)體系，建成1800余個(gè)智能化采掘工作面。
依托5G通信網(wǎng)絡(luò)，和綜采面三維虛擬數(shù)字孿生分析決策的技術(shù)架構(gòu)，初步實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)自主截割、液壓支架自動(dòng)跟機(jī)、不同煤層條件下的智能快速掘進(jìn)，以及礦用無軌膠輪車、單軌吊、有軌電機(jī)車的無人駕駛等功能，大幅提升了工作面的生產(chǎn)效率（見圖2）。但在煤礦智能裝備實(shí)際應(yīng)用中，仍面臨井下傳感器/控制器故障率高，復(fù)雜開采條件適應(yīng)性差和系統(tǒng)常態(tài)化運(yùn)行率低等問題。
因此，智能煤機(jī)研發(fā)應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化復(fù)雜地質(zhì)條件下的環(huán)境適配與可靠運(yùn)行能力，重點(diǎn)突破精準(zhǔn)地質(zhì)探測(cè)、精準(zhǔn)煤巖動(dòng)態(tài)識(shí)別、危險(xiǎn)源智能感知與預(yù)警、多工種井下機(jī)器人、“掘-支-運(yùn)”一體化智能快掘等技術(shù)提升裝備的適應(yīng)性和運(yùn)行效率。
得益于隨掘隨探技術(shù)，動(dòng)態(tài)勘探能力是結(jié)合多源數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、動(dòng)態(tài)建模呈現(xiàn)，再通過三維地質(zhì)透明化技術(shù)構(gòu)建地下空間“全息視圖”，可精準(zhǔn)預(yù)判煤層斷層、導(dǎo)水裂隙、應(yīng)力異常區(qū)等地質(zhì)隱患；基于這一“超前探明+可視化呈現(xiàn)”的技術(shù)閉環(huán)，能為掘進(jìn)、回采工程提供精準(zhǔn)的空間路徑指導(dǎo)，推動(dòng)施工方案主動(dòng)避開危險(xiǎn)區(qū)域——最終實(shí)現(xiàn)施工事故率降低70%以上的安全目標(biāo)，為井下作業(yè)人員筑牢生命安全防線。
關(guān)鍵技術(shù)三：煤礦災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)智能判識(shí)，實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)應(yīng)對(duì)向主動(dòng)預(yù)警轉(zhuǎn)變
現(xiàn)階段AI技術(shù)正推動(dòng)煤礦災(zāi)害防控逐漸由經(jīng)驗(yàn)定性型向精準(zhǔn)量化型轉(zhuǎn)變。尤其在煤礦災(zāi)害防控領(lǐng)域，借助AI大模型的深度分析與預(yù)測(cè)能力，可將瓦斯災(zāi)害、水害、頂板壓力災(zāi)害等關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)結(jié)果，與空間GIS地理信息精準(zhǔn)融合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地下地質(zhì)環(huán)境的“透明化呈現(xiàn)”，為災(zāi)害防控提供直觀、精準(zhǔn)的空間數(shù)據(jù)支撐。
過去，傳統(tǒng)方法存在明顯局限：一方面高度依賴人工巡檢與經(jīng)驗(yàn)判斷，缺乏系統(tǒng)性數(shù)據(jù)支撐，導(dǎo)致對(duì)瓦斯突出、水害等災(zāi)害多處于“事后處置”的被動(dòng)狀態(tài)，預(yù)警嚴(yán)重滯后、事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)居高不下；另一方面，針對(duì)小斷層、導(dǎo)水裂隙等隱蔽致災(zāi)體的識(shí)別精度僅達(dá)到30米級(jí)，難以精準(zhǔn)捕捉風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和及時(shí)災(zāi)害防控。
而地質(zhì)透明化技術(shù)徹底改變了這一現(xiàn)狀：通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地質(zhì)動(dòng)態(tài)變化，結(jié)合AI算法預(yù)測(cè)和診斷可提前發(fā)出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，定位精度達(dá)到亞米級(jí)，能將災(zāi)害事故率降低，真正實(shí)現(xiàn)從“被動(dòng)應(yīng)對(duì)”到“超前防控”的轉(zhuǎn)變。在隱蔽致災(zāi)體識(shí)別上，更是融合了隨采地震、地質(zhì)雷達(dá)等先進(jìn)技術(shù)，將識(shí)別精度從傳統(tǒng)的米級(jí)大幅提升至亞米級(jí)，可精準(zhǔn)鎖定潛在風(fēng)險(xiǎn)，從源頭規(guī)避致災(zāi)隱患。
再者，通過系統(tǒng)集成井下傳感器的多元異構(gòu)數(shù)據(jù)，構(gòu)建“感知-分析-預(yù)警-決策”全鏈條防控體系，建成了礦井“智能災(zāi)害防控一體化平臺(tái)”：支持集成多種災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與協(xié)同處置功能，有效突破多災(zāi)種耦合風(fēng)險(xiǎn)判識(shí)的瓶頸，顯著提升煤礦災(zāi)害預(yù)警防治智能化水平（圖3）。
然而，煤礦典型動(dòng)力災(zāi)害是一種非線性復(fù)雜問題，多相多場(chǎng)耦合的災(zāi)變?cè)杏?guī)律及演化機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。未來，礦企應(yīng)結(jié)合透明地質(zhì)保障系統(tǒng)，加速發(fā)展復(fù)雜條件（應(yīng)力場(chǎng)、裂隙場(chǎng)、滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)）耦合作用下礦井災(zāi)害的智能感知與防控技術(shù)，研發(fā)高可靠性、自適應(yīng)性的災(zāi)害防控裝備，開發(fā)覆蓋礦井全域場(chǎng)景的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合感知與多網(wǎng)融合傳輸方法，形成多源信息分級(jí)、立體式監(jiān)測(cè)模式，構(gòu)建基于云的多模態(tài)智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)，進(jìn)一步加強(qiáng)井下減災(zāi)防災(zāi)能力。
展望未來，煤礦開采實(shí)現(xiàn)從勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型的跨越
作為國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要組成，煤炭安全智能精準(zhǔn)開采需構(gòu)建“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、智能主導(dǎo)、標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)”的現(xiàn)代化礦業(yè)體系，著力推進(jìn)全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字化重構(gòu)，建立涵蓋地質(zhì)勘探、裝備研發(fā)、生產(chǎn)管控的全域智能平臺(tái)，使中國(guó)煤炭資源開采實(shí)現(xiàn)從“勞動(dòng)密集型”向“技術(shù)密集型”的歷史性跨越，并保障國(guó)家能源安全，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供關(guān)鍵支撐：
①重點(diǎn)攻關(guān)高精度三維地質(zhì)動(dòng)態(tài)建模、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化等核心技術(shù)，突破毫米級(jí)煤巖識(shí)別、多物理場(chǎng)動(dòng)態(tài)感知、裝備集群智能協(xié)同等技術(shù)瓶頸；
②建立覆蓋“勘探設(shè)計(jì)-智能開采-生態(tài)修復(fù)”全周期的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系，制定智能裝備數(shù)據(jù)接口規(guī)范，構(gòu)建“國(guó)家礦山大腦”數(shù)據(jù)中心；
③形成“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新生態(tài)，打通企業(yè)、設(shè)備商、科研機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)壁壘；完善人才支撐體系，鼓勵(lì)高校、科研院所與企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才；
④推動(dòng)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在智能礦井的應(yīng)用示范，發(fā)展基于設(shè)備全生命周期管理的智能運(yùn)維模式，系統(tǒng)性降低百萬(wàn)噸死亡率與噸煤能耗。
來源：華為智能礦業(yè)與油氣
