煤礦智能精準開(kāi)采：

人工智能賦能關(guān)鍵技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)升級

中國能源資源的賦存條件與經(jīng)濟發(fā)展階段，決定了煤炭未來(lái)較長(cháng)時(shí)期仍是主要能源。根據國家統計局數據，近年來(lái)中國煤炭年生產(chǎn)量持續增加，2024年煤炭生產(chǎn)總量約47.8億噸，煤炭消費總量占能源消費總量53.2%。隨著(zhù)數字化、智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，煤炭智能精準開(kāi)采已成為推動(dòng)礦山安全發(fā)展、保障國家能源資源安全的重要舉措。

本文作者：袁亮

中國工程院院士、安徽理工大學(xué)校長(cháng)

自2020年《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見(jiàn)》發(fā)布以來(lái)，中國已建成66處國家級示范煤礦、超過(guò)200處省級示范煤礦，在透明礦山地質(zhì)保障、智能采掘成套技術(shù)裝備、煤礦災害風(fēng)險智能判識等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域均取得顯著(zhù)進(jìn)展。

關(guān)鍵技術(shù)一：透明礦山地質(zhì)保障，實(shí)現地質(zhì)信息精準化、災害因素“可見(jiàn)可預測”

開(kāi)采地質(zhì)條件透明化旨在通過(guò)地質(zhì)信息的高精度探測與可視化技術(shù)，實(shí)現對隱蔽致災因素的實(shí)時(shí)更新與動(dòng)態(tài)預警，是保障煤炭資源安全、智能開(kāi)采的先決條件。

目前已有部分礦區融合雷達、槽波、鉆孔勘探等多物理場(chǎng)數據，建立了工作面精確地質(zhì)模型，形成“透明地質(zhì)保障系統-采掘生產(chǎn)-災害防控”的流程化作業(yè)新模式，有效指導了工作面的智能回采及災害預警能力（見(jiàn)圖1）。

盡管如此，現有探測技術(shù)在精度、可靠性、時(shí)效性方面仍難以完全滿(mǎn)足無(wú)人化開(kāi)采需求。

在綜采、掘進(jìn)面隨掘隨探場(chǎng)景中，傳統方法與透明化技術(shù)存在顯著(zhù)差距，主要集中在數據采集、整合效率及勘探成本上，例如，傳統隨掘隨探依賴(lài)人工操作鉆探設備取樣，不僅數據采集周期長(cháng)（單孔鉆探常耗時(shí)數周），且受限于“無(wú)三維建模輔助”，各部門(mén)數據格式混亂形成“數據孤島”，整合難度極大；同時(shí)，因缺乏對地下結構的精準預判的技術(shù)，需靠大量鉆探驗證，無(wú)效鉆孔占比高達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監測、三維激光掃描、瞬變電磁等物探技術(shù)，以及適用于復雜地質(zhì)條件的智能鉆探裝備，從而加強多物理場(chǎng)動(dòng)態(tài)監測信息的深度融合，構建礦井整體及局部地質(zhì)信息的數字孿生模型，為智能采掘和災害預警提供精準、透明的地質(zhì)信息支持。

當前，地質(zhì)透明化技術(shù)深度結合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，實(shí)現了效能躍升：一方面融合物探、鉆探、物聯(lián)網(wǎng)傳感器的多源數據，借助5G網(wǎng)絡(luò )保障數據實(shí)時(shí)傳輸，讓數據采集效率提升30%以上；另一方面，依托三維地質(zhì)空間技術(shù)構建地下結構模型，精準預判煤巖結構、隱蔽災害構造分布，結合智能算法優(yōu)化鉆孔布置，大幅減少無(wú)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，提升復雜條件適應性和運行效率

隨著(zhù)智能技術(shù)的革新，我國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字孿生分析決策的技術(shù)架構，初步實(shí)現了采煤機自主截割、液壓支架自動(dòng)跟機、不同煤層條件下的智能快速掘進(jìn)，以及礦用無(wú)軌膠輪車(chē)、單軌吊、有軌電機車(chē)的無(wú)人駕駛等功能，大幅提升了工作面的生產(chǎn)效率（見(jiàn)圖2）。但在煤礦智能裝備實(shí)際應用中，仍面臨井下傳感器/控制器故障率高，復雜開(kāi)采條件適應性差和系統常態(tài)化運行率低等問(wèn)題。

因此，智能煤機研發(fā)應進(jìn)一步強化復雜地質(zhì)條件下的環(huán)境適配與可靠運行能力，重點(diǎn)突破精準地質(zhì)探測、精準煤巖動(dòng)態(tài)識別、危險源智能感知與預警、多工種井下機器人、“掘-支-運”一體化智能快掘等技術(shù)提升裝備的適應性和運行效率。

得益于隨掘隨探技術(shù)，動(dòng)態(tài)勘探能力是結合多源數據實(shí)時(shí)采集、動(dòng)態(tài)建模呈現，再通過(guò)三維地質(zhì)透明化技術(shù)構建地下空間“全息視圖”，可精準預判煤層斷層、導水裂隙、應力異常區等地質(zhì)隱患；基于這一“超前探明+可視化呈現”的技術(shù)閉環(huán)，能為掘進(jìn)、回采工程提供精準的空間路徑指導，推動(dòng)施工方案主動(dòng)避開(kāi)危險區域——最終實(shí)現施工事故率降低70%以上的安全目標，為井下作業(yè)人員筑牢生命安全防線(xiàn)。

關(guān)鍵技術(shù)三：煤礦災害風(fēng)險智能判識，實(shí)現從被動(dòng)應對向主動(dòng)預警轉變

現階段AI技術(shù)正推動(dòng)煤礦災害防控逐漸由經(jīng)驗定性型向精準量化型轉變。尤其在煤礦災害防控領(lǐng)域，借助AI大模型的深度分析與預測能力，可將瓦斯災害、水害、頂板壓力災害等關(guān)鍵風(fēng)險的預測結果，與空間GIS地理信息精準融合，進(jìn)而實(shí)現地下地質(zhì)環(huán)境的“透明化呈現”，為災害防控提供直觀(guān)、精準的空間數據支撐。

過(guò)去，傳統方法存在明顯局限：一方面高度依賴(lài)人工巡檢與經(jīng)驗判斷，缺乏系統性數據支撐，導致對瓦斯突出、水害等災害多處于“事后處置”的被動(dòng)狀態(tài)，預警嚴重滯后、事故發(fā)生風(fēng)險居高不下；另一方面，針對小斷層、導水裂隙等隱蔽致災體的識別精度僅達到30米級，難以精準捕捉風(fēng)險點(diǎn)和及時(shí)災害防控。

而地質(zhì)透明化技術(shù)徹底改變了這一現狀：通過(guò)實(shí)時(shí)監測地質(zhì)動(dòng)態(tài)變化，結合AI算法預測和診斷可提前發(fā)出風(fēng)險預警，定位精度達到亞米級，能將災害事故率降低，真正實(shí)現從“被動(dòng)應對”到“超前防控”的轉變。在隱蔽致災體識別上，更是融合了隨采地震、地質(zhì)雷達等先進(jìn)技術(shù)，將識別精度從傳統的米級大幅提升至亞米級，可精準鎖定潛在風(fēng)險，從源頭規避致災隱患。

再者，通過(guò)系統集成井下傳感器的多元異構數據，構建“感知-分析-預警-決策”全鏈條防控體系，建成了礦井“智能災害防控一體化平臺”：支持集成多種災害實(shí)時(shí)監測與協(xié)同處置功能，有效突破多災種耦合風(fēng)險判識的瓶頸，顯著(zhù)提升煤礦災害預警防治智能化水平（圖3）。

然而，煤礦典型動(dòng)力災害是一種非線(xiàn)性復雜問(wèn)題，多相多場(chǎng)耦合的災變孕育規律及演化機理仍需進(jìn)一步研究。未來(lái)，礦企應結合透明地質(zhì)保障系統，加速發(fā)展復雜條件（應力場(chǎng)、裂隙場(chǎng)、滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)）耦合作用下礦井災害的智能感知與防控技術(shù)，研發(fā)高可靠性、自適應性的災害防控裝備，開(kāi)發(fā)覆蓋礦井全域場(chǎng)景的多源異構數據融合感知與多網(wǎng)融合傳輸方法，形成多源信息分級、立體式監測模式，構建基于云的多模態(tài)智能監控預警系統平臺，進(jìn)一步加強井下減災防災能力。

展望未來(lái)，煤礦開(kāi)采實(shí)現從勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型的跨越

作為國家能源戰略的重要組成，煤炭安全智能精準開(kāi)采需構建“數據驅動(dòng)、智能主導、標準引領(lǐng)”的現代化礦業(yè)體系，著(zhù)力推進(jìn)全產(chǎn)業(yè)鏈數字化重構，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，使中國煤炭資源開(kāi)采實(shí)現從“勞動(dòng)密集型”向“技術(shù)密集型”的歷史性跨越，并保障國家能源安全，為實(shí)現“雙碳”目標提供關(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、多源異構數據融合、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議標準化等核心技術(shù)，突破毫米級煤巖識別、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“勘探設計-智能開(kāi)采-生態(tài)修復”全周期的國家標準體系，制定智能裝備數據接口規范，構建“國家礦山大腦”數據中心；

③形成“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng )新生態(tài)，打通企業(yè)、設備商、科研機構間的數據壁壘；完善人才支撐體系，鼓勵高校、科研院所與企業(yè)聯(lián)合培養復合型創(chuàng )新人才；

④推動(dòng)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在智能礦井的應用示范，發(fā)展基于設備全生命周期管理的智能運維模式，系統性降低百萬(wàn)噸死亡率與噸煤能耗。