煤炭精准开采科学构想.pdf

第 4 2卷第 1期 2 0 1 7年 1 月 煤 炭 学 报 J OURN AL 0F C HI NA C OAL S OC I E T Y Vo 1 ． 42 No． 1 J a n ． 2 0 1 7 袁亮． 煤炭精准开采科学构想[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 7， 4 2 1 1 - 7 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j C C S ． 2 0 1 6 ． 1 6 6 1 Y u a n L i a n g ． S c i e n t i fi c c o n c e p t i o n o f p r e c i s i o n c o a l mi n i n g [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 1 7 ， 4 2 1 1 7 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i j C C S ． 2 0 1 6 ． 1 6 6 1 煤炭 精准开采科学构想 袁 亮 ’4 1 ．中国矿业大学 北京 资源与安全工程学院 ， 北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．煤炭开采国家工程技术研究院 ， 安徽 淮南2 3 2 0 0 0； 3 ．深部煤炭开采 与环境保 护国家重点实验室 ， 安徽 淮南2 3 2 0 0 0； 4 ．煤矿瓦斯治理国家工程研究中心 ， 安徽 淮南2 3 2 0 0 0 摘要 新世纪互联网 及智能化发展势头强劲， 在 总结煤炭 开采历 史及科技 发展 趋势的基础上 ， 思考 了煤炭开采如何应对新一轮科技创新的到来， 针对我 国煤炭开采面临的挑战和机遇 ， 提 出了煤 炭精准开采的科学构想。煤炭精准开采是基于透明空间地球物理和 多物理场耦合 ， 以智能感知 、 智 能控制、 物联 网、 大数据云计算等作支撑 ， 将不同地质条件 的煤炭开采扰动影响、 致 灾因素、 开采 引 发生态环境破坏等统筹考虑， 时空上准确高效的煤炭少人 无人 智能开采与灾害防控一体化的未 来采矿新模式。煤炭精准开采可显著提高煤炭安全开采 自动化 、 智能化 、 信 息化水平 ， 实现煤炭 工 业由劳动密集型向具有 高科技特点的技 术密集型转变。本文凝练了煤炭精准开采的 7个关键科 学 问题和八个主要研究方向， 为实现互联 网 科学开采的未来少人 无人 采矿提 出了技 术路径 。 关键词 煤炭精准开采 ； 透明地球 ； 互联 网 ； 科学开采 中图分类号 T D 8 2 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 1 7 0 l - 0 0 0 1 - 0 7 Sc i e n t i f i c c o nc e p t i o n o f p r e c i s i o n c o a l m i n i n g YUAN Li a n g ， ， ， 1 ． S c h o o l o fR e s o u r c e a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i ty ofMi n i n g a nd T e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e l l i n g 1 0 0 0 8 3， C h i na ； 2 ． S t a t e C o a l Mi n i n g N a t io nal E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e ， H u a i n a n 2 3 2 0 0 0 ， C h i n a； 3 ． S t a t e K e y l a b o r a t o r y of D e e p C o a l Mi n i n g a nd E n v i r o n me n t P r o t e c t ion ， Hu a i n a n 2 3 2 0 0 0， C h i na ； 4 ． Na t i o nal E n g i nee ri n g R e s e a r c h C e n r f o r C o a l G a s C o n t r o l ， Hnai n a n 2 3 2 0 0 0， C h i na Abs t r a c t As t h e I n t e r ne t p l us e r a a n d i n t e l l i g e n c e d e v e l o p me n t a r e i n t e ns i fie d i n t h e n e w c e n t u r y， t hi s r e s e a r c h i n v e s t i g a t e s h o w c o a l mi n i n g c o p e s wi t h t h e a d v e n t o f a n e w r o u n d o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y i n n o v a t i o n b y s umma r i z i n g t h e h i s t o ry o f c o a l mi ni n g a n d t he t e c h n o l o g i c a l d e v e l o p me n t t r e n ds t h e r e i n． A s c i e n t i fic c o n c e pt o f p r e c i s e c o a l mi n i n g i s p r o p o s e d t o me e t t h e c h a l l e n g e s a n d o p po r t u ni t i e s f a c i n g c o a l mi n i n g i n Ch i n a ． By me a n s o f t e c h n o l o g i e s i n c l u d i n g i n t e l l i s e n s e， i n t e l l i g e n t c o n t r o l ， t h e I n t e rue t o f Th i n g s， c l o u d c o mp u t i n g a nd b i g d a t a， p r e c i s e c o a l mi n i n g i s p r o p o s e d a s a n e w f u t u r e m i n i n g m o d e i n t e g r a t i n g i n t e l l i g e n t m i n i n g t e c h n i q u e w i t h f e w w o r k e r s u n ma n n e d ， a n d d i s a s t e r p r e v e n t i o n a n d c o n t r o 1 ． Thi s mo d e i s b a s e d o n t r a n s p a r e n t s p a c e s a n d g e o p h y s i c s， a s we l l a s mu l t i - fie l d c o u p l i n g t o a c hi e v e s pa t i a l - t e mpo r a l a c c ur a c y a nd e f fic i e n c y． I t i s a b l e t o c 0 mp r e h e n s i v e l y c o n s i de r f a c t o r s r e l a t i n g mi n i n g u n de r d i f f e r e n t g e o l o g i c al c o n d i t i o ns ， i n c l u d i ng mi n i n g i n flu e n c e s， r e l e v a n t f a c t o r s i nd u c i n g di s a s t e r s ， a n d e c o l o g i c a l d e s t r uc t i o n c a u s e d b y e x p l o i t a t i o n i t i s a b l e t o e n h a n c e t h e a u t o ma t i s a t i o n， i n t e l l i g e n t i s a t i 0 n， a n d i n f o r ma t i z a t i o n l e v e l s o f s a f e c o al p r o d uc t i o n wh i c h p r o mo t e s t h e t r a n s f o r ma t i o n o f t h e c o a l i n d u s t ry f r o m a l a b o r i n t e n s i v e ， t o a t e c h n o l o gy i n t e n s i v e s e c t o r ． T h e r e s e a r c h p r o p o s e s s e v e n k e y s c i e n t i fi c p r o b l e m s a n d e i g h t m a j o r r e s e a r c h d i r e c t i o n s f o r c o a l m i n i n g a n d t h e r e f o r e d i r e c t s t h e t e c h n o l o gy r o u t e f o r f u t u r e s c i e n c e b a s e d mi n i n g w i t h fe w p e o p l e u n m a n n e d i n t h e I n t e rue t p l u s e r a ． 收稿 日期 2 0 1 6 1 卜O 2 修回 日期 2 0 1 7 一 O 卜2 0 责任编辑 毕永华 基金项目 中国工程院重点咨询资助项 目 2 0 1 5 一 X Z 一 1 5 ； 国家重点研发计划资助项目 2 0 1 6 Y F c 0 8 0 1 4 0 O ； 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 4 2 7 8 0 4 作者简介 袁亮 1 9 6 O 一 ， 男， 安徽金寨人， 中国工程院院士。E - m a i l y u a n l 一 1 9 6 0 s i n a ． e o m 2 煤 炭 学 报 2 0 1 7 年第4 2 卷 Ke y wo r ds p r e c i s e c o a l mi n i ng； t r a ns p a r e n t e a r t h； i n t e r n e t pl u s； s c i e nc e ba s e d mi n i n g 煤炭作为不可再生资源 ， 具有能源 、 工业原料双 重属性 ， 不仅可 以作为燃料取得热量和动能 ， 还是化 工产品等重要工业原料。自第 1次工业革命 以来 ， 煤 炭在为人类提供能源等领域扮演 了重要角色 ， 是工业 “ 真正的粮食” 。即使在科技高度发展 的今天 ， 煤炭 仍然是宝贵的能源资源 ， 在世界一次能源消耗结构中 仍 占2 9 ． 2 ％ ， 甚至在部分 国家 占据 能源消费主导地 位 ， 如 2 0 1 5年我国煤炭消费量 占国家能源消费总量 的 6 4 ％ 1 J ， 美 国、 澳大利亚等国家将煤炭作为国家战 略资源保护 。 近百年来 ， 煤炭开采在理论 、 技术和装备方面取 得了举世瞩 目的成就 ， 在地质勘探 、 煤炭高效开采 、 矿 井灾害预警与防治、 煤与共伴生资源协调开发和煤矿 大型 化及 精 细 化 设 备 等科 学 领 域 取 得 了诸 多 进 展 J ， 特别是综合机械化采煤和煤与瓦斯共采等取 得的重大突破 J ， 极 大地提高 了煤炭 的安全高效 开采水平。 我国煤炭资源相对丰富 ， 但是煤层赋存条件差异 大 ， 从薄和极薄煤层到厚与特厚 巨厚 煤层、 从近水 平煤层到缓倾斜 、 急倾斜煤层均有分布 ， 且地处欧亚 板块结合部 ， 地质构造复杂 ， 自然发火 、 高瓦斯 、 煤与 瓦斯突出煤层多， 开采难度大 ， 同时深部煤炭开采基 础研究薄弱 ， 大部分煤矿煤炭开采存在信息化程度不 高 、 用人多 、 效率低以及安全不可靠等问题 ， 使得煤炭 行业在满足国家能源需求 、 促进社会进步的同时也付 出了巨大的代价 。不仅如此 ， 煤炭开采引起采矿 区地表沉陷、 水污染 、 植被破坏等环境 问题也 日益突 出 。 纵观国际采矿史 ， 矿难发生的致灾机理和地质情 况不清 、 灾害威胁不明、 重大技术难题没有解决等是 导致事故的主要原因。要想从根本上破解煤矿安全 高效生产难题 ， 煤炭工业须由劳动密集型升级为技术 密集型， 创新发展成为具有高科技特点 的新产业 、 新 业态 、 新模 式， 走智 能、 少人 无 人 、 安全 的开采 之 路。一方面应靠提升自动化和智能化水平精简人员， 实现煤矿开采总体少人化， 主要工艺流程无人化。另 一 方面需提升煤炭开采技术水平， 保证在少人 无 人 情况下的煤炭安全高效开采 ， 以满足经济社会 的 发展需求 ， 并有国际竞争力 。第 3次工业革命势头强 劲， 信息化技术 日 新月异， 给采矿业由传统的经验型、 定性决策为主向精准型 、 定量智能决策转变提供 了又 一 次创 新 、 发 展 的机 遇 以及 挑 战， 为 实 现 智 能少 人 无人 的煤炭科学开采提供 了可能。 结合煤炭开采面临的挑战和现代信息技术发展 方 向， 煤炭精准开采科学构想应运而生。本文详细阐 述 了煤炭精准开采的科学内涵 ， 凝练出了煤炭精准开 采 的关键科学问题和主要研究方向， 为实现互联 网 科学开采的未来少人 无人 采矿提出了技术路径。 1 煤炭 开采面 临的挑 战 1 ． 1 绿色煤炭资源量少， 回收率亟待提高 绿色资源量是指能够满足煤矿安全 、 技术 、 经济 、 环境等综合约束条件 ， 能够支撑煤炭科学产能和科学 开发的煤炭资源量。我国煤炭资源总量相对丰富， 已 查明储量 1 ． 3万亿 t ， 预测总量 5 ． 5 7万亿 t ， 根据 中国 工程院重点咨询项 目研究 ， 绿色煤炭资源量 5 0 0 0～ 6 0 0 0亿 t ， 只有煤炭预测总量 的 1 ／ 1 0 。更严峻 的问 题是 ， 我 国煤 炭 资 源 回收 率 低 ， 平 均 仅 为 3 0 ％ ～ 4 0 ％， 小煤矿回收率不足 1 0 ％， 远低于美 国等发达国 家 8 0 ％ 的煤炭资源 回收率 。若 不提高煤炭资源 回收率 ， 按国家能源需求 ， 绿色煤炭资源量仅可开采 4 O～ 5 0 a ， 或煤炭开采将大面积进入非绿色煤炭资源 赋存区开采 ， 这样势必造成安全、 技术 、 经济和环境等 面临巨大难题 1 1 ． 2 开采条件复杂、 安全形势依然严峻 经济 的快速发展 、 煤炭 开采和需求量 的不断增 加 ， 导致我国煤矿开采深度 以平均 1 0～ 2 5 m ／ a的速 度快速向深部延伸。特别是在 中东部经济发达地区， 煤炭开发历史较长， 浅部煤炭资源已近枯竭 ， 许多煤 矿已进入深部开采 埋深 8 0 0～1 5 0 0 m 。全 国 5 O 对矿井深度超过 1 0 0 0 m， 山东新汶矿业孙村煤矿最 大采深达 1 5 0 1 m 。与浅部开采相 比， 深部煤岩体 处于高地应力 、 高瓦斯 、 高温 、 高渗透压以及较强的时 间效应的恶劣环境中， 煤与瓦斯突出 、 冲击地压等动 力灾害问题更加严重 ， 并且有多重灾害耦合发生的趋 势 ， 深部煤矿开采面临诸多重大科学技术难题 ， 英 国、 德国等发达国家普遍采取国家关井措施 ， 但煤炭仍将 长期是我 国的主要能源 ， 深部煤炭开发难题只有面对 无法 回避 。 1 ． 3 环境负外部性凸显 。 可持续发展势在必行 由于采矿行业本身的特点， 使得采矿过程中总是 伴随着对环境或多或少 的破坏。如采矿对地表和地 下水系的破坏， 加剧了水 资源 的匮乏 ； 开采导致地表 沉陷 ， 造成了大面积的土地遭到破坏 ； 排到地面堆积 起来的矸石 山则导致大量土地被 占用 ； 另外每年因开 采煤炭而排放到大气 中的大量有害气体， 对大气环境 第 1期 袁亮 煤炭 准外采科 构想 3 造成严重的影响 ， 煤炭开采环境成本与 口俱增。上述 煤炭开发的负外部性都与绿 色 、 协调 、 叮持续 的发展 战略冲突 ， 未来煤炭开采若不改变发展 战略和方 向， 行业的 f】 丁 持续性 发展将面临 大的挑战。 1 ． 4 煤矿地质保障水平亟待提高 精确掌握开采地质条件是煤矿安全开采 的重要 保障， 忽视地质条件的盲 目开采常带来巨大的经济损 失和人员伤亡 。经过多年的持续攻关， “ 以地震主 导， 多手段配合 ， 井 j 二 下联 合”的立体式综 合勘 探技 术在我国得到广泛应用 ， 以高分辨三维地震勘探为核 心 、 井 卜 下一体 、 采前采 中配合的煤矿地质保障技术 体系初步形成 。然而， 我国煤矿地质条件极其 复杂 ， 尚未实现深部复杂地质条件下煤层赋存 、 顶底板岩性 空『 白 j 分佰及构造 、 瓦斯地质 、 水文地质和其他地质异 常体的精细探查， 煤矿安全开采地质保障水平有待进 一 步提高 1 ． 5 深部采矿理论发展滞后 ， 相关技术亟待突破 采矿理论和技术取得 了诸 多突破 ， 促进了煤炭行 业快速 发展， 但是针列’ 煤炭深部开采面临的诸 多科学 问题 ， 传统采矿基础研究不够 ， 基于工程实测 、 真三维 物理模拟和数 值模拟 “ 三位一体” 的研究 手段 缺乏 ， 忽视煤岩的非均质非线性特性的研究 ， 且往往只考 虑 单场的影响 ， 而实际采矿涉 及到瓦斯 、 水 、 火、 粉尘等 影Ⅱ 向， 是复杂的多场耦合 问题 ， 需要研究 应力场一 裂 隙场一 渗流场一 温度场等耦合作用下的煤炭开采和致 灾机理 述基础理论研究的薄弱 也导致 当前研究 成果多为定性研究， 缺乏定量研究 ， 难 以针对现场采 矿和安全问题作出有效的指导。 1 ． 6 煤炭开采智能化水平低 ， 相关技术亟待突破 煤矿机械化、 自动化、 信息化和智能化程度以及 井下人数很大程度上决定 _ r矿井的现代化水平 和安 全状况 煤矿井下环境特殊 ， 有 甲烷 、 一氧化碳等易 燃 易爆气体， 也有矿尘 、 淋水 ， 电磁波传输 衰减严 重， 电网电压波动范围大’ ” 煤矿井下 的特殊性 ， 制约 着地面相关技术直接在煤矿井下应用 ， 使得煤矿的机 械化 、 信息化 、 智能化水平严重滞后 于现代社会的发 展步伐。世界煤矿业经过近百年的摸索 ， 机械化水平 有_ r 很大的提高， 但 水平依 旧有限， 如我 国全国平均 采煤机械化程度仅 为 4 5 ％ ， 国有重点 为 8 2 ． 7 2 ％ ， 小 煤矿儿乎没有机械化开采 ， 煤矿 机械 化水平还有 很大提升空问 ， 信息化 、 少人 无人 智能化更是处于 起步阶段。而机械化 、 信息化和智能化是实现科学采 矿的必需 手段 ， 未来采矿必须向着信息化和智能化迈 进 。 婴解决当前煤炭开采所面临的上述难题 ， 煤炭工 业必须 由劳动密集型升级为技术密集型， 创新发展成 为具有高科技特点 的新产业 、 新业 态 、 新模式 ， 走智 能 、 少人 无人 、 安全的开采之路。煤炭精准开采将 运用现代化信息技术改造传统采矿 ， 对于推动煤炭产 业变革 ， 实现煤炭开采颠覆性技术创新意义重大 ， 煤 炭精准开采是人类社会未来采矿必 d L J 之路 1 2 煤炭 精准开采科学 内涵 煤炭精准开采是基于透明空问地球物理和 多物 理场耦合 ， 以智能感 知 、 智能控制 、 物联 网、 大数据云 计算等作支撑 ， 具有风险判识 、 监控预警等处置功能， 能够实现时空 准确安全可靠的智能少人 无 人 安 全精准开采 的新模式新 方法 ， 其科学 内涵如 图 I所 示。精准开采 支撑科 学开采 ， 是科学 开采的重 巾之 蚕 ， 、 地球 物理 l ； 『 _ ， l 】 _． 1 l ． ．‘ l、 J 1 煤 炭精准 开采的科学 内涵 Fi g ．1 S c i en l i | i ‘o on n n l a l i o n o f p r e c i s i o n c o a l mi n i n g 煤炭精准开采从资源评估与决策 、 矿 山规划和设 计到煤矿生产 与安全管理等全过程 都始终贯彻和融 入现代科技成果 ， 真正 实现现代化煤炭开采 ， 其榧架 如 图 2所示 。煤炭精准开采 系统层级从下到上依次 为基础数据层 、 模型层 、 模拟与优化层 、 设计 层 、 执行 与控制层和管理层 ， 如图 3所示。 图2 煤炭精准开采框架 F i g ． 2 F r a me w o r k o f p r e c i s i o n c o a l mi n i n g 结合煤炭发展现状及长远要求 ， 精准开采将分两 步实施 第 1 步是实现地面和井下相结 合的远程遥控 ～险控警～ ～风监预～ ～害能控一 一灾智防～ ～害险识一 一 臁 蔓 一 动 航 割一 自 巡 切一 一 能 知 一 一 智 感 ～ 物 场 控 ～ 多 理 测 4 煤 炭 学 报 2 0 1 7 年第4 2 卷 I 3 煤 炭精 准开 米系统层绒 r 3 5y s i e m t l lt f I r e t ‘ I 1 c o a l mi ni n g 式精准开采， 即操作人员在 监控中心远程 卜 预遥控设 备运行 ， 采掘工作面落煤区域无人操作； 第 2步是实 现钳能化少人 无人 精准开采 ， 即采煤机 、 液压支架 等设 箭r 1 动化智能运行 、 惯性导航。煤炭精准开采将 最终实现地面远程控制的智能化 、 自动化 、 信息化 和 可视化， 实现煤炭开 采的少人 无 人 、 精确 、 智 能感 知乖 灾害智能监控预警与防治。 3 煤炭精 准开 采关键科学 问题 煤炭精准开采涉及面广 、 内容纷繁复杂 ， 实施过 程[ I 1 嘤解决诸多科学问题 1 煤 炭 lJ F 采多场动态信息 如 力、 应 变、 位 移 、 隙 、 渗流等 的数字化定量 传统采矿多依赖经验 、 凭借定性分析开采 ， 精准 开采是传统采矿与定挝化智能化的高度结合， 开发 出 多功能 、 多参数的智能传感器。以开采沉陷的精准控 制为例 ， 需要快速而精确地实现对开采沉陷数据的识 别 、 挟取 、 重建 ， 以达到开采沉 陷的信息化 、 数字化及 呵视化 ， 为进 一步的定 垃化预测奠定基础。 2 采场及开采扰 动 多源信息采集 、 传感 、 传 输 煤炭井下开采涉 及应力场 、 裂隙场 、 渗流场等诸 多『 J 题 ． 采场及开采扰动区地应力 、 瓦斯压力、 瓦斯涌 出 、 裂隙发育 区等信息准确获取至关重要 。 。精 准开采住陔方面涉及的关键科学问题包括采场及开 采扰动区多源信息采集传感、 矿井复杂环境下多源信 息多网融合传输以及人机环参数全面采集 、 共网传输 等． ． 3 甚于大数据云技术的多源海 动态信息评 估与筛选机制 随着煤矿物联网缀盖的范围越来越广 ， “ 人 、 机 、 物” 二元世界在采场信息空问中的交互 、 融合所产生 的数据越来越大． 基于大数据云技术的多源海量动态 信息评估与筛选机制 的研究愈发重要 。精准开采 在该方面涉及的关键科学 问题包括井下掘进定位 以 及应力场一 应变场一 裂隙场 一 瓦斯场等多物理场信息 定量化采集 ， 多源 、 海量 、 动态 、 多模念等特征传感信 息评估 与筛选 ， 多维度信息复杂内在联 系， 质量参芹 不齐 、 不确定等海 鲢信息的聚合 、 管 理 与查询 ， 可视 化 、 交互式 、 定量化 、 快速化 、 智能化的多物理场信息 智能分析系统搭建等。 4 基于大数据的多相多场耦合灾变理论研究 煤炭开采涉及 固一 液一 气三相介质， 在 开采扰动 作用下三者相互影响 、 相互制约 、 相互联系， 形成采动 应力场一 裂隙场一 渗流场一 温度场的多场耦合效应 ， 研 究煤炭开采灾害的多相多场致灾机理是精准开采 的 重要内容。精准开采在该方面涉及的关键科学问题 包括开采扰动及多场耦合条件下灾害孕育演化机 ， 灾变前兆信息采集传感传输 ， 灾变} i 1『 兆信息挖掘辨识 方法与技术等。 5 深度感知灾害前兆信息智能仿真与控制 与基于被控对象精确模型的传统控制方式不同， 智能仿真与控制 订 丁 直观的展示井 下采场情况 ， 模拟 ／ f 同开采顺序 、 工艺等引起的采动变化等 ， 更好的解 决煤矿复杂系统的应用控制 ， 更具 灵活性 和适应性 精准 开采在该方面涉及的关键科学 问题涵盖矿 山地 测空间数据深度感知技术 ， 矿山地质及采动信息数字 化 ， 矿山采动及安全隐患智能仿真 ， 开采模拟分析 与 智能控制软件开发等。 6 矿井灾害风险预警 矿井灾害风险超前 、 动态 、 准确预警是煤矿安全 生产的前提 卫 乇 、精准开采在该方面涉及的关键科 学问题包括矿井灾害致灾因素分析 ， 矿井灾害预警指 标体系的创建 ， 多源数据融合灾害风险判识方法及预 警模型， 灾害智能预警系统等 。 7 矿井灾害应急救援关键技术及装备 快速有效的直急救援是减少事故 人员伤亡和财 产损失的有效措施 精准开采在陔方面涉及的关 键科学问题包括救灾通信 、 人员定位及灾情侦测技术 与装备， 灾难矿井应急生命通道快速构建技 术与装 备， 矿井灾害应急救援通信系统网络等 ． ． 4 煤炭精准开采主要研究方向 4 ． 1 创新具有透视功能的地球物理科学 具有透视功能的地球物理科学是实现煤炭精准 扦采的基础支撑。陔方向将地理空间服 务技术 、 互联 网技术 、 C T扫描技术 、 V R技术等积傲推向矿 山可视 化建设， 打造具 透视功能的地球物理科学支撑下的 第 1 期 袁亮 煤炭精准开采科学构想 5 “ 互联网 矿 山”， 对煤层赋存进行真实反演 ， 实现断 层、 陷落柱、 矿井水、 瓦斯等致灾因素的精确定位。 该方向主要包括以下研究 内容 1 创新地下、 地 面、 空 中一体化 多方位综 合探 测新手段 。 2 研制磁 、 核 、 声 、 光 、 电等物理参数综 合成 像 探测新仪器。 3 构建探测数据三维可视化及重构 的数据 融 合处理方法。 4 研发海量地质信息全方位透明显示技术， 构 建透明矿山， 实现瓦斯、 水、 陷落柱、 资源禀赋等 1 1 高清显示 ， 地质构造 、 瓦斯层 、 矿井水等矿井致灾因素 高清透视， 最终实现煤炭资源及煤矿隐蔽致灾因素动 态智能探测 。 4 ． 2智能新型感知与多网融合传输方法与技术装备 智能新型感知与多网融合传输方法与技术装备 是实现精准开采 的技术支 撑。该方向将研发新型安 全、 灵敏、 可靠的采场、 采动影响区及灾害前兆信息等 信息采集传感技术装备， 形成人机环参数全面采集、 共网传输新方法。 该方 向主要包括以下研究内容 1 采场及采动扰动区信息的高灵敏度传输传 感技术。 2 采场及采 动扰动区监测 数据 的组 网布控关 键技术及装备。 3 非接触供 电及 多制式数 据抗干扰高保真稳 定传输技术 。 4 灾害前兆信息采集、 解析及协同控制技术及 装备。 4 ． 3 动态复杂多场多参量信息挖掘分析与融合处理 技术 动态复杂多场多参量信息挖掘分析与融合处理 技术可为煤炭精准开采 系统提供智能决策 、 规划 ， 提 高系统反应的快速性 和准确性。该 方向将突破多源 异构数据融合与知识挖掘难题 ， 创建面向煤矿开采及 灾害预警监测数据的共用快速分析模型与算法， 创新 煤矿安全开采及灾害预警模式。 该方 向主要包括以下研究内容 1 多源海量动态信息聚合理论与方法。 2 数据挖 掘模 型的构建 、 更新 理论与方法 ， 面 向需求驱动的灾害预警服务知识体系及其关键技术。 3 基于漂移特征的潜在煤矿灾害预测方法与 多粒度知识发现方法 。 4 煤岩动力灾 害危 险区域快 速辨识 及智 能评 价技术。 4 ． 4 基于大数据云技术的精准开采理论模型 基于大数据云技术 的精准开采理论模 型可 以为 煤炭精准开采提供理论支撑 。该方 向基 于大数据 的 煤炭开发 多场耦合 及灾 变理论 模 型， 采 用 “ 三位 一 体” 科学研究手段 ， 基 于大数据技术 自动分析 、 生成 监测数据异常特征提取模型， 研究煤矿灾害致灾机理 及灾变理论模型 ， 实现对煤矿灾害的自适应 、 超前 、 准 确预警 。 该方向主要包括 以下研究内容 1 基于实验大数据的多场耦合基础研究 ， 利用 “ 深部巷道围岩控制”、 “ 煤与瓦斯突 出” 、 “ 煤与瓦斯 共采 ”等大型科学实验仪器不 同开采条件下的海量 实验测试数据 ， 开展多场耦合基础实验研究 。 2 基于生产现场监测大数据 的多场耦合研究。 基 于生产现场监测 的海量数据 ， 进行大数据的云计算 整合 ， 探索总结多场耦合致灾机理及其诱发条件。 3 基 于精准透 视下的多场耦合理论模 型。现 场实时扫描监测数据 ， 研究数据 瞬态导入机制 ， 数值 模拟仿真实验模型， 进行真三维数值仿真智能判识与 监控预警。 4 ． 5 多场耦合复合灾害预警 多场耦合复合灾害预警为煤炭精准开采提供了 安全保障。该方 向将探 索具有推理能力及语义一致 性的多场耦合复合灾害知识库构建方法 ， 建立适用于 区域性煤矿开采条件下灾害预警特征的云平台。 该方向主要包括以下研究 内容 1 不同类型灾 害的多源 、 海量 、 动态信息 管理 技术 。 2 基于描述逻辑 的灾 害语 义一致性知识库 构 建理论与方法。 3 基于深度机器学 习的煤 矿灾害风险判识 理 论及方法 。 4 煤矿区域性监控预警特征的云平 台架构。 5 基于服务模式 的煤矿灾 害的远程监控预 警 系统平台。 4 ． 6 远程可控的少人 无人 精准开采技术与装备 远程可控 的少人 无 人 开采技 术与 装备 是实 现煤炭精 准开采 的必 需技术 手段 。该 方 向 以采煤 机记忆截割、 液压支架 自动跟机及可视化远程监控 等技术与装备为基础 ， 以生产系统智能化控制软件 为核心， 研发远程可控的少人 无人 精准开采技术 与装备。 该方 向主要包括 以下研究 内容 1 采煤机 自动 调高、 巡航及 自动切割 自主定 位 。 6 煤 炭 学 报 2 0 1 7 年第4 2 卷 2 煤岩界面与地质构造 自动识别。 3 井上一 井下双向通讯 。 4 采煤工艺智能化。 5 工作面组件式软件和数据库 ， 大数据模糊决 策系统。 4 ． 7 救灾通信、 人员定位及灾情侦测技术与装备 救灾通信 、 人员定位及灾情侦测技术与装备是实 现煤炭精准开采的坚实后盾。该方向将进行灾区信 息侦测技术及装备、 灾区多网融合综合通信技术及装 备 、 灾区遇险人员探测定位技术及装备 、 生命保障关 键技术及装备、 快速逃生避险保障技术及装备、 应急 救援综合管理信息平台的研发。 该方向主要包括以下研究内容 1 地面救援方 面， 开发 全液压 动力头车 载钻 机 、 救援提升系统研制及其下放提 吊技术 、 煤矿 区应 急救援生命通道井优快成井技术 。 2 井下救援方 面 ， 推进大功率坑道救援钻机 、 大直径救援钻孔施工配套钻具 、 基于顶管掘进技术的 煤矿应急救援巷道快速掘进装置研制 ， 井下大直径救 援钻孔成孔工艺设计 。 4 ． 8 基于云技术的智能矿山建设 基于云技术的智能矿 山建设是煤 炭精准开采需 要实现的 目标。该方向结合采矿 、 安全、 机电、 信息 、 计算机 、 互联网等学科 ， 融计算机技术 、 网络技术 、 现 代控制技术、 图形显示技术、 通信技术、 云计算技术于 一 体 ， 将互联 网 技术应用 于云矿 山建设 ， 把煤 炭资 源开发变成智能车间， 实现未来采矿智能化少人 无 人 安全开采。 5 展 望 煤炭精准开采是以透明空间地球物理和多物理 场耦合为基础， 以少人 无人 开采技术和安全开采 技术为支撑 ， 实现煤炭开采零死亡； 以数字化、 信息化 为重要手段 ， 将不同地质条件的煤炭开采扰动影响 、 致灾因素、 开采引发生态环境破坏等统筹考虑 ， 时空 上准确高效的煤炭无人 少人 智能开采与灾害防控 一 体化的未来采矿新模式， 实现煤炭连续开采、 资源 回收率达国际领先水平。煤炭精准开采对提高煤炭 安全开采技术水平 、 资源开发效率及实现煤炭工业由 劳动密集型向具有高科技特点的技术密集型转变意 义重大。 聚焦煤炭智能少人 无人 安全开采， 进一步加 大煤炭科技创新力度， 实现煤炭精准开采， 任重而道 远。目前 ， 我国已实现 了煤与 瓦斯精准共采 、 采 区工 作面少人 无人 开采、 工作面盾构无人掘进、 矿井 自 动化运输等， 这些成果为煤炭精准开采典型了基础。 建议政府主管部门和煤炭行业高度重视煤炭科 技创新 ， 以煤炭精准开采引领煤炭科技未来发展 ， 力 争 2 0 2 0年煤炭精准开采取得阶段性 突破 ， 2 0 3 0年基 本实现煤炭精准开采 ， 到 2 0 5 0年全面实现煤炭精准 开采