眼下，新一代信息技术正不断取得突破，新一轮科技和产业变革不断纵深。数字技术成为传统产业转型升级的核心力量，推动传统产业从劳动力等要素投入转向创新驱动，为煤炭工业由传统的定性经验向智能精准的转变带来了创新发展的机遇，为实现智能少人（无人）的煤炭科学开采提供了可能。
我国能源结构的基本特征是“贫油、少气、相对富煤”，作为能源供应的压舱石，我国煤炭资源禀赋复杂、煤矿安全问题突出。要从根本上破解煤矿安全高效的生产难题，须借助物联网、大数据、云、AI等信息科技，将煤炭工业由劳动密集型升级为技术密集型，实现面向未来的互联网+煤炭资源的智能精准开采。
在信息科技的全面介入下，智能化煤矿要达到全生产要素、全生产全过程的互联互通，完成“感知、通信、分析、预测、决策、执行”的闭环管理，实现“智能感知、智能决策、自动执行”的建设目标，必须在前期的实践基础上，围绕着面向未来的精准开采理念，即依托工业互联网架构为基础的智能煤矿体系，从传感、通信、平台、云、应用等不同层面着眼思考。
我国煤炭开采面临的挑战
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。中国工程院重点咨询项目研究结果表明，我国绿色煤炭资源量只有5743亿吨，按国家能源需求，绿色煤炭资源量仅可开采40～50年。在煤炭作为我国主要能源的地位和作用没有发生根本改变前，大面积进入非绿色煤炭资源赋存区开采将造成安全、技术、经济和环境等面临巨大难题。
我国煤矿开采正在以平均10～25m/年的速度快速向深部延伸，深部煤岩体处于高地应力、高瓦斯、高温与高渗透压的恶劣环境中，煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害更严重，并且有多重灾害耦合出现的趋势。提高煤矿安全精准开采地质保障水平、研究应力场-裂隙场-渗流场-温度场等耦合作用下的煤炭开采和致灾机理势在必行。
要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。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，是未来采矿必由之路。
煤炭精准开采的科学内涵
煤炭精准开采是针对当前煤炭生产系统的现实难题，以及未来深部开采将面临的技术瓶颈提出的科学构想，以最终实现“安全、少人无人、绿色高效”的煤炭开采为目标。
煤炭精准开采的科学内涵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、人工智能等作支撑，具有风险判识、监控预警等处置功能，能够实现时空上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1所示。精准开采支撑科学开采，是科学开采的重中之重。
图1 煤炭精准开采的科学内涵
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了现代科技成果，真正实现现代化煤炭开采，其框架如图2所示。煤炭精准开采最终将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、智能感知和灾害智能监控预警与防治。
图2 煤炭精准开采框架
煤炭精准开采的主要研究方向包括以下八个方面：创新具有透视功能的地球物理科学；智能新型感知与多网融合传输方法与技术装备；动态复杂多场多参量信息挖掘分析与融合处理技术；基于大数据云技术的精准开采理论模型；多场耦合复合灾害预警；远程可控的少人（无人）精准开采技术与装备；救灾通信、人员定位及灾情侦测技术与装备；基于云技术的智能矿山建设。
煤炭精准开采的层级架构
煤炭精准开采要最大化地利用信息科技的成果，实现对煤炭开发全过程数字化或智能化，即通过对资源勘查与评估、矿区总体规划、矿井设计建设、生产与管理等与现代信息技术的深度跨界融合，实现煤炭开采由传统的高危劳动密集型向高精尖技术密集型转变。它主要依托于工业互联网架构，并由感知层、传输层、云（数字平台）和应用层组成，如图3所示。
图3 面向煤炭精准开采的物联网构架
最基础的感知层，利用新型灵敏度高、可靠性好的传感器等对“人机环”参数信息全面采集。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量化智能化的高度结合，泛在实时的传感技术和设备是煤矿智能化的基础。通过基于统一操作系统的上位机，为数据的交互、上传、入湖，提供统一标准的接口和数据格式，避免协议的不统一，形成信息孤岛。
在传输层，精准开采的理念是充分利用最先进的通信技术，实现5G+工业互联网的矿山融合网、多源信息的实时可靠流动。因为煤炭井下开采涉及应力场、裂隙场、渗流场等诸多问题，采场及开采扰动区地应力、瓦斯压力、瓦斯涌出量、裂隙发育区等信息准确获取至关重要。精准开采涉及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、共网传输等关键问题的研究。
在云端和数据平台层面，精准开采意味着将多维度、质量参差不齐、存在大量不确定因素的海量信息入湖，利用大数据和人工智能，对多源海量的动态感知数据和信息进行深度挖掘分析与融合处理，在这基础上才能实现可视化、交互式、定量化、快速化、智能化的各种应用系统的搭建，实现远程智能采煤、灾害超前动态预警、救灾通信、井下人员精准定位等功能。
精准开采初见成效但任重而道远
结合我国煤矿智能化的实施目标，煤矿精准开采的物联网关键技术研究和应用应分两步走：第一步，现在至2025年，依据工业互联网架构，通过各种信息技术，打通各子系统信息壁垒，实现“采-掘-运-通-排”等子系统的互通互联，让生产物流系统智能化决策和协同运行。第二步，即2026年至2035年，通信技术与煤矿技术深度融合，达到煤矿生产的智能感知、智能决策、自动执行，全面实现煤炭资源的智能安全精准开采。
自2020年底，八部委联合发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》通知以来，我们在煤炭智能安全精准开采方面已积累了一定的实践经验。
2021年9月，国家能源集团与华为共同发布了矿鸿操作系统。矿鸿物联协同感知技术将从数据源头确保数据标准一致，并实现多系统之间的协同，为各种矿山装备和海量传感器提供统一的接入标准和规范。
在陕煤红柳林矿业公司，华为搭建了基于工业互联网架构的数字平台。建成了覆盖智能综采、智能掘进、智能辅运、智能主煤流、智能选洗等多个场景的应用，形成了贯穿煤矿物流全链条、全业务、全过程的工业互联网架构体系。
在内蒙古麻地梁煤矿，安徽理工大学联合华为等企业构建了“5G+多网融合、产销协同、智能管控、数据驱动、绿色低碳”的煤矿安全精准开采和智能管控系统。煤矿生产能力由5Mt/a核准提升至8Mt/a；井下5G网络全覆盖，实测时延小于20ms，实现了采煤、掘进、运输等主要生产物流系统的远程集控、有人巡视、无人值守，实现了“管设备就是管生产、管数据就是管设备”管理理念的变革，取消了检修班和夜班，大幅提高了员工的安全感和幸福感。麻地梁煤矿率先实现了国家2025年智能煤矿建设目标，被国家能源局、国家煤矿安全监察局列入首批新（改扩）建智能煤矿，内蒙古自治区第一批试点示范智慧园区。
在陕煤彬长矿业公司，安徽理工大学联合华为等企业基于工业互联网五层架构，通过5G技术对微震动、时空强与地音等多维信息收集，对综合指标进行大数据分析，实现了在冲击灾害事件发生前1~3天发布危险预警，大幅提升了井下生产的安全性。
事实证明，充分发挥海量数据和丰富应用场景优势，促进信息技术与煤矿生产的深度融合，能有效推动煤炭产业的持续转型升级。
智能精准开采是我国煤炭工业的必由之路
我国煤矿智能化发展进程正在不断加速，但矿井依然缺乏整体设计方案、多源异构数据信息孤岛突出、设备运维数据流动性低、节能降耗高效转型困难。基于工业互联网的煤炭精准开采是实现煤矿“安全、少人无人、绿色高效”的必由之路，符合国家面向2035年的煤炭战略发展目标。
从技术层面，应该继续加大力度研发矿井智能感知技术，利用海量数据实现井下多机智能联动与灾害预警等，开发适用于各种场景的“人-机-环-管”多维度的系统应用，逐步实现整个矿井、矿区的少人化乃至无人化，提升整体的安全生产能力。
从行业层面，需对煤矿的整体架构设计、开拓布局、工业环网、数据利用、绿色低碳等技术难题，展开更广泛的院校、信息科技企业、煤炭生产企业以及行业各界协同创新，共同构建基于工业互联网架构的智能矿山，以煤炭开采全面实现高科技产业改造升级，点亮中国能源科技强国梦。
