中国工程院院士袁亮：煤炭精准开采科学构想

作者简介

袁亮（1960—），男，安徽金寨人，中国工程院院士。淮南矿业（集团）有限责任公司常务副总经理、总工程师、教授级高工、煤矿瓦斯治理国家工程研究中心主任、中国矿业大学教授、博士生导师，中国矿业大学安全工程学院院长，安徽大学资源与环境工程学院名誉院长。

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藕合，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

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29.2%，甚至在部分国家占据能源消费主导地位，如2015年我国煤炭消费量占国家能源消费总量的64%，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，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，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。

一、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5.57万亿t，根据中国工程院重点咨询项目研究，绿色煤炭资源量5000~6000亿t，只有煤炭预测总量的1/10。更严峻的问题是，我国煤炭资源回收率低，平均仅为30%~40%，小煤矿回收率不足10%，远低于美国等发达国家80%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40~50a，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!
1.2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10~25m/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800~1500m)。全国50对矿井深度超过1000m，山东新汝矿业孙村煤矿最大采深达1501m。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砰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，对大气环境造成严重的影响，煤炭开采环境成本与日俱增。上述煤炭开发的负外部性都与绿色、协调、可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，行业的可持续性发展将面临巨大的挑战。
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，井上下联合”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、井上下一体、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、顶底板岩性空间分布及构造、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，但是针对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、粉尘等影响，是复杂的多场耦合问题，需要研究应力场-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。上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了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，机械化水平有了很大的提高，但水平依旧有限，如我国全国平均采煤机械化程度仅为45%，国有重点为82.72%，小煤矿几乎没有机械化开采，煤矿机械化水平还有很大提升空间，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。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，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由之路!
二、煤炭精准开采科学内涵
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，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。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，其框架如图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。

三、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，实施过程中需要解决诸多科学问题。
(1)煤炭开采多场动态信息(如应力、应变、位移、裂隙、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量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、获取、重建，以达到开采沉陷的信息化、数字化及可视化，为进一步的定量化预测奠定基础。
(2)采场及开采扰动区多源信息采集、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。精准开采在该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)基于大数据云技术的多源海量动态信息评估与筛选机制
随着煤矿物联网覆盖的范围越来越广，“人、机、物”三元世界在采场信息空间中的交互、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-应变场-裂隙场-瓦斯场等多物理场信息定量化采集，多源、海量、动态、多模态等特征传感信息评估与筛选，多维度信息复杂内在联系，质量参差不齐、不确定等海量信息的聚合、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-液-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-裂隙场-渗流场-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理，灾变前兆信息采集传感传输，灾变前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，智能仿真与控制可直观的展示井下采场情况，模拟不同开采顺序、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。精确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
快速有效的应急救援是减少事故人员伤亡和财产损失的有效措施。精准开采在该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。

四、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开采的基础支撑。该方向将地理空间服务技术、互联网技术、CT扫描技术、VR技术等积极推向矿山可视化建设，打造具有透视功能的地球物理科学支撑下的“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。
(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。

五、展望
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2020年煤炭精准开采取得阶段性突破，2030年基本实现煤炭精准开采，到2050年全面实现煤炭精准开采，以煤炭开采全面实现高科技产业改造升级，助推中国能源科技强国梦。
本文转自中国煤炭教育网