文章概要：基于我国矿产资源开发现状，分析了智慧矿山建设的必要性、建设理念与内涵，阐述了现阶段智慧矿山建设存在的关键共性难题，确定了我国智慧矿山建设的近期、中期、远期目标。针对我国煤炭资源开采条件与智能化建设基础存在的差异性，构建了智能化煤矿建设总体技术体系架构，从生产矿井与新建矿井两个维度提出了智能化煤矿建设技术路径，明确了不同建设条件矿井进行智能化煤矿分类、分级建设的重点内容。系统阐述了张家峁煤矿、巴拉素煤矿智能化建设经验与阶段性成果，并提出了我国智慧矿山实现高质量发展的主要技术路径。近年来，智能化技术与装备加快迭代升级，新基建加快推进新一代信息技术与矿业开发技术深度融合，智慧矿山建设已经成为矿山企业实现高质量发展的必由之路。

2020年2月，国家发展和改革委员会、国家能源局、应急管理部等8个部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确了煤矿智能化建设目标与主要任务；同年4月，工业和信息化部、发展和改革委员会、自然资源部联合发布了《有色金属行业智能工厂（矿山）建设指南（试行）》，提出了有色金属矿山智能化建设的技术路径；2021年6月，国家能源局、国家矿山安全监察局联合印发了《煤矿智能化建设指南（2021年版）》，明确了煤矿智能化分类分级建设目标与技术路径。针对智慧矿山建设相关技术难题，国内外学者开展了广泛深入的探索。文献^[1-2]基于我国煤矿智能化发展尚处于初级阶段的现状与建设要求，从采、掘、机、运、通等多个方面系统分析了煤矿智能化存在的技术难题与关键技术，详细阐述了不同煤业集团在煤矿智能化建设过程中取得的阶段性创新成果。文献^[3-4]分析了我国不同煤层赋存条件实现智能化开采的技术路径，提出了适用于不同煤层条件的4种工作面智能化开采模式。文献^[5-7]分析了金属矿山开采现状及存在的技术难题，提出了基于新一代信息技术创新深部金属矿山开采模式的技术路径，以及提高深部金属矿山智能化开采水平的战略思路。文献^[8-12]从煤矿信息化标准建设、技术协议、技术架构、核心技术与装备等方面，对智慧矿山建设进行了系统研究，提出了智慧矿山建设的技术架构与管控平台建设思路，促进了我国智慧矿山建设的创新与发展。上述文献从不同角度论述了我国智慧矿山建设取得的阶段性成果，但未能对智慧矿山存在的关键共性问题进行深入分析，智慧矿山建设的技术架构、路径、建设目标等也不是十分清晰。

目前，我国智慧矿山建设总体上还处于培育示范阶段，智慧矿山建设存在发展不平衡、不充分、整体水平有待提升、常态化运行困难等突出问题，距离实现全面高级智能化开采尚有一定距离。本文提出了智慧矿山建设理念与目标，智慧矿山建设是矿业发展的必然趋势，分析智慧矿山建设现状和存在的关键共性难题，提出了智慧矿山助力企业高质量发展的技术路径。1 智慧矿山建设内涵与共性难题1.1 智慧矿山建设理念与目标近年来，国家密集部署新型基础设施建设，持续推进能源领域数字化转型升级，先后发布了《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》《关于加快推进国有企业数字化转型工作的通知》等一系列政策文件，全面提升了我国能源生产端、运输端、交易端、消费端的智能化水平，降低了能源生产与交易成本，促进了我国能源与矿业产业的协同发展。2020年，虽然受到新冠疫情的影响，但我国一次能源生产总量达到了40.8亿t标准煤，同比增长2.8％，能源消费总量达到49.8亿t标准煤，比上年增长2.2％，能源结构持续优化，煤炭消费量占比约56.8％，石油消费占比约18.9％，天然气、水电、核电等消费占比约24.3％^[13]。在后疫情、地缘政治冲突加剧和大国关系不协调的背景下，国家能源安全风险上升，新一代信息技术为我国能源与矿业产业新体系建设提供了重要的工具与技术路径。智慧矿山是新一代信息技术与矿山开发技术的深度融合发展，是系统智能与人文智慧的协同融合。系统智能是指矿山运行系统具有全流程人—机—环—管数字互联高效协同，智能决策自动化运行的能力^[14-16]；人文智慧是指人的智慧在矿山运营中的决定性作用，是借助信息通信技术和人工智能技术，将管理者的思想、知识、要求等变成系统决策的依据，提高决策水平，降低劳动强度，实现安全高效、绿色低碳、健康运行。新型的智慧矿山建设强调“以人为本”，以造福职工、创造企业价值、建设以人为本的智慧矿山新生态为根本目标。根据矿山地质条件、开采工艺等要求，自动创建和优化开发流程，智能响应矿产资源开发过程中各种环境参数变化与需求，实现矿产资源勘探、矿井开拓、采掘、运输、洗选、安全保障、生态保护、生产管理等全流程的智能化运行，提升矿井开采效率与安全生产水平。智慧矿山建设已经成为矿业产业发展的必然趋势，主要表现在以下几个方面：（1）科技进步为智慧矿山建设提供了技术支撑。5G、大数据、人工智能以及区块链等新一代信息技术在关键技术、设备、系统平台等方面已具备应用基础，且已在垂直行业获得初步应用，深度融合成为未来趋势，科技创新发展为智慧矿山建设提供了技术与装备支撑。（2）安全生产倒逼矿业企业开展智慧矿山建设。受资源赋存条件、开发与利用工艺的复杂度、技术与装备水平等因素制约，矿业领域危险作业岗位的自动化、智能化水平仍然较低，重大安全隐患的智能监测、预测、预警等技术相对落后，普遍存在从业人员劳动强度大、效率低、安全生产压力大等问题，智慧矿山建设将大幅减少井下作业人员数量与劳动强度，推动矿业企业实现井下无人则安、资源高效开发。（3）矿业企业招工难倒逼开展智慧矿山建设。人口老龄化导致我国就业人数下降，矿业企业的从业人员数量下降速度明显快于其它行业，且从业人员老龄化严重，部分矿山企业的井下作业人员平均年龄超过45岁，矿山企业井下恶劣的作业环境难以吸引新一代年轻人，开展智慧矿山建设将改变矿业企业传统的作业方式，让矿业从业人员更加体面的工作生活。智慧矿山建设的基本内涵是：以矿产资源安全、智能、绿色、低碳开发为基础，以新一代信息技术与矿业开发技术深度融合为保障，采用先进的科学技术装备与现代管理理念，构建全面感知、实时互联、自主学习、动态预测、科学决策、协同控制的智能系统，实现矿山资源开采、运输、安全保障、经营管理等全流程的智能化运行，为矿业产业高质量发展提供强大的推动力。智慧矿山建设是一个复杂的系统工程，将对全面提升矿业产业层次、形成产业竞争优势、提高经营管理水平起到积极的推动作用，全面开展智慧矿山建设已经成为我国矿业产业实现高质量发展的必由之路。基于我国矿业产业发展现状及智慧矿山建设理念、内涵与要求，应坚持系统性、前瞻性、差异性、开放性的建设原则，充分考虑不同类型矿井建设条件与建设基础的差异性，以及未来一段时间科技装备发展趋势与水平，确定智慧矿山建设的近期、中期、远期目标如下：（1）近期目标（2025年），矿山企业基本实现数字化转型，矿产资源开发全流程的信息化、少人化水平大幅提升，初步构建较完善的AI、区块链、机器人等技术应用场景，矿产资源新技术研发与产业化支撑能力显著增强。（2）中期目标（2035年），构建成熟的智慧矿山建设技术规范与标准体系，实现矿井开拓设计、地质保障、采掘（剥）、运通、洗选物流等系统的智能化决策和自动化协同运行，井下重点岗位实现机器人作业，建成智能感知、智能决策、自动执行的矿山智能化体系。（3）远期目标（2050年），矿产资源开发与新一代信息技术深度融合，井下生产作业全部实现机器人替代，矿产资源开采、运输、消费、监管实现全流程智能化运行。1.2 智慧矿山建设关键共性问题近年来，我国加快推进智慧矿山建设相关工作，在智能化少人开采、固定作业岗位无人值守、巡检机器人辅助作业等方面取得了多项技术成果，大幅减少了井下作业人员数量、降低了井下工人劳动强度，初步实现了“减人、增安、提效”目标，但受制于智能化相关技术发展瓶颈，我国智慧矿山建设总体仍处于示范培育阶段，智慧矿山建设仍存在以下显著不足：（1）基础理论与技术短板亟待突破。虽然国家已经布局了多项智慧矿山基础理论研究项目，但矿山复杂围岩环境精准探测与高精度地质建模、低维度小样本数据高效处理与精准预测、冲击地压智能监测与防治等相关基础理论研究仍然十分薄弱，井下非接触式全面感知与多源信息融合技术、井下重载执行机器人等相关技术仍存在诸多瓶颈，智能化技术对复杂条件矿井的适应性普遍较差。（2）智慧矿山建设技术架构不清晰，智能化综合管控平台技术成熟度较低。目前，不同类型的矿井主要按照各行业对智慧矿山的认识进行规划建设，智慧矿山的信息流、数据流不明确，尚未构建清晰的矿山各系统知识图谱，智能化综合管控平台多依赖于传统的信息化矿井技术架构进行建设，矿山各业务系统普遍存在信息孤岛、信息烟囱等问题，难以实现对矿井各业务系统的综合协同管控。（3）重视硬件轻视软件，系统之间的融合应用有待提升。矿山（尤其是新建矿井）非常重视对硬件的投入，但对相关软件、系统平台等研发投入较少，很少针对矿井条件与业务系统进行针对性的软件开发与应用，软件开发界面不友好，一线职工的认可度不高、使用效果较差；矿井各系统之间的集成度普遍较低，存在通讯接口不统一、兼容性较差等问题，没有实现不同设备、系统之间数据、通信的有效融合，传统的数据算法难以直接应用于矿山各业务系统，数据资源的价值未能得到有效挖掘、利用。（4）缺少信息化、智能化专职岗位，运维机构不健全。目前，各类矿山均很少设置信息化、智能化专职岗位，主要依靠机电部与各厂家进行协调，对智能化技术、设备的熟悉程度不足，缺乏专业的智能化运维队伍，矿山开采各类装备的可靠性较低，软硬件的维护不到位，难以全面发挥智能化技术与装备的效果。（5）智慧矿山建设人才储备严重不足，缺少高层次技术队伍。近年来，受矿业发展持续低迷影响，各类矿山的人才储备不足，矿井艰苦的井下作业环境难以吸引高水平专业技术人才，智能化专业技能人才储备严重不足，地方政府、企业的相关激励机制与资金保障不足，制约了智慧矿山建设。2 智能化煤矿技术体系研究与实践2.1 智能化煤矿技术体系由于我国不同区域煤层赋存条件、智能化煤矿建设基础存在较大差异，智能化煤矿应坚持分类建设和分级达标相结合的原则^[17-18]，开展煤矿智能化顶层设计，创新智能化煤矿建设与管理模式，科学制定实施煤矿智能化建设与升级改造方案，突破适用于不同条件的智能化技术与装备，提升煤矿智能化技术装备的成熟度与可靠性，促进煤矿安全、质量、效率与效益的稳步提升。智能化煤矿的总体架构由业务架构、应用架构、实施框架、技术体系、标准体系组成，如图1所示。

图1 智能化煤矿技术体系架构

业务架构包括资产线和价值线两个视图，一是以工程视图提出的资产全生命周期管理体系架构，管理范围包括地质资源、井巷设施、机电装备、采掘机运通生产系统、工业互联网、软件平台、矿山大数据，这些系统均为矿井的基础设施和安全生产保障系统，要求稳定、可靠、持续运行，需要对矿井设计、建造、运维、退役和报废进行全周期信息化管理；二是以企业视图提出的价值创造链条过程中发生的地质勘察、采掘设计、安全生产、经营管理业务，包括透明矿井、矿山工程数字化协同设计、智能化开采、智能化采掘、主煤流协同运行、智能化洗选系统、智能储装系统、智能运销系统、综合调度指挥系统、企业经营管理系统等，这些系统是矿井的核心生产系统，需要互联互通、系统协同控制、资源配置优化、无人高效运行，要利用工业互联网平台的架构体系重构安全生产、经营管理系统。依据业务架构需求提出煤矿资产全生命周期管理应用体系、煤矿安全生产经营管理应用体系；实施框架结合煤矿资源条件、生产规模、信息化基础等实际情况和智能化矿山发展趋势，提出了系统级、矿井级、企业级的实施框架层级划分，提出不同层级方案的系统组成、系统间关系及整体部署方案。技术体系主要包括煤矿工业勘探技术、工程设计、机械制造、开采技术、安全技术、矿物加工、企业管理、自动化等OT技术、信息化IT技术、OT和IT的融合技术，智能化煤矿的技术架构如图2所示。其中，底层为感知执行层，感知的相关数据信息通过接入层进入边缘层，边缘层主要对时效性要求较高，但对算力要求不高的数据进行分析处理；感知信息通过边缘层进入智能化煤矿工业互联网平台，该平台主要包括技术平台、业务平台、数据中心、云计算平台、物联网管理平台，工业互联网平台对感知信息进行数据清洗、分析、分类存储等，并将分析结果上传至煤矿智能化综合管控平台，由综合管控平台将相关指令下发至感知执行层，由相关设备完成操作。

图2 煤矿智能化建设技术架构

智能化煤矿标准体系包括通用基础、支撑技术与平台、煤矿信息互联网、智能控制系统及装备、安全监控系统、生产保障等6个部分，如图3所示。