大數(shù)據(jù)在煤礦生產(chǎn)技術(shù)中應(yīng)用

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摘要:概述了大數(shù)據(jù)的發(fā)展歷程、特點(diǎn)及其在煤炭企業(yè)中的應(yīng)用成果。以彬長胡家河煤礦現(xiàn)階段生產(chǎn)技術(shù)管理為研究對(duì)象，分析得出了該礦在生產(chǎn)技術(shù)中存在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完善、數(shù)據(jù)挖掘深度不足、專業(yè)技術(shù)人員數(shù)據(jù)分析素質(zhì)不足的問題;論述了大數(shù)據(jù)在該礦生產(chǎn)技術(shù)中應(yīng)用的必要性，提出了建立大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的實(shí)施方案，并對(duì)大數(shù)據(jù)在該礦應(yīng)用的前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞:大數(shù)據(jù);煤礦生產(chǎn)技術(shù);轉(zhuǎn)型升級(jí)

0引言

近年來，大數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長趨勢(shì)，在科學(xué)、軍事、金融、通信等領(lǐng)域以及各行業(yè)已經(jīng)取得廣泛應(yīng)用，并且成效顯著［1］。隨著“十四五”規(guī)劃的出臺(tái)，煤炭行業(yè)以“安全、綠色開發(fā)和清潔高效利用”為目標(biāo)，大力研發(fā)數(shù)字化、智慧化礦山建設(shè)已取得一些進(jìn)展。但利用大數(shù)據(jù)有效地推進(jìn)煤礦生產(chǎn)技術(shù)的革新，優(yōu)化礦井、采區(qū)、工作面設(shè)計(jì)，提高生產(chǎn)效率、災(zāi)害治理能力方面的研究成果，還少之又少。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)煤礦生產(chǎn)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、深度挖掘，是當(dāng)前煤礦生產(chǎn)技術(shù)中急需解決的問題。文中以彬長胡家河礦業(yè)有限公司(以下簡稱胡家河煤礦)現(xiàn)階段生產(chǎn)技術(shù)管理為研究對(duì)象，分析了生產(chǎn)技術(shù)管理中的成果及存在的不足，探討了將大數(shù)據(jù)引入生產(chǎn)技術(shù)管理中的現(xiàn)實(shí)作用和意義，提出來大數(shù)據(jù)在該礦應(yīng)用的方案，并對(duì)未來大數(shù)據(jù)在該礦的應(yīng)用愿景進(jìn)行了展望。

1大數(shù)據(jù)相關(guān)知識(shí)

1．1大數(shù)據(jù)定義

截至目前，大數(shù)據(jù)還沒有一個(gè)明確的統(tǒng)一的定義。全球管理咨詢公司麥肯錫對(duì)于大數(shù)據(jù)的定義是:一種規(guī)模大到在獲取、存儲(chǔ)、管理、分析方面大大超出了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具能力范圍的數(shù)據(jù)集合，具有海量的數(shù)據(jù)規(guī)模、快速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、多樣的數(shù)據(jù)類型和價(jià)值密度低4大特征［2］。

1．2大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

數(shù)據(jù)量大:相比于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)概念，大數(shù)據(jù)都是以P、E、Z級(jí)的計(jì)量單位在采集、存儲(chǔ)和計(jì)算數(shù)據(jù)的。在煤礦生產(chǎn)中，需要采集的人員信息、地質(zhì)賦存、回采支護(hù)參數(shù)、各設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)等情況，構(gòu)成了一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)體系。數(shù)據(jù)多樣:煤礦生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)種類具有多樣性，涉及結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等。如水文地質(zhì)、礦山壓力、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況、瓦斯、溫度等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度快:隨著煤礦信息化水平的提高，煤礦企業(yè)中礦井各類氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視屏監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等都在全天候不間斷地產(chǎn)生數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)價(jià)值密度低:現(xiàn)代化礦井采集大量的數(shù)據(jù)，但是一些數(shù)據(jù)的價(jià)值比較低，僅能反映某個(gè)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)情況，對(duì)于整體意義較小。例如:溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)量非常大，但是一般情況下，溫度變化不會(huì)太大，整體來說有意義的數(shù)據(jù)不多，數(shù)據(jù)的價(jià)值密度很低。

1．3大數(shù)據(jù)的發(fā)展歷程

從數(shù)據(jù)發(fā)展歷程來看，20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初處于數(shù)據(jù)挖掘時(shí)代，也是大數(shù)據(jù)發(fā)展的萌芽階段;2003—2006年處于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)時(shí)代，也是大數(shù)據(jù)發(fā)展的突破階段;2007—2009年處于大數(shù)據(jù)發(fā)展的成熟階段，并且《自然》雜志?？?008年率先提出了大數(shù)據(jù)(BigData)的概念;2009年至今，大數(shù)據(jù)在眾多行業(yè)很快應(yīng)用，在電子商務(wù)、醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了較大的成效，2013年也被稱為大數(shù)據(jù)元年。

1．4大數(shù)據(jù)研究的意義

煤炭數(shù)字化需要:將大數(shù)據(jù)與煤礦生產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合，是適應(yīng)當(dāng)前煤炭行業(yè)智能化、數(shù)字化的需要，是采礦技術(shù)研究的必然選擇。設(shè)計(jì)生產(chǎn)的需要:結(jié)合大數(shù)據(jù)與現(xiàn)代機(jī)器學(xué)習(xí)、云計(jì)算等技術(shù)，對(duì)礦井原有數(shù)據(jù)和現(xiàn)在產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，可以為礦井設(shè)計(jì)采區(qū)、工作面設(shè)計(jì)提供更加詳實(shí)的數(shù)據(jù)參考，有利于推進(jìn)礦井災(zāi)害機(jī)理的研究，指導(dǎo)災(zāi)害治理。企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的需要:建立完善的煤礦大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，對(duì)煤礦企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要作用。

1．5大數(shù)據(jù)在煤礦行業(yè)中的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)在煤炭企業(yè)雖處于初步發(fā)展階段，但發(fā)展勢(shì)頭迅猛，部分行業(yè)工作者已經(jīng)將大數(shù)據(jù)應(yīng)用于煤礦安全管理、生產(chǎn)管理、轉(zhuǎn)型升級(jí)等方面。譚章祿［3］提出了建設(shè)煤炭大數(shù)據(jù)平臺(tái)的框架。張玲［4］分析了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。阿不都維力·阿布［5］都熱依木探討了大數(shù)據(jù)在煤礦安全管理中的應(yīng)用情況。崔亞仲［6］提出智能礦山大數(shù)據(jù)應(yīng)從礦山安全管理、生產(chǎn)執(zhí)行、經(jīng)營管理等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用?？娊ㄈA［7］對(duì)大數(shù)據(jù)煤礦安全高效生產(chǎn)運(yùn)用前景進(jìn)行了展望，預(yù)測(cè)智慧礦山將是解決礦山安全、提升效益的必然選擇。王洋［8］分析了大數(shù)據(jù)技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)運(yùn)營管理中的應(yīng)用前景。將大數(shù)據(jù)與煤礦生產(chǎn)技術(shù)融合，將有助于煤炭企業(yè)在礦井設(shè)計(jì)、災(zāi)害治理等方面有較大突破。

2胡家河煤礦生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀分析

2．1胡家河煤礦簡介

胡家河礦井位于咸陽市長武縣境內(nèi)，井田地質(zhì)儲(chǔ)量819．75Mt，可采儲(chǔ)量395．44Mt，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力5．00Mt/a，服務(wù)年限60．8a，主采4號(hào)煤層平均厚度16m。礦井屬高瓦斯礦井，I類易自燃煤層，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，水文地質(zhì)類型為極復(fù)雜型，屬強(qiáng)沖擊地壓災(zāi)害礦井。采用立井單水平開拓方式，中央并列式通風(fēng)方式，抽出式通風(fēng)方法，采用“一井一面，三區(qū)聯(lián)動(dòng)”的方式布置，走向長臂綜采放頂煤分層開采。

2．2生產(chǎn)技術(shù)管理成果

胡家河煤礦在生產(chǎn)技術(shù)方面不斷改革創(chuàng)新，引進(jìn)新技術(shù)、新工藝，發(fā)展智能化、信息化，有力推進(jìn)礦井現(xiàn)代化、機(jī)械化水平的提升。優(yōu)化采煤工藝:回采工作面始終堅(jiān)持“四級(jí)放煤”工藝和“多輪順次放煤”工藝相結(jié)合的方式，有效地提高了回收率;創(chuàng)新性使用“波浪式”推采的方式，有效降低了工作面水害的影響;優(yōu)化了工作面排水方式，采用2個(gè)工作面共用一條泄水巷和滯后排水的方法，降低了生產(chǎn)成本。改進(jìn)支護(hù)方式:掘進(jìn)工作面不斷創(chuàng)新改革，改進(jìn)了超前支護(hù)方式，提高了作業(yè)人員的安全性;引進(jìn)了注漿錨桿、錨索，通過對(duì)破碎帶或斷層段頂板、幫部采用注漿錨桿錨索，有效地提高了頂板的穩(wěn)定性。回采工作面超前支護(hù)段引進(jìn)了防沖支架，降低了沖擊地壓顯現(xiàn)造成的危害。災(zāi)害治理:沖擊地壓防治方面，采用微震、地音監(jiān)測(cè)，大直徑孔卸壓，引進(jìn)水力割縫切割煤體，有效地降低了沖擊地壓危害;地?zé)嶂卫矸矫?，回采工作面采用制冷風(fēng)機(jī)，平均溫度降低3～5℃，改善了作業(yè)環(huán)境;“一通三防”方面，采用阻化噴霧、煤層注水、黃泥灌漿等方式，有效地提升了礦井的安全生產(chǎn)。信息化建設(shè):進(jìn)了“安全生產(chǎn)信息化平臺(tái)”，實(shí)現(xiàn)了部分?jǐn)?shù)據(jù)的互聯(lián)互通，開放共享;應(yīng)用了“安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控和隱患排查治理”系統(tǒng)，強(qiáng)化了安全生產(chǎn)的意識(shí);實(shí)現(xiàn)了井下4G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，提升了信息傳輸效率。

2．3生產(chǎn)技術(shù)管理中存在的不足

胡家河煤礦雖然在生產(chǎn)技術(shù)中取得了較多成果，但礦井生產(chǎn)的發(fā)展仍然較為粗放。在生產(chǎn)技術(shù)數(shù)據(jù)管理中處于較低水平?；A(chǔ)數(shù)據(jù)不完善:①隨著煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化、信息化水平的不斷提高，對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求也越來越高，但是對(duì)專業(yè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的投入量較少，大多仍然沿用傳統(tǒng)的模式，采用手工填寫報(bào)表，進(jìn)行匯總，數(shù)據(jù)采集效率低，難以滿足現(xiàn)階段高速發(fā)展的信息化水平的需要。②礦井安全生產(chǎn)中地質(zhì)構(gòu)造是最重要的影響因素?，F(xiàn)階段，胡家河地質(zhì)勘探水平仍較弱，對(duì)上覆巖層、煤層賦存、水體賦存情況等，雖然進(jìn)行了探測(cè)，但是數(shù)據(jù)仍不夠詳細(xì)，處于“普查、詳查”階段，沒有達(dá)到“精查”的要求;礦井具有強(qiáng)沖擊傾向性，但對(duì)于礦山壓力的研究仍處于起步階段，對(duì)于賦存煤層地應(yīng)力情況、煤巖體力學(xué)性質(zhì)、采掘工作面擾動(dòng)應(yīng)力影響等方面的數(shù)據(jù)，少之又少。如:回采工作面僅采用每7個(gè)支架安裝的一臺(tái)KJ653頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并配合微震、地音監(jiān)測(cè)等方式對(duì)礦山壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，已回采第6個(gè)工作面，仍未總結(jié)出礦井回采工作面周期來壓的大致步距。③煤礦是由多個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)整體，各系統(tǒng)之間存在非常緊密的聯(lián)系?，F(xiàn)有生產(chǎn)模式下，大量數(shù)據(jù)僅由各專業(yè)部門負(fù)責(zé)，這些數(shù)據(jù)因?yàn)榉N種原因，無法實(shí)現(xiàn)相互分享，導(dǎo)致數(shù)據(jù)矛盾、重復(fù)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。數(shù)據(jù)挖掘深度不足:目前，礦井對(duì)于數(shù)據(jù)的認(rèn)識(shí)停留在較為淺顯的層次上，各類數(shù)據(jù)之間的關(guān)系沒有被深層次的挖掘。仍是以小數(shù)據(jù)時(shí)代下，線性思維模式對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，僅僅注重?cái)?shù)據(jù)的精確性，將所收集的數(shù)據(jù)應(yīng)用于記錄、查詢、預(yù)報(bào)、報(bào)警等方面，并未構(gòu)建合理有效的模型，借助機(jī)器學(xué)習(xí)、云計(jì)算等方式分析數(shù)據(jù)之間的規(guī)律，進(jìn)而推動(dòng)煤礦生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)一步提升。例如，礦壓監(jiān)測(cè)所采集的各類數(shù)據(jù)，僅根據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)自動(dòng)生成預(yù)測(cè)圖形，而未加入地音、微震、現(xiàn)場實(shí)測(cè)等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析。專業(yè)素質(zhì)不足:一是由于煤炭企業(yè)的特殊性，存在重經(jīng)驗(yàn)、輕數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，經(jīng)驗(yàn)至上這一觀念深深根植在許多人心中，認(rèn)為距離大數(shù)據(jù)很遙遠(yuǎn)，沒有太多實(shí)際價(jià)值，現(xiàn)在的生產(chǎn)不需要大數(shù)據(jù)技術(shù)也能完成。二是對(duì)數(shù)據(jù)化、自動(dòng)化的不信任。例如，許多礦井已采用自動(dòng)排水系統(tǒng)，因?qū)ψ詣?dòng)化水平的不信任，擔(dān)心出現(xiàn)問題，仍配備專門崗位工種值守，造成了人力資源的浪費(fèi)。三是缺少綜合性分析人員，現(xiàn)階段“懂采礦技術(shù)的人員，很少懂大數(shù)據(jù)，懂大數(shù)據(jù)的人員又很少懂采礦技術(shù)”。

3對(duì)策分析

2019年1月2日國家煤礦安全監(jiān)察局了《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》，反映了我國煤炭開采向數(shù)字化、智能化、信息化、自動(dòng)化轉(zhuǎn)變的決心。人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、5G技術(shù)等將在煤炭開采中發(fā)揮關(guān)鍵作用，現(xiàn)在機(jī)器人巡檢已在許多煤礦企業(yè)得到了應(yīng)用。而智能化開采的一個(gè)重要基礎(chǔ)就是大數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步提高大數(shù)據(jù)在胡家河煤礦的應(yīng)用，推動(dòng)礦井?dāng)?shù)字化、自動(dòng)化、智能化水平提升。

3．1更新思想理念

發(fā)展大數(shù)據(jù)已是現(xiàn)代化煤礦企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然選擇。礦井生產(chǎn)中的各類數(shù)據(jù)是客觀存在的，大數(shù)據(jù)理念的主要體現(xiàn)是數(shù)據(jù)的量大和數(shù)據(jù)的價(jià)值大。隨著煤礦信息化水平的不斷提升，生產(chǎn)中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)僅依靠人力分析，無法發(fā)揮數(shù)據(jù)最有效的價(jià)值，很難得出更加可靠、準(zhǔn)確的結(jié)論。大數(shù)據(jù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域應(yīng)用成熟，但在煤礦企業(yè)“粗放式”的觀念深入人心、思想仍比較保守，接受新事物能力較弱。加之總是遵循先例的原則，造成大數(shù)據(jù)在礦井中應(yīng)用舉步維艱。因此要加強(qiáng)思想教育，提升從業(yè)人員對(duì)現(xiàn)代化信息技術(shù)的了解;強(qiáng)化對(duì)專業(yè)技術(shù)人員的培訓(xùn)，使其打破固守傳統(tǒng)的觀念，提升利用大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代化數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用能力。不再使用傳統(tǒng)管理模式下人的宏觀判斷、經(jīng)驗(yàn)分析方式。

3．2引進(jìn)專業(yè)技術(shù)人員

人才是發(fā)展的核心要素。現(xiàn)階段，復(fù)合型人才是各個(gè)企業(yè)的傾心之選。大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，是需要很強(qiáng)的技術(shù)能力和專業(yè)能力的人員才能完成的。煤礦企業(yè)現(xiàn)階段缺少專業(yè)的大數(shù)據(jù)人才，現(xiàn)在的從業(yè)人員對(duì)大數(shù)據(jù)一知半解，無法勝任數(shù)據(jù)的建設(shè)、挖掘、處理工作。而掌握大數(shù)據(jù)技術(shù)的人員，又不懂得煤礦生產(chǎn)技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)，無法進(jìn)行預(yù)言建模或未來趨勢(shì)的分析。因此，需要引進(jìn)一批專業(yè)的大數(shù)據(jù)人才，與現(xiàn)在的專業(yè)技術(shù)人員優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成一支專業(yè)化的煤礦大數(shù)據(jù)團(tuán)隊(duì)。

3．3建立統(tǒng)一大數(shù)據(jù)體系

煤礦生產(chǎn)技術(shù)大數(shù)據(jù)體系的建立，首先，應(yīng)構(gòu)建生產(chǎn)技術(shù)信息框架。通過統(tǒng)籌規(guī)劃，頂層設(shè)計(jì)的方式，明確規(guī)劃和目標(biāo)，設(shè)置大數(shù)據(jù)管理單元，整合資源，分析哪些數(shù)據(jù)是關(guān)鍵、哪些數(shù)據(jù)是可忽略的，構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)資源標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，多維度的數(shù)據(jù)分析體系，實(shí)現(xiàn)資源最大化利用。其次，應(yīng)強(qiáng)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理，加大數(shù)據(jù)采集設(shè)備的投入，加快拓寬數(shù)據(jù)來源，為數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)保障。最后，應(yīng)用云計(jì)算和人工智能等技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為決策提供更加詳實(shí)的基礎(chǔ)。

3．4愿景展望

大數(shù)據(jù)使設(shè)計(jì)、災(zāi)害治理更加清晰化:煤礦開采已由原來的“黑箱”轉(zhuǎn)為現(xiàn)在的“灰箱”，大數(shù)據(jù)分析是將“灰箱”轉(zhuǎn)為“白箱”的途徑。例如:通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，建立礦井三維數(shù)字模型，結(jié)合FLAC3D、UDEC等軟件，可以模擬工作面煤柱改變后應(yīng)力分布的變化，可為工作面設(shè)計(jì)優(yōu)化提供更加可靠的依據(jù)。當(dāng)前，沖擊地壓災(zāi)害是世界性難題，沖擊地壓理論仍處于模糊的狀態(tài)，彬長礦區(qū)是沖擊地壓顯現(xiàn)明顯地區(qū)，采集彬長礦區(qū)生產(chǎn)過程中礦山壓力的數(shù)據(jù)，建立大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，總結(jié)出應(yīng)力變化規(guī)律，為沖擊地壓災(zāi)害治理提供有效的途徑。大數(shù)據(jù)為企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供新思路:煤炭企業(yè)現(xiàn)均面臨著轉(zhuǎn)型升級(jí)的挑戰(zhàn)，智能化、數(shù)字化發(fā)展是煤炭企業(yè)的必由之路。當(dāng)前，企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展應(yīng)立足于創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析體系，建立一套完善、成熟的系統(tǒng)，可以為其他礦井提供技術(shù)服務(wù)，在煤礦行業(yè)競爭中搶得先機(jī)，擺脫僅依靠生產(chǎn)創(chuàng)造效益的局面，實(shí)現(xiàn)跨界深度融合，為轉(zhuǎn)型升級(jí)打開新思路，提供新利器。

4結(jié)語

(1)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用可以進(jìn)一步提升胡家河煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理。(2)通過煤礦生產(chǎn)作業(yè)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，建立大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，可以為煤礦設(shè)計(jì)、采區(qū)優(yōu)化、災(zāi)害治理等方面的決策提供更加明確的依據(jù)。(3)煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，可以利用大數(shù)據(jù)為同類企業(yè)提供技術(shù)服務(wù)和新思路。

作者:鄭鵬偉 單位:陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司