综述：智能、安全、绿色煤炭开采与清洁高效利用技术的发展路径

《International Journal of Coal Science & Technology》：Development path of intelligent, safe, green coal mining and clean, efficient utilization technology

　　

能源安全是国家安全和稳定发展的基石。煤炭是现阶段中国能够实现智能绿色发展和清洁高效利用的最安全、最经济、最可靠的能源。煤炭与新能源的耦合开发利用是中国未来能源发展的重要方向。文章系统分析了中国煤炭工业在数字化转型与智能建设、安全绿色高效发展以及煤炭资源清洁低碳高效利用等方面取得的显著成就与面临的挑战。提出应逐步重构智能采矿系统技术，发展自主决策、控制与智能运维的技术体系，从而有效提升采矿系统运行的可靠性与智能化水平。重点发展多源协同地质信息高精度探测与多模态地质数据三维（3D）建模技术，提升地质灾害信息超前探测、预测与预警水平。通过构建新一代“云-边-端”（cloud-edge-end）智能安全监控系统，实现井下灾害信息的精准感知、多灾种融合分析及超前预测预警与防治。开展智能化露天装备与大规模连续露天采矿技术的低碳/零碳绿色采矿系统研究，包括数据处理、控制与反馈系统协同运行，实现露天煤矿大规模、智能化、绿色开发。推动煤炭洗选系统新技术、新工艺、新装备的应用，提升洗选过程关键环节的智能化水平。重点实施原位煤热解（in-situ coal pyrolysis）耦合可再生能源、燃煤烟气污染物低成本高效脱除与产物资源化利用、以及煤炭向高端化工产品转化等技术。逐步拓展煤炭与新能源耦合开发利用场景。探索构建全国统一的煤炭行业市场智能调控系统，逐步实现煤炭资源按需供给、智能柔性开发、清洁高质转化利用，形成煤-电-化一体化协同的能源供给消费格局。

1 引言
在“双碳”战略背景下，新能源发电的不稳定性与间歇性凸显，煤炭作为最安全、最经济、最可靠的能源，其战略属性与“压舱石”作用更加突出。煤炭行业坚持生态优先、绿色低碳、安全智能的高质量发展路径，主要体现在三个方面：开采方式向智能高效、安全绿色、低碳低损方向转变，减少对地表生态环境的影响；提高开采效率与“三废”利用率，降低井下作业人员劳动强度与事故频率；提升资源综合利用水平与煤炭清洁高效转化利用能力，减少全生命周期环境影响。

2 中国煤炭智能绿色开发与清洁低碳利用现状
2.1 中国煤炭工业与智能发展现状
2024年全球煤炭产量约92.42亿吨，中国产量约47.8亿吨，消费占全球55.8%。化石燃料仍占主导地位，煤炭将继续发挥能源稳定作用。中国加速煤矿智能化建设，截至2025年3月，建成国家级智能化示范煤矿66处，智能化采掘工作面1806个，智能开采产能占比超50%。开发了5G、工业互联网、云计算、大数据、人工智能等技术与煤炭开发深度融合，形成了智能高效高速传输通道、矿山“星链”网络覆盖、智能采煤模式等成果。

2.2 智能高效绿色开采技术与装备发展现状
遵循“基于煤层条件、以工艺技术为支撑、以智能装备为核心、以绿色高效为目标、以运维管理为保障”原则。在智能钻探与掘进方面，开发了履带式大功率自动定向钻机，实现钻孔过程自主感知与控制，提高钻效25%-32%；“煤海蛟龙”快速掘进系统实现月进尺1116米。在智能无人/少人开采方面，神东榆家梁煤矿实现“0+2+2”无人生产模式；陕煤小保当煤矿建成智能超长工作面，单班人员从12人减至3人；曹家滩煤矿应用10米超大采高智能综采装备；金鸡滩煤矿7米超大采高综放装备实现月产超200万吨。在无人化绿色露天开采方面，华能伊敏露天矿应用纯电无人矿卡，实现全流程自动作业，年节约柴油1.5万吨，减排CO₂ 4.8万吨。在绿色开采与生态保护方面，发展了条带开采、充填开采、覆岩离层注浆等技术，形成保水开采、控制性开采理论，实现煤矿沉陷区土地复垦与生态修复。

2.3 煤炭清洁低碳利用现状
现代煤化工以煤制油、煤制气、煤制烯烃、煤制乙二醇为主，多喷嘴对置水煤浆气化、晋华炉气化、航天粉煤加压气化等技术达到国际领先水平。自主开发的煤直接液化技术成功应用于世界首套108万吨/年示范项目；间接液化费托合成技术实现400万吨/年稳定运行；第三代甲醇制烯烃（DMTO）技术在宝丰能源三期项目应用。截至2024年底，煤制油产能931万吨/年，煤制气745.5亿立方米/年，煤制烯烃1972万吨/年，煤制乙二醇1143万吨/年。资源能耗持续下降，如煤制烯烃甲醇消耗降至3吨/吨烯烃，水耗降至10吨/吨烯烃。清华大学、中科院等开展了甲醇制芳烃、费托合成α-烯烃分离、合成气制乙醇、甲烷与CO₂重整制合成气等新技术示范。

3 智能安全高效绿色煤炭开采
3.1 智能开采地质保障技术
地质条件的“不可见性”是智能开采核心限制因素。需突破采场地质条件动态探测、三维高精度测量、工艺参数自适应优化等。关键方向：(1)变革采煤工艺，探索工作面端头不斜切技术，通过预置机窝实现无斜切入刀，提高效率与智能化水平。(2)采煤工作面自主决策与控制技术：发展多传感器协同测量方法（应变声表面波、机器视觉、光纤布拉格光栅等）；建立采场-装备多系统耦合高精度模型（物理信息神经网络PINN）；开发基于深度强化学习的分布式综采装备群自适应控制模型；构建基于时间敏感网络的无人控制系统，实现毫秒级低延迟数据传输。(3)基于数字孪生的智能运维保障技术：以液压支架为例，构建液压支架与围岩虚拟孪生模型（BIM技术），融合机理模型与数据模型，实现支架姿态与故障预测预警，推动运维从本地向远程智能转变。

3.2 采掘地质保障技术
发展多源协同高精度探测技术，集成三维地震、槽波地震、瞬变电磁法、地质雷达等多地球物理场综合探测设备，构建“空-天-地-巷-孔”全空间多场监测系统，实现复杂构造与隐伏致灾因子的全面识别。多模态地质数据融合与动态多属性三维建模方面，利用深度学习自动提取关键信息，基于岩性参数、构造特征、物性参数等多属性特征进行高精度建模，并结合采掘揭露实时数据驱动局部模型动态更新。地质隐患透明化监测预警系统方面，构建三维可视化全息透明平台，结合地理信息系统（GIS）技术，展示地质构造、煤层赋存、灾害隐患等信息，基于时序监测数据进行风险态势分析与预警，实现采掘前地质预测预报。

3.3 智能高效掘进保障技术
发展掘进面机器人集群，具备环境信息感知、煤岩识别、自主导航、自主决策、自主截割、自动钻锚等功能。感知方面，集成激光雷达（LiDAR）、惯性导航（INS）、图像识别等多源信息，构建高精度定位导航系统，克服高粉尘、弱光照、通信受限等恶劣条件。控制方面，建立单掘进智能体自适应截割与智能锚护控制，通过齐次变换矩阵与模型控制矩阵实现高动态高精度运动；多掘进智能体协同控制通过多智能体决策架构（MAS）实现任务分解、时间同步与动态障碍规避；采用模块化分层控制架构，上层为多智能体决策层，下层基于控制矩阵与状态空间模型实现个体精确控制。应用方面，“煤海蛟龙”等装备实现掘、支、运一体化快速掘进，在复杂岩巷条件下效率提升3倍；智能锚护机器人采用四顶两侧钻机布局，实现一键收放、一键对中、自动锚护；辅助作业机器人（管路安装、喷浆、起底等）实现集群协同控制，显著降低劳动强度。

3.4 绿色高效开采保障技术
向绿色、减损、低碳方向转变。精准开采与高效资源回收方面，利用三维地震、槽波探测、钻孔透视等技术构建高精度地质模型，发展自适应开采技术提高资源回收率，推广无煤柱/小煤柱开采技术，利用煤矸石、粉煤灰等固废充填置换“三下”煤炭资源。安全绿色协同保障方面，基于多源信息融合与AI算法实现瓦斯突出、冲击地压、水害、火灾等重大灾害超前预警与智能联动防控。全生命周期管理与系统优化方面，将绿色理念贯穿煤矿规划设计、生产、闭坑全生命周期，推广“采-选-充-发-化-生态”一体化模式，实现固废原位资源化；闭坑矿山探索可再生能源（光伏、风电、抽水蓄能）、地下空间利用（仓储、数据中心、文旅）、生态碳汇等新业态。

3.5 大规模智能化绿色露天开采保障技术
大型化方面，提升大型装备（高效紧凑型斗轮挖掘机）国产化水平，发展半移动/自移式破碎机与长距离带式输送机系统协同优化，实现采场边界与作业参数动态协同优化。智能化方面，构建“全面感知、实时互联、数据驱动、智能决策、精准执行”的现代采矿作业体系，需攻克智能标准体系、多源异构数据融合、多维度智能决策、生产过程智能全覆盖等关键技术。绿色方面，发展200吨级以上纯电矿卡，平衡续航与充电效率实现大规模应用；基于扰动生态学优化开采设计，协同开采煤共伴生战略矿产；发展“碳捕集-储存-固化”多路径协同体系，结合抗逆先锋植物筛选与群落构建，实现生态修复与生产力协同提升。

3.6 新一代智能安全监控系统保障技术
构建“云-边-端”智能安全监控系统架构。“端”侧发展全激光气体高精度检测技术（可调谐二极管激光吸收光谱TDLAS），实现CH₄、C₂H₂、C₂H₄、O₂、CO₂、CO等气体自校准与自诊断；超声波时差法风速传感器实现点测风转线测风，启动风速0.02米/秒，上限25米/秒；无人瓦斯巡检机器人集成传感、通信、AI算法与仿生本体，实现集群协作。“边”侧基于轻量化IP协议栈、精确时钟同步协议（IEEE1588）及光电无线融合传输，构建本质安全型智能传感器网络，实现设备IP化与分布式数据采集处理；开发通信-计算-控制一体化智能装置，实现区域风险智能管控。“云”平台基于微服务架构与私有云部署，建立统一数字基座，打通“透明地质—监测预警—协同联动”数据链；基于深度学习、知识图谱与数字孪生，建立风险事件自动识别、趋势预测、灾害模拟、避灾规划与协同处置技术；利用DeepSeek-R1、QwQ-32B等开源大模型构建煤矿安全垂直大模型，实现智能知识问答、AI辅助防灾预案编制、安全文档智能检索等应用。

4 智能安全高效低碳煤炭利用
4.1 智能洗选保障技术
智能洗选通过信息技术与人工智能实现精准分离与精细管理。发展方向：(1)智能选煤厂建设，基于煤质实时感知、神经网络优化工艺参数，实现动态调整与全流程智能管控。(2)加大干法选煤技术推广，发展绿色干选（节能降耗降噪）、高效干选（大型化全粒级）、智能干选（全过程智能感知与决策）。(3)推动区域联合洗选与改造，建设集团型智能选煤厂，整合先进洗选技术与智能装备，助力“双碳”目标实现。

4.2 煤炭分质利用保障技术
传统分质利用以热解油品为主，现拓展至热解气、液、固全产品链。热解技术升级方面，开发新型立式炉（改造炉顶与烟道砖）、气体热载体分段多层移动床、转式热解、粉煤双循环快速热解等，提高焦油产率与能量效率。原位煤热解耦合可再生能源方面，2024年1月世界首次地下原位热解煤焦油成功提取，避免开采过程，减少CO₂排放约30%，碳封存效果显著。热解与其他过程耦合方面，研究显示在CO₂气氛下热解可提高焦油产率与轻质组分比例，耦合煤制气、煤液化等过程可提升产物品质，共同构建清洁低碳现代能源化工体系。

4.3 高效燃烧发电保障技术
集成气化燃料电池（IGFC）发电：美国计划2030年建成50兆瓦示范；日本CoolGen项目在170兆瓦电厂实现40.8%供电效率（高热值HHV），目标90% CO₂回收率与47% HHV；中国推进CO₂近零排放煤气化发电技术，有望建设兆瓦级IGFC示范系统。无烟煤宽负荷清洁燃烧：提出净化燃烧技术（两步：净化+温和燃烧），在200千瓦试验台上负荷53%-89%稳定运行，最低NOx排放47.38毫克/立方米，燃烧效率99.01%。超低NOx控制：中科院工程热物理所开发煤粉预热燃烧技术，NOx原始排放降至50毫克/立方米以下，无需脱硝设备与还原剂。700℃超超临界煤电：中国已投运大量超超临界机组，137台1000兆瓦级机组运行，净效率可达47%；650℃工程示范有望2025年实现，净效率不低于47%；700℃机组需突破镍基合金材料。燃煤烟气污染物资源化：发展纳米多孔碳材料脱硫、卤素促进汞转化等技术，计划建50万立方米/小时烟气工程验证系统，硫资源回收率超92%，综合投资与运行成本较传统技术降低10%以上。

4.4 高效转化利用保障技术
煤直接液化方面，自主开发第二代技术应用于国家能源集团哈密项目，预计2027年底投产。煤气化方面，流化床气化成为主流，气化炉向大型化高压发展（日处理5000吨），但气化渣资源化利用率仅约8%，需突破。原位煤炭转化技术可用于缓解瓦斯突出与高温等难题。需加强煤化学基础、煤化学键定向转化、煤基高端新材料、多技术耦合与产业协同、人工智能与数字化赋能等研究。

4.5 煤与其他能源耦合利用技术
中国煤资源与新能源富集区空间重叠度高，煤电灵活性可平滑新能源输出。耦合场景包括：(1)煤炭开发与新能源集成：利用采煤沉陷区发展风光，“零碳矿山”优化能源结构。(2)煤电与新能源集成：光热与煤电耦合降低煤耗与CO₂排放，增强调峰调频能力；探索煤电联营解决“煤电矛盾”。(3)煤化工与新能源集成：用新能源绿氢替代水煤气变换制氢，开发固体氧化物电解（SOEC）制氢技术，实现源头碳减排。(4)CCUS与新能源集成：利用太阳能供热用于碳捕集吸收剂解吸。当前深度耦合技术处探索阶段，需发展氢能与煤化工耦合、生物质与煤共转化、风光热储多能协同等。

5 智能柔性开发与利用技术路径
5.1 智能柔性开发供给系统
基于数字化与智能赋能，构建多层次网络化煤炭开发供应链。生产端需突破多源异构数据融合、复杂环境-采矿系统耦合、重大灾害智能预测预警等理论与技术短板，建设国家级煤矿大数据中心，实现多源信息实时感知、双防闭环、人机环境数字互联。运输端构建智能物流系统，包括自营铁路机车数据传输与自动驾驶、公路与港口数字化，利用5G、物联网、区块链等建设“供应链-物流链”双链融合平台。消费端将电厂、化工、钢铁等纳入监控，基于区块链建立国家级煤炭消费智能监控系统，实现消费预测预警。基础平台方面，建立全国煤炭供需监测预警平台，基于AI与5G精准预测能源负荷，支撑煤炭流向展示与策略推演。

5.2 创新机制
(1)建立数据标准与信息安全保障体系，制定信息采集、传输、存储、共享标准，保障煤炭全生命周期数据安全。(2)建立智能调度与管理平台，将危险源与高风险岗位纳入，实现“安全无人”的能源发展战略，构建基于工业互联网的安全感知-监测-预警-处置-评价体系。(3)构建全国统一市场，整合煤炭安全监管、铁路、港口等数据，建立国家级煤炭大数据中心，统一市场规则与合同履约监管，探索“基准价+浮动价”定价策略。(4)建立全链条跨学科融合技术创新联盟，协同攻关智能安全高效绿色开发与清洁低碳利用关键共性技术。(5)探索煤电与新能源联营制度机制，推动超超临界发电、先进煤化工、CCUS等技术攻关，促进煤电灵活性改造与新能源联合运行。

6 结论
(1)中国在煤炭安全高效智能绿色开发与清洁低碳利用技术方面取得重大进展，煤炭是最安全、最经济、最可靠的能源，在新能源体系与智慧能源体系中战略性属性更加突出。(2)新一代信息与智能化技术（人工智能、物联网等）与煤炭产业融合加速，推动数字化、智能化、绿色低碳发展，形成数字技术驱动的“资源-能源-生态”智能综合体。(3)工艺技术与装备创新是煤炭智能化迭代升级的核心驱动力，需加快数字智控基础理论与关键技术研究，聚焦全系统优化与全过程控制，全面推动无人化、少维护化开采与绿色采掘工艺重构。(4)加快煤-电-化-新一体化协同发展的模式创新与技术创新，深化煤炭产业链条，是行业可持续高质量发展的重要路径。