面對國內(nèi)煤炭工業(yè)向科學(xué)開采與智能化轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略需求，深部復(fù)雜賦存環(huán)境導(dǎo)致現(xiàn)有經(jīng)典技術(shù)體系在感知、導(dǎo)航、通信、計算等方面的物理極限，已成為制約行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重大瓶頸。為此，發(fā)揮“第二次量子革命”的顛覆性優(yōu)勢，提供基于物理原理的解決方案，在系統(tǒng)分析煤礦科學(xué)開采面臨的“感知非透明”“導(dǎo)航高漂移”“通信存弱點(diǎn)”“算力有瓶頸限”技術(shù)挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，研判量子科技的應(yīng)對路徑與應(yīng)用潛力。

文章來源：《智能礦山》2026年第3期“視角·觀點(diǎn)”欄目

第一作者：楊柳，博士，主要從事厚煤層開采、智能放頂煤等方面的相關(guān)研究工作。E-mail：yangliultcc@aust.edu.cn

作者單位：安徽理工大學(xué)

引用格式：楊柳，何祥.量子技術(shù)在煤礦科學(xué)開采中的應(yīng)用展望 [J]. 智能礦山，2026，7（3）：9-17.

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現(xiàn)有技術(shù)體系制約煤炭科學(xué)開采的技術(shù)瓶頸

現(xiàn)有經(jīng)典技術(shù)體系在感知精度、通信安全、計算效率等方面的物理與信息處理能力已逼近極限，成為制約煤礦安全高效發(fā)展的重大瓶頸，主要表現(xiàn)在以下4個方面。

（1）感知技術(shù)制約精細(xì)化地質(zhì)建模和實時預(yù)警

現(xiàn)有探測技術(shù)，如瞬變電磁、地震勘探在深部、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域的穿透深度和分辨率受限，缺乏對隱伏水、火、瓦斯等復(fù)雜致災(zāi)構(gòu)造的高精度、無損識別能力，直接制約了開采前的精細(xì)化地質(zhì)建模和實時動態(tài)預(yù)警的本質(zhì)安全控制基礎(chǔ)。

（2）高精度慣性導(dǎo)航的持續(xù)漂移問題突出

井下巷道環(huán)境復(fù)雜，隔絕了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）信號。傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航（MEMS或光纖慣導(dǎo)）的誤差隨時間累積，在缺乏外部校準(zhǔn)信號的條件下，采掘、運(yùn)輸裝備難以實現(xiàn)厘米級精度的精準(zhǔn)定位與軌跡控制，嚴(yán)重制約了煤礦無人化、少人化開采的推廣進(jìn)程。

（3）核心控制網(wǎng)絡(luò)信息安全基礎(chǔ)薄弱

礦井一體化智能控制平臺對生產(chǎn)指令的完整性、保密性、抗干擾性要求極高。井下采掘、通風(fēng)、排水等關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)已高度依賴遠(yuǎn)程控制指令?，F(xiàn)有基于數(shù)學(xué)復(fù)雜度的經(jīng)典通信加密技術(shù)，在未來量子計算的威脅下存在被破解的風(fēng)險，且在當(dāng)下也面臨中繼攻擊、指令篡改等現(xiàn)實威脅，其物理安全性基礎(chǔ)亟待提升。

（4）巨系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化求解算力亟待提升

煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)是涉及通風(fēng)、運(yùn)輸、地壓、瓦斯等多因素強(qiáng)耦合的超大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)。對其進(jìn)行實時、全局最優(yōu)控制所需的組合優(yōu)化計算，其核心難點(diǎn)在于變量的“組合爆炸”，狀態(tài)空間隨問題規(guī)模呈指數(shù)級增長?，F(xiàn)有經(jīng)典計算機(jī)算力難以支撐動態(tài)實時決策的要求，導(dǎo)致當(dāng)前調(diào)度多依賴局部最優(yōu)或經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/span>

面對這些挑戰(zhàn)，量子技術(shù)在近10年中從實驗室走向工程化的關(guān)鍵階段。量子重力、量子磁測與量子慣導(dǎo)系統(tǒng)在地球物理、地下探測與自主導(dǎo)航中已實現(xiàn)原型驗證；量子密鑰分發(fā)（QKD）已在城域網(wǎng)與國家網(wǎng)絡(luò)干線實現(xiàn)規(guī)模部署；量子退火、QAOA與QML在交通調(diào)度、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與高維分類任務(wù)中表現(xiàn)出潛在優(yōu)勢。此類技術(shù)的工程應(yīng)用為礦山場景提供此前難以解決的感知非透明、導(dǎo)航高漂移、通信可信度不足和計算瓶頸突破等難題的巨大潛力，煤礦科學(xué)開采的4類技術(shù)瓶頸與量子科技應(yīng)對路徑如圖1所示。

圖1 煤礦科學(xué)開采的4類技術(shù)瓶頸與量子科技應(yīng)對路徑

量子傳感技術(shù)在礦山地質(zhì)與環(huán)境透明感知的應(yīng)用

量子傳感基于量子精密測量原理，是實現(xiàn)井下地質(zhì)和環(huán)境狀態(tài)實時、無損、高精度監(jiān)測的核心技術(shù)，是構(gòu)建礦井全息透明感知網(wǎng)絡(luò)的首要支撐。

2.1 量子重力測量儀在地質(zhì)三維反演中的應(yīng)用

原子干涉重力測量技術(shù)利用冷卻原子作為量子相干載體，通過激光脈沖序列構(gòu)建類Mach-Zenhnder原子干涉儀。原子自由落體過程受到局域重力場作用，其量子相位隨重力梯度發(fā)生微擾動。讀出相位差即可獲得對重力變化的超高靈敏度。與彈簧質(zhì)點(diǎn)式重力儀相比，原子的內(nèi)稟穩(wěn)定性提供了更高的長期漂移抑制能力，特別適用于深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)反演、隱伏水體識別等需要微弱信號累積能力的場景。工程化量子重力儀通常通過低噪聲激光鏈路、磁屏蔽、振動補(bǔ)償以及原子態(tài)制備優(yōu)化，構(gòu)成穩(wěn)定的重力測量平臺，量子重力測量儀原理及地質(zhì)三維反演流程如圖2所示。

圖2 量子重力測量儀原理及地質(zhì)三維反演流程

量子重力測量儀的超高精度是未來解決深部復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測難題的關(guān)鍵技術(shù)手段。在隱伏水害與陷落柱探測方面，量子重力測量在中-深部地質(zhì)環(huán)境中，可實現(xiàn)亞微伽級的重力變化探測，使密度異常體，如含水構(gòu)造，隱伏陷落柱、破碎帶等，在反演結(jié)果中呈現(xiàn)高概率特征。相比電磁或地震方法，重力響應(yīng)應(yīng)對介質(zhì)電性敏感度低、受噪聲耦合弱，特別適合電干擾強(qiáng)、構(gòu)造復(fù)雜的深部礦區(qū)。

在應(yīng)用層面，可用于采空區(qū)動態(tài)監(jiān)測與穩(wěn)定性評估。隨著采動導(dǎo)致的圍巖結(jié)構(gòu)變化，密度重新分布會造成可測的重力微擾動。量子重力儀可連續(xù)記錄重力隨時間的動態(tài)變化，與微震、地聲等數(shù)據(jù)融合，可構(gòu)建采空區(qū)“力-密度”協(xié)同模型，用于識別局部應(yīng)力集中、冒落前兆等關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，為工作面推進(jìn)提供量化依據(jù)。量子重力儀還可用于瓦斯富集區(qū)危險性輔助分析；圍巖孔隙結(jié)構(gòu)與滲透性的變化會引起重力異常；結(jié)合反演后的密度-孔隙參數(shù)場，可推斷瓦斯富集范圍或高滲通道，作為鉆孔布局、預(yù)抽采方案優(yōu)化的邊界條件，而非單獨(dú)依賴傳統(tǒng)瓦斯地質(zhì)模型。

2.2 量子磁力測量儀在設(shè)備診斷與應(yīng)力監(jiān)測中的應(yīng)用

金剛石氮空位中心磁測技術(shù)以量子自旋態(tài)作為磁場探測體，外磁場擾動會改變其自旋能級間的零場分裂，使光泵讀出過程中的熒光信號發(fā)生可測偏移。由于NV中心具備極高的自旋相干特性，其磁場探測靈敏度可進(jìn)入pT（10～12 T）級別，適用于識別深埋巖體的微弱磁場變化。

巖體磁化率受應(yīng)力狀態(tài)、礦物成分與裂縫發(fā)育程度影響。量子磁測通過捕捉這些細(xì)微磁化差異，在無激勵條件下可識別斷層、破碎帶、采空區(qū)邊界等構(gòu)造特征。對長期采動形成的采空區(qū)，圍巖磁化率在松動帶、穩(wěn)定帶和塑性破壞區(qū)存在差異，量子磁測可通過高密度布測構(gòu)建磁化率空間場。與重力密度反演結(jié)果疊加后，可形成更加清晰的采空區(qū)邊界與松動演化分區(qū)，量子磁力測量儀在礦井設(shè)備與地應(yīng)力監(jiān)測中的應(yīng)用如圖3所示。

圖3 量子磁力測量儀在礦井設(shè)備與地應(yīng)力監(jiān)測中的應(yīng)用

（1）在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警方面，該技術(shù)預(yù)計可支撐地應(yīng)力與沖擊地壓預(yù)測。通過監(jiān)測地應(yīng)力變化引發(fā)的巖石壓磁效應(yīng)，即巖石內(nèi)部磁性礦物在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的地磁場微弱變化，將磁場數(shù)據(jù)作為地應(yīng)力變化的敏感前兆指標(biāo)，為沖擊地壓、瓦斯突出提供多參數(shù)耦合的預(yù)警信號。

（2）在電氣安全方面，預(yù)計可用于井下電氣設(shè)備早期故障診斷。電機(jī)定子不平衡、電纜局部絕緣缺陷、滾動軸承磨損等都會引起磁場紋理的變化。量子磁測因其寬頻響應(yīng)和高靈敏度，可利用時間和頻率特征提取，可實現(xiàn)對局部過熱、磨損或絕緣老化的預(yù)測性診斷，減少非計劃停機(jī)。在井下電磁噪聲環(huán)境中，量子磁測系統(tǒng)通過工作點(diǎn)、差分布置、光纖遠(yuǎn)程激發(fā)與本地解調(diào)等技術(shù)，可將干擾噪聲降低至量子自旋讀出的穩(wěn)定范圍內(nèi)。若采用深度學(xué)習(xí)濾波融合進(jìn)一步提高異常識別的精度，使系統(tǒng)可在錨機(jī)、電鉆、電機(jī)頻繁啟動等強(qiáng)噪場景中保持穩(wěn)定檢測。

（3）在精細(xì)作業(yè)方面，預(yù)計可應(yīng)用于巷道與鉆孔精確制導(dǎo)。結(jié)合預(yù)埋的微弱磁標(biāo)記，利用量子磁力計的超高靈敏度實現(xiàn)鉆孔軌跡的實時、高精度校正，提高定向鉆孔的貫通精度。

2.3 量子慣性導(dǎo)航在無人化裝備中的應(yīng)用

量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Q-IMU）是基于原子干涉測量原理構(gòu)建的新一代慣性測量單元，主要由量子加速度計和量子陀螺儀構(gòu)成，利用激光冷卻的原子團(tuán)作為慣性參考基準(zhǔn)。量子加速度計基于原子團(tuán)自由落體運(yùn)動的軌跡測量慣性加速度；量子陀螺儀基于原子團(tuán)繞旋轉(zhuǎn)軸的Sagnac效應(yīng)測量角速度。與傳統(tǒng)慣導(dǎo)相比，Q-IMU的慣性基準(zhǔn)是具有超高一致性的原子本身，其物理特性不隨時間或環(huán)境而改變，具有無漂移的物理特性，其零偏穩(wěn)定性和標(biāo)度因數(shù)精度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)MEMS或光纖慣導(dǎo)數(shù)個量級，可為井下無信號環(huán)境提供超低漂移的自主定位能力，降低累計定位誤差，奠定長時間、高可靠性井下導(dǎo)航的物理基礎(chǔ)。

Q-IMU系統(tǒng)是實現(xiàn)無人化智能開采的核心技術(shù)之一。井下巷道狹窄，干擾源復(fù)雜，傳統(tǒng)IMU在長距離運(yùn)行中漂移迅速累積，使無人車輛無法保持可靠軌跡。量子慣導(dǎo)可顯著提升低頻段加速度與角速度測量穩(wěn)定性，使航跡漂移隨時間增長規(guī)律從指數(shù)級增長轉(zhuǎn)為近線性增長。在應(yīng)急場景中，通信中斷與煙霧遮擋使無線定位系統(tǒng)失效。量子慣導(dǎo)能夠提供基于步態(tài)的無基站定位方式，通過與地圖融合可在復(fù)雜巷道結(jié)構(gòu)中保持較高軌跡精度。未來可在瓦斯、火災(zāi)等突發(fā)事件中，為救援人員提供實時導(dǎo)航基準(zhǔn)，提高救援效率，Q-IMU在井下無人化裝備導(dǎo)航中的結(jié)構(gòu)與信號流程如圖4所示。

圖4 Q-IMU在井下無人化裝備導(dǎo)航中的結(jié)構(gòu)與信號流程

量子通信是礦山智能集成控制平臺安全運(yùn)行的物理基礎(chǔ)

煤礦智能開采的遠(yuǎn)程化、一體化控制對信息安全性提出了極高要求。量子密鑰分發(fā)（QKD）利用量子物理定律，為井下關(guān)鍵鏈路提供了物理定律級的安全基礎(chǔ)。

3.1 物理安全性機(jī)制

QKD利用單光子偏振態(tài)傳輸密鑰，依據(jù)量子不可克隆定理和海森堡不確定性原理，確保任何竊聽行為（即測量量子態(tài)）都會在物理上擾動量子態(tài)并被收發(fā)雙方立即發(fā)現(xiàn)（誤碼率上升）。該機(jī)制從根本上排除了未來量子計算機(jī)對密鑰的計算破解風(fēng)險以及旁路攻擊的可能，實現(xiàn)了物理定律級的通信安全，即“信息論安全”。

3.2 部署策略與混合加密模式

QKD技術(shù)的部署應(yīng)聚焦于礦井的核心控制鏈路，并采用QKD與經(jīng)典加密的混合機(jī)制。關(guān)鍵在于地面中心至主控機(jī)房鏈路，應(yīng)部署QKD系統(tǒng)，保障礦井生產(chǎn)指令、安全狀態(tài)數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程急停指令的完整性與保密性，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)在礦井控制網(wǎng)絡(luò)中的部署架構(gòu)如圖5所示。

圖5 量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)在礦井控制網(wǎng)絡(luò)中的部署架構(gòu)

（1）在傳統(tǒng)加密體系下，針對控制信道的中繼攻擊或指令篡改可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果。采用QKD結(jié)合身份認(rèn)證，可作為核心控制指令防篡改的首要防線，保證礦井的核心控制鏈路的安全性。

（2）針對主控機(jī)房至井下分站鏈路，采用QKD與經(jīng)典加密（如AES-256）的混合模式。QKD負(fù)責(zé)基于物理定律周期性地生成和更新“一次一密”的高強(qiáng)度會話密鑰，經(jīng)典加密（如AES）負(fù)責(zé)使用該會話密鑰對海量的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行高速傳輸。這種機(jī)制兼顧了最高安全性和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的工程實用性，保障了控制指令到達(dá)采掘執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全可靠性，是無人化工作面遠(yuǎn)程遙控的物理信任基礎(chǔ)。

（3）針對井下巷道光纖彎曲、應(yīng)力大、粉塵多導(dǎo)致的信道高損耗問題，需研發(fā)高抗壓、低彎曲損耗礦用光纖及小型化、加固型量子中繼（或可信中繼），確保在惡劣環(huán)境下，核心鏈路的安全密鑰生成率持續(xù)滿足實時控制數(shù)據(jù)的加密需求，解決井下信道適應(yīng)性問題。

量子計算與人工智能

量子計算在解決大規(guī)模組合優(yōu)化和復(fù)雜系統(tǒng)動態(tài)模擬方面的指數(shù)級計算能力，是實現(xiàn)煤礦多因素耦合、實時、全局最優(yōu)控制的終極算力支撐。

4.1 量子計算在采掘與調(diào)度優(yōu)化中的應(yīng)用

煤礦生產(chǎn)中的采掘工作面推進(jìn)順序、井下物料運(yùn)輸調(diào)度、設(shè)備維護(hù)排期、通風(fēng)系統(tǒng)動態(tài)風(fēng)量配置等問題，均屬于海量變量、多約束耦合的二次約束二元優(yōu)化問題（QUBO）。這些問題解空間巨大，經(jīng)典算法難以在有限時間內(nèi)獲得全局最優(yōu)解。其核心難點(diǎn)在于變量的“組合爆炸”，例如10臺設(shè)備、10個任務(wù)、10條路徑的調(diào)度，其可能的狀態(tài)空間就超越了經(jīng)典計算機(jī)的有效搜索能力，導(dǎo)致現(xiàn)有系統(tǒng)多采用局部最優(yōu)或經(jīng)驗調(diào)度，制約了生產(chǎn)的實時性與全局效益。

解決此類QUBO問題可采用量子退火或基于門模型的量子近似優(yōu)化算法（QAOA）/變分量子本征求解器（VQE）。量子退火機(jī)利用量子隧穿效應(yīng)，使系統(tǒng)以高概率到達(dá)全局能量最低態(tài)，即最優(yōu)解；QAOA/VQE等算法則利用量子并行性，在數(shù)分鐘內(nèi)求解經(jīng)典計算機(jī)需耗費(fèi)數(shù)小時或數(shù)天才能找到的近似最優(yōu)解。該技術(shù)將實現(xiàn)井下生產(chǎn)資源的實時、動態(tài)、全局最優(yōu)調(diào)度。其應(yīng)用場景包括通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化，在滿足安全風(fēng)壓和瓦斯?jié)舛燃s束的前提下，實時優(yōu)化風(fēng)門開度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，最小化系統(tǒng)能耗，也可用于多工作面協(xié)同優(yōu)化，優(yōu)化多個采掘工作面的時空關(guān)系，最小化地壓相互影響，最大化回采率和煤炭產(chǎn)出總量；在運(yùn)輸路徑規(guī)劃方面，可實時更新井下運(yùn)輸車輛（電機(jī)車、帶式輸送機(jī)）的最優(yōu)路徑和流率，避免擁堵，最小化物料等待時間，煤礦采掘調(diào)度優(yōu)化的量子計算求解流程如圖6所示。

圖6 煤礦采掘調(diào)度優(yōu)化的量子計算求解流程

4.2 量子機(jī)器學(xué)習(xí)在耦合災(zāi)害預(yù)測中的應(yīng)用

量子機(jī)器學(xué)習(xí)（QML）利用量子算法（如量子主成分分析、量子傅里葉變換）加速對T級傳感器數(shù)據(jù)的高維特征提取和聚類分析，核心優(yōu)勢在于利用量子態(tài)的希爾伯特空間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高維映射，理論上能比經(jīng)典核方法（如SVM）更有效地處理和分類數(shù)據(jù)。QML算法能夠更高效地識別經(jīng)典算法難以發(fā)現(xiàn)的、隱藏在海量數(shù)據(jù)中的非線性、高維耦合特征，有效應(yīng)對井下多源、異構(gòu)、高維實時數(shù)據(jù)的處理挑戰(zhàn)。

QML技術(shù)的核心在于構(gòu)建多參數(shù)耦合災(zāi)害模型。利用量子支持向量機(jī)（QSVM）或量子卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（QCNN），通過融合量子傳感器和經(jīng)典傳感器數(shù)據(jù)，快速識別沖擊地壓、瓦斯突出等災(zāi)害發(fā)生前的微弱、復(fù)雜的耦合前兆信號。其計算速度優(yōu)勢有望將預(yù)警響應(yīng)時間從分鐘級提升至毫秒級，結(jié)合量子算法與數(shù)字孿生礦山，實現(xiàn)多場參數(shù)的快速反演、安全邊界區(qū)域的快速搜索，沖擊地壓前兆判斷、隱伏構(gòu)造活動和多源異常耦合事件識別等，基于QML的多參數(shù)耦合災(zāi)害預(yù)測模型如圖7所示。

圖7 基于QML的多參數(shù)耦合災(zāi)害預(yù)測模型

4.3 復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)與煤巖體破裂過程的量子模擬

量子模擬技術(shù)是基于哈密頓量模擬原理，利用量子計算機(jī)的天然量子特性，直接模擬物理、化學(xué)系統(tǒng)的微觀動力學(xué)行為，是深入理解災(zāi)害機(jī)理的有效途徑。該技術(shù)突破傳統(tǒng)數(shù)值模擬，如有限元、離散元在精度和效率上的限制，為煤巖耦合災(zāi)害機(jī)理研究和采掘方案設(shè)計提供更精準(zhǔn)的微觀尺度依據(jù)。

（1）在煤與瓦斯微觀作用機(jī)理模擬方面，量子計算機(jī)上從第一性原理出發(fā)，將來可直接模擬甲烷、二氧化碳等分子在煤基質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)中的吸附、解吸與擴(kuò)散過程。精確計算不同煤巖結(jié)構(gòu)和溫壓條件下氣體分子的量子態(tài)能量和結(jié)合能，為瓦斯抽采效率優(yōu)化和突出機(jī)理研究提供精確理論基礎(chǔ)。

（2）在煤巖體破裂與流固耦合模擬方面，可模擬巖石在采動應(yīng)力下的微觀破裂過程，包括裂紋的萌生、擴(kuò)展以及應(yīng)力集中導(dǎo)致的彈性模量、相變等物性變化。尤其是在深部開采面臨的高地應(yīng)力、高地溫環(huán)境下，煤巖體的流固耦合與蠕變特性極其復(fù)雜。量子模擬能夠精準(zhǔn)預(yù)測采動過程對地下水運(yùn)移的影響，為頂板災(zāi)害與水害預(yù)測提供動態(tài)、高保真的理論依據(jù)。

（3）在通風(fēng)優(yōu)化建模方面，通風(fēng)系統(tǒng)可抽象為一種帶非線性阻力項的網(wǎng)絡(luò)流問題。風(fēng)門開度、風(fēng)機(jī)頻率、巷道阻力參數(shù)等可離散化為二進(jìn)制控制變量，井二值化后可構(gòu)建QUBO，可用于瓦斯異常情況下的風(fēng)量快速分配。

量子科技在煤礦科學(xué)開采分階段推進(jìn)路線

借鑒工程技術(shù)發(fā)展的經(jīng)驗，量子科技在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用需遵循分階段、系統(tǒng)集成的推進(jìn)路線，確保技術(shù)的安全高效轉(zhuǎn)化和應(yīng)用，量子科技在煤礦領(lǐng)域的三階段推進(jìn)路線如圖8所示。

圖8 量子科技在煤礦領(lǐng)域的三階段推進(jìn)路線

5.1 關(guān)鍵量子傳感工程化與高安全鏈路突破階段

近期1～5年，核心目標(biāo)是解決井下最緊迫的感知精度和核心通信安全問題。首要任務(wù)是關(guān)鍵傳感器工程化，重點(diǎn)突破原子鐘、原子干涉?zhèn)鞲衅鳌V色心傳感器的小型化、抗震動、本安型封裝技術(shù)，實現(xiàn)關(guān)鍵傳感器井下環(huán)境適應(yīng)性攻關(guān)。在此基礎(chǔ)上，開展探測系統(tǒng)試點(diǎn)驗證，在重點(diǎn)水害和沖擊地壓礦井進(jìn)行地面和井下探測試點(diǎn)，驗證量子重力/磁力探測系統(tǒng)對隱伏構(gòu)造的超高精度三維反演能力。同時，推動量子安全鏈路構(gòu)建，完成地面中心與井下主控站之間QKD系統(tǒng)的部署與工程驗證，建立首批量子安全通信信任鏈路，即核心控制鏈路QKD工程驗證。最后，推進(jìn)Q-IMU初級應(yīng)用，在長距離無人運(yùn)輸車輛上部署量子慣導(dǎo)系統(tǒng)，進(jìn)行低漂移導(dǎo)航的可靠性測試。

5.2 系統(tǒng)集成、QML風(fēng)險預(yù)測平臺構(gòu)建階段

中期5～10年，核心目標(biāo)是實現(xiàn)量子傳感數(shù)據(jù)的多源融合與量子計算算法在實時優(yōu)化中的應(yīng)用。著力完成全礦井高精度定位系統(tǒng)集成，將Q-IMU數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)、UWB等信息融合，構(gòu)建覆蓋全礦井、亞米級精度的協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)；搭建QML煤礦風(fēng)險預(yù)測平臺，開發(fā)基于量子或量子啟發(fā)算法的風(fēng)險預(yù)測模型，融合全礦井傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)沖擊地壓、瓦斯突出等災(zāi)害的毫秒級耦合預(yù)警。在算力層面，加速復(fù)雜優(yōu)化求解器研發(fā)與混合云運(yùn)行，研發(fā)針對通風(fēng)、調(diào)度等QUBO問題的量子或量子退火求解器，并在量子云服務(wù)平臺上進(jìn)行礦山系統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)化測試。最后，應(yīng)推進(jìn)地質(zhì)勘探模型驗證，利用高精度量子數(shù)據(jù)，完成復(fù)雜地質(zhì)模型的亞米級精度構(gòu)建與開采方案的匹配性驗證。

5.3 全息化智能礦山與自主科學(xué)開采階段

長期10年以上，核心目標(biāo)是建立全量子通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)基于通用量子計算機(jī)的礦山自主決策。建成全息化透明感知網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)礦井全空間、全時域的量子傳感器密集部署，建成地質(zhì)結(jié)構(gòu)、環(huán)境參數(shù)全息化、透明化的數(shù)字孿生礦山；構(gòu)建礦山量子大腦，建立基于通用量子計算機(jī)的礦山系統(tǒng)自主決策平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)、安全、環(huán)保等巨系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的實時、自適應(yīng)、全局最優(yōu)調(diào)整；最終目標(biāo)達(dá)到全量子網(wǎng)絡(luò)覆蓋，部署下一代量子中繼技術(shù)，實現(xiàn)井下所有傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的全鏈路量子密鑰安全保障。

5.4 量子科技在煤礦應(yīng)用中的挑戰(zhàn)與應(yīng)對策略

量子科技在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，但在工程化和系統(tǒng)集成中面臨多重嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。這不僅是單一技術(shù)點(diǎn)的突破問題，更是系統(tǒng)性的產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建問題，量子科技煤礦應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)與應(yīng)對策略矩陣如圖9所示。

圖9 量子科技煤礦應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)與應(yīng)對策略矩陣

（1）井下環(huán)境適應(yīng)性與工程化

量子器件（如原子、光路、NV色心）對煤礦高濕、高震動、高粉塵和強(qiáng)電磁干擾環(huán)境極為敏感，難以滿足煤礦本質(zhì)安全要求和長期穩(wěn)定性需求。對此，應(yīng)對策略是加速固態(tài)量子器件的集成化、微型化研究，并開發(fā)礦用級高可靠性、隔振恒溫封裝技術(shù)和本質(zhì)安全型防爆設(shè)計。

（2）跨學(xué)科復(fù)合型人才體系的短缺

國內(nèi)缺乏精通量子物理、煤礦工程和信息科學(xué)的復(fù)合型頂尖人才，嚴(yán)重制約了理論研究成果向工程實踐的轉(zhuǎn)化。需要建立煤礦企業(yè)、科研院所、高校的產(chǎn)學(xué)研用一體化人才聯(lián)合培養(yǎng)基地，通過定向培養(yǎng)和外部引進(jìn)，構(gòu)建跨學(xué)科人才梯隊。在技術(shù)實現(xiàn)層面，量子算法與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化存在技術(shù)壁壘。煤礦巨系統(tǒng)優(yōu)化問題對量子比特數(shù)量和算法的可靠性提出極高要求，且需要將經(jīng)典工程數(shù)據(jù)高效映射到量子態(tài)（量子編碼）。專注于開發(fā)針對煤礦特定約束的量子啟發(fā)算法，并發(fā)展高效的經(jīng)典-量子數(shù)據(jù)編碼技術(shù)，關(guān)注近期可用噪聲中等規(guī)模量子設(shè)備的適用性。

（3）產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程與成本控制難題

量子設(shè)備的初始研發(fā)和部署成本高昂，尚未形成規(guī)?；a(chǎn)業(yè)鏈。應(yīng)采取集中攻關(guān)、重點(diǎn)突破的策略，在最具價值的環(huán)節(jié)（如水害探測、核心安全通信）率先實現(xiàn)工程應(yīng)用，以實際工程效益驅(qū)動產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，逐步建立標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，降低技術(shù)門檻和成本。

量子技術(shù)在煤礦科學(xué)開采中的應(yīng)用建議

我國煤炭工業(yè)向深部科學(xué)開采邁進(jìn)的過程中，面臨“感知非透明”“導(dǎo)航高漂移”“通信存弱點(diǎn)”“算力有瓶限”的經(jīng)典技術(shù)瓶頸。這些瓶頸本質(zhì)上源于經(jīng)典物理在探測精度、信號安全和計算復(fù)雜度方面的固有極限。量子科技以其獨(dú)特的量子力學(xué)原理，為突破上述瓶頸提供了顛覆性的、基于物理原理的全新技術(shù)范式，是實現(xiàn)煤礦開采技術(shù)跨越式發(fā)展的必然選擇，基于量子科技的未來智能礦山如圖10所示。

圖10 基于量子科技的未來智能礦山

（1）系統(tǒng)闡明了量子科技應(yīng)對上述挑戰(zhàn)的技術(shù)路徑。在感知層，以原子干涉重力儀、NV色心磁力計和Q-IMU為代表的量子傳感技術(shù)，為未來實現(xiàn)隱伏地質(zhì)構(gòu)造的透明感知和無人裝備的精準(zhǔn)定位提供了超高精度的物理基礎(chǔ)；在網(wǎng)絡(luò)層，以QKD為核心的量子通信技術(shù)，為未來礦井核心控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑了抵御未來算力威脅的“信息論安全”基石；在決策層，以量子退火、QML和量子模擬為路徑的量子計算技術(shù)，可為未來煤礦巨系統(tǒng)的實時優(yōu)化決策與復(fù)雜災(zāi)害機(jī)理的微觀仿真提供了指數(shù)級算力支撐。

（2）為加速量子科技在煤礦的工程化應(yīng)用，應(yīng)采取分階段、系統(tǒng)性的實施策略。近期應(yīng)重點(diǎn)攻關(guān)量子傳感器的井下環(huán)境適應(yīng)性、小型化和本安型設(shè)計，并率先在核心控制鏈路部署QKD混合加密；中期應(yīng)著力構(gòu)建多源量子傳感數(shù)據(jù)融合的QML災(zāi)害預(yù)警平臺，并開發(fā)面向具體調(diào)度優(yōu)化的量子啟發(fā)算法；遠(yuǎn)期目標(biāo)是構(gòu)建全息感知的“礦山量子大腦”。同時，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合，構(gòu)建精通量子物理與采礦工程的復(fù)合型人才梯隊，以保障該戰(zhàn)略的順利實施。

結(jié) 語

系統(tǒng)性闡述了量子傳感技術(shù)在實現(xiàn)透明地質(zhì)感知、災(zāi)害前兆監(jiān)測與無人裝備精準(zhǔn)定位中的應(yīng)用機(jī)理；論證了量子密鑰分發(fā)在構(gòu)筑未來礦井核心控制網(wǎng)絡(luò)“信息論安全”基礎(chǔ)中的保障作用；探討了量子計算在賦能未來煤礦巨系統(tǒng)優(yōu)化決策與復(fù)雜災(zāi)害機(jī)理微觀研究方面的顛覆性潛力；提出了量子科技賦能智能礦山的“三階段”戰(zhàn)略實施路徑圖，并辨析了其在井下環(huán)境適應(yīng)性、工程化、復(fù)合型人才培養(yǎng)和產(chǎn)業(yè)化成本控制等方面面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)與應(yīng)對策略。量子科技是未來支撐煤礦開采技術(shù)范式跨越的核心引擎，對實現(xiàn)本質(zhì)安全、高效的科學(xué)開采新范式具有重大戰(zhàn)略意義。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊中心擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄8種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡介

《智能礦山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中國煤炭科工集團(tuán)有限公司主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

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