煤炭工业铿锵的智能化之路

        权威数据显示，2018年，我国煤炭消费在全球一次能源消费中所占比重降至27.2%。2017年以前，煤炭一直占我国能源生产和消费70%和60%以上，2018年下降到69.1%和59%。

        习近平总书记强调指出，我们正在压缩煤炭比例，但国情还是以煤为主，在相当长一段时间内，甚至从长远来讲，还是以煤为主的格局，只是比例会下降，我们对煤的注意力不要分散。我国煤炭资源丰富，在发展新能源、可再生能源的同时，还要做好煤炭这篇文章。

现场展出的智能化煤炭设备 记者 董云超 摄

        “我国大型煤炭企业采煤机械化程度由1978年的32.34%提高到2018年的96.1%；全国煤矿人均生产效率由137吨/年提高到1000吨/年，增长了6.3倍。全国煤矿百万吨死亡率由1978年的9.713下降到2018年的0.093，下降99%以上，实现了煤矿安全形势的明显好转。”强烈的数字对比，不仅吸引了人们的眼球，更振憾了人们的心。

        在近日举行的第十八届中国国际煤炭采矿技术交流及设备展览会同期举行的煤机装备发展现状与展望论坛上，有关专家表示，近年来，煤炭工业取得的进步有目共睹，技术装备发展功不可没。

        高站位统筹，谋定煤炭工业的智能化之路

        煤机装备是煤炭工业的重要支撑，是煤炭科技转化为第一生产力的重要载体，是推动煤炭工业高质量发展的重要力量。

会议通报，我国煤矿技术装备水平明显提升，年产1000万吨的综采设备、采煤机、液压支架和运输机等成套装备达到世界先进水平，8.8米超大采高智能综采工作面成功应用。全国煤矿采煤、掘进机械化程度分别达到78.5%、60.4%，建成183个智能化采煤工作面，煤炭生产实现由手工作业向机械化、自动化、信息化的历史性跨越。

        “煤炭工业必须走智能化的发展道路，将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发利用深度融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统，实现煤矿开拓、采掘（剥）、运输、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化运行，由劳动密集型向人才技术密集型转变，发展成为具有高科技特点的新产业。”

        中国煤炭工业协会副会长、中国煤炭学会理事长刘峰介绍，2019年9月，中国煤炭工业协会和煤炭科学研究总院联合承担国家能源局煤炭行业研究课题“促进煤矿智能化发展研究”，继续对煤矿智能化的标准体系、技术与装备、发展路线图等内容进行深入研究，为后续制定推进煤矿智能化具体措施提供建议和支撑。

        为此，中国煤炭工业协会制定了三个阶段的发展目标：到2021年，建成多种类型、不同模式的智能化示范矿井，初步形成煤炭开拓设计、地质保障、生产等主要环节的信息化传输、自动化运行技术体系，基本实现掘进工作面减人提效、综采工作面少人或无人操作、井下和露天煤矿固定岗位的无人值守与远程监控。到2025年，大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化，形成煤矿智能化建设技术规范与标准体系，实现开拓设计、运输、洗选物流等系统的智能化决策和自动化协同运行，井下重点岗位机器人作业，露天煤矿实现智能连续作业和无人化运输。到2035年，各类煤矿基本实现智能化，构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统，建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。对此，中国煤炭工业协会还提出了十大主要任务：一是加强顶层设计，科学谋划煤矿智能化建设；二是加强部门协同，推进标准体系建设；三是推进科技创新，提高智能化技术与装备水平；四是推广新一代信息技术应用，分级建设智能化平台；五是探索服务新模式，持续延伸产业链。六是加快生产煤矿智能化改造，提升新建煤矿智能化水平是发挥示范带动作用，建设智能化示范矿井；八是实施绿色矿山建设，促进生态环境协调发展；九是加强国际合作，积极参与“一带一路”建设；十是加快人才培养，提高人才队伍保障能力。

        为了保证任务顺利完成，2019年7月，由国家能源局、国家煤监局、中国煤炭工业协会指导，中国煤炭学会、中国煤炭科工集团发起，联合大型煤炭生产企业、高等院校、高技术企业等，共27家单位组建成立煤矿智能化创新联盟。联盟的主要任务是：以煤矿智能化共性技术需求为基础，突破煤矿智能化关键核心技术，搭建共性技术研发平台，培育煤矿智能化人才，加快规划编制、生态构建、标准制定、技术研发、专利培育、设备制造、推广应用于和产业化等进程，为行业转型升级和科学发展提供支撑。

        高科技支撑，构建智能化产业生态体系

        刘峰介绍，我国煤矿智能化技术发展的总体目标是：以推动人工智能技术与现代煤炭开发利用深度融合为主线，围绕工业物联网基础平台、智能装备和机器人、煤矿大数据三大方向持续攻关，从基础理论、支撑体系、关键技术、创新应用四个层面构筑技术群和产品群，坚持多元合作、跨界联合、开放共享，构建煤矿智能化产业生态体系，促进煤炭工业高质量发展。

        “聚焦煤矿智能化前沿科学问题，以煤矿智能化基础原理、模型和算法为重点，结合人工智能理论发展，布局煤矿智能化基础理论研究，为煤矿智能化持续发展与深度应用提供强大支持。”刘峰说，可以归纳为以下几点：一是时空变化条件下的矿井地质精准建模；二是面向矿井复杂环境的自适应感知，提高智能系统的鲁棒性；三是矿山多源异构数据融合及信息动态关联，支持矿山复杂信息处理；四是复杂条件下采掘设备群的智能控制；五是面向复杂矿井环境的协同控制与决策理论方法，支持人机物的虚实融合与动态调度。

        国家能源投资集团有限责任公司副总经理李东表示，国家能源集团一直致力于煤矿的高端装备研发与应用，煤矿数字化及信息化建设和推广，取得了较好的效果——

        在综采工作面智能化方面，开发了自动化工作面集中控制系统，工作面采煤机、三机、泵站电控系统全部国产化改造，统一了接口标准协议。利用无线遥控及远程干预技术，实现控制台电工、机头看护工、自移机尾司机三岗合一，减少生产人员19人，提升了自动化工作面生产效率；研发世界首个8.8米超大采高煤炭开采技术，2019年9月4日，神东上湾煤矿8.8米智能超大采高工作面12401顺利贯通，安全回采1853天，并创造了单个工作面最高日产5.84万吨、最高月产146万吨的新纪录。

        在主运系统实现智能化方面，研发成功首套5400米连采后配套长距离可伸缩胶带机，主运系统全部实现远程集中控制，部分实现一键顺序启停，通过八大保护系统智能化，实现主运系统有人巡视、无人值守。

        在辅助运输系统智能化方面，在大柳塔、锦界等12个煤矿投入使用防爆电动车210台，降低了车辆尾气排放量，改善了井下工作环境；通过车辆智能综合调度管理系统和智能终端，实现了车辆信息管理、用车管理、车辆定位测速、车辆智能调度、费用核算、异常报警、辅助考核等七大功能，辅助运输管理效率显著提高。

        在生产辅助系统智能化方面，矿井井下供电、通风、排水等，地面主通风机、供电、压风、供暖等生产辅助系统实现可视化远程集中控制+有人巡视+无人值守，系统之间实现联动。

        在监控平台自主化方面，自主研发了一套煤矿综合智能一体化生产控制及生产执行软件平台，打破了国外软件的行业垄断，实现了对煤炭生产“人、机、环、管”全面监控，为煤矿安全生产及管理决策提供了强大的自动化、信息化基础保障。

        在信息传输高速化方面，构建矿用万兆宽带信息传输网络，搭建了井下“信息高速公路”，实现人员定位、4G通信、IP广播、视频监控系统多网合一，数据高速传输；人员及车辆采用先进无线技术精确定位，信息实时监测；应用通4G无线通信系统，实现矿井上下通信及数据传输高效运行。

        王虹表示，近年来，通过引进、消化、吸收和再创新，我国重大煤机装备水平显著提高，部分装备达到国际领先或先进水平。

        比如，在煤矿高效快速建井装备方面，中国煤炭科工集团联合研制成功我国最大的ZFY型系列反井钻机，使煤矿风井建设实现综合机械化，大幅度提高了施工速度和凿井安全技术水平，整体达到国际先进水平，显著提升了我国深井建设技术与装备水平；针对斜井沿轴线冻结钻孔难题，研制了智能控制钻孔偏斜的专用斜井冻结孔钻机，钻孔率偏斜率小于等于4%；研制成功全球首台长距离、大坡度煤矿斜井专用掘进机（TBM），集斜井施工开挖、村砌、出渣、运输、通风、排水等功能于一体，能够适应软岩、硬岩和复合地层等不同复杂地质地貌的开挖掘进作业，在神东补连塔煤矿斜井成功应用，创造了单月进尺639米的纪录。

直角转弯重型刮板运输机

        中国煤炭科工集团联合大同煤矿集团等15家单位，共同研发“特厚煤层大采高综放开采关键技术及装备”，研发了世界首套年产千万吨特厚煤层大采高综放开采成套装备，发明了大采高综放开采技术，创立了特厚煤层大采高综放开采围岩控制与三维放煤理论，放顶煤15米，实现一次采出20米；研发薄煤层自动化综采成套装备，实现了0.6~1.3米薄煤层工作面无人化、安全高效开采，成果获得国家科技进步二等奖，在大同、冀中能源、新汶、平顶山、川煤等68个煤矿推广应用，并出口到乌克兰、俄罗斯7个煤矿；在2017年创造世界首台8.8米采高采煤机的基础上，研制出9米特厚煤层大功率智能采煤机，年生产能力达到1500万吨以上，创采煤机装机功率与开采高度的世界之最。

        阳煤集团加强国际技术交流与合作，与德国布朗公司合作，实现了“国际品牌、国际监造、阳煤制造”，国际首创直角转弯重型刮板运输机，提高工效20%，有力推动了煤炭开采工艺技术革命，达到国际领先水平，被中煤工业协会评为2019年技术进步一等奖。

        高目标引领，突破共性关键技术

        刘峰强调，要面向智能矿山建设的重大需求，突破煤矿智能化共性关键技术，以智能装备和机器人为基础，以数据和算法为核心，全面提升矿井感知、数据处理、装备系统、智能控制等能力，形成成熟稳定的煤矿智能化技术体系。

        目前，煤矿行业亟需攻关的关键技术包括：一是井下D-GIS透明地质技术；二是井下视频高效处理及VR技术；三是井下大容量快速通信技术；四是开采装备精确定位与导航技术；五是辅助运输系统连续化和无人化技术；六是智能化无人快速掘进技术；七是重大危险源智能感知与预警预报技术；八是高可靠性智能装备（终端）技术；九是煤矿机器人路径规划与长时供电技术；十是露天开采无人化连续作业技术。

        李东表示，智能化发展还存在很多问题，需要业界共同努力：一是智能矿山规划顶层设计需要进一步完善和提升，加强融合云计算、大物流、移动智能等新技术，提升智能化生产方面。二是关键技术有待突破，无人工作面发展缓慢。现有智能开采系统主要针对开采设备本身，缺乏全面、有效的煤层及地质环境信息，且未与工作面智能控制系统发生关联，难以实现工作面智能自适应开采。三是传感器检测精度不够，功能不齐全。现有传感器多为单变量传感器，单给的信息量不能准确反映设备和采场的关联情况。四是基础装备的数字化、智能化水平偏低，特别是对于移动装备的可靠性水平不高，极大地制约了智能化水平提升。

        刘峰提出，下一步,我国煤矿企业要全面启动智能矿山建设，力争2021年底前建成并投入运行5个示范矿井，完成20个一流煤矿智能化工作面建设，割煤自动化率达到85%以上，设备开机率达到85%以上，采煤机、支架实行远程干预并常态化运行，生产班每班作业人员不越过5人；加强智能掘进成套装备技术研究，优化完善选煤生产系统，优化选煤生产管理模式，自主研发智能矿山应用平台。

        刘峰表示，我国智能装备发展的终端方向为：可以自行控制设备的运行状态，并进行自主反馈，从而自动调节设备工作状态；可监测周围环境信息，包括瓦斯等危险性气体浓度和环境湿度、温度等；可多功能集成，探测工作对象状态，比如钻机工作过程中可同时探测前方煤层构造；可通过开放的数据接口，联网组成智能生产线。充分利用机械学、机器人学和材料学等实现设备功能，减少对传感器与控制器的依赖，降低设备的复杂性并提高可靠性。新材料技术的发展为煤矿装备轻量化实现提供了可能，在煤机设计中应考虑采用高强度新型材料，既减少设备重量和材料消耗，又保证其强度。实现装备健康监测,以数据驱动方式解析运行信号，提取机械故障特征，基于深度学习模型识别装备故障，实现大数据下机械故障信息的智能表征、故障识别、寿命预测和远程诊断,将装备的工作环境与远程诊断的网络环境趋同起来，实现装备数据的实时感知和动态分析。

（信息来源：中国矿业网，中林设计整理，转载注明出处）