煤矿智能化建设探索与实践
时间：2022-02-17 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 科技引领 ★
煤矿智能化建设探索与实践
0 引言
“十三五”以来，煤炭行业按照党中央、国务院关于深化供给侧结构性改革的决策部署，持续推动“上大压小、增优汰劣”，大力推动煤炭结构调整和转型升级，各项工作取得显著成效，行业面貌发生历史性变化，为煤矿智能化建设创造了良好条件，夯实了加快煤矿智能化建设的物质基础和思想基础。
2021年2月，国家发展改革委、应急管理部、国家能源局、国家煤矿安监局、工业和信息化部、财政部、科技部、教育部等八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，提出我国煤矿智能化建设3个阶段性目标：到2021年，建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿；到2025年，大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化；到2035年，各类煤矿基本实现智能化[1]。中煤能源集团围绕 “安全、高效、绿色、智能”的发展理念，结合实际情况，加强体制机制建设，分类分级推进煤矿智能化工作[2]，积极推进关键技术攻关与工程实践，加快建设中煤特色的全要素智能化煤矿、智慧化矿区，并取得了显著成效。
1 煤矿智能化建设的必要性
煤炭生产的显著特征是劳动强度大、工作环境恶劣，尤其是煤矿井下地质条件复杂，瓦斯、冲击地压、涌水等安全隐患不确定因素多，因此实施智能化建设尤为重要。随着新一代信息技术的突飞猛进，部分煤矿企业不断加大在智能化领域的研究、投入和应用，为整体推进智能化发展提供了参考，积累了经验。
1.1 煤矿智能化建设是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑
在新发展阶段，煤炭工业高质量发展之路是一条技术与装备创新之路、产业变革之路和全面突破之路[3-4]。煤矿智能化建设是将人工智能、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、通风、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化运行，对于提升煤矿安全生产水平、保障煤炭稳定供应具有重要意义[5-6]。
1.2 煤矿智能化建设是实现数字化转型的新动能
数字化转型的本质是一场新的工业革命和产业变革，由新一代信息技术驱动，实现生产、运营、管理、销售和服务等全面数字化，从而推动业务模式重构、管理模式变革、商业模式创新与核心能力提升。
信息技术的进步和相关基础设施的不断完善，有望助力煤企真正实现从煤炭“生产者”向“服务者”增值发展的转变。一些企业致力于搭建以数字化矿山为基础的产业生态服务系统，积极推动煤炭产业从原煤标准化、功能产品化、产销在线化、业务网络化向产业生态化迈进，实现从采掘业的“点”到服务业的“网”的闭环生态，使煤企实现从传统的“挖煤卖煤”的商品交易到以“服务交付”为主的产业生态运营的战略转变，进而希望依托数字化和“触网”重构煤炭产业生态[7]。
作为煤炭行业数字化转型的重要内容，煤矿智能化建设不仅是实现少人、无人开采的必要途径，还将带动智能化技术装备、标准、服务等能源服务升级。以煤矿智能化建设为纽带，加强新一代信息技术与煤炭勘查、设计、建设、开采、洗选、运输、利用等全产业链融合共进[8]，为煤炭现代化转型升级提供了新动能，带来了新机遇。
1.3 煤矿智能化建设是保障能源安全的重大举措
目前我国正大力推动碳达峰、碳中和“30·60”工程，根据预测，2030年前煤炭作为主体能源的地位不可撼动，2030年后煤炭进入战略储备能源的通道[9]。煤矿智能化代表着煤炭工业先进生产力的发展方向[10]，可以实现煤炭作为主体能源时期的安全稳定供应，以及战略储备能源时期的“一键启动”的能力。全行业应充分认识“双碳”背景下加快推进煤矿智能化建设面临的新形势、新任务和新要求，以煤矿智能化建设为抓手，推动智能化技术与煤炭绿色开发利用深度融合，加快释放先进优质产能，以更高目标要求推进煤炭绿色低碳转型和行业高质量发展，切实发挥煤炭的兜底保障作用。
1.4 煤矿智能化建设为煤机装备制造产业指明发展方向
随着国家一系列指导文件的出台，煤机装备制造产业进一步明确了向“智能、高端、服务、绿色”转型升级的发展方向：一是立足我国煤炭工业大国地位和基础地位，坚定走煤机装备制造国产化、自主化发展道路[11]，同时不断提升对外开放水平，充分利用国内国外“两种资源、两个市场”， 加快国际化拓展；二是把握好智能化开采发展方向，智能化是煤矿综合机械化发展的一个新的阶段，是生产方式和生产力又一次的新革命，高端、智能、安全、可靠的煤机装备将具有更加广阔的市场，要不断对标差距，补足短板，深度融合新工艺、新材料以及大数据、物联网、人工智能、5G等新技术，生产研制高可靠性、标准化、成套化、模块化及适应各类工况条件的高端智能装备；三是推动制造与“产学研用”单位相结合，与重大工程项目相结合，提升煤机装备制造协同创新、联动发展和产业示范能力。
2 煤矿智能化建设的初步成效
近年来，国家能源局、国家矿山安全监察局会同有关部门，以及各重点产煤省区和广大煤炭企业，深入贯彻党中央、国务院重大决策部署，积极推进新一代信息技术与煤炭产业深度融合，煤矿智能化建设取得积极进展，已成为行业内一项具有高度共识、颇具市场活力、企业积极拥护的创新型工作。
2.1 示范建设大力推进
为了加强示范引领，国家能源局组织遴选了71处国家首批智能化示范建设煤矿，总产能近6亿t，计划投资156亿元左右，目前平均投资完成率达62%。据统计，2021年底前，全国已建成687个智能化采掘工作面。
2.2 产学研用融合发展不断深入
有关团体组织、中央企业联合成立煤矿智能化创新联盟、智能化装备产业联盟、协同创新中心和实验室等，跨界合作不断深入推进。中国煤炭学会、中国煤炭科工集团等27家单位成立了煤矿智能化技术创新联盟；华为公司与山西省、中国煤炭科工集团分别成立智能矿山创新实验室；国家能源集团与中国煤炭科工集团联合成立了智能化协同创新中心；中国煤炭机械工业协会、中国煤矿机械装备公司等29家单位成立了煤机装备智能化产业联盟；中国矿业大学(北京)专门开设了智能采矿工程、应急技术与管理、人工智能、大数据管理与应用这4个本科专业；山东能源集团联合中国煤炭工业协会在央视发布了全球首套矿用高可靠5G专网系统；煤矿智能化创新联盟发布《中国煤矿智能化发展报告》《5G+煤矿智能化白皮书》。
2.3 煤矿智能化政策加速完善
(1)完善顶层设计和支持政策。在顶层设计方面，国家能源局等八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，国家矿山安监局制定了煤矿机器人研发目录，山东、贵州、山西、内蒙、河南、河北等重点产煤省区先后制定了时间表、路线图、任务书，以点带面大力推进煤矿智能化建设[12]。在支持政策方面，对建成的智能化煤矿给予产能置换、矿井产能核增等方面的优先支持；对积极推广应用井下智能装备、机器人岗位替代的煤矿，在煤矿安全改造中央预算内投资安排上予以重点支持；将煤矿相关智能化改造纳入煤矿安全技术改造范围，探索研究将相关投入列入安全费用使用范围。
(2)健全法规制度和标准体系。在法规制度方面，将智能化发展写入《煤炭法》修订草案，纳入国家煤炭“十四五”规划，制定了示范煤矿建设、专家库管理、建设指南、验收办法等制度文件，建立了智能化发展协调机制，为智能化发展提供了依据和保障。在标准体系方面，2021年在智能化综采工作面、煤矿5G通信、煤矿机器人、露天煤矿无人驾驶等多方面启动了标准制定工作，发布了能源行业标准5项、立项能源行业标准14项，立项中国煤炭工业协会团体标准22项，立项中国煤炭学会团体标准51项，初步搭建了智能化煤矿建设技术标准体系。各省煤矿智能化建设政策文件见表1。
表1 各省煤矿智能化建设政策文件
省份政策文件名称山西省山西省煤矿智能化建设实施意见全省煤矿智能化建设评定办法(试行)全省煤矿智能化建设基本要求及评分方法(试行)2021年度全省深入推进煤矿智能化建设工作方案内蒙古自治区关于加快全区煤矿智能化建设的实施意见内蒙古自治区推进煤矿智能化建设三年行动实施方案内蒙古自治区煤矿智能化建设验收办法(试行)内蒙古自治区煤矿智能化建设基本要求及评分方法(试行)黑龙江省黑龙江省加快煤矿智能化发展的实施意见吉林省关于进一步推进煤矿智能化建设的通知河北省河北省推进煤矿智能化发展的实施意见关于进一步推进河北省煤矿智能化建设和防冲击地压工作的意见关于进一步明确全省煤矿智能化建设任务有关事项的通知河南省河南省煤矿智能化建设实施方案关于加快全省煤矿智能化发展的实施意见河南省煤矿智能化建设三年行动方案(2021-2023年)关于进一步强化全省煤矿智能化建设工作的通知
续表1
省份政策文件名称山东省山东省煤矿智能化建设实施方案关于进一步加快全省煤矿智能化建设工作的通知山东省煤矿智能化验收办法(试行)关于加快推进全省煤矿智能化发展的实施意见陕西省陕西省煤矿智能化建设指南(试行)新疆维吾尔自治区新疆维吾尔自治区煤矿智能化建设实施方案安徽省关于加快煤矿智能化发展的实施意见安徽省煤矿智能化建设验收办法(试行)贵州省深入推进贵州省煤矿智能化、机械化升级改造攻坚方案(2019-2020年)贵州省煤矿智能化发展实施方案(2020-2025年)贵州省智能煤矿建设指引(试行)贵州省智能煤矿评定办法(暂行)云南省云南省加快煤矿智能化发展实施意见宁夏回族自治区宁夏回族自治区煤矿智能化发展实施方案宁夏支持煤矿智能化发展的若干政策措施宁夏智能化煤矿建设标准甘肃省加强全省矿山企业本质安全体系建设的实施意见关于做好矿山智能化建设改造工作的通知甘肃省推动安全技术进步和产业升级转型指导意见
3 煤矿智能化建设存在的问题
3.1 基础理论薄弱、研发滞后
煤矿智能化建设是一项跨学科、跨领域的复杂系统工程，目前的煤矿智能化建设还处于初步发展阶段，理论指导和依据仍不完善，还有很多关键性的技术问题亟待解决。具体包括井下低功耗、高精度、高可靠传感器研发；井下综采设备的精准定位、导航等关键技术攻关；井下巷道智能掘进、支护、超前探测、除尘等一体化成套技术与装备；煤矿物联网技术与未来通信技术、大数据、云计算等技术的融合发展等。
3.2 相关技术标准和规范不健全
我国煤矿智能化建设起步较晚，相关标准较少，因此煤矿在信息化、智能化设计及建设时，缺乏相关标准的指导与约束，各系统及各设备之间互联互通性较差，不能全部实现横向、纵向系统信息共享，未形成具备兼容性、通用性、科学性、先进性的统一集成应用平台，“信息孤岛”现象未得到彻底解决[13-14]。
3.3 核心技术装备支撑不足
由于煤矿井下地质条件复杂多变，煤矿智能化装备无法满足常态化高效生产，主要表现在设备的适应性不强、可靠性与控制精度不高、感知能力不足等方面。还需要不断地加以研究，提升设备的可靠性，以适应各种条件下的生产。
3.4 与智能化匹配的高端人才匮乏
煤矿智能化建设涉及矿业工程、自动化工程、信息工程、机器人以及人工智能等多学科，迫切需要与之匹配的高端人才。高校人才培养需要周期，企业间成熟人才引进存在壁垒，同时煤炭企业人才培养机制缺少持续性和完整性。因此，缺乏专业人才成为制约煤矿智能化建设和发展的关键因素之一。
4 中煤能源集团煤矿智能化建设实践
中煤能源集团(以下简称“中煤集团”)主营业务涉及煤炭生产贸易、煤化工、发电、煤矿建设、煤矿装备制造以及相关工程技术服务，涵盖煤炭全产业链，肩负保障国家能源安全的重要使命。中煤集团产业现状如图1所示。
图1 中煤能源集团产业现状
中煤集团现有生产及在建矿井70余座，总产能达到3亿吨级规模，分布在全国10多个省区，基本覆盖了各类复杂地质条件，矿井灾害类型多、地理分布散、条件差别大，煤矿智能化建设具有典型示范意义。此外，中煤集团在煤矿设计建设领域处于国内领先地位；在煤机装备领域，技术水平突出、覆盖范围广泛；在科研攻关方面，中煤能源研究院、中煤装备研究院、中煤天津地下工程智能研究院等技术创新团队持续发力。总体来看，中煤集团在煤矿智能化建设中具有产业链全面、煤炭资源丰富、深度契合“两商”发展战略等优势，但在智能化顶层设计、人才引进培养、核心技术研发等方面还需要不断加强完善。
4.1 煤矿智能化建设进展
(1)全面强化保障能力。在组织机构方面，集团公司、二级企业、煤矿通过成立煤矿智能化建设领导小组、组建工作专班等方式专责推进；在政策标准方面陆续制定了出台《加快煤矿智能化建设指导意见》《煤矿智能化发展专项规划(2021-2025)》，发布了《智能化煤矿信息基础设施建设标准》等5项首批企业标准，为煤矿智能化建设提供指导和依据；在资金投入方面，2021年煤矿智能化建设项目252 项，投资32.01亿元，2022年投资将超过50亿元，保障煤矿智能化建设顺利推进；在人才培养方面，大力充实基层队伍，依托智能化项目实践，推进智能化培训常态化，以提供人才支撑。
(2)大力开展科技攻关。启动实施的煤矿智能化重大科技专项总经费超过9亿元，持续开展“首台、首套、首次”技术装备的应用探索；成立中煤装备研究院等专业研发机构，形成“四层三平台”智能开采自主核心技术架构；持续开展产学研协同创新，发起成立中煤智能化联盟。
(3)深入推进重点工程建设。全力推进6处国家级、12处省级首批示范煤矿建设，其中门克庆煤矿、姚桥煤矿已通过所在省份组织的验收；2021年集团公司累计建成41个智能化采煤工作面、220余个智能化辅助生产系统，井下固定岗位全部实现无人值守，形成了各类煤厚条件、地质条件和开采工艺条件下的智能化开采模式；在王家岭煤矿等8处煤矿自主研发应用了井筒巡检、辅助接管、智能喷浆等煤矿机器人。
4.2 煤矿智能化建设重点任务
(1)全面推进生产智能化。推动“云大物移智”新一代信息技术与企业生产活动深度融合，开展设备智能物联、精准控制、智能决策和工业机理优化等智能化建设，构建具备中煤特色的新一代智能生产能力，提升安全、高效、绿色、智能生产水平。计划到2022年底，集团公司所属矿井全部实现智能化生产，采煤工作面智能化实现地面集中控制，掘进工作面智能化实现掘进姿态监测、远程操控，固定岗位实现地面集控，建成15处以上智能化煤矿；到2025年底，集团公司所属煤矿全面实现智能化，实现井下工作面常态化无(少)人生产，实现井下危险、繁重岗位机器人替代，建成一批“单班百人”矿井，打造中煤集团特色的全要素智能化煤矿、智慧化矿区。协同煤矿智能化建设进程，推进装备制造产业以智能产品、柔性制造、个性化定制和智能车间为特征的智能制造转型进程。
“十四五”期间，完成48座智能化井工煤矿建设，其中高级智能化煤矿5座，中级智能化煤矿6座，初级智能化煤矿37座；完成7座智能化露天煤矿建设，其中高级智能化煤矿1座，中级智能化煤矿2座，初级智能化煤矿4座。中煤集团智能化煤矿建设规划分布如图2所示。
图2 中煤集团智能化煤矿建设规划分布
(2)加快建设“数字中煤”。以工业互联网平台建设为总抓手，全面推进管控数字化、生产智能化、业务协同化、产业生态化、数据资产化，为集团公司关键业务精准赋能，打造以“一朵工业云、三大技术平台、四大产业链、N个场景化应用”为主要特征的“数字中煤”。开展集团级云数据中心建设，逐步构建工业互联网平台，全面加快工业互联网平台数据、网络和信息安全等基础能力建设。构建业务标准化、标准流程化、流程表单化、表单协同化的跨业务、跨产业、跨企业协同体系，提升应用融合、流程协同、数据共享能力，促进业务高效协同。构建集团公司及各业务板块的智能生产(制造)能力成熟度模型，在各产业板块部署完成基于云边协同的新型智能化典型应用场景，实现跨业务环节数据共享，提升智能化生产水平。导入数据管理成熟度模型，从数据标准、架构、应用、安全、质量等方面，全面优化完善集团数据管理体系，充分挖掘数据资产价值。
(3)持续强化关键技术攻关。加强煤矿安全高效绿色开采技术研究。在露天煤矿的开采长远接续、剥离运距、生态环保，井工煤矿的绿色开采、深部矿井无煤柱充填式开采、深部瓦斯突出煤层井上下立体联合防控、高承压水条件安全高效开采，瓦斯抽放关键技术、极软厚煤层煤巷支护技术、老窑采空区复杂条件下安全高效开采技术等方面，力争取得技术突破。加强煤矿建设关键技术研究，重点开展超深立井快速建井技术、立井智能化掘进技术、自动化竖井掘进机关键技术装备、超长斜井冻结施工技术、智能化探掘支锚运一体化技术、地下空间开发利用技术、TBM施工工艺、BIM应用等技术研究，不断提升竞争优势。加强煤机装备高端智能化技术研究，尽快在采掘装备控制系统开发、关键电器件、新型材料替代等方面取得突破，科学制定安全高效、绿色智能成套采掘装备解决方案，紧跟智能化发展方向，关注颠覆性技术进展[15]。
(4)着力提升自主创新能力。积极推进中煤能源研究院、中煤天津地下工程智能研究院、中煤装备研究院、中煤煤化工研究院4家研究院建设，打造功能突出、特色鲜明、专业一流的能源央企研究院。持续强化3家国家级和11家省级企业技术中心的创新主体作用，推进煤机装备、矿建施工等企业院士工作站建设，稳步组建博士后科研工作站。推动创新链与产业链深度融合，动态发布先进技术成果推广目录，有序推广应用新技术成果，在蒙陕、晋北、东部等地区推进建设一批科技成果转化与孵化基地。推动开放融通创新，加强与高校、科研院所、各类所有制企业的科技合作，深入推进军民融合发展，积极用好国际创新资源，以创新共同体、战略合作、项目联合体、人才交叉培养等多种方式，有效推动产学研合作发展。精准发挥市场与资金优势，探索以市场引技术、以资本换技术、产权入股、消化转化再创新的技术转化转移新路径。
5 结语
目前我国正在大力推进煤矿智能化建设，中煤集团作为唯一全产业链煤炭央企，应立足自身实际，充分发挥“两商”融合全产业链的优势，积极开展煤矿智能化建设，促进煤炭生产、装备制造、设计研发等业务协同发展，不断增强核心竞争力，引领并带动行业绿色低碳转型与高质量发展。
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Exploration and practice of intelligent construction in coal mine
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LI Zhiqiang, LI Gen.Exploration and practice of intelligent construction in coal mine[J].China Coal，2022，48(1):46-52.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.01.008
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