“中國制造2025”背景下中厚煤層智能開采技術發展方向

宋振騏夏洪春盧國志(1.山東科技大學礦山重大災害預防與控制省部共建實驗室，山東青島266510；2.大連大學建筑工程學院，遼寧大連116622；3.大同煤礦集團有限責任公司，山西大同037003)

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“中國制造2025”背景下中厚煤層智能開采技術發展方向

宋振騏[1]夏洪春[*2,1,3]盧國志[1]
(1.山東科技大學礦山重大災害預防與控制省部共建實驗室，山東青島266510；
2.大連大學建筑工程學院，遼寧大連116622；
3.大同煤礦集團有限責任公司，山西大同037003)

摘要文章以“中國制造2025”發展目標為背景，依據煤炭產業的發展規劃，提出中厚煤層智能化開采是煤炭產業適應“中國制造2025”的發展方向。深入分析了技術方案的目標、及研究內容，并對技術方案提及的相關技術問題做了深入的分析，提出了各技術問題的發展方向及問題關鍵。論文的觀點對中國煤炭產業智能化開采具有一定的借鑒價值。

關鍵詞中國制造2025；中厚煤層；智能化開采；煤炭產業

李克強總理在2015年《政府工作報告》中提出“中國制造2025”戰略，以應對新工業革命和科技變革的挑戰，5月19日，國務院印發《中國制造2025》，全面部署推進實施制造強國戰略[1]，這是我國實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領。“中國制造2025”將立足于我國轉變經濟發展方式的實際需要，圍繞創新驅動、智能轉型、強化基礎、綠色發展、人才為本等關鍵環節，以及先進制造、高端裝備等重點領域，實施加快制造業轉型升級、提質增效的重大戰略任務和重大政策舉措，力爭利用十年時間使我國從制造業大國邁入制造業強國行列。

煤炭產業作為我國的基礎能源產業，在相當長的一段時間內，其作為中國工業的基礎、中國能源的核心地位不會改變。實現“中國制造2025”，作為中國工業基礎的煤炭產業必須率先進行升級改造，以適應中國工業向自動化、智能化方向轉變，這是技術發展的趨勢，也是安全生產的要求[2]。目前，工作面智能開采在國內某些特殊的地層中有所實現，如頂板比較完整、地質條件下對穩定的薄煤層開采中曾實現過智能化控制，但是對于我國存量接近45%的中厚煤層，由于受到地質條件特別是采動條件的影響，要想實現完整意義上的智能開采，不但要從煤礦開采的機械化、自動化、信息化等技術方面入手，還需要從采煤重大安全隱患的預防與控制等理論方面展開深入研究。

本文從實現“中國制造2025”的視角，立足實現在中厚煤層條件下的智能開采，構建其理論體系與技術體系。

1中厚煤層智能開采技術體系建設的目標

1.1中厚煤層智能化開采發展方向

在深化“實用礦山壓力控制理論”的基礎上大力推進采掘工作面生產過程的機械化和和自動化，突破傳統管理模式的束縛，實現煤礦安全高效生產和環境災害控制決策（設計）和實施監控（管理）的信息化（在可靠的地理地質信息和不同采動條件下巖層運動和支承壓力分布動態信息基礎上決策）、智能化（依靠正確的決策理論和模型計算機決策）和可視化（形象化輸出決策結果）。切實把煤礦安全生產和環境控制從依靠統計經驗決策條例管理的模式推進到依靠正確的思想理論指導和現代高端技術保證，針對具體煤層條件和開采技術條件科學定量的發展階段。也就是要把采掘工作面生產推進到以控制煤礦重大事故和環境災害為目標，依靠正確的思想理論指導和現代高新技術保證的智能化發展階段。我國航天、航海等地表以上的空間技術成就和現代化礦井綜采技術發展成就和管理水平，奠定我國實現井下智能化開采的基礎。通過煤礦實現智能化開采目標將進一步推進我國機械化制造業、信息化產業以及相關產業的發展，已經成為我國現階段國家工業化和國民經濟發展的客觀需要。可以說，實現井下智能化開采已經成為我國現階段工業化發展的火車頭。

1.2我國煤礦智能開采特點

國內煤礦的黃金十年，也是煤礦安全與技術飛速發展的十年，為實現煤礦安全高效生產，煤礦開采科技創新研究工作取得了很大的成績，已使得我國煤炭開采水平接近或部分達到了世界領先水平，出現了具有世界一流的現代化礦井（如大同的塔山及同忻煤礦、神華的神東煤礦等）。但是也應該看到我國也有生產技術比較落后的煤礦（年產15萬t以下的地方煤礦）。煤礦要想實現智能化，需要首先實現安全開采的機械化、信息化與自動化[3]。目前我國年產百萬噸以上的礦井基本實現了機械化，但是對于煤礦信息化與自動化的建設不同的礦山差別較大，實現煤礦智能化開采還有很多需要研究的課題。

中厚層智能化開采的最大特點，就是能夠根據不同的地質條件與開采條件，現場的采煤與掘進必須做出相應的調整，必須適應隨采場推進上覆巖層運動和應力場不斷變化的工程特點，另外，每一礦井即使開采同一層煤，不同開采區段由于地質和開采技術條件的不同，覆巖運動破壞情況和應力大小分布狀況，往往具有成倍數量級的差異。因此，將針對某一開采區域和區段的正確決策結果簡單的推廣到另外區域，甚至是相鄰區段，都有可能出現事故和造成經濟損失。同樣對于既定開采區段，如果沒有搞清工作面推進巖層運動和應力場變化的全過程，無論是工作面推進中的安全高效決策措施，還是圍繞該工作面開掘和維護巷道安全高效決策(包括巷道開掘位置和開掘的時間等)也都有可能出現錯誤。

中厚煤層智能開采，是一項涉及地質、開采技術條件諸多因素，需要較高的學科理論和實踐基礎，需要應用現代信息技術手段的系統工程。因此，在完善與掌握采場上覆巖層運動和應力場應力大小分布為核心的煤礦智能開采決策理論基礎上，實現煤礦開采理論與現代信息技術的結合，把煤礦智能開采決策和實施管理推進到信息化(在可靠的地理、地質和開采技術信息基礎上決策)、智能化(多目標、多方案、計算機自動決策)和可視化(形象化分析和輸出結果)發展階段，是我國煤礦的緊迫任務。

1.3中厚煤層智能開采技術體系建設的目標

中厚煤層智能開采發展方向需要適應“中國制造2025”的近期目標，在“中國制造2025”目標的指引下，煤礦工業開采工具的機械化、自動化與智能化將是未來一段時間煤礦技術革新的重點，為此煤礦工業的技術發展也需要提出自己的發展目標。

中厚煤層智能開采建設目標應遵循“國際先進、國內領先”的總體目標和“整體規劃、分步實施、重點突破”的總體建設原則，中厚煤層智能開采技術體系建立的目標是在煤礦綜采工作面中基本實現“生產過程自動化”、“安全監測數字化”、“企業管理信息化”、“信息管理集約化”的智能化礦井。

2中厚煤層智能開采的技術體系結構

中國煤礦經歷了黃金的十年，中國經濟結構也進入了深度調整期，“去庫存、壓產能、調結構、重環保”的理念將是今后煤炭產業發展的方向。煤炭產業現進入了微利時代，地質條件復雜多變、開采成本高、安全隱患居高不下的礦區將逐步減少，未來一段時間煤礦的發展將集中在地質相對簡單、綜采機械化程度高、地表環境影響較小的中西部中厚煤層或者厚煤層礦區，煤礦智能化開采將會占據行業主流。煤礦開采智能化，關鍵是要建立和完善一套對礦井作業過程和環境狀況進行系統科學的實時動態監測、分析以及有效控制的技術體系，以數字化、信息化、虛擬化和集成化為基礎，實現計算機網絡管理的管控一體化的智能化開采。

中厚煤層智能開采技術體系的構建以覆蓋全礦的傳感器網絡和大容量的綜合通信網絡為基礎，控制中心處理生產過程中產生的數據,確保連續實時監控、生產優化、遠程控制以及自動運行[4]。中厚煤層智能開采技術體系是一個復雜的系統工程，它是不同領域技術的交叉和綜合，需要投入大量的人力、物力和財力，就目前采煤工作面開采技術現狀來看，它包括很多子系統，按其功能流和數據流可將其分解為：信息化與自動化技術體系和開采技術體系。其中信息化與自動化技術體系的構建包括了數據標準建設、通訊體系建設、傳輸協議建設和數據綜合分析流程建設；開采技術體系涉及了采煤技術體系、掘進技術體系、安全保障技術體系、安全事故預測預報技術體系、機械化與自動化基本技術體系等相關內容（見圖1）。

圖1中厚煤層智能開采技術體系結構

中厚煤層綜采工作面智能開采技術建立在高度發展的科學技術和中厚煤層特殊應用背景之上，有其自身特征主要有安全性高、傳統工藝和自動化技術的結合、科學采礦技術、高度自動化、信息化、高產、高效、推動煤炭企業管理革新等五大特點。

同時，智能開采技術體系建設中需注意井下開采條件復雜多變；生產和工作環境惡劣；安全性和可靠性要求高；采掘業生產條件復雜及不可預見因素多，生產平衡及安全控制管理的難度較大；煤炭行業整體經濟效益不佳及科學管理基礎條件差和信息化意識落后，在一定程度上限制企業管理信息化的開展；煤礦井下作業范圍廣，控制系統復雜；井下移動設備多，要求相應的控制設備及網絡設備也隨之移動，對自動化系統和網絡系統的設計、系統的可靠性和開放性提出了更高的要求。

因此，中厚煤層智能開采技術體系建設要充分考慮多因素影響，建成以及事故災害發生時人身防護功能與一體的“智能化開采指揮中心”，并實現煤礦安全高效生產和環境災害控制決策。

3信息化與自動化技術體系

3.1信息化與自動化技術體系的主要內容

實施中厚煤層綜采工作面智能開采之信息化與自動化技術體系的建設，在內容上主要涉及數據標準建設、通訊體系建設、傳輸協議建設、數據分析處理技術體系建設。

數據標準建設可以從數據接口的標準化、系統數據的標準化、通訊體系建設、數據分析系統標準化四個方面展開[5]。具體建設內容如圖2，3，4所示。

圖2數據標準建設結構

圖3通訊體系建設結構

圖4中厚煤層智能開采技術體系結構

3.2信息化與自動化技術體系建設中注意問題

目前在中厚煤層綜采工作面實施信息化與自動化戰略過程中應注意以下六個方面：

（1）自動化子系統盡量避免相對獨立、功能分散、管理不集中、信息不能互通的情況，避免形成“信息孤島”以造成資源的浪費。各子系統之間要做到彼此之間的協調工作，實現各個系統接口的聯結，使生產效力進一步提升。

（2）材料要避免浪費，各個系統要進行綜合性布線，通訊線路的構建不能重復投資建設，降低和減少系統維護量，提高系統的整體可靠性，方便于維修。

（3）綜合利用技術資源，各個自動化系統都共享的組態軟件和專業技術人員，降低投資的成本。

（4）各種自動化系統實現網絡共享，統一監測，統一調度，有利于生產力水平的提高。通過信息化和自動化的實現使信息能夠被綜合利用，從系統工程的角度來整體對礦山進行統一的自動化管理，有效的整合各種資源和發揮自動化集成的最大效益。

（5）成立明晰的綜合自動化建設組織單位，集中技術力量，配備專門的崗位工、修理工、巡檢工等以利于系統的正常維修和維護。

（6）抓好基礎設施建設。這是信息化與自動化工作開展的首要前提。這方面建設在整個礦井信息化與自動化建設中是最簡單的，主要是各種設施設備的安裝和調試，可以通過實施信息化與自動化廠家的技術支持來實現，結合煤礦現有系統應用同時建成礦井綜合信息化與自動化平臺，作為實施此項工作的中樞指揮系統，正如建設信息化系統號稱的是只要想到就可以實現。

4安全開采技術體系

安全開采技術體系主要涉及采煤技術體系、掘進技術體系、安全保障技術體系、安全事故預測預報技術體系、機械化與自動化基本技術體系。

4.1采煤技術體系

目前，煤礦井下開采技術日益趨于機械化、智能化和集約化。礦井采煤技術現階段主要圍繞采場圍巖控制技術、對巷道布置進行優化，減少矸石排放的開采技術、中厚煤層開采技術等方面展開。

在深化回采工作面頂板控制理論的基礎上，研制具備發送支架所在工作地點安全工作環境信息、設備工況信息，以及與可能事故相關的頂板運動和煤層壓縮（支承壓力分布）動態信息，實現操作過程遙控的“支護機器人”（智能綜采支架）和“挖底充填機器人”（智能挖底充填綜掘機）裝備薄及中厚煤層回采工作面，杜絕頂板事故和相關聯的瓦斯、沖擊地壓、頂板透水、底板突水等重大事故。有效地解決數以千計的中小型煤礦采用傳統綜采難以承擔的高額資金投入，以及因拆裝搬家困難，不能適應多變的煤層地質條件造成的高成本、低效益的局面[6]。

在深化巷道礦壓控制理論的基礎上，研制巷道“挖底充填機器人”（智能挖底充填綜掘機），以及在具備發送工作地點頂板下沉、煤層壓縮和瓦斯壓出等動態信息，保證杜絕老塘（采空區）透風和有利于瓦斯抽放、注氮防火工藝實施，具備讓壓可縮功能的充填墻體結構方面取得突破的基礎上，實現“無煤柱護巷開采”成套技術的智能化[7]。

在深化實用礦山壓力控制理論的基礎上，建立隨采場推進在回采巷道外側，根據無線通訊和電液遙控操作距離的要求和方便工作人員及時進入工作地點視事的需要，聚事故預測、控制決策、實施監控，以及事故災害發生時人身防護功能與一體的“智能化開采指揮中心”（井下前線指揮部），并完成相關信息采集系統和決策軟件開發任務[7]。

4.2掘進技術體系

掘進和回采是煤礦生產的重要環節，采掘技術及其裝備水平直接關系到煤礦生產的能力和安全。高效機械化掘進與支護技術是保證礦井實現高產高效的必要條件，也是巷道掘進技術的發展方向。目前我國煤礦巷道掘進技術主要有綜合機械化掘進、連續采煤機快速掘進與掘錨機組掘錨一體化掘進技術(如圖5)。

圖5我國煤礦巷道掘進技術

提高巷道掘進配套技術水平是智能化開采掘進技術發展的方向。主要從發展綜合機械化掘進自動控制技術、掘進工作面配套綜合除塵系統、煤巷快速掘進的地質保障關鍵技術與全面推廣錨桿支護技術四個方面展開。

4.3安全保障技術體系

井下安全開采災害預警與應急預案是井下采煤安全保障系統內容之一。為了確保智能開采過程中的安全性，需建立安全保障體系，保障體需要從災害預警、應急救援組織機構及職責、災害性事故預警及應急響應、后期處置和保障措施等（如圖6）。

圖6安全保障技術體系

4.4安全事故預測預報技術體系

實現煤礦智能開采，需改變目前被動的、經驗式的安全管理模式，進而實施主動的、全面風險預警的安全管理模式是有效的解決中國目前煤礦事故頻發的關鍵。安全事故預測預報技術體系需要圖7中五個方面展開。

圖7安全事故預測預報技術體系

4.5機械化與自動化基本技術體系

綜采工作面自動化系統就是以液壓支架電液控制系統為核心，將礦井多設備控制子系統集成為集采煤、運煤、倉儲等為一體的綜合自動化系統，為實現礦井設備監測的自動化、生產過程控制的自動化、生產管理的網絡信息化等提供基礎。機械化與自動化基本技術體系如圖8所示。

圖8機械化與自動化基本技術體系

5結論

“中國制造2025”已經拉開帷幕，煤炭產業作為能源的基礎產業，這場技術革新必將對煤炭產業的生產產生深遠影響。本文根據中國煤炭發展趨勢，提出中厚煤層智能化開采是適應“中國制造2025”的必然方向。

文章對中厚煤層智能開采的意義、發展目標以及技術體系做了深入闡述，并對技術方案各個發展環節的發展方向、技術難題提出了看法與思路。

參考文獻

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宋振騏，男，1935年出生，院士，教授，主要研究方向為煤礦安全高效開采等方面的研究工作。

夏洪春，男，1978年出生，博士，講師，主要研究方向為礦山壓力與巖層運動。

Development Direction of Intelligent Mining Technology
of Medium-thickness Coal Seam Under the Background of "China-made 2025"

Song Zhenqi1Xia Hongchun*2,1,3Lu Guozhi1
(1. Laboratory of Mine Major Disaster Prevention and Control, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510；
2. Architecture Engineering College, Dalian University, Dalian, Liaoning 116622；
3. Datong Coal Mine Group, Datong, Shanxi 037003)

Abstract：Under the bckground of "China-made 2025" dvelopment goal, acording to the development plan of coal industry, medium-thickness coal seam intelligent mining that is the development direction of coal industry adapting to "China-made 2025" is put forward. The goal, research content and relevant technical problems of technical scheme are deeply analyzed, the development direction of various technical problems and the key problems are put forward. The point of the paper for the intellectualized mining of China coal industry has a certain reference value.

Key words：China-made 2025; medium-thickness coal seam; intelligent mining; coal industry

收稿日期：2016-01-30

作者簡介

中圖分類號TD823.25+2

文獻標識碼A

文章編號1000-4866（2016）01-0001-05

基金項目：國家自然科學基金(51574055、51374045、51374046)；山東省科技發展計劃(2014GGX101006)