智能化技術：煤礦安全高效生產的保障

徐州中礦數字化礦山技術研究所所長 劉景勇

7 月28 日，國家能源局和國家煤礦安全監察局下發《關于開展首批智能化示范煤礦建設推薦工作有關事項的通知》（簡稱《通知》），從國家層面組織相關單位開展首批智能化示范煤礦建設。《通知》提出，到2021 年底，將建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦，初步形成煤礦開拓設計、地質保障、生產、安全等主要環節的信息化傳輸、自動化運行技術體系，基本實現掘進工作面減人提效、綜采工作面內少人或無人操作、井下和露天煤礦固定崗位的無人值守與遠程監控。

智能礦山是未來煤炭企業升級發展的必然趨勢，智能化技術將從根本上改變煤礦工人的作業方式和工作條件。近年來，我國對煤礦智能化技術進行了大量的研究，在井工煤礦采煤、掘進智能化工作面和露天煤礦遠程自動化采煤、無人駕駛等技術取得了突破性進展，對于提升煤礦安全生產水平、提升企業效率效益和保障煤炭穩定供應具有重要的意義。

智能化綜采工作面

2019 年10 月21 日，黃陵礦業集團有限責任公司聯合應急管理部煤礦智能化開采技術創新中心、華北科技學院發布了全國首個“智能化無人綜采工作面”企業標準（簡稱智能工作面標準），首次對“智能化無人綜采”“綜合智能化控制系統”“記憶截割”“自動跟機”“機架協同”“監控中心”“地面指揮控制中心”“井下監控中心”作出定義，創新提出了“智能化無人綜采工作面”技術標準，是煤炭行業首個關于智能化開采領域的技術標準，填補了國內煤炭行業智能化無人開采工作面標準的空白，達到了國際領先水平。

《通知》要求：采煤工作面液壓支架配備電液控制系統，采煤機和刮板輸送機具備狀態監測、遠程控制、故障診斷功能，乳化液泵具備流量調節功能，工作面各設備具備協同控制功能，已實現或部分實現遠程操控。

業內認為智能化綜采工作面系統的集成主要是以綜采工作面智能控制系統為核心，同時將采煤機控制系統、支架電液控制系統、工作面“三機”通信控制系統、運輸控制系統、泵站控制系統和供電系統進行集成，最終實現對綜合機械化采煤工作面設備的協調管理與集中控制。集成系統在地面的調度中心建立綜采工作面檢測控制平臺，以實現工作面的設備檢測、診斷和數據分析、數據發布等功能。

參照“智能工作面標準”，我國一些煤礦積極推行智能工作面建設。應急管理部辦公廳負責人李豪文近日透露，三年后，煤礦的采煤、掘井智能化工作面將由目前的280 處達到1000處，這部分煤礦的產能將占到10 億至15億噸。到2025年，大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現智能化。

目前我國建設智能化綜采工作面的有國家能源集團寧煤金鳳煤礦、黃陵礦業集團二號煤礦、同煤集團同忻煤礦、山能集團菏澤郭屯煤礦、淮河礦業集團張集煤礦等。

同忻煤礦實現智能化綜放工作面關鍵技術突破，一名工人可完成五名工人的工作量，達到“5G 下井，工人出井”。把井下放煤控制設備全部搬到了地面聯合樓創新工作室里，真正實現了井下放煤與地面操控同頻共振。智能化綜放工作面關鍵技術榮獲中國煤炭工業協會“千萬噸級綜放工作面關鍵技術及示范工程項目科學技術一等獎”。

同忻煤礦智能化工作面監控中心（圖片來源：大同新聞聯播）

國內第一個薄煤層智能工作面采煤現場（圖片來源：騰訊視頻）

2020 年6 月22 日，國家能源集團神東煤炭榆家梁煤礦43101 薄煤層綜采工作面貫通，成為國內首個貫通的智能化薄煤層綜采工作面。這里煤層厚度僅有1.0～1.7米，支架下供人行走的通道高約1.2 米、寬約0.8 米，上下兩邊都是液壓支架及設備構筑的“銅墻鐵壁”。在這個長達351 米的工作面上，井下的工作人員基本靠“鉆”“爬”“跪”。煤礦科研人員在“采煤機記憶割煤、支架自動跟機拉架、遠程干預控制”的基礎上，首創性采用“精確三維地質模型和掃描構建工作面絕對坐標數字模型的自主智能割煤”技術，較大程度解決了智能化開采煤巖無法識別的難題。另外工作面配有特種機器人代人巡檢，初步實現了工作面無人化開采，為國內外薄煤層和較薄煤層開采提供了技術依據和參考經驗。

目前智能化無人開采技術在煤礦已經逐漸常態化，這一技術成果的成功應用，為生產一線的工人帶來了諸多利好，安全性大大提高，主要表現在以下方面。

1.采煤工作面液壓支架配備電液控制系統徹底顛覆了過去的工作方式，在黃陵一號礦，原來五人的作業量現在一人就可以完成，遠程干預作業方式、自動跟機作業代替了原來的穿梭支架作業方式及人工操作，職工勞動強度大幅減輕，工作效率大大提升。避免了過去井下操作時各種自然災害的威脅，將采煤機司機從危險的環境中解放出來，改變了煤礦工人的行業形象，也提升了安全系數。

2.故障診斷預警及時排除故障。以前井下大型綜采設備監測監控系統不完善，設備出現故障，很難在第一時間查出故障點，需要停機檢修，影響正常生產。現在設備出現故障預警或因故障停機后，檢修工根據綜采工作面“三機”故障診斷系統很快判斷設備的故障點在哪里，第一時間排除故障，確保設備正常開機，保證原煤正常回采。

3.安全管理與生產效率雙提升。“智能化技術的運用，將工人從直接面對高風險的環境和高強度的體力勞動中解放出來，既保障了員工安全，也提高了生產效率。”貴州發耳煤業有限公司總經理肖國強說。現在全方位、全過程、全時刻、多視角的掌握井下生產動態代替了過去跟班隊長匯報井下生產動態，遠程干預、超前預控管理代替了依托人的現場管理方式，生產任務也在安全系數更大的環境下輕松完成。

智能化掘進工作面

《通知》要求：掘進工作面設備具備狀態監測、故障診斷和自動控制功能。

近年來，相對于國內煤礦輔助生產系統和綜采技術裝備自動化、信息化、智能化的快速發展，掘進智能化技術進展相對緩慢。這與兩者的工作環境有一定關聯。一般而言，掘進比開采面臨的環境要復雜得多，在行業內，采掘工期比例一般為1:3，工序比較繁雜，包括截割、支護、運輸、通風除塵、安全管控等工序，智能化也更難展開。國內研究掘進智能化的科研院所和企業目前大多側重于實現視頻管理功能與遠程監控功能，相對而言，掘錨一體化、掘支運三位一體高效快速掘進系統則取得一定程度的工藝與裝備創新。

國外煤礦掘進工作面技術裝備仍處于半自動化水平，目前尚無智能快速掘進成套技術與裝備。國內在重型掘進機、連續采煤機、全斷面掘進機研制和應用方面有一定突破。掘進自動化技術在遠程可視控制、自動截割輪廓成形控制、遙控、工況監測等技術方面有一定突破，但智能掘進技術工業化應用尚未取得實質性突破，成套智能快速掘進裝備應用尚處在起步階段。目前國內代表性的設備及系統有中國鐵建重工快速掘錨成套裝備、三一重裝遠程智能控制掘進機、中國煤炭科工集團太原研究院“掘支運三位一體高效快速掘進系統”、山西科達自控“掘進工作面遠程監控系統”。高效掘進技術在國能、中煤、陜煤、河南能源、山能集團等公司項目的不同地質條件下有示范應用。

國內首臺套智能煤礦掘進機下線 （圖片來源：湖南經視）

裝備遠程智能控制系統的掘進機 （圖片來源：三一重裝）

隨著智能化技術在現代工業的廣泛應用，三一重裝國際控股有限公司開始著力研發無人化、自動化、智能化的礦用設備，并在2019 年正式推出了掘進機遠程智能控制系統。2019年末，掘進機遠程智能控制系統在河南能源化工集團趙固二礦11012工作面正式投入使用，開辟了全新的掘進工作模式。

2020 年5 月，河南省首個智能化掘進工作面，趙固二礦11012上順槽掘進工作面通過驗收。該工作面利用可視化技術，全方位展現掘進工作面場景，以激光指向為基準，自動規劃截割路徑及控制，并對截割軌跡實時監測、截割斷面自動定位，實現作業人員遠離危險作業區域，在遇到水、火、瓦斯等重大災害事故時，可最大程度減少人員傷亡，減少作業人員接觸煤塵時間，降低職業病發病率。同時實現了掘進自動化、成巷標準化，開辟了全新的掘進工作模式。

智能化掘進工作面項目的成功應用，為國內綜掘智能化建設提供了示范工程，提高了我國煤機裝備的智能化水平，為綜掘工作面最終實現煤礦巷道掘進施工的少人化、無人化奠定技術基礎。

中國煤炭科工集團首席科學家王虹提出：充分運用5G、云計算、大數據、物聯網、人工智能，打造協同、智能、高效、安全的智能掘進工作面。未來智能化無人掘進可分兩步走：一是可視遠程干預、智能自適應，二是利用動態支護、掘錨機器人、煤礦盾構、大巷遠程控制技術打造智能開采、掘進先行的新趨勢。

露天煤礦自動采礦和無人駕駛技術

《通知》提出：露天生產礦智能化生產系統應實現動態調度，采場設備具備協同控制功能，采場爆破實現遠程監控和危險預警，運輸車輛具備實時定位功能，煤流運輸線實現集中控制，排土和卸煤設備具備狀態監測和故障診斷功能。

2020年3月，國家發展改革委員會等八部委發布了《關于加快煤礦智能化發展指導意見》，其中提到：到2025 年，大型露天煤礦實現智能連續作業和無人化運輸。通過礦用無人駕駛車輛的應用，構建無人駕駛作業集群，可以有效減少工程現場作業人員數量，提升人員安全水平，減少甚至杜絕礦區運輸環節的安全生產事故。

礦區無人駕駛車輛主要指的是無人駕駛礦卡，該產品作為智慧礦區的一個子模塊，解決礦區的運輸問題，直接關系到礦區的采礦效率，所以礦區都非常重視。一方面無人駕駛可以減少礦區的安全事故，另一方面可以改善司機的工作環境，減少司機的人員成本。

美國卡特彼勒公司在1996 年推出了第一輛無人駕駛礦用卡車，無人駕駛技術便開始在國外礦山建設開發中得到應用和發展。近年來，國務院和相關政府主管部門陸續頒布了多項鼓勵礦山信息化、數字化和無人化建設的發展規劃，越來越多的中國公司加入礦用無人駕駛車輛、技術方案的開發。隨著人工智能技術、傳感器性能、通訊速度的迭代升級，無人駕駛技術和車輛已經在內蒙古、新疆、河南等地的多個礦區落地運營。

國家能源集團、中煤集團、華能集團、河南能源化工集團等數十家礦業生產企業都已經在積極探索智慧礦山，部署“5G+無人駕駛”示范試點應用。礦用無人駕駛運營方面，與國外主要由重型機械制造商主導不同，在國內，這個市場涌現出易控智駕、踏歌智行、躍薪智能、盟識科技等多家礦用無人駕駛科技公司。

博雷頓電動智能裝載機：電動化+平行駕駛（圖片來源：博雷頓新能源）

盟識（上海）科技有限公司與博雷頓科技有限公司聯合開發的無人駕駛純電礦卡（型號為BRTI95E），是礦山行業最主流的百噸級寬體礦卡車型，長9.3米，寬3.7米，高4.4米，標載65噸。BRTI95E額定輸出功率420千瓦，動力充沛、無換擋沖擊、駕駛平穩連貫，非常適合無人駕駛控制。標配350.1千瓦時磷酸鐵鋰電池，充電時間約1小時，在重載下坡工況可以實現1天以上充一次電，節油率可以超過85%，對于能源消耗占比很高的礦山場景，配合無人駕駛技術，極具節能降本優勢。

鄂爾多斯依托5G技術的無人駕駛礦車投入運營（圖片來源：CCTV13）

崎嶇的路況，艱苦的條件，沉重的卡車，煤礦招聘運煤司機困難重重。無人駕駛+5G 技術，徹底解決煤礦的運輸難題。雷達和高清攝像頭是礦車的“眼睛”，北斗衛星導航系統為礦車指路，“云端大腦”保障生產安全有序，礦產資源開采迎來智能時代。

在鄂爾多斯達拉特旗一家露天煤礦，數十輛無人駕駛礦車在礦區穿梭，完成礦產運輸。據了解，這是一種基于5G 技術的無人礦車駕駛系統，技術人員可以一人操控多車在固定路線進行無人駕駛運輸。露天礦無人駕駛技術的應用解決了以下安全生產中的問題。

1.減人提效。大部分露天礦作業環境惡劣、危險系數高，招募運輸司機和管理比較困難。礦車無人駕駛技術可以很好解決這一問題，不僅能節約司機工資和后勤管理成本，同時車輛利用率和作業效率亦有大幅度提升。比如澳大利亞礦業技術集團在2017 年初稱，在其礦上，人工駕駛每輛礦卡每年可工作5500～6000小時，而在無人化后每年能工作7000小時。在節省司機成本、提升車輛效率的同時，無人駕駛車輛燃料和維護成本也大幅降低。據澳大利亞鐵礦石出口商FMG集團測算，其137臺自動駕駛礦車生產效率比傳統人工運輸提升了30%。巴西著名鐵礦石生產和出口商淡水河谷公司給出的數據是：無人駕駛還可使燃料成本下降10%以上、使車輛維護費用降低10%、使輪胎磨損降低25%。

2.符合綠色礦山建設要求。我國綠色礦山建設要求露天礦山建設有無人駕駛礦車系統。無人駕駛系統還能幫助礦山企業優化業務管理流程，提升整體生產經營管理和決策水平；形成集中管控，對汽車運輸、協同生產、應急處理等生產過程進行全面監測和集中控制；優化剝離、采裝、運輸和地面生產過程，提高資源利用率，實現節能減排、綠色開采。

煤礦大腦，用智能化守護安全生產

《通知》要求：煤礦信息管理網主干網絡傳輸速率應不低于1000兆比特每秒；已建成或部分建成集生產、安全、調度、設備管理、人員位置、洗選、儲裝運等為一體的煤礦綜合管控信息平臺，具備對井上下各系統統一協調管控的條件。

近年來，智能化建設的新高潮正在全國興起，企業的積極性空前高漲，走智能化發展道路是所有產業的最佳選擇。在煤礦智能化的浪潮下，由精英數智科技股份有限公司與華為、煤科院聯合打造的“煤礦大腦”已在多地多礦投入使用，“煤礦大腦”通過先進的云、邊、端一體化架構打造煤礦安全態勢感知與信息共享體系化協同的“大腦”，依托人工智能視頻識別和智能感知技術，實現煤礦安全隱患智能感知及告警、決策，解決煤礦安全生產問題，智能守護煤礦安全生產，實現無人則安，少人則安。

煤礦大腦解決方案架構 （來源：精英數智）

煤礦企業安全生產過程中，工作過程不透明，固有風險大且隨時變化，“人管人”存在人情、腐敗、懈怠、造假等風險，同時人員長時間從事枯燥繁重易工作，容易懈怠出錯，導致人員“三違”行為時有發生。現有的自動化、信息化監控系統存在監控盲區，無法做到類人判斷，不能真正對煤礦生產過程安全隱患進行精準判斷、動態監控，導致傷亡事故時有發生。

“煤礦大腦”秉持“使人遠離危險、看護人、保護人”的人文精神，解決煤礦安全問題。智能感知煤礦生產過程中人員“三違”行為，設備運行狀態，作業環境變化等安全隱患，解決煤礦安全生產管理難題，通過智能感知突破現有自動化、信息化瓶頸，促進煤礦智能化安全生產。

煤礦大腦—采煤工作面智能監測系統 （來源：精英數智）

煤礦大腦—掘進工作面智能監測系統 （來源：精英數智）

以山西省為例，引入“煤礦大腦”后，省內眾多煤礦企業率先實現了煤炭智能化，并實現了“降本增效”的綜合效益：AI 分析算法從云端下發的礦點，實時風險預警，識別率已達到98%；集中監管分礦點IT基礎設施，運維成本降低65%；整柜一體化全棧IT 設備，開局成本降低75%，真正幫助煤炭行業保障安全生產，最終實現整個產業的智能化升級。

用科技創新驅動高質量發展，是煤炭行業貫徹新發展理念、破解行業發展難題的關鍵。我國多種類型、不同模式的智能化示范煤礦正在積極建設，基于智能感知、智能決策、自動執行的煤礦智能化體系正在形成，通過智能化技術，加速實現減人提效，推動煤礦安全、高效、綠色發展。