世界一流煤礦建設的探索與實踐

高小強，任文清

(國家能源神東煤炭集團有限責任公司，陜西省榆林市，719315)

為了全面貫徹落實黨的十九大精神，增強企業核心競爭力，大力推進煤炭產業升級，著力推進技術創新，在企業結構調整中發揮排頭兵作用，國家能源集團神東煤炭集團公司在完成了安全高效千萬噸級礦井群建設后，迫切需要研究下一步煤炭產業革命與技術升級，保持其在煤炭行業的科技創新先鋒地位，引領煤炭產業的高質量發展[1-4]。

煤炭產業經歷了“十年黃金發展”和“五年市場低迷”后，近年來已進入穩步發展階段。當前建設世界一流示范煤礦，實現煤炭產業的高質量發展，關系到國家能源供應戰略與重要決策部署。一些學者對世界一流礦井建設進行了相關研究，翟桂武[5]對世界一流礦井建設進行探索研究，提出了世界一流礦井的路徑、預期目標和評價體系；周海豐等[6]提出世界一流礦井應達到的百萬噸死亡率、全員工效、單產、單進、回采率等32個關鍵指標。大柳塔煤礦深入全面貫徹國家能源集團“一個目標、三型五化、七個一流”發展戰略，以“安全、綠色、智能、高效”為目標，認真研究創建世界一流示范企業的決策與部署，在生產設計、技術裝備、安全管理、隊伍整合、規模、效率和環保等方面進行全面考量，探索創建世界一流示范礦井的新技術、新途徑、新措施，加快世界一流示范礦井建設步伐，引領煤炭產業由勞動密集向技術創新轉變、由高危生產向本安生產轉變、由粗放開采向集約開采轉變、由指標引領向標準引領轉變、由經驗管理向精益管理轉變[5-8]。本文以大柳塔煤礦為例，提出世界一流礦井的基本內涵、核心要素和關鍵指標，研究了煤礦高產高效、智能礦山和綠色礦山建設的新技術、新方法和新途徑。

1 世界一流礦井內涵

世界一流礦井是以信息化技術、數字化展示和智能化裝備為基礎，構建一流的安全保障體系，供應一流的優質產品，創造一流的經濟效益，突破一流的核心技術，培育一流的人才隊伍，發揮一流的黨建引領作用，建設以“安全、綠色、智能、高效”為目標的世界一流礦井，成為全球煤炭產業高質量發展的領軍者[5]。

世界一流礦井建設的核心要素是安全生產、綠色發展、智能建設和高效產出，也是世界一流礦井建設的關鍵性評價指標。煤礦百萬噸死亡率為零，千人工傷率控制在1以內，千人職業病發病率控制在2.5以內，安全管理達到國家一級安全生產標準化水平；礦井矸石利用率達60%以上，處置率達100%，廢水、廢氣處理必須達到環保標準排放，實現工業用水全部為礦井復用水，使用后廢水經處理后，再次循環利用；地表綜合治理率達98%以上，基本恢復塌陷區生態原貌；煤礦開采實現智能化多系統協同作業，井下固定崗位變巡視崗位，有效減少井下單班人數，實現無人、少人化生產；結合礦井生產條件，盡量釋放生產潛能，使“單產單進”水平達到最大化。

因此，世界一流礦井建設應以礦井安全生產為前提，實現生產運營一體化、經營管理精細化、技術裝備智慧化、環境治理清潔化和煤炭品牌國際化的管理水平[9-10]。

2 世界一流礦井建設實踐——以大柳塔煤礦為例

大柳塔煤礦是一座現代化生產礦井，地處陜西省神木市，井田面積189.9 km2，煤炭地質儲量23.2億t，可采儲量15.3億t，核定生產能力3 300萬t/a，是神東煤炭集團主力生產礦井[11]。通過對比世界一流示范礦井“安全、綠色、智能、高效”4個基本要素，結合大柳塔煤礦生產實際，礦井安全生產水平持續保持世界一流水平。因此，本文重點闡述“高效、智能、綠色”3個方面建設內容。

2.1 高效礦井建設

2.1.1生產組織模式變革

目前礦井勞動組織為3班制，每班8 h，每日早班檢修4 h，其余時間組織生產。隨著設備可靠性不斷提高，每日組織檢修會大大縮短生產時間。為充分釋放生產時間，建議將勞動組織形式變革為3班制，每班8 h組織生產，每周集中安排一次10 h的檢修。目前設備潤滑是在生產過程中動態進行，設備潤滑均采用集中潤滑方式，由生產班崗位人員來完成。建議利用每周安排的10 h檢修時間，進行設備定期維護和生產準備工作，如更換大型部件、前移采煤工作面巷道設備等。

2.1.2設備及物資管理

當前，國內大部分煤礦井下設備均屬于自主采購，存在設備運維不到位、設備更新換代滯后、大量儲備備件浪費、周轉設備閑置等問題。為此，將設備及物資管理采用輕資產租賃和專業化服務運營模式，對礦井成套的大型設備通過輕資產租賃方式運營，無需儲備備件，如果需要配件，可直接與設備廠家聯系領取。

2.1.3井下采用片區模式管理

當前，全國部分煤礦井下分工是按照專業分工，易造成分工不明確、責任交叉、相互推諉等問題。為此，將井下各隊按照片區劃分，綜采隊負責綜采工作面運輸巷設備列車至回風巷道超前50 m區域的管理，包括安全管理、設備維護、質量管理、環境監測等；掘進隊負責掘進工作面巷道開口以里全部區域的管理，同樣包括安全管理、設備維護、質量管理、環境監測等；輔助區隊負責采掘隊以外大巷和備采面區域的管理。

2.1.4人才隊伍及薪酬待遇

當前，國內大部分煤礦對人才引入與培養不夠重視，尤其部分國企還存在“吃大鍋飯”的問題，工人薪酬在勞動技能、業務水平等方面體現不明顯，容易造成煤礦人才流失。為此，礦井要高薪吸引世界一流人才，礦井工資增幅保持行業領先水平。首先，鼓勵區隊自主經營，按照完全成本預算噸煤單價結算給區隊，月底根據產量結算區隊收入；其次，建立科學合理的薪資分配機制，因事設崗、因崗設人、以崗定薪、易崗易薪，理順分配關系，充分激發員工的積極性、創造性，努力創造經濟效益最大化。結合原工資分配辦法，分配重點向關鍵技術崗位、生產一線崗位和緊缺急需的高層次、高技能人才傾斜[12]。

2.2 智能礦山建設

大柳塔煤礦早在1997年就開始建設井下自動化系統，當前已建成區域煤礦集中控制系統、礦井“一張圖”管理系統和安全監測監控系統。采掘工作面已初步實現初級智能化開采水平，帶式輸送機、變電所、水泵房等固定崗位80%實現無人值守，通信網絡、網絡安全防護水平達到智能化高級水平，大數據分析、云計算數據中心剛剛起步建設。

“采、掘、機、運、通”是一個礦井安全生產系統的核心組成單元，也是衡量礦井先進水平的關鍵性因素。礦井以這5個系統的升級改造為抓手，重點從技術裝備及智能化兩方面對各系統進行優化，全力提升礦井智能化水平。

2.2.1綜采智能化

(1)裝備改造提升。綜采工作面采煤機、刮板輸送機、轉載機、破碎機、液壓支架、泵站應配套為全新裝備或經維修車間系統性維修改造的設備，保證設備在服務期限內可靠運行。且電控系統需要改造成國產電控系統，具備可靠的自動化相關功能，更有利于井下智能化的實施。

(2)設備列車設備集控。綜采工作面設備運行展示畫面如圖1所示，將綜采工作面刮板輸送機、轉載機、破碎機、泵站、移動變壓器、開關、照明信號綜合保護裝置等全部設備實現自動化遠程控制；在帶式輸送機機尾、刮板輸送機機頭轉載點、機尾等關鍵區域增設視頻攝像機，實時監控各區域設備，實現控制臺、帶式輸送機、刮板輸送機崗位工實現“三崗合一”。

圖1 綜采工作面設備運行展示畫面

(3)生產工作面智能化。在采煤機機身安裝采高傳感器、位置傳感器和俯仰搖擺傳感器，分別對煤機滾筒高度、定位、限位、位置修訂、機身傾角、俯仰角和滾動角等全方位進行檢測。借助當前先進的激光三維掃描、自動調直、機器人巡檢和精準人員定位技術，實現采煤機自主行走。截割控制采用人工智能預測算法，實現采煤機自適應截割及高效連續運行。液壓支架自動化是在采煤機機身安裝紅外發射器，液壓支架安裝紅外接收傳感器，當采煤機通過時，可自動識別紅外信號，并以此判斷煤機割煤位置，進而觸發支架自動跟機程序，實現支架自動移架、成組控制護幫板和自動推移刮板輸送機。

2.2.2掘進智能化

(1)裝備改造提升。采煤機電控系統進行國產化改造，方便實現連續采煤機(以下簡稱“連采機”)遠程自主割煤技術。帶式輸送機驅動更換為永磁電機，優化減速機、傳動等結構件，傳動效率高，扭矩大；引進拐彎帶式輸送機，減少帶式輸送機機頭數量，掘進期間出現拐彎時，只需安裝拐彎架即可。購置六臂自動錨桿鉆車，可自動打頂幫錨桿，每班預計可減少錨桿機操作工2人。局部通風機更換為變頻通風機，一臺通風機可供2 000 m距離的通風，可一次性安裝，實現遠程切換通風機和調節風量的功能。掘進工作面及配電點移動變壓器、開關、照明信號綜合保護裝置要求配置智能設備。

(2)設備集控。完善井下配電點、局部通風機和帶式輸送機自動化系統，將全部供電設備實現自動化，并在破碎機處集中控制；部分移動變壓器保護器需要自動化改造，在放集控箱的地方全部加裝UPS后備電源，保證集控箱可靠供電。

(3)智能化建設。連采機智能化開采方案如圖2所示。工作面基于5G基站進行組網，依托5G網絡強大的通信能力，實現工作面多系統融合。加強連采機遠程自動化割煤技術科研攻關。梭車實現遠程監控、無人駕駛、遠程干預功能。給料破碎機控制系統改造，加裝自動識別系統，實現破碎機自動開停。

圖2 連采機智能化開采方案

2.2.3機電智能化

(1)供電系統。變電所全部實現無人值守，對井下中央變電所非防爆柜進行自動化改造，完善各變電所低壓系統自動化控制，保證變電所高低壓設備實現遠程控制。在變電所引進軌道巡檢機器人進行智能巡檢，如圖3所示，實施防越級跳閘項目，保障變電所可靠供電。井下固定的配電點移動變壓器、饋電開關、照明信號綜合保護裝置要求全部配置智能設備，并實現自動化控制。

圖3 變電所軌道巡檢機器人

(2)供排水系統。在水泵房引進智能輪式巡檢機器人，如圖4所示，實現水泵房無人值守，提升泵房運行可靠性。在井下泵房、盤區、巷道口管道安裝壓力、流量和水質監測傳感器，巷道低洼處安裝水位傳感器，中轉水倉全部實現自動排水，并將全部數據接入自動化系統實時監測。

圖4 水泵房智能輪式巡檢機器人

2.2.4運輸智能化

(1)裝備改造提升。將主運輸帶式輸送機托輥批量更換為不銹鋼托輥，壽命可達50 000 h，損壞率小于10%。將滾筒更換為高分子材料包膠滾筒，壽命可達50 000 h。膠帶面更換為防縱撕芳綸帶面，緊急情況下，可通過膠帶卡扣接帶。將現有主運輸電機、減速箱、軸承進行更換，連續運行20 000 h免維護。將配倉帶式輸送機更換為三相永磁同步電動滾筒，功率可達400 kW。巷道帶式輸送機可更換500～1 000 kW永磁同步電動機，壽命可達30 000 h以上，將電機與滾筒融為一體，拋棄了減速器、液力耦合器和聯軸器等機械裝置，負載率在25%～120%范圍內，電機均能保證較高的效率。聯軸器更換為蛇形彈簧聯軸器，20 000 h免維護，并加裝監測設備。對帶式輸送機搭接點處漏煤斗進行改造，采用工廠標準件加工方式，可減少大塊煤對帶面的沖擊，并具有耐磨、防止撕帶等功能。

(2)智能化建設。主運系統帶式輸送機全部實現無人值守和智能調速，系統實現一鍵啟停功能[13]。在主運帶式輸送機引進巡檢機器人，具有環境氣體監測與報警功能，可自動識別設備的表面溫度以及起火、起煙、跑偏、異常聲音等故障狀態。引進托輥發電裝置，可為帶式輸送機機頭、中驅監測設備提供電源和照明。引進帶式輸送機鋼絲帶面監測系統，可實時監測帶面鋼絲的運行狀態，發現異常，可提前進行更換，預防斷帶等事故。引進帶式輸送機溫度及振動在線監測系統，可實時監測帶式輸送機滾筒和減速機軸承溫度、電機繞組溫度、減速機油溫。對現有縱撕傳感器技術升級，盡量降低無人值守帶式輸送機撕帶事故擴大。引進帶式輸送機智能管理系統，將主運帶式輸送機各分散系統進行融合，形成一套帶式輸送機智能化控制與管理系統。建立手持式智能監控終端，方便巡檢人員及時查看無人值守帶式輸送機的運行狀態。帶式輸送機鋼絲繩牽引式巡檢機器人如圖5所示

圖5 帶式輸送機鋼絲繩牽引式巡檢機器人

2.2.5通風智能化

(1)裝備改造提升。將主通風機和局部通風機改造為變頻智能通風機，具備在線監測與診斷、遠程控制和在線變頻調風功能，實現與礦井需風量及瓦斯濃度智能聯動和按需供風。對井下風門風窗進行智能化改造，具有自我感知、聲光報警、自動控制、遠程監測和應急調控功能。

(2)智能化建設。構建智能通風系統，井下風流、濕度、溫度、壓差等監測設備實現實時監測，軟件平臺具備風量測算、風阻計算、三維仿真、在線調風等功能，實現通風系統全面感知與智能控制。

2.3 綠色礦山建設

2.3.1井下綠色開采

為了建設世界一流煤炭生產企業，應積極探索推廣應用新途徑和新方法，優化生產系統，創新節能環保生產模式，強化節能減排管理，強化污染防治，夯實節能減排基礎。大柳塔煤礦建成世界首個分布式地下水庫，通過在水庫壩體上安裝應變、溫度、水位等傳感器，實時監控水庫水文和壓力等數據，保障水庫安全運行，如圖6所示。分布式地下水庫使礦井水經過采空區過濾、沉淀凈化后，一部分供井下生產各環節用水，另一部分通過管路輸送到地面，供沉陷區灌溉復墾和工業廣場澆灌或經過嚴格處理后供給居民區，大柳塔礦分布式地下水庫實現了井下生產污水零升井，年循環利用水量280萬m3，節約外購水費、污水處理和外排費等費用約6 000萬元，實現了礦井水資源良性立體循環[14-16]。

2.3.2廢棄物治理及綜合利用

為了減少煤矸石對環境影響，堅持在煤層掘進巷道，同時利用邊角煤掘進巷道進行煤矸置換，最大程度減少煤矸石產生，原煤矸石優先用于電廠發電再利用，其次進行地表填溝造地和土地復墾，如圖7所示。下一步將用于承擔煤矸石綜合治理和環境保護責任，積極創新實踐采空區矸石填充技術。礦井水達標治理及綜合治理作為安全生產高效示范礦井，積極倡導“綠水青山就是金山銀山”的號召，大膽嘗試礦井水提標治理示范技術，以高于國家標準進行礦井水提標改造，同時全面實施采煤沉陷區生態灌溉、熱電廠、選煤廠礦井水復用多種方式推進礦井水綜合利用[17]。

圖6 大柳塔煤礦分布式地下水庫安全監測

圖7 煤矸石排放治理效果

2.3.3地表生態綜合治理

采后生態系統修復，堅持開發與治理并重的方針，采用“三期三圈”環境治理和生態再造模式，嚴格執行“環境影響評價”“三同時”制度及環境恢復治理保證金制度，噸煤提取0.45元/t費用用于環境治理，經過幾十年的投資和治理，當前治理面積達到29 km2，礦區植被覆蓋率由開發初期的11%提高到65%以上[18-19]，地表生態綜合治理前后對比如圖8所示。

圖8 地表生態綜合治理前后對比

3 未來探索與改進方向

(1)技術裝備支持。先進、可靠的設備和裝備是創建世界一流礦井的核心要求，也是決定創建成敗的關鍵，需要在采掘工作面煤機、液壓支架、破碎機等關鍵設備進行配套優化，在管路抓舉、密閉開槽和巷道清掃等先進裝備引入方面進行探索和努力。

(2)智能化水平提升。當前礦井智能化建設雖有一定成績，但離世界一流礦井建設標準還有很大差距，未來將不斷攻關采煤機煤巖識別、自主掘進、機器人等阻礙智能化建設的關鍵技術難題，有效提升礦井智能化開采水平。

(3)安全環保投入。當前礦井安全環保欠量太多，下一步需充分考慮引入的煤矸石清洗、智能灌溉等設備必須符合環保要求，減少廢水、廢氣、廢渣的排放，并加大對安全環保的投入。

(4)高端人才選聘。高端人才是創建一流礦井的基礎保障，通過高薪選聘“一崗多能”的復合型人才，需在人才選聘、薪酬和晉升上等方面給予政策上的傾斜。

4 結論

(1)本文分析了當前煤炭產業高質量發展背景，闡述了世界一流礦井基本內涵、基本要素，提出了世界一流礦井建設思路，為大柳塔煤礦創建世界一流礦井提供理論基礎。

(2)以大柳塔煤礦為例，對比世界一流礦井建設基本要素，分析當前礦井存在的薄弱環節，分別從高效礦井、智能礦井、綠色礦山3個方面闡述創建內容，提出實現礦井生產運營一體化、經營管理精細化、技術裝備智慧化、環境治理清潔化的新技術、新方法、新途徑。

(3)結合礦井生產實際，提出技術裝備支持、智能化水平提升、安全環保投入、高端人才選聘等方面進行探索與改進方向，為下一步創建工作指明了方向，也為煤炭行業高質量發展提供了寶貴經驗。