煤礦智能化建設探索與實踐

李志強，李 根

(中國中煤能源集團有限公司，北京市朝陽區，100120)

0 引言

“十三五”以來，煤炭行業按照黨中央、國務院關于深化供給側結構性改革的決策部署，持續推動“上大壓小、增優汰劣”，大力推動煤炭結構調整和轉型升級，各項工作取得顯著成效，行業面貌發生歷史性變化，為煤礦智能化建設創造了良好條件，夯實了加快煤礦智能化建設的物質基礎和思想基礎。

2021年2月，國家發展改革委、應急管理部、國家能源局、國家煤礦安監局、工業和信息化部、財政部、科技部、教育部等八部委聯合印發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，提出我國煤礦智能化建設3個階段性目標：到2021年，建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦；到2025年，大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現智能化；到2035年，各類煤礦基本實現智能化[1]。中煤能源集團圍繞 “安全、高效、綠色、智能”的發展理念，結合實際情況，加強體制機制建設，分類分級推進煤礦智能化工作[2]，積極推進關鍵技術攻關與工程實踐，加快建設中煤特色的全要素智能化煤礦、智慧化礦區，并取得了顯著成效。

1 煤礦智能化建設的必要性

煤炭生產的顯著特征是勞動強度大、工作環境惡劣，尤其是煤礦井下地質條件復雜，瓦斯、沖擊地壓、涌水等安全隱患不確定因素多，因此實施智能化建設尤為重要。隨著新一代信息技術的突飛猛進，部分煤礦企業不斷加大在智能化領域的研究、投入和應用，為整體推進智能化發展提供了參考，積累了經驗。

1.1 煤礦智能化建設是煤炭工業高質量發展的核心技術支撐

在新發展階段，煤炭工業高質量發展之路是一條技術與裝備創新之路、產業變革之路和全面突破之路[3-4]。煤礦智能化建設是將人工智能、工業物聯網、云計算、大數據、機器人、智能裝備等與現代煤炭開發利用深度融合，形成全面感知、實時互聯、分析決策、自主學習、動態預測、協同控制的智能系統，實現煤礦開拓、采掘(剝)、運輸、通風、洗選、安全保障、經營管理等過程的智能化運行，對于提升煤礦安全生產水平、保障煤炭穩定供應具有重要意義[5-6]。

1.2 煤礦智能化建設是實現數字化轉型的新動能

數字化轉型的本質是一場新的工業革命和產業變革，由新一代信息技術驅動，實現生產、運營、管理、銷售和服務等全面數字化，從而推動業務模式重構、管理模式變革、商業模式創新與核心能力提升。

信息技術的進步和相關基礎設施的不斷完善，有望助力煤企真正實現從煤炭“生產者”向“服務者”增值發展的轉變。一些企業致力于搭建以數字化礦山為基礎的產業生態服務系統，積極推動煤炭產業從原煤標準化、功能產品化、產銷在線化、業務網絡化向產業生態化邁進，實現從采掘業的“點”到服務業的“網”的閉環生態，使煤企實現從傳統的“挖煤賣煤”的商品交易到以“服務交付”為主的產業生態運營的戰略轉變，進而希望依托數字化和“觸網”重構煤炭產業生態[7]。

作為煤炭行業數字化轉型的重要內容，煤礦智能化建設不僅是實現少人、無人開采的必要途徑，還將帶動智能化技術裝備、標準、服務等能源服務升級。以煤礦智能化建設為紐帶，加強新一代信息技術與煤炭勘查、設計、建設、開采、洗選、運輸、利用等全產業鏈融合共進[8]，為煤炭現代化轉型升級提供了新動能，帶來了新機遇。

1.3 煤礦智能化建設是保障能源安全的重大舉措

目前我國正大力推動碳達峰、碳中和“30·60”工程，根據預測，2030年前煤炭作為主體能源的地位不可撼動，2030年后煤炭進入戰略儲備能源的通道[9]。煤礦智能化代表著煤炭工業先進生產力的發展方向[10]，可以實現煤炭作為主體能源時期的安全穩定供應，以及戰略儲備能源時期的“一鍵啟動”的能力。全行業應充分認識“雙碳”背景下加快推進煤礦智能化建設面臨的新形勢、新任務和新要求，以煤礦智能化建設為抓手，推動智能化技術與煤炭綠色開發利用深度融合，加快釋放先進優質產能，以更高目標要求推進煤炭綠色低碳轉型和行業高質量發展，切實發揮煤炭的兜底保障作用。

1.4 煤礦智能化建設為煤機裝備制造產業指明發展方向

隨著國家一系列指導文件的出臺，煤機裝備制造產業進一步明確了向“智能、高端、服務、綠色”轉型升級的發展方向：一是立足我國煤炭工業大國地位和基礎地位，堅定走煤機裝備制造國產化、自主化發展道路[11]，同時不斷提升對外開放水平，充分利用國內國外“兩種資源、兩個市場”， 加快國際化拓展；二是把握好智能化開采發展方向，智能化是煤礦綜合機械化發展的一個新的階段，是生產方式和生產力又一次的新革命，高端、智能、安全、可靠的煤機裝備將具有更加廣闊的市場，要不斷對標差距，補足短板，深度融合新工藝、新材料以及大數據、物聯網、人工智能、5G等新技術，生產研制高可靠性、標準化、成套化、模塊化及適應各類工況條件的高端智能裝備；三是推動制造與“產學研用”單位相結合，與重大工程項目相結合，提升煤機裝備制造協同創新、聯動發展和產業示范能力。

2 煤礦智能化建設的初步成效

近年來，國家能源局、國家礦山安全監察局會同有關部門，以及各重點產煤省區和廣大煤炭企業，深入貫徹黨中央、國務院重大決策部署，積極推進新一代信息技術與煤炭產業深度融合，煤礦智能化建設取得積極進展，已成為行業內一項具有高度共識、頗具市場活力、企業積極擁護的創新型工作。

2.1 示范建設大力推進

為了加強示范引領，國家能源局組織遴選了71處國家首批智能化示范建設煤礦，總產能近6億t，計劃投資156億元左右，目前平均投資完成率達62%。據統計，2021年底前，全國已建成687個智能化采掘工作面。

2.2 產學研用融合發展不斷深入

有關團體組織、中央企業聯合成立煤礦智能化創新聯盟、智能化裝備產業聯盟、協同創新中心和實驗室等，跨界合作不斷深入推進。中國煤炭學會、中國煤炭科工集團等27家單位成立了煤礦智能化技術創新聯盟；華為公司與山西省、中國煤炭科工集團分別成立智能礦山創新實驗室；國家能源集團與中國煤炭科工集團聯合成立了智能化協同創新中心；中國煤炭機械工業協會、中國煤礦機械裝備公司等29家單位成立了煤機裝備智能化產業聯盟；中國礦業大學(北京)專門開設了智能采礦工程、應急技術與管理、人工智能、大數據管理與應用這4個本科專業；山東能源集團聯合中國煤炭工業協會在央視發布了全球首套礦用高可靠5G專網系統；煤礦智能化創新聯盟發布《中國煤礦智能化發展報告》《5G+煤礦智能化白皮書》。

2.3 煤礦智能化政策加速完善

(1)完善頂層設計和支持政策。在頂層設計方面，國家能源局等八部委聯合印發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，國家礦山安監局制定了煤礦機器人研發目錄，山東、貴州、山西、內蒙、河南、河北等重點產煤省區先后制定了時間表、路線圖、任務書，以點帶面大力推進煤礦智能化建設[12]。在支持政策方面，對建成的智能化煤礦給予產能置換、礦井產能核增等方面的優先支持；對積極推廣應用井下智能裝備、機器人崗位替代的煤礦，在煤礦安全改造中央預算內投資安排上予以重點支持；將煤礦相關智能化改造納入煤礦安全技術改造范圍，探索研究將相關投入列入安全費用使用范圍。

(2)健全法規制度和標準體系。在法規制度方面，將智能化發展寫入《煤炭法》修訂草案，納入國家煤炭“十四五”規劃，制定了示范煤礦建設、專家庫管理、建設指南、驗收辦法等制度文件，建立了智能化發展協調機制，為智能化發展提供了依據和保障。在標準體系方面，2021年在智能化綜采工作面、煤礦5G通信、煤礦機器人、露天煤礦無人駕駛等多方面啟動了標準制定工作，發布了能源行業標準5項、立項能源行業標準14項，立項中國煤炭工業協會團體標準22項，立項中國煤炭學會團體標準51項，初步搭建了智能化煤礦建設技術標準體系。各省煤礦智能化建設政策文件見表1。

表1 各省煤礦智能化建設政策文件

續表1

3 煤礦智能化建設存在的問題

3.1 基礎理論薄弱、研發滯后

煤礦智能化建設是一項跨學科、跨領域的復雜系統工程，目前的煤礦智能化建設還處于初步發展階段，理論指導和依據仍不完善，還有很多關鍵性的技術問題亟待解決。具體包括井下低功耗、高精度、高可靠傳感器研發；井下綜采設備的精準定位、導航等關鍵技術攻關；井下巷道智能掘進、支護、超前探測、除塵等一體化成套技術與裝備；煤礦物聯網技術與未來通信技術、大數據、云計算等技術的融合發展等。

3.2 相關技術標準和規范不健全

我國煤礦智能化建設起步較晚，相關標準較少，因此煤礦在信息化、智能化設計及建設時，缺乏相關標準的指導與約束，各系統及各設備之間互聯互通性較差，不能全部實現橫向、縱向系統信息共享，未形成具備兼容性、通用性、科學性、先進性的統一集成應用平臺，“信息孤島”現象未得到徹底解決[13-14]。

3.3 核心技術裝備支撐不足

由于煤礦井下地質條件復雜多變，煤礦智能化裝備無法滿足常態化高效生產，主要表現在設備的適應性不強、可靠性與控制精度不高、感知能力不足等方面。還需要不斷地加以研究，提升設備的可靠性，以適應各種條件下的生產。

3.4 與智能化匹配的高端人才匱乏

煤礦智能化建設涉及礦業工程、自動化工程、信息工程、機器人以及人工智能等多學科，迫切需要與之匹配的高端人才。高校人才培養需要周期，企業間成熟人才引進存在壁壘，同時煤炭企業人才培養機制缺少持續性和完整性。因此，缺乏專業人才成為制約煤礦智能化建設和發展的關鍵因素之一。

4 中煤能源集團煤礦智能化建設實踐

中煤能源集團(以下簡稱“中煤集團”)主營業務涉及煤炭生產貿易、煤化工、發電、煤礦建設、煤礦裝備制造以及相關工程技術服務，涵蓋煤炭全產業鏈，肩負保障國家能源安全的重要使命。中煤集團產業現狀如圖1所示。

圖1 中煤能源集團產業現狀

中煤集團現有生產及在建礦井70余座，總產能達到3億噸級規模，分布在全國10多個省區，基本覆蓋了各類復雜地質條件，礦井災害類型多、地理分布散、條件差別大，煤礦智能化建設具有典型示范意義。此外，中煤集團在煤礦設計建設領域處于國內領先地位；在煤機裝備領域，技術水平突出、覆蓋范圍廣泛；在科研攻關方面，中煤能源研究院、中煤裝備研究院、中煤天津地下工程智能研究院等技術創新團隊持續發力。總體來看，中煤集團在煤礦智能化建設中具有產業鏈全面、煤炭資源豐富、深度契合“兩商”發展戰略等優勢，但在智能化頂層設計、人才引進培養、核心技術研發等方面還需要不斷加強完善。

4.1 煤礦智能化建設進展

(1)全面強化保障能力。在組織機構方面，集團公司、二級企業、煤礦通過成立煤礦智能化建設領導小組、組建工作專班等方式專責推進；在政策標準方面陸續制定了出臺《加快煤礦智能化建設指導意見》《煤礦智能化發展專項規劃(2021-2025)》，發布了《智能化煤礦信息基礎設施建設標準》等5項首批企業標準，為煤礦智能化建設提供指導和依據；在資金投入方面，2021年煤礦智能化建設項目252 項，投資32.01億元，2022年投資將超過50億元，保障煤礦智能化建設順利推進；在人才培養方面，大力充實基層隊伍，依托智能化項目實踐，推進智能化培訓常態化，以提供人才支撐。

(2)大力開展科技攻關。啟動實施的煤礦智能化重大科技專項總經費超過9億元，持續開展“首臺、首套、首次”技術裝備的應用探索；成立中煤裝備研究院等專業研發機構，形成“四層三平臺”智能開采自主核心技術架構；持續開展產學研協同創新，發起成立中煤智能化聯盟。

(3)深入推進重點工程建設。全力推進6處國家級、12處省級首批示范煤礦建設，其中門克慶煤礦、姚橋煤礦已通過所在省份組織的驗收；2021年集團公司累計建成41個智能化采煤工作面、220余個智能化輔助生產系統，井下固定崗位全部實現無人值守，形成了各類煤厚條件、地質條件和開采工藝條件下的智能化開采模式；在王家嶺煤礦等8處煤礦自主研發應用了井筒巡檢、輔助接管、智能噴漿等煤礦機器人。

4.2 煤礦智能化建設重點任務

(1)全面推進生產智能化。推動“云大物移智”新一代信息技術與企業生產活動深度融合，開展設備智能物聯、精準控制、智能決策和工業機理優化等智能化建設，構建具備中煤特色的新一代智能生產能力，提升安全、高效、綠色、智能生產水平。計劃到2022年底，集團公司所屬礦井全部實現智能化生產，采煤工作面智能化實現地面集中控制，掘進工作面智能化實現掘進姿態監測、遠程操控，固定崗位實現地面集控，建成15處以上智能化煤礦；到2025年底，集團公司所屬煤礦全面實現智能化，實現井下工作面常態化無(少)人生產，實現井下危險、繁重崗位機器人替代，建成一批“單班百人”礦井，打造中煤集團特色的全要素智能化煤礦、智慧化礦區。協同煤礦智能化建設進程，推進裝備制造產業以智能產品、柔性制造、個性化定制和智能車間為特征的智能制造轉型進程。

“十四五”期間，完成48座智能化井工煤礦建設，其中高級智能化煤礦5座，中級智能化煤礦6座，初級智能化煤礦37座；完成7座智能化露天煤礦建設，其中高級智能化煤礦1座，中級智能化煤礦2座，初級智能化煤礦4座。中煤集團智能化煤礦建設規劃分布如圖2所示。

圖2 中煤集團智能化煤礦建設規劃分布

(2)加快建設“數字中煤”。以工業互聯網平臺建設為總抓手，全面推進管控數字化、生產智能化、業務協同化、產業生態化、數據資產化，為集團公司關鍵業務精準賦能，打造以“一朵工業云、三大技術平臺、四大產業鏈、N個場景化應用”為主要特征的“數字中煤”。開展集團級云數據中心建設，逐步構建工業互聯網平臺，全面加快工業互聯網平臺數據、網絡和信息安全等基礎能力建設。構建業務標準化、標準流程化、流程表單化、表單協同化的跨業務、跨產業、跨企業協同體系，提升應用融合、流程協同、數據共享能力，促進業務高效協同。構建集團公司及各業務板塊的智能生產(制造)能力成熟度模型，在各產業板塊部署完成基于云邊協同的新型智能化典型應用場景，實現跨業務環節數據共享，提升智能化生產水平。導入數據管理成熟度模型，從數據標準、架構、應用、安全、質量等方面，全面優化完善集團數據管理體系，充分挖掘數據資產價值。

(3)持續強化關鍵技術攻關。加強煤礦安全高效綠色開采技術研究。在露天煤礦的開采長遠接續、剝離運距、生態環保，井工煤礦的綠色開采、深部礦井無煤柱充填式開采、深部瓦斯突出煤層井上下立體聯合防控、高承壓水條件安全高效開采，瓦斯抽放關鍵技術、極軟厚煤層煤巷支護技術、老窯采空區復雜條件下安全高效開采技術等方面，力爭取得技術突破。加強煤礦建設關鍵技術研究，重點開展超深立井快速建井技術、立井智能化掘進技術、自動化豎井掘進機關鍵技術裝備、超長斜井凍結施工技術、智能化探掘支錨運一體化技術、地下空間開發利用技術、TBM施工工藝、BIM應用等技術研究，不斷提升競爭優勢。加強煤機裝備高端智能化技術研究，盡快在采掘裝備控制系統開發、關鍵電器件、新型材料替代等方面取得突破，科學制定安全高效、綠色智能成套采掘裝備解決方案，緊跟智能化發展方向，關注顛覆性技術進展[15]。

(4)著力提升自主創新能力。積極推進中煤能源研究院、中煤天津地下工程智能研究院、中煤裝備研究院、中煤煤化工研究院4家研究院建設，打造功能突出、特色鮮明、專業一流的能源央企研究院。持續強化3家國家級和11家省級企業技術中心的創新主體作用，推進煤機裝備、礦建施工等企業院士工作站建設，穩步組建博士后科研工作站。推動創新鏈與產業鏈深度融合，動態發布先進技術成果推廣目錄，有序推廣應用新技術成果，在蒙陜、晉北、東部等地區推進建設一批科技成果轉化與孵化基地。推動開放融通創新，加強與高校、科研院所、各類所有制企業的科技合作，深入推進軍民融合發展，積極用好國際創新資源，以創新共同體、戰略合作、項目聯合體、人才交叉培養等多種方式，有效推動產學研合作發展。精準發揮市場與資金優勢，探索以市場引技術、以資本換技術、產權入股、消化轉化再創新的技術轉化轉移新路徑。

5 結語

目前我國正在大力推進煤礦智能化建設，中煤集團作為唯一全產業鏈煤炭央企，應立足自身實際，充分發揮“兩商”融合全產業鏈的優勢，積極開展煤礦智能化建設，促進煤炭生產、裝備制造、設計研發等業務協同發展，不斷增強核心競爭力，引領并帶動行業綠色低碳轉型與高質量發展。