內蒙古煤礦智能化建設標準研究與實踐

劉道園，趙旭曄

(1.中煤科工集團智能礦山有限公司，山西省太原市，030000；2.內蒙古智能礦山建設專家委員會，內蒙古自治區呼和浩特市，010000)

1 內蒙古煤礦智化能建設標準的編制背景

煤礦智能化作為煤炭工業先進生產力的代表，引領著行業未來的發展方向，不僅是煤炭工業高質量發展的核心技術支撐，也是破解當前煤炭行業發展難題的重要手段。自2016年開始，國家為提倡煤礦智能化建設，國家發展改革委、國家能源局等部門聯合發布了多個指導文件，從2016年4月7日編制的《能源技術革命創新行動計劃(2016-2030年)》[1]到2021年6月5日公布的《煤礦智能化建設指南(2021年版)》[2]，河南、貴州、甘肅、陜西、山西、內蒙、新疆等各地方政府根據地方特點制定并發布了一系列相關標準和規范。

2021年12月7日，國家能源局發布了《智能化示范煤礦驗收管理辦法(試行)》[3]，建立智能化煤礦分類、分級評價體系，明確了智能化煤礦設計、建設、評價、驗收等系列技術規范與標準體系；2022年1月24日，山西省能源局發布了《全省煤礦智能化建設指導手冊》[4]，明確了煤礦智能化建設的目標、內容、技術路徑、實施步驟、投資范圍，規范了智能化煤礦9大系統的技術標準；2020年12月30日，貴州省能源局發布了《貴州省智能煤礦評定辦法(暫行)》[5]，提出了煤礦智能化驗收的標準及辦法；2020年12月21日，山東省發展和改革委員會、山東省教育廳等13個部門聯合發布了《關于加快推進全省煤礦智能化發展的實施意見》[6]，以解決煤礦面臨的災害問題為主，同時強調關注科技創新、人才隊伍建設[7]；2021年3月12日，陜西省發展和改革委員會、陜西省應急管理廳、陜西煤礦安全監察局發布了《陜西省煤礦智能化建設指南(試行)》，提出按照礦井建設條件將全省礦井分為 A、B、C 3類，根據建設條件分類推進；2021年8月，內蒙古能源局等發布了《內蒙古自治區煤礦智能化建設驗收辦法(試行)》和《內蒙古自治區煤礦智能化建設基本要求及評分方法(試行)》，提出了煤礦智能化建設標準及驗收辦法。

在多重政策的推動下，智能礦山建設已進入加速發展期[8]。截至2022年3月，全國智能化采掘工作面超800個，與2020年相比增加65%；全國礦山事故下降46.8%，煤礦百萬噸死亡率創歷史新低[9]。截至2022年8月，部分采煤省煤礦智能化建設情況見表1。

表1 部分采煤省級智能化煤礦建設情況

從表1可看出，在煤礦智能化建設標準的指導下，這些省份均已取得不錯的階段性成果。但政策制定路徑、智能礦山推進程度及政策執行情況，各有側重，例如貴州省側重生產設備全機械化及智能化，山東省則側重解決沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災害。同時，各省煤礦智能化建設及標準推行過程中存在以下共性問題。

(1)煤礦智能化建設成本高，周期長。煤礦智能化建設還未形成系統性建設流程，建設單位的技術能力參差不齊，還處在“摸著石頭過河”階段，且煤炭行業屬于特殊行業，智能化設備成本較高，導致部分效益差的礦井建設智能礦山存在困難。

(2)有些煤礦對智能化建設重視程度不夠，缺乏一定的積極性。部分地區和煤礦片面地認為煤礦智能化建設投入成本高，沒有足夠的技術支撐，建設成果顯現緩慢，又怕承擔失敗的風險，僅僅滿足于在安全生產前提下完成生產任務，故對煤礦智能化建設呈觀望的態度，導致煤礦智能化建設相對滯后。

(3)有些煤礦智能化建設人才短缺，智能化系統存在一定運維困難。由于社會普遍認知中傳統煤礦的形象還難以改變，安全生產成果沒有得到廣泛宣傳，導致煤礦很難吸引高素質、高學歷的人才，而且人才流失較為嚴重，難以支撐煤礦智能化建設以及后期的運維等工作。

(4)有些地方煤礦智能化建設工作不夠細化，執行上有一定困難。部分省份只是圍繞國家發布的《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》[10]印發了本省的智能化標準、規范，并未因地制宜地制定詳細的建設內容以及驗收標準，導致煤炭企業找不到建設內容和方向。

內蒙古自治區一直在積極推動煤礦智能化建設，探索適合全區煤礦智能化建設的標準和指導意見，但適用于所有煤礦智能化建設的標準還不存在，不同條件煤礦的智能化建設路徑也不盡相同。因此，制定能反映內蒙古自治區各煤礦普遍訴求的標準及其實施路徑，最大程度解決煤礦智能化建設及標準推行過程中存在的共性問題至關重要。

2 內蒙古煤礦智能化建設標準編制理念及其原則

目前制約內蒙古全區煤礦智能化發展的主要原因是缺乏高素質的技能型人才[11]，90后員工占比不足10%，00后員工占比不足1%。

因此，內蒙古煤礦智能化建設堅持“以人為本、務實創新”的原則，以自動化、信息化、智能化技術為基礎，以“技術創新”和“服務創新”為手段，以保障員工生命安全、減少員工勞動強度、提升員工幸福感為己任，以實現煤礦減人、提效、增安為目標，為煤炭企業解決用工問題，吸引高素質人才，支撐煤炭企業“數智化”轉型，保障企業經濟高質量發展。

內蒙古煤礦智能化建設標準要遵循“12333煤礦智能化建設理念”，即：1個建設原則、2個堅持、3點注意、3個重點、3個階段，如圖1所示。

圖1 “12333煤礦智能化建設理念”框架

(1)1個建設原則：“以人為本、務實創新”。

(2)2個堅持：一是堅持“整體規劃，分步實施”的建設路徑，依據煤礦現有開采條件、裝備能力、配套設施和業務需求為導向，循序漸進地推進煤礦智能化建設進程；二是堅持煤礦智能化建設水平由初級向高級緩慢迭代，可以小步快跑，但不可跨越式建設。

(3)3點注意：一是注意要從本礦現狀出發，遵循煤礦智能化建設總體標準，一礦一策，設計先行，明確建設目標、建設內容、保障能力及運行措施，規避投資風險；二是注意煤礦智能化建設初期重點建設智能化基礎平臺和提升裝備保障能力，以數據、算力、算法、網絡建設為核心構建自動化、信息化、智能化基礎架構和提升生產裝備能力；三是注意煤礦智能化建設工作應實現整體與局部協同建設。

(4)3個重點：一是井工煤礦智能化重點提升采煤、掘進等重要生產裝備的技術保障能力，通過智能化基礎平臺賦能采煤、掘進、主運、輔運、綜保、安全等子系統向“少人、無人、智能化”升級；二是露天煤礦智能化重點提升采剝裝備技術保障能力，通過智能化基礎平臺賦能采剝、保障、安全等子系統向智能化升級；三是選煤廠智能化重點提升儀器儀表與保護裝置的技術保障能力，支撐生產工藝環節的自動化，通過智能化基礎平臺賦能整體工藝流程，推動選煤廠從自動化向智能化升級。

(5)3個階段：第1階段為2021-2022年，業務上解決“有和無”的問題，技術上解決“連不連”的問題。煤礦完善相應的生產、安全、經營子系統，通過智能化基礎平臺把各子系統的數據“縱到底的連通”；第2階段為2022-2023年，業務上解決“用不用”的問題，技術上解決“通不通”的問題。要真正把已建設的智能化基礎平臺和各子系統用起來，通過智能化基礎平臺把各子系統的業務“橫到邊的打通”；第3階段為2023-2025年，業務上解決“好不好”的問題，技術上解決“動不動”的問題。以業務為導向，在使用過程中找問題，進行升級改造，以“橫到邊、縱到底”為基礎、以“數據高內聚、業務低耦合”為系統架構原則，進一步實現智能化賦能，讓各子系統形成“聯動”。最終支撐全礦形成智能化雛形，進而實現真正的減人、增安、提效的目標。

3 內蒙古煤礦智能化建設標準設計

內蒙古煤礦智能化標準具體包括智能化基礎平臺標準、智能井工煤礦標準、智能露天煤礦標準和智能選煤廠標準，其核心內容如圖2所示。

圖2 智能礦山技術整體框架

3.1 智能化基礎平臺標準設計

“智能化”是將信息化技術、自動化技術和智能化技術(AI、5G、Mems等技術)相互融合產生的“技術驅動力”，即基于數據、算力、算法，結合技術創新和服務創新的手段，通過網絡對生產工具和企業經營賦能，推動生產工具由自動化向智能化升級，企業經營由人為憑經驗決策向智能化系統提供輔助決策轉變。所以智能化基礎平臺(即：智能化運算平臺、智能化煤礦信息基礎設施)以數據、算力、算法、網絡建設為核心構建全礦井智能化基礎架構，適用于井工煤礦、露天煤礦和選煤廠，為其智能化提供基礎技術支撐能力。

3.1.1 智能化運算平臺

智能化運算平臺為煤礦智能化提供數據、算力、算法支撐，解決當前煤礦存在算力資源失衡、數據管理混亂、算法缺失等問題。算力資源應實現CPU、GPU算力按需彈性配置。數據平臺匯聚煤礦安全、生產、經營類數據，形成數據高內聚、業務低耦合的架構，具備為第三方應用提供關聯支撐能力。實現人工智能平臺部署，按需為煤礦生產、安全場景提供算法支撐保障能力，同時拓展機器人集群管理及設備遠程健康管理，在此過程中形成煤礦自己的核心數據資產，減少重復投資，助力“數智化”轉型。

3.1.2 智能化煤礦信息基礎設施

煤礦信息基礎設施對有線網絡、無線網絡、綜合自動化及調度系統等方面提出要求。構建以萬兆工業環網、5G無線網絡等網元為基礎的“新型云網架構”，積極推進5G多頻融合組網建設，降低組網成本，滿足數據傳輸及時延需求。關注網絡安全，實現專網與外網、控制網與管理網的隔離與管控。鼓勵煤礦推進4G、5G(多頻)、WiFi、Iot等融合組網，實現煤礦一網管控，鼓勵各煤礦積極進行各類5G業務場景科技創新。對于環境監測類數據、井下人員數據、非標準機電設備監測控制類等數據，采用統一的數據交互標準規范協議，對“采、掘、機、運、通、給/排水”等主要生產環節進行集成、聯動控制[12]。

3.2 智能井工煤礦標準設計

3.2.1 智能掘進系統

掘進工作面煤層賦存條件差異較大，且存在勞動強度高、作業環境差等問題，為了確保掘進作業順利進行，標準要求：巷道掘進應采用掘、支、錨、運過程及輔助作業高效的掘進技術體系，提高全機械化作業的能力。建設遠程集控平臺，實現設備的遠程集中控制。鼓勵煤礦積極探索新型錨網支護材料的應用，攻克自動鋪網、自動安裝錨桿等技術難題。除此以外，應鼓勵煤礦在礦山安全、生產、降低人員勞動強度等方面進行革新。

3.2.2 智能采煤系統

目前采煤智能化技術相對成熟，全自治區大中型煤礦基本完成了智能化升級改造。智能采煤系統應實現采煤、支護、運輸三大系統智能協同作業，通過地面/巷道監控系統對綜采設備的智能監測及遠程集中控制。鼓勵煤礦積極采用遠距離集中供液電、國產慣導等技術；同時，鼓勵煤礦在礦山安全、生產、降低人員勞動強度等方面進行革新。

3.2.3 主運輸系統

煤礦主運輸系統依據不同的運輸方式實現差異化建設，智能化建設重點應關注運輸系統的遠程集控、智能聯動以及無人值守。帶式輸送機應具備完善的監測、保護裝置以及關鍵位置視頻覆蓋，實現集中協同控制和煤流平衡。立井提升系統應具備對箕斗運行狀態和保護裝置的監測監控，實現定量給煤、自動卸載、預警制動等功能。鼓勵積極探索帶式輸送機順煤流啟動技術以及井壁和罐道的淋水、銹蝕、變形、異物等監測功能，同時鼓勵常態化使用巡檢機器人代替人工進行輸送帶巡檢。

3.2.4 輔助運輸系統

煤礦應建設完善的智能輔助運輸系統。軌道運輸應實現機車位置的精準定位、遠程控制、配套設施完備且自動化。無軌膠輪車運輸應實現車輛的精準定位、車輛運行狀態、駕駛員狀態、紅綠燈管控及各類違章行為的實時管控和報警。副立井提升系統應具備完善的保險裝置及自動控制、安全閉鎖、變頻調速、故障診斷、運行狀態在線監測等功能。采用混合運輸情況下，不同運輸方式之間的接駁應實現機械化作業。鼓勵探索無軌膠輪車無人駕駛技術和架空乘人裝置實現水平靜止乘降。

3.2.5 綜合保障系統

綜合保障部分從地質、通風、排水、壓風、供電5個方面提出智能化建設要求。地質保障系統實現地質、工程等數據的數字化動態管理并適時更新，可以滿足生產需求。通風、壓風、排水、供電均應實現無人值守與遠程控制。綜合保障各子系統數據統一匯聚數據平臺，實現數據的共享，為智能聯動控制提供數據支撐。

3.2.6 井工煤礦安全管控系統

煤礦煤層賦存條件不盡相同，因此各煤礦應依據自身條件及災害類型進行差異化的安全管控智能化建設。煤礦按需建設完善災害監測監控系統，實現災害數據的采集、監測、自動上傳及分析，實現本地報警功能，災害數據統一匯聚數據平臺?；跀祿脚_建設并完善災害綜合防治系統，具備雙預控管理機制，實現多種災害監測數據的融合分析與入井人員裝備的互聯互通。

3.2.7 經營管理系統

經營管理系統的智能化建設應從煤礦運營、政府監管層面做出要求。煤礦應建設完善的經營管理系統，實現人、財、物、產、供、銷等方面的精細化管理。應建設完善的礦井智能化管理體制(包括合理的智能化建設規劃、標準的智能化運行規定和作業規程、適宜的智能化考核機制及辦法、專業的智能化運維團隊)，為煤礦智能化建設、運維及迭代升級提供保障。

3.3 智能露天煤礦標準設計

3.3.1 智能采剝

智能采剝部分的智能化要求根據煤礦生產工藝流程進行智能化建設。穿孔設備、單斗挖掘機、破碎站、帶式輸送機、礦用卡車等相關設備均應具備完善的監測、保護裝置，滿足環保、安全相關作業要求，實現遠程控制。對于間斷式或半連續開采工藝的煤礦，鼓勵采用無人駕駛系統，實現常態化無人駕駛編組運行，著力提高運輸效率。

3.3.2 智能保障

露天煤礦智能保障從“地測采”信息管理、爆破管理、輔助設備集中管控及管理體制方面提出要求。煤礦應具備完善的“地測采”管理系統，實現地質數據的一體化、數字化動態管理。排水系統及供配電系統實現遠程控制及無人值守。擁有完善的管理體制以及專業的智能化運維團隊，為智能采剝提供支撐。鼓勵使用機器人代替人工巡檢；鼓勵使用無人機、三維激光掃描儀進行航空測繪，適時更新“地測采”管理系統，實現與生產的聯動，更好地指導生產工作。

3.3.3 露天煤礦安全管控系統

露天煤礦安全管控是各個煤礦均需要重點關注的部分，對邊坡監測、運輸、消防和人員方面提出要求。邊坡監測需對邊坡危險區域進行實時監測和預警。運輸安全要求礦區所有生產和輔助作業的車輛實現精準定位，對運行狀態、駕駛員違章行為進行實時監控，保障運輸安全。消防要求對易發生火災的區域具備完善的火災變量裝置和感溫裝置，實現火災監測、分析和報警功能。基于人工智能平臺，實現智能化的電子門禁、人員定位、考勤、軌跡追蹤、作業時長統計、關鍵崗位脫崗識別、危險區域電子圍欄等功能。

3.4 智能選煤廠標準設計

智能選煤廠對儀器儀表、保護裝置、工藝流程、生產過程智能控制方面提出要求。按需配置完善檢測儀表、保護裝置，實現生產環節監測、控制、人員定位、供配電、計量等全過程的實時感知和自動控制，能夠滿足全過程數據統一匯聚。通過智能化基礎平臺賦能整體工藝流程，實現選煤廠初級智能化要求(智能調節、智能分選、智能計量)。鼓勵機器人的常態化使用(巡檢、撿矸)，鼓勵探索煤質在線監測、智能加藥、提高篩分效率等方面的科技創新，進一步推動選煤廠由自動化向智能化升級。

4 內蒙古煤礦智能化建設標準應用實踐與發展展望

4.1 內蒙古煤礦智能化建設標準的應用實踐

根據前述標準，研究制定了《內蒙古自治區煤礦智能化建設驗收辦法》，自2021年11月2日到2022年6月15日，內蒙古自治區首批90處智能化建設煤礦已經完成驗收，并取得良好的推動效果。

(1)截至目前，全區第一批礦井入井人數平均減少11人，工作面開切眼內工作人員不超過5人，掘進工作面人數不超過8人，在一定程度上實現了煤礦智能化建設減人增效的目標。

(2)推動了煤礦5G網絡建設，完成行業5G 700 MHz與X(2.1、2.6、3.5、4.9等) GHz頻段融合組網，實現5G不同頻段的場景化部署應用，首次打通了全行業內第一個5G VoNR HiFi級別的視頻語音通話，通過TDD與FDD不同幀頻結構混合應用，降低了5G組網成本45%，提高網絡穩定性及傳輸可靠性35%。為井下5G高清視頻通話、采掘、運輸、機電設備運行和“一通三防”等提供了更優質的無線通信保障，為構建礦井智能化應用系統集群、推動煤礦高質量發展奠定堅實基礎。

(3)提高了煤礦開采裝備的保障能力，能夠較大程度上使部分煤礦生產作業勞動力得到解放，降低了工作人員勞動強度，提升了員工幸福感。

4.2 內蒙古煤礦智能化建設發展展望

煤礦智能化建設是一個長期的迭代升級和持續改進的過程，并不是一次達標的驗收工程，目前內蒙古煤礦智能化建設還存在一些問題，需要在推進過程中逐步完善。通過固有標準去規劃智能礦山高級階段不太切合實際，各類自動化、信息化、智能化技術還在不斷進步，在與礦山業務不斷地融合、迭代過程中還會出現更多、更好的技術創新應用和服務創新模式。在未來煤礦智能化建設中，應進行以下積極探索。

(1)積極探索新型智能化技術與煤炭產業的深度融合，通過基于業務需求和技術創新并行驅動的“新型云網架構”(即：云、霧、邊3級彈性算力體系)，實現多種網絡深度融合，云網高度協同，向下支撐萬物互聯、向上支撐業務互通，協同聯動[13]。

(2)積極探索邊緣算力技術，實現邊緣端實時數據分析和智能化處理，提升處理效率，保障智能化終端高效安全運行。

(3)積極探索Mems技術的應用，推動終端傳感設備的智能化升級，構建更靈敏、更多元、更準確的終端數據收集/傳感設備。

(4)積極探索5G和AI技術的應用，推動形成一批實用、適用、好用且多元化的智能終端產品，以真正解決煤礦生產過程中的痛點問題。

(5)積極探索煤礦生產裝備與智能化的深度融合，提升裝備技術水平，打造更多、更好、更可靠的智能化生產裝備。

(6)積極探索智能化礦井與綠色低碳協同發展的新模式。

(7)積極探索智能化礦井與煤炭下游產業以及產需協同和煤炭精加工的新模式、新技術。

(8)積極探索智能化礦井人才隊伍建設及運維保障的新模式、新機制。

5 結論

(1)煤礦智能化建設標準必須與應用實際相結合，即要“接地氣”。在一定時期中、一定程度上、一定范圍內，這些標準能反映絕大多數煤礦訴求，并便于政府部門推動。

(2)內蒙古煤礦智能化建設標準遵循的“12333煤礦智能化建設理念”，推動了全區煤礦向智能化先進生產力方向的發展，突出了“以人為本，務實創新”原則，達到了減人提效的目的，保障了煤礦安全生產，推動了煤炭企業高質量發展。

(3)煤礦智能化建設標準的制定，要做好整體建設規劃，循序漸進。同時要以科技創新、服務創新為手段，尋求適用的、可實現的煤礦智能化建設路徑，逐步實現煤礦智能化建設過程的中、長期發展目標。

(4)煤礦智能化建設是一個長期迭代升級和持續改進的過程。未來需要在新型智能化技術與煤炭產業的深度融合、生產裝備與智能化的深度融合、邊緣端實時數據分析和智能化處理、5G和AI技術在煤礦應用等領域進行不懈探索，助力煤炭行業向“智能、綠色、高效、環保”的可持續性新型煤炭數字化生態轉型。