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煤炭工業(yè)鏗鏘的智能化之路

        權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，2018年，我國(guó)煤炭消費(fèi)在全球一次能源消費(fèi)中所占比重降至27.2%。2017年以前，煤炭一直占我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)70%和60%以上，2018年下降到69.1%和59%。

        習(xí)近平總書(shū)記強(qiáng)調(diào)指出，我們正在壓縮煤炭比例，但國(guó)情還是以煤為主，在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，甚至從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)講，還是以煤為主的格局，只是比例會(huì)下降，我們對(duì)煤的注意力不要分散。我國(guó)煤炭資源豐富，在發(fā)展新能源、可再生能源的同時(shí)，還要做好煤炭這篇文章。

現(xiàn)場(chǎng)展出的智能化煤炭設(shè)備 記者 董云超 攝

        “我國(guó)大型煤炭企業(yè)采煤機(jī)械化程度由1978年的32.34%提高到2018年的96.1%；全國(guó)煤礦人均生產(chǎn)效率由137噸/年提高到1000噸/年，增長(zhǎng)了6.3倍。全國(guó)煤礦百萬(wàn)噸死亡率由1978年的9.713下降到2018年的0.093，下降99%以上，實(shí)現(xiàn)了煤礦安全形勢(shì)的明顯好轉(zhuǎn)?！睆?qiáng)烈的數(shù)字對(duì)比，不僅吸引了人們的眼球，更振憾了人們的心。

        在近日舉行的第十八屆中國(guó)國(guó)際煤炭采礦技術(shù)交流及設(shè)備展覽會(huì)同期舉行的煤機(jī)裝備發(fā)展現(xiàn)狀與展望論壇上，有關(guān)專(zhuān)家表示，近年來(lái)，煤炭工業(yè)取得的進(jìn)步有目共睹，技術(shù)裝備發(fā)展功不可沒(méi)。

        高站位統(tǒng)籌，謀定煤炭工業(yè)的智能化之路

        煤機(jī)裝備是煤炭工業(yè)的重要支撐，是煤炭科技轉(zhuǎn)化為第一生產(chǎn)力的重要載體，是推動(dòng)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要力量。

會(huì)議通報(bào)，我國(guó)煤礦技術(shù)裝備水平明顯提升，年產(chǎn)1000萬(wàn)噸的綜采設(shè)備、采煤機(jī)、液壓支架和運(yùn)輸機(jī)等成套裝備達(dá)到世界先進(jìn)水平，8.8米超大采高智能綜采工作面成功應(yīng)用。全國(guó)煤礦采煤、掘進(jìn)機(jī)械化程度分別達(dá)到78.5%、60.4%，建成183個(gè)智能化采煤工作面，煤炭生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)由手工作業(yè)向機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化的歷史性跨越。

        “煤炭工業(yè)必須走智能化的發(fā)展道路，將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、智能裝備等與現(xiàn)代煤炭開(kāi)發(fā)利用深度融合，形成全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦開(kāi)拓、采掘（剝）、運(yùn)輸、洗選、安全保障、經(jīng)營(yíng)管理等過(guò)程的智能化運(yùn)行，由勞動(dòng)密集型向人才技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變，發(fā)展成為具有高科技特點(diǎn)的新產(chǎn)業(yè)。”

        中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)、中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)劉峰介紹，2019年9月，中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)和煤炭科學(xué)研究總院聯(lián)合承擔(dān)國(guó)家能源局煤炭行業(yè)研究課題“促進(jìn)煤礦智能化發(fā)展研究”，繼續(xù)對(duì)煤礦智能化的標(biāo)準(zhǔn)體系、技術(shù)與裝備、發(fā)展路線圖等內(nèi)容進(jìn)行深入研究，為后續(xù)制定推進(jìn)煤礦智能化具體措施提供建議和支撐。

        為此，中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)制定了三個(gè)階段的發(fā)展目標(biāo)：到2021年，建成多種類(lèi)型、不同模式的智能化示范礦井，初步形成煤炭開(kāi)拓設(shè)計(jì)、地質(zhì)保障、生產(chǎn)等主要環(huán)節(jié)的信息化傳輸、自動(dòng)化運(yùn)行技術(shù)體系，基本實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面減人提效、綜采工作面少人或無(wú)人操作、井下和露天煤礦固定崗位的無(wú)人值守與遠(yuǎn)程監(jiān)控。到2025年，大型煤礦和災(zāi)害嚴(yán)重煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化，形成煤礦智能化建設(shè)技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)開(kāi)拓設(shè)計(jì)、運(yùn)輸、洗選物流等系統(tǒng)的智能化決策和自動(dòng)化協(xié)同運(yùn)行，井下重點(diǎn)崗位機(jī)器人作業(yè)，露天煤礦實(shí)現(xiàn)智能連續(xù)作業(yè)和無(wú)人化運(yùn)輸。到2035年，各類(lèi)煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化，構(gòu)建多產(chǎn)業(yè)鏈、多系統(tǒng)集成的煤礦智能化系統(tǒng)，建成智能感知、智能決策、自動(dòng)執(zhí)行的煤礦智能化體系。對(duì)此，中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)還提出了十大主要任務(wù)：一是加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，科學(xué)謀劃煤礦智能化建設(shè)；二是加強(qiáng)部門(mén)協(xié)同，推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)；三是推進(jìn)科技創(chuàng)新，提高智能化技術(shù)與裝備水平；四是推廣新一代信息技術(shù)應(yīng)用，分級(jí)建設(shè)智能化平臺(tái)；五是探索服務(wù)新模式，持續(xù)延伸產(chǎn)業(yè)鏈。六是加快生產(chǎn)煤礦智能化改造，提升新建煤礦智能化水平是發(fā)揮示范帶動(dòng)作用，建設(shè)智能化示范礦井；八是實(shí)施綠色礦山建設(shè)，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展；九是加強(qiáng)國(guó)際合作，積極參與“一帶一路”建設(shè)；十是加快人才培養(yǎng)，提高人才隊(duì)伍保障能力。

        為了保證任務(wù)順利完成，2019年7月，由國(guó)家能源局、國(guó)家煤監(jiān)局、中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)指導(dǎo)，中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)、中國(guó)煤炭科工集團(tuán)發(fā)起，聯(lián)合大型煤炭生產(chǎn)企業(yè)、高等院校、高技術(shù)企業(yè)等，共27家單位組建成立煤礦智能化創(chuàng)新聯(lián)盟。聯(lián)盟的主要任務(wù)是：以煤礦智能化共性技術(shù)需求為基礎(chǔ)，突破煤礦智能化關(guān)鍵核心技術(shù)，搭建共性技術(shù)研發(fā)平臺(tái)，培育煤礦智能化人才，加快規(guī)劃編制、生態(tài)構(gòu)建、標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)研發(fā)、專(zhuān)利培育、設(shè)備制造、推廣應(yīng)用于和產(chǎn)業(yè)化等進(jìn)程，為行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和科學(xué)發(fā)展提供支撐。

        高科技支撐，構(gòu)建智能化產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系

        劉峰介紹，我國(guó)煤礦智能化技術(shù)發(fā)展的總體目標(biāo)是：以推動(dòng)人工智能技術(shù)與現(xiàn)代煤炭開(kāi)發(fā)利用深度融合為主線，圍繞工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)平臺(tái)、智能裝備和機(jī)器人、煤礦大數(shù)據(jù)三大方向持續(xù)攻關(guān)，從基礎(chǔ)理論、支撐體系、關(guān)鍵技術(shù)、創(chuàng)新應(yīng)用四個(gè)層面構(gòu)筑技術(shù)群和產(chǎn)品群，堅(jiān)持多元合作、跨界聯(lián)合、開(kāi)放共享，構(gòu)建煤礦智能化產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系，促進(jìn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

        “聚焦煤礦智能化前沿科學(xué)問(wèn)題，以煤礦智能化基礎(chǔ)原理、模型和算法為重點(diǎn)，結(jié)合人工智能理論發(fā)展，布局煤礦智能化基礎(chǔ)理論研究，為煤礦智能化持續(xù)發(fā)展與深度應(yīng)用提供強(qiáng)大支持。”劉峰說(shuō)，可以歸納為以下幾點(diǎn)：一是時(shí)空變化條件下的礦井地質(zhì)精準(zhǔn)建模；二是面向礦井復(fù)雜環(huán)境的自適應(yīng)感知，提高智能系統(tǒng)的魯棒性；三是礦山多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合及信息動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，支持礦山復(fù)雜信息處理；四是復(fù)雜條件下采掘設(shè)備群的智能控制；五是面向復(fù)雜礦井環(huán)境的協(xié)同控制與決策理論方法，支持人機(jī)物的虛實(shí)融合與動(dòng)態(tài)調(diào)度。

        國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司副總經(jīng)理李東表示，國(guó)家能源集團(tuán)一直致力于煤礦的高端裝備研發(fā)與應(yīng)用，煤礦數(shù)字化及信息化建設(shè)和推廣，取得了較好的效果——

        在綜采工作面智能化方面，開(kāi)發(fā)了自動(dòng)化工作面集中控制系統(tǒng)，工作面采煤機(jī)、三機(jī)、泵站電控系統(tǒng)全部國(guó)產(chǎn)化改造，統(tǒng)一了接口標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。利用無(wú)線遙控及遠(yuǎn)程干預(yù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制臺(tái)電工、機(jī)頭看護(hù)工、自移機(jī)尾司機(jī)三崗合一，減少生產(chǎn)人員19人，提升了自動(dòng)化工作面生產(chǎn)效率；研發(fā)世界首個(gè)8.8米超大采高煤炭開(kāi)采技術(shù)，2019年9月4日，神東上灣煤礦8.8米智能超大采高工作面12401順利貫通，安全回采1853天，并創(chuàng)造了單個(gè)工作面最高日產(chǎn)5.84萬(wàn)噸、最高月產(chǎn)146萬(wàn)噸的新紀(jì)錄。

        在主運(yùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化方面，研發(fā)成功首套5400米連采后配套長(zhǎng)距離可伸縮膠帶機(jī)，主運(yùn)系統(tǒng)全部實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制，部分實(shí)現(xiàn)一鍵順序啟停，通過(guò)八大保護(hù)系統(tǒng)智能化，實(shí)現(xiàn)主運(yùn)系統(tǒng)有人巡視、無(wú)人值守。

        在輔助運(yùn)輸系統(tǒng)智能化方面，在大柳塔、錦界等12個(gè)煤礦投入使用防爆電動(dòng)車(chē)210臺(tái)，降低了車(chē)輛尾氣排放量，改善了井下工作環(huán)境；通過(guò)車(chē)輛智能綜合調(diào)度管理系統(tǒng)和智能終端，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛信息管理、用車(chē)管理、車(chē)輛定位測(cè)速、車(chē)輛智能調(diào)度、費(fèi)用核算、異常報(bào)警、輔助考核等七大功能，輔助運(yùn)輸管理效率顯著提高。

        在生產(chǎn)輔助系統(tǒng)智能化方面，礦井井下供電、通風(fēng)、排水等，地面主通風(fēng)機(jī)、供電、壓風(fēng)、供暖等生產(chǎn)輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可視化遠(yuǎn)程集中控制+有人巡視+無(wú)人值守，系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。

        在監(jiān)控平臺(tái)自主化方面，自主研發(fā)了一套煤礦綜合智能一體化生產(chǎn)控制及生產(chǎn)執(zhí)行軟件平臺(tái)，打破了國(guó)外軟件的行業(yè)壟斷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤炭生產(chǎn)“人、機(jī)、環(huán)、管”全面監(jiān)控，為煤礦安全生產(chǎn)及管理決策提供了強(qiáng)大的自動(dòng)化、信息化基礎(chǔ)保障。

        在信息傳輸高速化方面，構(gòu)建礦用萬(wàn)兆寬帶信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，搭建了井下“信息高速公路”，實(shí)現(xiàn)人員定位、4G通信、IP廣播、視頻監(jiān)控系統(tǒng)多網(wǎng)合一，數(shù)據(jù)高速傳輸；人員及車(chē)輛采用先進(jìn)無(wú)線技術(shù)精確定位，信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；應(yīng)用通4G無(wú)線通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井上下通信及數(shù)據(jù)傳輸高效運(yùn)行。

        王虹表示，近年來(lái)，通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新，我國(guó)重大煤機(jī)裝備水平顯著提高，部分裝備達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先或先進(jìn)水平。

        比如，在煤礦高效快速建井裝備方面，中國(guó)煤炭科工集團(tuán)聯(lián)合研制成功我國(guó)最大的ZFY型系列反井鉆機(jī)，使煤礦風(fēng)井建設(shè)實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化，大幅度提高了施工速度和鑿井安全技術(shù)水平，整體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，顯著提升了我國(guó)深井建設(shè)技術(shù)與裝備水平；針對(duì)斜井沿軸線凍結(jié)鉆孔難題，研制了智能控制鉆孔偏斜的專(zhuān)用斜井凍結(jié)孔鉆機(jī)，鉆孔率偏斜率小于等于4%；研制成功全球首臺(tái)長(zhǎng)距離、大坡度煤礦斜井專(zhuān)用掘進(jìn)機(jī)（TBM），集斜井施工開(kāi)挖、村砌、出渣、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等功能于一體，能夠適應(yīng)軟巖、硬巖和復(fù)合地層等不同復(fù)雜地質(zhì)地貌的開(kāi)挖掘進(jìn)作業(yè)，在神東補(bǔ)連塔煤礦斜井成功應(yīng)用，創(chuàng)造了單月進(jìn)尺639米的紀(jì)錄。

直角轉(zhuǎn)彎重型刮板運(yùn)輸機(jī)

        中國(guó)煤炭科工集團(tuán)聯(lián)合大同煤礦集團(tuán)等15家單位，共同研發(fā)“特厚煤層大采高綜放開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)及裝備”，研發(fā)了世界首套年產(chǎn)千萬(wàn)噸特厚煤層大采高綜放開(kāi)采成套裝備，發(fā)明了大采高綜放開(kāi)采技術(shù)，創(chuàng)立了特厚煤層大采高綜放開(kāi)采圍巖控制與三維放煤理論，放頂煤15米，實(shí)現(xiàn)一次采出20米；研發(fā)薄煤層自動(dòng)化綜采成套裝備，實(shí)現(xiàn)了0.6~1.3米薄煤層工作面無(wú)人化、安全高效開(kāi)采，成果獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，在大同、冀中能源、新汶、平頂山、川煤等68個(gè)煤礦推廣應(yīng)用，并出口到烏克蘭、俄羅斯7個(gè)煤礦；在2017年創(chuàng)造世界首臺(tái)8.8米采高采煤機(jī)的基礎(chǔ)上，研制出9米特厚煤層大功率智能采煤機(jī)，年生產(chǎn)能力達(dá)到1500萬(wàn)噸以上，創(chuàng)采煤機(jī)裝機(jī)功率與開(kāi)采高度的世界之最。

        陽(yáng)煤集團(tuán)加強(qiáng)國(guó)際技術(shù)交流與合作，與德國(guó)布朗公司合作，實(shí)現(xiàn)了“國(guó)際品牌、國(guó)際監(jiān)造、陽(yáng)煤制造”，國(guó)際首創(chuàng)直角轉(zhuǎn)彎重型刮板運(yùn)輸機(jī)，提高工效20%，有力推動(dòng)了煤炭開(kāi)采工藝技術(shù)革命，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，被中煤工業(yè)協(xié)會(huì)評(píng)為2019年技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

        高目標(biāo)引領(lǐng)，突破共性關(guān)鍵技術(shù)

        劉峰強(qiáng)調(diào)，要面向智能礦山建設(shè)的重大需求，突破煤礦智能化共性關(guān)鍵技術(shù)，以智能裝備和機(jī)器人為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)和算法為核心，全面提升礦井感知、數(shù)據(jù)處理、裝備系統(tǒng)、智能控制等能力，形成成熟穩(wěn)定的煤礦智能化技術(shù)體系。

        目前，煤礦行業(yè)亟需攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)包括：一是井下D-GIS透明地質(zhì)技術(shù)；二是井下視頻高效處理及VR技術(shù)；三是井下大容量快速通信技術(shù)；四是開(kāi)采裝備精確定位與導(dǎo)航技術(shù)；五是輔助運(yùn)輸系統(tǒng)連續(xù)化和無(wú)人化技術(shù)；六是智能化無(wú)人快速掘進(jìn)技術(shù)；七是重大危險(xiǎn)源智能感知與預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)；八是高可靠性智能裝備（終端）技術(shù)；九是煤礦機(jī)器人路徑規(guī)劃與長(zhǎng)時(shí)供電技術(shù)；十是露天開(kāi)采無(wú)人化連續(xù)作業(yè)技術(shù)。

        李東表示，智能化發(fā)展還存在很多問(wèn)題，需要業(yè)界共同努力：一是智能礦山規(guī)劃頂層設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步完善和提升，加強(qiáng)融合云計(jì)算、大物流、移動(dòng)智能等新技術(shù)，提升智能化生產(chǎn)方面。二是關(guān)鍵技術(shù)有待突破，無(wú)人工作面發(fā)展緩慢?，F(xiàn)有智能開(kāi)采系統(tǒng)主要針對(duì)開(kāi)采設(shè)備本身，缺乏全面、有效的煤層及地質(zhì)環(huán)境信息，且未與工作面智能控制系統(tǒng)發(fā)生關(guān)聯(lián)，難以實(shí)現(xiàn)工作面智能自適應(yīng)開(kāi)采。三是傳感器檢測(cè)精度不夠，功能不齊全。現(xiàn)有傳感器多為單變量傳感器，單給的信息量不能準(zhǔn)確反映設(shè)備和采場(chǎng)的關(guān)聯(lián)情況。四是基礎(chǔ)裝備的數(shù)字化、智能化水平偏低，特別是對(duì)于移動(dòng)裝備的可靠性水平不高，極大地制約了智能化水平提升。

        劉峰提出，下一步,我國(guó)煤礦企業(yè)要全面啟動(dòng)智能礦山建設(shè)，力爭(zhēng)2021年底前建成并投入運(yùn)行5個(gè)示范礦井，完成20個(gè)一流煤礦智能化工作面建設(shè)，割煤自動(dòng)化率達(dá)到85%以上，設(shè)備開(kāi)機(jī)率達(dá)到85%以上，采煤機(jī)、支架實(shí)行遠(yuǎn)程干預(yù)并常態(tài)化運(yùn)行，生產(chǎn)班每班作業(yè)人員不越過(guò)5人；加強(qiáng)智能掘進(jìn)成套裝備技術(shù)研究，優(yōu)化完善選煤生產(chǎn)系統(tǒng)，優(yōu)化選煤生產(chǎn)管理模式，自主研發(fā)智能礦山應(yīng)用平臺(tái)。

        劉峰表示，我國(guó)智能裝備發(fā)展的終端方向?yàn)椋嚎梢宰孕锌刂圃O(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行自主反饋，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備工作狀態(tài)；可監(jiān)測(cè)周?chē)h(huán)境信息，包括瓦斯等危險(xiǎn)性氣體濃度和環(huán)境濕度、溫度等；可多功能集成，探測(cè)工作對(duì)象狀態(tài)，比如鉆機(jī)工作過(guò)程中可同時(shí)探測(cè)前方煤層構(gòu)造；可通過(guò)開(kāi)放的數(shù)據(jù)接口，聯(lián)網(wǎng)組成智能生產(chǎn)線。充分利用機(jī)械學(xué)、機(jī)器人學(xué)和材料學(xué)等實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能，減少對(duì)傳感器與控制器的依賴(lài)，降低設(shè)備的復(fù)雜性并提高可靠性。新材料技術(shù)的發(fā)展為煤礦裝備輕量化實(shí)現(xiàn)提供了可能，在煤機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮采用高強(qiáng)度新型材料，既減少設(shè)備重量和材料消耗，又保證其強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)裝備健康監(jiān)測(cè),以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式解析運(yùn)行信號(hào)，提取機(jī)械故障特征，基于深度學(xué)習(xí)模型識(shí)別裝備故障，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)下機(jī)械故障信息的智能表征、故障識(shí)別、壽命預(yù)測(cè)和遠(yuǎn)程診斷,將裝備的工作環(huán)境與遠(yuǎn)程診斷的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境趨同起來(lái)，實(shí)現(xiàn)裝備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知和動(dòng)態(tài)分析。

（信息來(lái)源：中國(guó)礦業(yè)網(wǎng)，中林設(shè)計(jì)整理，轉(zhuǎn)載注明出處）