煤矿智能化建设与发展

煤矿智能化建设与发展

杨璇玉

（山西晋城煤业集团勘察设计院有限公司 山西 晋城）

摘要：煤炭是我国能源的重要组成部分，煤矿智能化建设正处于初级向中高级智能化过渡探索期，现有智能装备自主创新能力尚需加强，井下复杂赋存条件下可靠性问题突出，本文简要阐明了煤炭行业发展现状，回顾了我国煤炭开采技术与装备智能化发展的演进过程，分析了煤炭开采各阶段的生产特征，认为煤矿眢能化彻底改变了煤炭生产方式。煤矿智能化以实现异构网络融合与统一承载为信息基础、智能化装备为核心要素，推进煤矿智能化建设。为了煤矿智能化建设的长期发展，企业还需建立健全煤矿眢能化人才培养体系，培养多学科交叉复合型人才，增强人才储备。

关键词：煤矿智能化；自动化技术；融合  

0引言

煤炭行业作为我国重要的传统能源行业，是我国国民经济的重要组成部分。煤炭行业建设正经历着从机械化、自动化向智能化发展变革，井下复杂赋存条件下可靠性问题突出，现有智能装备自主创新能力尚需加强，推动智能化技术与煤炭行业融合发展，对于促进煤炭行业高质量发展具有重要意义。异构网络的融合与统一是煤矿智能化的信息基础，智能化装备是煤矿智能化的核心要素。夯实基础是第一要务，加强关键核心技术攻关，加快新型基础设施建设，构建煤矿单系统自动化、矿井综台自动化、矿山“一张图”，实现智能感知、智能自控、高速传输、协同管控和智能决策。以“自动化减人迈向智能化无人”为路径，以“数字化、网络化、智能化”为引领，围绕“安全、高效、绿色、智能”企业目标，建设智能化煤矿，最终将实现减员增效的作用，提高生产效率，减少各类事故，由此将带来巨大的经济效益。

1煤矿智能化现状与分析

1.1发展现状

煤矿智能化发展至今，大致可分为以下3个阶段：单机自动化阶段、综合自动化阶段、局部智能化阶段。

电机自动化阶段：20世纪90年代初，典型特征为分类传感技术和二位GIS平台得到应用、单机传输通道得以形成，实现了可编程控制、远程集控运行、报警与闭锁。

综合自动化阶段：21世纪初期，典型特征为综合集成平台与3DGIS数字平台得到应用、高速网络通道形成，实现了初级数据处理、初级系统联动、信息综合发布。

局部智能化阶段：目前，典型特征为BIM（建筑信息模型）、大数据、云计算技术得到应用，实现了局部闭环运行、多个系统联动及专业决策。

1.2国家政策大力支持

从2016年开始，我国对建设煤矿智能化的重视程度逐步加强，并给出了相应的指导意见与建议。2016年《全国矿产资源规划（2016-2020年）》明确提出加快建设数字化、智能化、信息化、自动化矿山；2016年《煤炭工业发展“十三五”规划》要求到2020年建成一批先进高效的智慧煤矿；2017年《安全生产“十三五”规划》要求矿山领域实施“机械化换人，自动化减人”；2018年出台智能化矿山信息系统技术规范，规定智能化矿山信息系统通用技术要求，我国智能化矿山建设已开始真正落地；2019年1月煤矿机器人研发，明确推动煤矿现场作业少人化和无人化；2019年成立煤矿智能化技术创新联盟；2020年3月《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》提出到2021年，建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿，2020年6月对5G通信系统在煤矿井下的应用标准进行规定，《煤炭工业“十四五”高质量发展指导意见》指出建成煤矿智能化采掘工作面1000处以上；。2021年《煤矿智能化建设指南》提出坚持分类建设和分级达标相结合，建立健全煤矿智能化建设、评价、验收与奖惩机制。2023年，山西省政府办公厅印发《全面推进煤矿智能化和煤炭工业互联网平台建设实施方案》，明确煤矿智能化建设目标：2027年，全省各类煤矿基本实现智能化。

1.3煤炭行业转型升级

国民经济步入新常态，煤炭行业处于需求增速放缓、过剩产能和库存消化、环境制约强化、结构调整攻坚“四期并存”的发展阶段，煤炭行业必须紧抓时机变化革命进行转型升级。以5G通信、工业互联网、区块链、新基建等为代表的新一代信息技术与传统煤炭行业融合创新，将对煤炭行业全面提升产业层次、形成产业竞争新优势、提高经营质量起到积极推动作用。同时，智能化矿山建设将推动煤炭行业发展步入新常态，促进其高质量、高效益发展。

 

1.4用工“荒”问题

我国近几年出现了“用工荒”问题，尤其是矿业企业，因其属于事故多发行业，该问题更加显著，随着人口老龄化加剧，加上劳动力结构性失衡，这种情况也会愈发严重，想要解决这个问题就必须要有长期的应对策略。改革开放以来，单纯依靠廉价劳动力成本从事低端加工制造来发展经济的模式已经很难维系企业、乃至整个中国经济的长远发展。只有尽早加快煤炭行业的转型升级，摆脱传统煤炭产业低端发展模式，“用工荒”问题才能得以缓解。

1.5企业自身发展需要

煤炭企业生产面临地质构造复杂、自然灾害多、开采难度大、采煤装备自动化程度低，可靠性差等各种问题。建设智能化矿山，变革煤炭生产方式已成为煤炭行业和企业生存、发展的重大战略需要。智能化矿山建设充分利用新一代信息技术如5G通信、工业互联网、区块链、云计算、人工智能等，将信息技术与工业技术及管理技术高度融合，对煤炭企业自身来说就是一个破茧化蝶的过程。

1.6存在问题

（1）主要技术问题

大系统、多系统兼容协同困难。煤矿智能化是一个复杂的巨系统，由于技术和商务利益等多重因素影响，各子系统设计标准和技术水准参差不齐，智能化煤矿不同系统之间的数据兼容、网络兼容、业务兼容和控制兼容效果不佳，主要表现为数据格式不统一、网络通信协议兼容性差、业务系统兼容性较差、系统间协同控制兼容性差。

机器人可靠性和适应能力不足。煤矿机器人基础共性关键技术存在诸多不足，动力、行走机构、定位、自主感知与决策、精准导航、避障、续航管理以及轻型防爆材料等相关技术尚未突破；现有煤矿机器人智能化程度较低、体型较笨重、灵活性较差，对复杂煤层适应性较差；特殊作业机器人亟待开发。

（2）缺少信息化、智能化专职岗位，运维机构不健全。

目前，各类矿山均很少设置信息化、智能化专职岗位，主要依靠机电部与各厂家进行协调，对智能化技术、设备的熟悉程度不足，缺乏专业的智能化运维队伍，矿山开采各类装备的可靠性较低，软硬件的维护不到位，难以全面发挥智能化技术与装备的效果。

（3）智慧矿山建设人才储备严重不足，缺少高层次技术队伍。

近年来，受矿业发展持续低迷影响，各类矿山的人才储备不足，矿井艰苦的井下作业环境难以吸引高水平专业技术人才，智能化专业技能人才储备严重不足，地方政府、企业的相关激励机制与资金保障不足，制约了智慧矿山建设。

2煤矿智能化建设主要内容

煤矿智能化以实现异构网络融合与统一承载为基础，建设高速高可靠的通信网络，使主干网络不低于10000Mbps，并具备向高带宽平滑演进能力，有钱通、5G和WiF6b等无线通信与工业以太网融合，为煤矿暂能化建设提供了可靠的通信平台；数据中心与智能管控平台的建设，可实现数据的分析、挖掘、融合处理等功能；将有线通讯、无线通信、应急广播、人员定位系统、安全监测监控系统融合，构建工业互联网，实现统一部署。

煤矿智能化装备发展迅速，巷道掘进、支护等工艺流程全部实现机械化作业；应优先采用掘、支、锚、运、破碎一体化成套技术与装备，通过掘进工作面远程集控平台，实现基于感知信息对掘进工作面进行远程集中控制。回采工作面采用资源条件适应型综采技术与装备，液压支架采用电液控制系统，采煤机具备记忆截割、智能调速调高等功能，刮板输送机、转载机采用变频智能调速控制；工作面及煤流运输转载点配置可视化监控系统；优先采用工作面自动找直技术、采煤机自适应截割技术、液压支架智能自适应支护技术、智能综放技术、设备故障诊断与远程运维技术等，实现工作面智能化、少人化开采。主运输系统建设完善的煤炭运输系统，具备运量、带速、温度、跑偏、撕裂等智能监测、预警与保护功能，单条带式输送机实现智能无人运输，多条带式输送机之间应实现智能联动控制。辅助运输系统通过车载智能终端实现车辆精确定位，辅助井下信号灯控制系统、智能调度系统、语音调度系统和地理信息系统，结合工业电视图像矿井人员定位信息，实现车辆监控、指令下达、任务调配、报警管理和应急响应进行辅运车辆、作业人员的全程管控和实时调度，实现无人驾驶。建设完善的综合保障系统，其中，矿井主要通风机具备一键启停以及远程控制功能，井下风门具备基于感知信息的智能开启与关闭，具备瓦斯、风压、风速、风量等智能感知能力，实现通风系统的无人值守与远程集中控制；固定排水作业点实现基于水压、水位的智能抽排，排水系统与水文监测系统实现智能联动，固定排水作业实现远程集中控制，中央水泵房、采区水仓实现无人值守；供电系统具备智能防越级跳闸保护功能，井下中央变电所、采区变电所实现无人值守；重点区域采用移动机器人巡检来进行环境状态感知和设备状态自主监测；综合保障系统各监测数据应接入智能综合管控平台，实现数据的共享及智能联动控制。建设完善的智能安全管控系统。完善的瓦斯智能感知系统，可实现监测数据的自动上传、分析、预测、预警、瓦斯监测数据与通风系统、避灾系统等实现智能联动控制；建设完善的井上下水文智能动态监测系统，并与排水系统、避灾系统等实现智能联动控制；建设完善的顶板灾害在线监测系统，能够基于监测分析结果进行顶板灾害的预测、预警；建立完善的智能灾害综合防治系统，实现多种灾害监测数据的融合分析与智能联动控制；入井人员装备与安全管控系统智能联动，实时采集相关信息。建设完善的智能生产经营管理系统，能够对生产系统与管理系统的数据进行有效融合，通过数据分析与模型构建进行矿井智能排班、排产、生产连续、分选、运输等的智能调度；建立智能决策支持系统，实现市场分析、煤质管理、生产调度管理、材料与设备综合管理、能源消耗管理、综合成本核算等的智能化运行。

煤矿智能化建设由单系统自动化、矿井综台自动化、矿山物联网阶段正式迈入智能的矿山综台管控阶段，实现智能感知、智能自控、高速传输、协同管控和智能决策是智能化发展的必然要求。

3煤矿智能化发展与前景展望

（1）集中控制，综合管控

目前，我国煤炭领域智能化研究起步较晚，近年来呈快速发展趋势。未来，更加深入融合工业物联网、人工智能、大数据等新一代信息技术实现对矿井核心设施进行远程监测和运行。采用统一规范的配置程序，对各类设备、系统进行地面实时、动态的现场参数化，并通过地面辅助中心实现故障的远程诊断，给矿工下达指令，告知矿工进行及时的处置，实现了对企业的所有资源的整合。未来智能矿山将通过各种智能传感设备实现对矿山环境实时变化的多维主动感知，通过网络实现矿山人与人、人与物、物与物的广泛联接，改变传统的煤矿安全生产方式，并实现管控一体化的煤矿生产模式。通过数据采集与分析实现数据驱动决策，通过智能生产管控实现煤炭资源的智能化开采。

（2）设备自动化及多样化

目前，煤矿生产设备结构复杂、体积大，在狭窄的工作面操作困难；其设备可靠性及可兼容性较差，尤其体现在标准、协议、接口等方面。因此，开展企业间的沟通合作，开发高兼容性软件及成套设备，以适应煤矿生产需求。比如，采用基于AI技术的传感器，利用数据分析模块对采煤设备的工作位置进行分析，将采集到的信息录入该模型中进行自动采矿；引入智能化的采矿机器人，逐渐代替人工进行综合作业,，节约了大量的人工资源，并引入先进的超声波技术。与常规检测方法相比，该技术能使操作过程变得简单、减轻工作压力。

（3）企业发展趋势

目前我国尚处煤矿智能化建设的初级阶段，提供智能矿山相关产品及服务的企业较多，而且大多数生产企业规模偏小，真正具备自主研发能力并能够提供较完整解决方案的企业较少。但随着煤矿智能化行业的发展，将逐步出现规模较大、产品质量较好的龙头领军企业，持续进行产业整合以实现集聚，并不断完善自身质量管理体系、增加研发投入以及提升售后服务，最终优化我国智能矿山领域市场的供给结构。

4结束语

煤矿生产作为整个煤炭工业的核心所在，运用物联网、大数据等新一代信息技术对其进行智能化建设，是适应现代工业技术革命发展趋势、保障国家能源安全、实现煤炭工业高质量发展的本质支撑。但是，我国智能化煤矿建设正处于初级阶段，受我国人口老龄化、劳动力不足等因素的影响，煤矿智能化专业技术人才不足，主要表现在：传统管理模式难以适应智能化煤矿、煤矿缺少智能化专业职能部门、智能化煤矿从业人员整体技术水平偏低、智能化人才培养体系不健全、缺少专业化运维团队。故加大智能化煤矿管理人才储备及培养力度，可对煤矿智能化建设及可持续发展起到推动作用。

 

参考文献

[1] 王国法，杜毅博.从煤矿机械化到自动化和智能化的发展与创新实践——纪念《工矿自动化》创刊50周年.2023年.

[2] 山西省能源局关于印发《煤矿智能化建设评定管理办法》的通知.2023年.

 

作者简介

杨璇玉（1996—），女，助理工程师，2019年毕业于太原理工大学电气工程及其自动化专业，现在山西晋城煤业集团勘察设计院有限公司工作。